土压平衡盾构机穿越沣河掘进参数研究

王亚萍，樊 普，周东方，周新伟

(中国水利水电第三工程局有限公司，西安 710024)

0 前 言

土压平衡盾构机被应用于大多数城市地铁修建中，其掘进参数通常需要根据掘进段不同的工程地质及水文地质条件设置，掘进参数的合理设置直接影响到隧道工程建设安全性。土压平衡盾构机适用于在黏土地层隧道中掘进，当遇到渗透系数大的富水砂层，特别是穿河段，碴土流塑性差、土层透水性强，掘进过程中易发生喷涌、土仓失稳、地层变形等现象。因此，在穿越富水砂层、穿河段，土压平衡盾构机掘进参数的设置就尤为重要。赵博剑等[1]采用数理统计的方法，分析了深圳地铁11号线典型地段不同地层与掘进参数的关系，给出了6种不同地层的参数控制范围。蒋昌盛等[2]对南昌地铁一号线赣江以东区域富水砂层区，通过刀盘选型、土压和施工参数的合理调整，解决了砂层中掘进速度慢、地表沉降大等问题。潘庆明等[3]经过对掘进参数的优化与分析，得到了盾构在硬岩及地层转换时的参数的合理范围。文佳、汪俊等[4-5]分析了掘进参数与掘进速度的相关性，采用多元线性、BP神经网络建立了不同地层地质条件掘进速度预测模型，并验证了其准确性。路平、郑刚等[6-8]根据现场监测结果，采用模糊统计、可拓风险评估及数值模拟的方法评估了刀盘扭矩、掌子面压力和注浆压力等掘进参数与地层沉降的风险关系，提出了精细化控制施工的建议。李忠超等[9]研究了软黏土中地表沉降与盾构掘进参数关系，给出了此类地层盾构掘进的参数范围。李承辉、王振飞、杨玉龙等[10-12]采用不同理论计算方法计算了泥水盾构穿黄河、富水砂卵石地层的掘进参数，验证了方法的合理性，并利用地层沉降监测结果验证掘进参数的合理性。杨永杰等[13]分析了哈尔滨轨道交通2号线一期工程富水砂层段盾构掘进参数，并采用太沙基理论土压力计算值验证了土压力监测结果的准确性。张细宝等[14]提出了南昌地铁1号线土压平衡盾构穿抚河段掘进参数的控制范围。目前的掘进参数研究大多是针对特殊地质条件的研究分析，对土压平衡盾构机穿河掘进参数研究较少。

西安地铁一号线三期韩非路站～沣河森林公园站区间下穿沣河，地下水位高，渗透性大，碴土具有明显的触变性，与水体无法固结，易发生喷涌、土仓失稳等现象。因此，为防止发生喷涌、土仓失稳，本文对盾构穿沣河段的掘进参数、碴土改良、同步注浆配比进行研究，为盾构安全顺利穿越沣河奠定技术基础。

1 工程概况

西安地铁一号线三期韩非路站～沣河森林公园站区间下穿沣河，结构拱顶距沣河河床最小竖向距离为16.6 m。沣河河宽约220 m，河床最低点高程377.74 m，堤岸高程387.62 m，上游堤防采用混凝土铺筑，河流最大洪水流量1 430 m3/s，河底最低冲刷高程372.52 m。地铁线路与沣河正交，从世纪大道沣河桥北侧经过，盾构区间与沣河平面位置关系见图1。

图1 盾构区间与沣河位置关系

穿越区域盾构拱顶与地表之间主要为中、粗砂层等透水地层，渗透系数为40 m/d，可能与河道存在水力联系。盾构施工过程中如参数控制不当，可能产生冒顶、河水倒灌、涌水等情况，影响盾构施工安全，甚至产生重大安全事故。

2 盾构穿越沣河掘进参数控制

结合地质勘测报告可知，隧道地层土体物理力学参数见表1。

表1 土体力学参数表

2.1 掘进参数理论计算

2.1.1土仓压力

平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键，维持和调整设定的土压力值亦是盾构推进操作中的重要环节，这里面包含着推力、推进速度和排土量的三者相互关系，对盾构掘进和地层变形量的控制起主导作用。土压力计算如下：

