DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.01.035

长沙地铁典型板岩地层土压平衡盾构掘进参数精细化控制

肖超¹，阳军生¹，褚东升²，王树英¹

 (1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州，510230)

摘要：依托长沙地铁2号线典型板岩地段盾构工程，对盾构总推力和刀盘扭矩计算值与实测值进行对比分析，并对刀盘每转切深和土舱压力进行统计分析，提出典型板岩地层中土压平衡盾构掘进参数的控制值。最后结合地表沉降监测，对参数控制的效果进行评价。研究结果表明：采取理论方法计算板岩地层中盾构总推力和刀盘扭矩时，需对这2个参数进行修正。修正总推力计算值时，修正系数取1.4~1.7；修正刀盘扭矩计算值时，修正系数取0.4~0.5。同时刀盘每转切深应控制在30~40 mm之间；土舱压力应控制在0.09~0.13 MPa之间。基于地表沉降监测，上述盾构掘进参数控制值具有一定的合理性，且效果明显。盾构掘进区域内地表的沉降比较小，基本控制在1.5~4.0 mm。

关键词：板岩；土压平衡盾构；掘进参数；精细化控制；地表沉降

中图分类号：U455.4             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)01-0261-06

Detailed control for shield excavation parameters in typical slate strata of Changsha Metro

XIAO Chao¹, YANG Junsheng¹, CHU Dongsheng², WANG Shuying¹

 (1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. CCCC FHDI Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510230, China)

Abstract: Based on Changsha Metro line 1 EPB shield tunneling project, the measured value and calculated value of total thrust and cutter torque were analyzed, cutter cutting depth per rotation and soil tank pressure were summarized, and then controlled values of EPB shield parameters were ascertained in typical slate area of Changsha Metro consequently. Combined with monitoring of ground surface subsidence, the effect of parameter control was evaluated. The results show that the total thrust correction item of calculated value must be kept in the region of 1.4-1.7, and the cutter torque ranges from 0.4 to 0.5. The cutting depth per rotation should be controlled between 30 mm and 40 mm at the same time, and the soil tank pressure is between 0.09 MPa and 0.13 MPa. According to the monitoring results of ground surface settlement, the controlled parameters have a relatively rational and obvious effect. The ground surface settlement is very small, which is mainly between 1.5 mm and 4.0 mm.

Key words: slate; earth pressure balance shield; shield parameter; detailed control; ground surface settlement

掘进参数的确定是盾构施工一项很重要的工作，在多数情况下掘进参数选取直接控制着掘进区域内地表的沉降。因此，盾构掘进参数的控制和优化对盾构掘进工程顺利完成起着至关重要的作用。由于长沙地铁起步比较晚，在长沙这种多板岩的地区盾构掘进参数的确定还缺少经验，如何合理的控制和优化板岩盾构掘进参数以控制地表的沉降是一个非常值得研究的课题。目前国内外针对硬岩和软土地区盾构机掘进参数的研究比较多。王洪新等^[1]推导了刀盘扭矩的计算公式，并建立了刀盘扭矩与总推力、土舱压力、刀盘转速及推进速度关系。Delisio等^[2]采用场切深指数(FPI)分析评价了硬岩地层中盾构掘进参数。颜波等^[3-5]通过对软土地层盾构掘进参数进行控制，评价分析了掘进区域地表沉降，建(构)筑物稳定性。Wang等^[6]对比了室内试验总推力和模型计算值，并根据试验结果改进了模型。Kim等^[7]研究了盾构开挖过程中的力学行为，讨论了盾构开挖过程中的地表变形和控制问题。本文作者依托长沙地铁2号线工程对土压平衡盾构总推力和刀盘扭矩进行反算，并与现场实测参数值进行对比，对两者进行修正。同时统计分析刀盘每转切深和土舱压力。最后结合掘进参数的效果分析，对长沙地铁典型板岩中盾构掘进参数进行了精确控制。

1  工程概况

长沙地区的板岩主要分布西北面，以湘江为界的大部分河西地区。河西地铁隧道工程主要位于中风化板岩地层中，而位于强风化板岩地层中不多(见图1)。为了分析长沙地区典型板岩区域内主要盾构掘进参数，结合隧道掘进区域地层资料和地质异常分布图分析，选取长沙地铁2号线湘江隧道溁湾镇至橘子洲区间(第80~145环)65环作为典型板岩的分析段，该段主要中风化板岩。其物理力学参数见表1。

长沙地区的板岩主要属于上古生界二叠统板溪群。板溪群不整合于冷家溪群之上，平行不整合于震动纪长安组与富禄组之下，时代归属晚元古代。结构面和地下水作用是影响板岩工程地质特性关键因素。板岩破坏形式随着结构面的变化会不同，破坏形式主要有结构面破坏，剪切破坏和复合破坏。长沙地铁2号线区域内板岩呈灰色、青灰色，板岩内部存在有大量的由黏土矿物组成的层理、片理、裂缝等软弱结构面。崩解特性较强，且崩解指数与风化程度直接相关，程度越高，崩解越强烈，遇水易软化、崩解^[8]。

