复合地层泥水盾构掘进参数相关性研究

1. 概述 

  随着我国城市交通业的快速发展，我国大量城市开始兴建地铁，而盾构法因其施工效率高、对地面交通扰动小而广泛应用于地铁施工中。在泥水平衡盾构掘进过程中，合理调整主要的掘进参数对保证隧道的安全高效掘进是十分重要的，不恰当的掘进参数易导致姿态难控制、泥饼、掘进困难等问题。为了确保泥水盾构施工质量，探究盾构掘进过程中主要掘进参数之间的相关性，并构建相应的拟合模型显得非常重要。

  近年来国内大量学者就盾构掘进过程中机器参数之间的相关性做了大量研究。

  杨旸等以南宁轨道交通2号线为工程依托，对富水圆砾地层段和圆砾泥岩复合地层段土压平衡盾构掘进参数进行对比分析并提出圆砾地层土仓压力取值范围的计算方法; 

  田勇坚等以新郑机场至郑州南站城际铁路盾构段隧道施工为背景，针对泥水盾构在黏土地层中刀盘结泥饼问题提出了半舱气压工法，研究了半舱气压法下盾构掘进参数的变化特征；

  于云龙等依托石家庄地铁1号线白留区间隧道工程，基于现场盾构掘进试验，通过对盾构原始掘进参数的二次转换，建立标准推力—标准转矩特征空间，并对传统盾构掘进速率模型进行修正； 

  范文超等以汕头海湾隧道为依托，对区间内掘进参数进行分析，通过优选函数类别和网络结构，建立基于BP神经网络的复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测模型，通过机器参数相关性分析定量预测刀盘转矩、泥水压力等数据。 

  依托南昌轨道交通4号线安丰站—东新站盾构掘进区间隧道，由于泥水盾构隧道在复合地层中的施工较为复杂，本文旨在探究泥水平衡盾构主要掘进参数与不同地层参数之间的关系，确定不同地层条件下合理的掘进参数取值范围，能够为后续盾构掘进工作或者其他相似工况提供数据参考。

2. 工程背景 

  安丰站—东新站盾构区间在西岸下穿淤泥质黏土、粉质黏土、砂砾及强风化、中风化泥质粉砂岩，过江段为中风化泥质粉砂岩，东岸下穿中砂、粗砂、砂砾、中风化泥质粉砂岩，区段工程各地层主要土层参数如表1所示。其中全断面砂层自稳性较差、透水性较强、水压较高，而中风化泥质粉砂岩为典型不透水地层，围岩强度较高、自稳性好。

3. 掘进参数相关性分析 

  用于分析的盾构掘进参数均来自施工现场控制室监测与施工单位台账记录，由于监测数据体系庞大，在参数分析时无法充分地考虑到所有掘进参数，故选取其中起主要影响作用的掘进参数，本节就盾构总推力和掘进速度、刀盘转速和掘进速度、刀盘扭矩和掘进速度以及刀盘扭矩与盾构总推力之间的相关性展开分析。 

3.1 盾构总推力与掘进速度之间的关系 

  盾构在南昌地区掘进时上软下硬地层最具特色，即指的是上部是砂层，下部是中风化泥质粉砂岩，下文统称为上软下硬地层。选取三种典型地层中的掘进参数进行相关性分析，分别为砂砾层、上软下硬地层和中风化泥质粉砂岩地层，以在这三种地层盾构时的现场掘进数据作为分析对象， 得出了总推力与掘进速度的关系表达式，如图1所示。

 

  由图1可见：总推力N与掘进速度u关系可以近似拟合u=-0.02378N+ 64.17208，Ｒ2=0.44359，即盾构总推力增大时，伴随着掘进速度下降的趋势，这是因为盾构过程中遇到复杂的地层条件，岩层厚度的变化及岩体强度变化导致盾构掘进速度随着盾构总推力的增大而减小。

3.2 刀盘转速与掘进速度之间的关系 

  以在这三种地层盾构时的现场掘进数据作为分析对象，绘制出刀盘扭矩与掘进速度关系曲线，如图2所示。

  对图2进行分析可知：刀盘转速均稳定在1.0r/min～1.2r/min之间，说明施工过程中，刀盘转速与刀盘转速线性相关性差，这是因为一般刀盘转速调整范围很小，掘进速度受到盾构设备、出土设备、注浆设备和盾构机操作员水平等因素影响，因此掘进速度更多受客观条件影响。 

3.3 刀盘扭矩与掘进速度之间的关系 

  以在这三种地层盾构时的现场掘进数据作为分析对 象，绘制出刀盘扭矩与掘进速度关系曲线并进行拟合，如图3所示。

  由图3可知：掘进速度u与刀盘扭矩T的关系可拟合u=-0.0079T+53.25292，Ｒ2=0.46438，即刀盘扭矩增大时，伴随着有掘进速度下降的趋势，这是因为在该区间隧道断面存在细砂等摩擦角较大的土层，当刀盘切削隧道周围土体时，刀盘与周围土体摩擦系数增大，盾构掘进时需要克服更大的切削土阻力转矩、刀盘旋转阻力矩和其他附加转矩，从而导致掘进速度降低。 

3.4 刀盘扭矩与盾构总推力 

  以在这三种地层盾构时的现场掘进数据作为分析对象，绘制出刀盘扭矩与盾构总推力关系曲线并进行拟合，如图4所示。

  由图4可知：盾构总推力N与刀盘扭矩T的关系可拟合为N=0.21582T +696.56076，Ｒ2=0.4422，即刀盘扭矩逐渐增大时，伴随着有总推力增大的趋势，出现刀盘扭矩偏大最重要的原因是刀盘结泥饼形成，盾构区段岩体不均匀、岩层强度不均匀，尤其在上软下硬地层中易使刀盘结泥饼形成，进而增加了盾构总推力。

4. 结语 

  以南昌轨道交通4号线过江隧道为工程依托，对盾构掘进过程中机器参数之间的关系进行研究，得到结论如下：

  1) 在盾构掘进过程中，采用线性拟合的分析方法，建立各项掘进参数之间线性关系数学模型，发现不同掘进参数之间存在一定的相关联性，其中掘进速度受盾构总推力和刀盘扭矩的影响，盾构总推力和刀盘扭矩增大时，伴随着有掘进速度下降的趋势，受刀盘结泥饼影响，会出现刀盘扭矩和总推力骤增，盾构推进速度出现较大幅度降低，对于盾构掘进工作来说为不利的工作状态。

  2) 纵使盾构总推力、刀盘扭矩、刀盘转速及掘进速度等掘进参数之间存在一定的相互关系，但由于盾构施工的地层不同，其相关性的显著性也不同，但整体可以反映盾构掘进参数之间的相关性。 

  3) 刀盘转速与掘进速度之间不存在显著的线性相关性。

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知识点：复合地层泥水盾构掘进参数相关性研究