TBM掘进参数在不同特性花岗岩中的变化规律分析

李金明，刘修义

（1.青岛市市政公用工程质量安全监督站，山东 青岛 266000；2.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）在城市轨道交通领域凭借其安全、快速、环保等优势，得到了广泛应用［1］。TBM掘进过程中，围岩条件会对其掘进安全与施工效率产生重要影响，除了前期地质勘察所提供的围岩性质外，TBM掘进施工参数也是围岩性质判断的重要依据［2-6］。但由于TBM设备的盾壳、刀盘、刀具与围岩间存在复杂的挤压、摩擦等相互作用，地下围岩条件不断变化，因此掘进参数与围岩性质关系极为复杂［7］。为确保TBM掘进过程平稳、安全，需要根据地质、水文条件的变化不断调整各项参数。

宋克志等［8］依托重庆越江排水隧道工程，利用模糊数学方法，分析了盾构掘进参数与围岩性质的关系。刘泉声等［9］总结了国内外TBM性能预测模型，给出了TBM掘进参数与掘进性能之间的关系。薛亚东等［10］依托引汉济渭引水隧洞施工数据，对场切深指数FPI与地质参数、掘进参数的相关性进行分析，建立TBM隧道的围岩可掘性分级，并验证利用TBM可掘性分级方法进行掘进可以有效降低施工成本和节约工期。刘修义［11］对TBM在花岗岩地层施工中的参数变化规律进行了分析，探究了岩石单轴饱和抗压强度、完整性系数、抗拉强度、弹性模量、泊松比等岩体指标对施工参数的影响。

目前国内外学者针对掘进参数与围岩性质关系开展了大量研究，但是大多针对于山岭隧道或施工距离较短等情况，TBM施工穿越的地层环境较为相近。依托青岛地铁4号线工程特殊地质条件，即内海区间始发井—劲松三路站区间含有微风化花岗岩、构造破碎带、强风化花岗岩等典型特殊岩层，开展不同特性岩层中的掘进参数变化规律研究。

1 工程概况

青岛地铁4号线内海区间始发井—劲松三路站区间右线线路全长5 534 m，途中共穿越5个车站，主要采用双护盾TBM施工，刀盘直径6.3 m。TBM区间洞身范围围岩主要为微风化花岗岩，共穿越14条构造破碎带。TBM区间大里程端存在强风化花岗岩带，长度为216.25 m，围岩等级Ⅴ～Ⅵ级，该段地质条件复杂，洞身范围内较难取出原状岩芯。该工程基岩均为花岗岩，微风化表示岩体结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙，锤击声清脆，难击碎；微风化破碎带表示微风化岩体因构造活动造成发生拉张性或挤压性破碎，在断层两盘相对运动、挤压作用下，使附近的岩石破碎并与多种胶结形成新的填充物，同时因应力带的不均匀分布，断层面附近可能产生派生裂缝，丧失原本的连续性和完整性，表现为岩体破碎，但单块岩石强度相对较高，局部发育有碎裂岩和糜棱岩等构造岩；强风化表示岩体结构大部分被破坏，矿物成分变化显著，风化裂隙发育，岩体破碎结构面间距20～200 mm，碎石用手可折断，用镐可挖，干钻不易钻进。因此，结合工程特点，选取微风化花岗岩、微风化花岗岩破碎带、强风化花岗岩3种不同特性的岩层，并从中选取具有代表性的里程段进行分析，涉及的岩层参数见表1。

表1 岩层参数

2 不同岩层掘进参数变化

2.1 掘进参数选取

在正常施工中，刀盘转速可以准确设定，总推力数值大小虽然受地质环境影响，但可以通过主推油缸液压调整至合理范围，掘进速度和刀盘扭矩是在掘进后，受围岩和渣土作用得到的结果。

为分析双护盾TBM在不同岩层中掘进参数的变化规律，选取TBM在微风化花岗岩150 m、微风化花岗岩破碎带120 m、强风化花岗岩140 m掘进过程中所记录的刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度、总推力4个参数，设备每10 s记录1组数据，去除启动、停机状态非正常数据，利用SPSS软件进行统计分析。

2.2 刀盘转速变化规律

TBM在3种岩层中的掘进刀盘转速变化规律见图1，刀盘转速特征值见表2。从图1、表2可以看出，刀盘转速在微风化花岗岩破碎带中变化快、波动范围大：变化范围4.57～9.00 r/min，平均值6.65 r/min，数据分布均匀。在微风化花岗岩中变化慢、波动范围小：变化范围4.95～8.33 r/min，平均值7.90 r/min，主要变化区间为7.30～8.33 r/min，数据主要分布在平均值附近。在强风化花岗岩中变化幅度中等、数值偏小：变化范围1.59～6.03 r/min，平均值2.79r/min。