长沙地铁2号线采用土压平衡盾构(具体参数见表2)。隧道管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，宽度为1.5 m，分布为3个标准管片、2个邻接管片和1个封顶管片。

2  总推力与刀盘扭矩的计算和分析

2.1  总推力

在岩(土)体盾构掘进过程中，盾构机的总推力大致包括6个部分：盾构侧面与周边地层的摩阻力F₁、掘进时正面的阻力F₂、盾尾与管片间的摩阻力F₃、当盾构机切口环凸出于刀盘时应考虑切口环的贯入阻力F₄、在曲线中掘进时应考虑变向阻力F₅和尾随机构的牵引力F₆等^[9-11]。

图1  长沙地铁典型板岩地段地层剖面图

Fig. 1  Stratigraphic section of typical slate in Changsha Metro

表1  掘进区域板岩地层物理力学特性^[8]

Table 1  Physical properties of rock in shield region^[8]

表2  盾构机主要技术参数

Table 2  Main specification of shield machine

由于岩层的存在一定的自稳能力，在岩层的掘进时，盾构机的拱顶、两侧和底部所受的压力均很小，对盾构机的推进影响不大。所以盾构机在不同类型的地层掘进时，影响盾构机总推力的主要是盾构机自重引起的摩擦力F₁₂和盾尾、管片间的摩阻力F₃和盾构推进时正面的阻力F₂，而正面阻力F₂由切削岩体的阻力F₂₁和舱压阻力F₂₂ 2部分组成，计算公式如下：

     (1)

                 (2)

                   (3)

              (4)

式中：n为刀盘上安装滚刀的数量；K_d为岩石的滚压系数；q_u为岩石抗压强度；r_i为滚刀的刃角半径；θ_i为盘形滚刀的半刃角；φ为岩石的自然破碎角；r为滚刀半径；ν为每转切深；D_e为盾构机外径；p_s为盾构机入仓压力；μ_C为盾壳与管片之间的摩擦因数；m_c为每环管片的质量。

采用上述计算公式，计算出长沙地区板岩地层中盾构总推力理论值，计算参数的选取见表3。基于理论计算值与实际值的对比分析，对理论计算值进行了修正，并得出相应的修正系数。

          (5)

式中：F₁为盾构机总推力修正值；F为盾构机总推力理论计算值；γ₁为修正系数。

表3  总推力计算参数

Table 3  Calculation parameters of total thrust

分析长沙地区典型板岩中盾构机总推力实际值、理论值和优化值对比分析图(图2)可知：盾构机总推力的实际值要比理论计算值要大，约大60%。通过对比长沙地区典型板岩盾构机刀盘总推力理论计算值和实际值，提出了适合该地区的影响系数γ的具体数值，取1.4~1.7。理论值修正后，实测值的变化曲线与修正值的变化曲线比较接近，这表明总推力的修正值能较好的指导盾构机掘进时总推力的确定。理论计算值、实际值和修正值都随着深度的增加有增大的趋势。

图2  总推力实测值、理论值与优化值的关系

Fig. 2  Relationship among measured value, calculated value and optimal value of total thrust

2.2  刀盘扭矩

盾构机的刀盘切削岩(土)土体过程中，刀盘会受到刀盘与土体之间的摩擦力、地层抗力、搅拌土体的阻力和刀具受到的摩擦阻力等，这些因素都是形成盾构刀盘扭矩的主要原因。在岩层中盾构机的刀盘切削扭矩主要包含：刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩T₁；刀盘背面与压力舱内的土体摩擦阻力扭矩T₂；刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力T₃；刀具切削时的地层抗力产生的扭矩T₄；刀盘搅拌阻力矩T₅等^[9-10]。而在岩层中盾构掘进时，T₁，T₃和T₄是影响刀盘扭矩的主要因素。考虑到岩层中盾构机的拱顶、两侧和底部所受的压力均很小，刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力(T₃)只受到刀盘自重的影响，土压力对其影响很小。各扭矩的计算公式如下：

             (6)

                   (7)

       (8)

                (9)

式中：K为侧向土压力系数；f为刀盘与土体之间的摩擦因数；γ为土体的重力密度；H为地表到盾构机轴线的垂直距离；η为刀盘开口率；W₁为刀盘的质量；r为刀盘半径；μ₁为刀盘系数；D为盾构机外径；u为盾构机掘进速度；ω为刀盘转速；q_u为岩土体单轴抗压强度。

采用上述计算公式，计算出长沙地区板岩地层中盾构刀盘扭矩理论值，计算参数的选取见表4。并对在长沙地区典型板岩中掘进时刀盘扭矩进行修正。

          (10)

式中：T₁为盾构机总推力修正值；T为盾构机总推力理论计算值；γ₂为修正系数。

表4  刀盘扭矩计算参数

Table 4  Calculation parameters of cutter torque

对比分析长沙地区典型板岩中刀盘扭矩实际值、理论值和优化值(图3)可知：刀盘扭矩的实际值和理论计算值之间存在着一定的差异，板岩地层中板岩的刀盘扭矩的理论值要比实际值要大很多。通过对比长沙地区典型板岩盾构机刀盘扭矩理论计算值和实际值，提出了适合该地区的影响系数γ的具体数值，取0.4~0.5。理论值修正后其变化曲线与实际值变化曲线比较相符。同时理论计算值、实际值和优化值与盾构机顶板的厚度成正比。