Pe1=∑γihi

(1)

公式(1)中：Pe1为盾构机顶部竖向压力，bar；γi为计算深度内各土层容重，g/cm3；hi为计算深度内各土层厚度，m；水的容重取0.98 t/m3，地下水位稳定水位埋深9.0～13.4 m，始发段盾构机中部到地下水位距离1.2～5.6 m；计算得到Pe1=2.76 kPa。

考虑盾构机自重引起土体抗力 后，根据作用力与反作用力关系，可知盾构自重引起土体抗力与盾构底部半圆弧内的反压强度在量值上大小相等。在考虑盾构自重引起土体抗力 后，盾构机底部竖向土压力计算如下：

(2)

qe1=K0Pe1

(3)

qe2=K0Pe2

(4)

公式(2)～(4)中：Pe2为盾构机底部竖向压力，bar；W为盾构机主机重量，t；D为盾构机外径，mm；L为盾构机主机长度，mm； 为盾构掘进土层中静止土压力系数，K0=1-sinφ，由表1中内摩擦角计算得K0=0.47。

通过计算，建议盾构在下穿沣河段掘进的土仓压力为1.30～1.56 bar，但是盾构掘进过程中不能将土压力控制在一个固定值，因此需要结合现场实际盾构掘进监测数据对该数值进行实施动态调整。

2.1.2总推力

掘进总推力是掘进参数的重要指标，总推力取值是否合适，关系着盾构机能否正常掘进，匹配的总推力还有利于刀盘的保护。选取的总推力计算如下：

P=F1+F2=μ(P1+P2)L

(5)

2.1.3扭矩

盾构掘进刀盘扭矩计算如下：

(6)

公式(6)中：T1为刀盘正面的摩阻力矩，kN·m；T2为刀盘背面的摩阻力矩，kN·m。

将各参数代入上述公式中，计算出盾构掘进时顶推力施工控制的理论值为3 868～5 667 kN·m。

2.1.4掘进速度

盾构掘进速度主要受进、出土速率的影响。当进出土速率不协调时，极易出现开挖面土体失稳和地表沉降过大等不良现象。当掘进速度较小时，会造成仓内碴土堆积，使仓内的土压力增大，产生不利压差，盾构对开挖面进行挤压，开挖面处于被动受压状态，产生较大的隆起变形，加大了盾构对土体的扰。根据试验段参数，正常掘进条件下，掘进速度应设定为30～40 mm/min；如盾构正面遇到障碍物和通过软硬不均地层时，掘进速度应根据实际情况降低。

2.1.5刀盘转速

刀盘转速当掘进速度确定后，主要受刀具贯入度影响。刀盘转速计算如下：

N=V/Pe

(7)

公式(7)中：N为刀盘转速，mm/min；V为掘进速度，mm/min；Pe为刀具贯入度，mm/rev。刀具贯入度大，则对地层扰动较大，刀具贯入度控制在15 mm/rev以下，刀盘转速控制在0.9～1.5。

2.1.6 同步注浆参数

(1) 注浆压力

(8)

将各参数代入公式(8)中，计算出盾构掘进时注浆压力施工控制的理论值为0.1～0.2 MPa。

(2) 注浆量计算

同步注浆量经验计算见下式：

(9)

公式(9)中：V为环注浆量，m3；L为环宽，m；D1为开挖直径，m；D2为管片外径，m；K为扩大系数取1.2～1.5。

代入相关数据，可得注浆量V=4.84～6.07 m3。掘进期间按照7 m3注入，根据监测数据等适时调整。根据目前韩森区间掘进参数及上述要求，盾构下穿沣河各掘进参数详见表2。