表2 不同岩层刀盘转速特征值对比 r/min

图1 不同岩层刀盘转速变化曲线

2.3 刀盘扭矩变化规律

TBM在3种岩层中的掘进刀盘扭矩变化规律见图2，刀盘扭矩特征值见表3。从图2、表3可以看出，刀盘扭矩在微风化花岗岩破碎带中变化范围201.42～999.95 kN·m，平均值662.12 kN·m，数据分布均匀。在微风化花岗岩中波动范围大，整体数值较大：变化范围199.99～1 489.58 kN·m，平均值780.52 kN·m。在强风化花岗岩中数值相对稳定：变化范围250.55～999.74 kN·m，平均值556.74 kN·m。

表3 不同岩层刀盘扭矩特征值对比 kN·m

图2 不同岩层刀盘扭矩变化曲线

2.4 掘进速度变化规律

TBM在3种岩层中的掘进速度变化规律见图3，掘进速度特征值见表4。从图3、表4可以看出，掘进速度在微风化花岗岩破碎带中波动范围大，整体数值较大：变化范围16～70 mm/min，平均值44.41 mm/min，数据分布均匀。在微风化花岗岩中数值相对稳定，整体数值较小：变化范围10～59 mm/min，平均值23.30 mm/min。在强风化花岗岩中变化范围20～70 mm/min，平均值37.22 mm/min。

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表4 不同岩层掘进速度特征值对比 mm/min

2.5 总推力变化规律

TBM在3种岩层中掘进总推力的变化规律见图4，总推力特征值见表5。从图4、表5可以看出，总推力在破微风化花岗岩碎带中波动范围大，频率快：变化范围3 001.68～9 994.04 kN，平均值5 659.80 kN。在微风化花岗岩中数值相对稳定，整体数值较大：变化范围7 018.43～11 994.65 kN，平均值10 775.77 kN。在强风化花岗岩中分段变化，整体数值较小：变化范围2 501.07～6 497.39 kN，平均值3 704.63 kN。

图4 不同岩层总推力变化曲线

表5 不同岩层总推力特征值对比 kN

3 掘进参数间相关性分析

分析以上图表，刀盘扭矩在3种岩层中差异较小，刀盘转速、掘进速度和总推力则随岩层变化特征变化明显，考虑到掘进速度同时受刀盘转速、总推力2个主动调节参数影响，在分析时加入贯入度参数（贯入度=掘进速度/刀盘转速），即刀盘每旋转1周的掘进距离，以反映总推力对掘进速度的单因素影响。通过软件计算5个参数间的Pearson相关系数（见表6—表8）。

结合表6—表8数据可知，3种岩层中，5个参数间均存在极显著的相关性。分析数据可发现以下特征：

表6 微风化花岗岩破碎带掘进参数Pearson相关系数统计

表8 强风化花岗岩掘进参数Pearson相关系数统计

（1）刀盘扭矩和掘进速度均表现出极显著的正相关性，且微风化花岗岩中相关性明显强于其他岩层，分析原因可能是较快的掘进速度造成了较多的石渣量，增加了刀盘旋转的负载。围岩越均质、稳定，围岩对扭矩的影响越小，刀盘扭矩和掘进速度的相关性越强。

表7 微风化花岗岩掘进参数Pearson相关系数统计

（2）刀盘扭矩和总推力表现出极显著的正相关性，且微风化花岗岩中相关性明显弱于其他岩层，分析原因可能是在破碎带及强风化岩层中，刀具、刀盘与岩面间存在一定的滑动摩擦关系，增加作用力会增加其摩擦阻力，而在坚硬稳定围岩中，主要为滚动摩擦。

（3）总推力和刀盘转速表现出极显著的正相关性，且强风化花岗岩中相关性明显强于其他岩层。为保证掘进过程中围岩稳定，软弱围岩中总推力和刀盘转速均需严格控制，围岩越不稳定，总推力和刀盘转速数值越低，围岩变稳定则2数值可同时提升，所以不良地质中常见同升同降的情况。