图3  刀盘扭矩实际值、理论值与优化值的关系

Fig. 3  Relationship among measured value, calculated value and optimal value of cutter torque

3  刀盘每转切深和土舱压力的统计分析

刀盘的每转切深是影响总推力和刀盘扭矩计算的关键因素，而土舱压力也是影响总推力重要因素。在总推力计算中，刀盘每转切深和土舱压力决定刀盘正面的推力。在扭矩的计算中，它对确定地层抗力产生的扭矩有重要的影响。所以，确定刀盘每转切深和土舱压力对盾构掘进总推力和刀盘扭矩的控制和优化起到关键的作用。刀盘每转切深计算表达式如下：

                 (11)

式中：ν为刀盘的每转切深；u为盾构机掘进速度；ω为刀盘转速。

土舱压力是土压平衡盾构最重要的工作参数之一。盾构掘进时，控制开挖面稳定和地表变形主要是通过控制土舱的支护压力实现的，合理地确定土舱压力对于有效控制地表沉陷与隆起、保证盾构施工安全和连续作业是非常重要的^[12-14]。

通过对典型板岩中刀盘的每转切深和土舱压力进行统计，获得了两者的直方图和描述性统计表，分别如图4和表5所示。由图4和表5可知：在典型板岩地层中刀盘每转切深的离散性不大，但该值偏离均值的程度较大，方差达到了21.130 0；其主要分布在30~40 mm之间，其平均值为33.720 0 mm；其分布曲线为左偏态，且较为平坦。土舱压力的离散性不大，且偏离均值的程度较小；其平均值主要分布在0.09~0.13 MPa之间，其平均值为0.099 0 MPa；其分布曲线为由偏态，且较为平坦。

表5  刀盘每转切深和土舱压力描述性统计

Table 5  Descriptive statistics of cutting depth per rotation and soil pressure

图4  刀盘每转切深和土舱压力直方图

Fig. 4  Histogram of cutting depth per rotation and soil pressure

4  掘进参数效果评价和控制

通过盾构掘进期间地表累计沉降监测果，对上述盾构掘进参数的合理性和可行性进行分析。通过整理地表沉降监测数据后，得出了不同环号管片处地表沉降累值变化曲线，如图5所示。由图5可知：盾构掘进区域内地表的沉降得到了较好的控制，地表沉降控制在1.5~4.0 mm，最大值仅为4.03 mm左右，远低于地表沉降警戒值。采用上述掘进参数在长沙地区典型板岩中进行盾构开挖时，能较好地控制地表累计沉降，保证周围建(构)筑的安全。这表明这些掘进参数具有一定的合理性。

基于总推力与刀盘扭矩计算理论值的修正和刀盘每转切深与土舱压力的统计分析，结合参数效果评价，实现对长沙地区典型板岩中主要盾构掘进参数的精确控制：对于总推力，计算出总推力后，需对理论值其进行修正，修正系数取1.4~1.7；对于刀盘扭矩，计算出理论值后，同样需对其修正，修正系数取0.4~0.5；刀盘每转切深可在30~40 mm之间取值，平均值为33 mm左右；土舱压力可在0.09~0.13 MPa之间进行取值，其平均值控制在0.099 0 MPa。

图5  累计沉降变化曲线

Fig. 5  Curve of ground surface settlement in different shield tunneling regions

5  结论

1) 在长沙典型板岩地段采用理论计算确定土压平衡盾构总推力和刀盘扭矩时，总推力计算值小于实测值，而刀盘扭矩计算值大于实测值。因此需要对这2个参数进行修正。

2) 提出了盾构掘进参数的精确控制范围：总推力修正系数取1.4~1.7；刀盘扭矩修正系数为0.4~0.5；刀盘每转切深应控制在30~40 mm之间；土舱压力控制在0.09~0.13 MPa之间。

3) 盾构掘进区域内地表的沉降得到较好的控制，地表沉降控制在1.5~4.0 mm，最大值仅为4.03 mm左右，远低于地表沉降警戒值。表明主要参数精细化控制后能较好地控制地表累计沉降，保证周围建(构)筑的安全，确定了这些参数的控制值的有效性和合理性。为长沙地区今后地铁隧道施工提供了一定理论依据。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2014-02-13；修回日期：2014-04-09

基金项目(Foundation item)：国家科技支撑计划项目(2012BAK24B02)；国家自然科学青年基金项目(51208516)；湖南省博士生科研创新项目(CX2014B072) (Project(2012BAK24B02) supported by the National Science and Technology Pillar Program; Project(51208516) supported by the National Natural Science Foundation of China for Youths; Project(CX2014B072) supported by Hunan Provincial Innovation Foundation for Postgraduate)

通信作者：肖超，博士研究生，从事城市盾构方面的研究；E-mail: xiaochao317@qq.com