表2 盾构穿沣河段理论计算掘进参数

2.1.7穿沣河段掘进参数分析

盾构施工中使用数据采集系统记录相关的掘进参数，包括盾构土仓压力、主推力、刀盘扭矩、掘进速度、出土量、注浆量等，部分监测数据见图2～7。

图2 土仓压力

图3 主推力

图4 刀盘扭矩

图5 掘进速度

图6 注浆量

从图2～7可以看出土仓压力在1.2～1.5 bar，主推力在12 400～16 800 kN，随着地层地质条件的变化调整；掘进速度在40～48 mm/min的小幅度调整；刀盘扭矩考虑到掘进速度、贯入度、地层性质，确保高效掘进的情况下，实际在2 400～3 100 kN·m变动；注浆压力为0.2 MPa，在0.2 MPa的注浆压力下，注浆量基本稳定在6.5～6.8 m3，出土量稳定在51～52 m3。理论计算土仓上部压力值为1.3 bar，与实际基本相符；总推力和刀盘扭矩理论计算值与实际监测值比略偏大，其偏差在合理范围内，其余掘进参数基本与理论计算相符，验证了理论计算方法的可靠性。

2.2碴土改良

考虑到盾构掘进区域地层为粒径较大且松散的中砂层，因此需要通道碴土改良调整土仓内土体达到一种流塑性流动状态。泡沫是工程实践中常用的改良剂，它的加入可有效减少砂土的内摩擦角，提高碴土流塑性。而膨润土泥浆可以迅速补充细微颗粒含量，改善碴土级配和和易性，进而提高止水性。因此，对于盾构穿河段选用泡沫与膨润土结合对碴土进行改良。盾构掘进施工中采用泡沫原液浓度为3%，15倍的发泡率，泡沫注入率为10%；采用钠基膨润土泥浆质量比为1∶5，最佳膨化时间为12～20 h，膨润土泥浆与砂土质量比为1∶9。采用钠基膨润土泥浆与泡沫结合对砂土进行改良后，土的渗透性显著降低，内摩擦角减小，黏聚力增大，施工和易性和流动性满足施工要求。

2.3 盾构穿封河段同步注浆控制

下穿沣河段，属于强透水层，需要提前设置试验段，对同步注浆做配合比试验，对于强透水地层和需要有较高早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比或者加入早强剂的方法缩短凝结时间。盾构下穿沣河段，同步注浆采用凝结时间较短的浆液，经过试验获得穿沣河段的同步注浆配比见表3。

表3 同步注浆配比

对比其与正常掘进段同步注浆的配比可以发现，可通过增加胶凝材料水泥，将水泥用量从130 kg/m3调整至180 kg/m3，缩短浆体的凝结时间，满足穿沣河段高透水性地层同步注浆的需求。

3 掘进参数的验证

试验段掘进中并未发生喷涌事件。根据试验段，现场布置地表沉降的监测点中10环处监测点和40环处监测点，随着盾构掘进地层变形的变化规律见图8～9。

图8 10环处监测点地表变形变化规律

图9 40环处监测点地表变形变化规律

由图8～9可以看出地层变形整体上呈现出“变形缓慢-变形较大-变形稳定”的趋势，且10环处最大变形为11.0 mm，40处最大变形为18.6 mm，均未出现预警。由此可见穿沣河段地层变形值，满足CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》、GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》中的要求，因此本文确定的施工参数及其调整方案在控制地表变形方面具有较好效果。

4 结 论

(1) 利用理论计算土压平衡盾构机穿河掘进参数控制地层变形，计算各项参数为土仓压力1.30～1.56 bar，主推力17 455～20 424 kN，刀盘扭矩3 868～5 667 kN·m，掘进速度30～40 mm/min，注浆压力0.1～0.2 MPa，注浆量基本稳定在6～7 m3，出碴量稳定在51～52 m3；通过对比实际掘进中参数的监测值，验证了理论计算参数的正确性，形成了一套可用于土压平衡盾构机穿河掘进参数选用的计算方法，表明该理论计算方法可用于指导类似地质条件下实际掘进参数选用。

(2) 对比正常掘进段和穿沣河段的同步注浆配比，可通过在130～180 kg/m3调整水泥用量，缩短浆体的凝结时间，即可满足穿沣河段高透水性地层同步注浆的需求。

(3) 试验段掘进后，地层变形的监测结果显示最大值为18.6 mm，未达到预警值；且掘进过程中未发生喷涌事件，因此盾构掘进参数满足施工要求。