（4）总推力和贯入度呈极显著的负相关关系，且微风化花岗岩中相关性明显弱于其他岩层。原因是即使在同一类岩层中，岩石的力学特性也在不断变化，硬岩强度高、完整性好，则较难掘进，需要提高总推力来保持贯入度；而岩石强度低、易破碎，则较易掘进，在较低的总推力下即可保持正常的贯入度，这时反而要降低推力，以求围岩稳定。表中的相关性仅是对2个参数在统计学上的分析，未考虑岩石力学特性持续变化的复合影响，所以与相同地质条件下的正相关性并不矛盾。

（5）贯入度和掘进速度呈极显著的正相关关系，且微风化花岗岩中相关性明显强于其他岩层，达到0.996。由于贯入度本就是掘进速度的一个乘数，相关性的差异反映了刀盘转速的变化特征，微风化花岗岩转速最稳定，强风化花岗岩转速波动比率更大。

在施工过程中，刀盘扭矩属于被动参数，需要注意的是，当刀盘扭矩出现较大或频繁波动时，刀盘前方渣土量或者接触面岩体特性可能产生的变化，具有一定的示警性。

4 部分掘进参数相关性回归拟合

在实际施工中，掘进速度是关注度较高的参数，根据以上分析，总推力、刀盘扭矩和掘进速度相关性较强，故选用总推力（TF）、刀盘扭矩（T）、掘进速度（PR）进行回归拟合分析，针对3种岩层统计不同线性模型拟合的R2值结果见表9。

表9 针对3种岩层统计不同线性模型拟合的R2值结果

对比各模型R2值，原则上选取最大的R2值以确保线性拟合匹配度更高，由于二次函数模型与三次函数模型R2值差距极小，为便于参考、使用，除微风化花岗岩的T与PR关系采用幂函数模型外，其余均采用二次函数模型，关系曲线见图5—图10。由此得出3种不同特性岩层中，掘进速度（PR）随总推力（TF）的变化关系（关系式见图5—图7），以及掘进速度（PR）随刀盘扭矩（T）的变化关系（关系式见图8—图10）。

图5 微风化花岗岩破碎带TF与PR关系

图7 强风化花岗岩TF与PR关系

图8 微风化花岗岩破碎带T与PR关系

图10 强风化花岗岩T与PR关系

整合3种岩层中掘进速度（PR）随总推力（TF）的变化拟合曲线见图11，掘进速度（PR）随刀盘扭矩（T）的变化拟合曲线见图12，汇总关系式见表10、表11。

表10 掘进速度（PR）随总推力（TF）变化关系式汇总

表11 掘进速度（PR）随刀盘扭矩（T）变化关系式汇总

分析图11可知，在正常施工的参数变化范围内，在相同总推力下，TBM在微风化花岗岩破碎带的掘进速度更高，且受总推力影响最大；在微风化花岗岩中，掘进速度总体偏小，总推力影响最小，变化平稳。

图6 微风化花岗岩TF与PR关系

图11 TF与PR变化拟合曲线整合

分析图12可知，在正常施工的参数变化范围内，相同的刀盘扭矩下，TBM在微风化花岗岩破碎带的掘进速度更高，在微风化花岗岩中掘进速度最小；在3种岩层中，掘进速度和刀盘扭矩均表现出明显的正相关关系。

图9 微风化花岗岩T与PR关系

图12 T与PR变化拟合曲线整合

对比掘进速度随总推力和刀盘扭矩2种参数变化曲线的R2值可知，在微风化花岗岩破碎带中，总推力对掘进速度的影响明显；而在微风化花岗岩和强风化花岗岩2种相对均质的岩层中，刀盘扭矩对掘进速度的影响明显强于总推力。

5 结论

依托青岛地铁4号线内海区间始发井—劲松三路站工程，探究TBM在不同特性花岗岩掘进过程中的掘进参数变化规律，结论如下：

（1）在微风化花岗岩破碎带掘进的参数变化频率最大，掘进速度最快（变化范围16～70 mm/min，平均值44.41 mm/min）；在微风化花岗岩掘进的参数较为稳定，刀盘转速最快，刀盘扭矩和掘进速度表现出较强的正相关性；在强风化花岗岩掘进的变化幅度与频率均较大，因为围岩强度较低，其转速、总推力与扭矩数值最低，总推力和刀盘转速的正相关性最高。

（2）选取相关性较强的掘进速度与总推力、刀盘扭矩进行回归拟合分析，其中微风化花岗岩的掘进速度与总推力、刀盘扭矩的相关性较强，微风化花岗岩破碎带的掘进速度与总推力、刀盘扭矩则相关性较弱，研究成果可为地质条件相似工程的TBM掘进速度控制提供一些参考。