盾构掘进参数特征及其与渣土状态关联性研究.pdf

年 月上第 卷 第 期施工技术（中英文）：国家自然科学基金（）；年度中南大学研究生自主探索创新项目（）作者简介 刘国强，工程师，：收稿日期 盾构掘进参数特征及其与渣土状态关联性研究刘国强，张 斌，朱汉标，王树英，（中铁一局集团有限公司，陕西 西安；中南大学土木工程学院，湖南 长沙；中南大学隧地工程研究中心，湖南 长沙；重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南 长沙）摘要 为了更好地进行盾构精细化控制以及优选渣土改良参数，依托广州地铁 号线二期工程洪圣沙站裕丰围站盾构区间项目，通过对掘进参数的深入剖析以及渣土改良跟踪试验，提出了新的盾构掘进状态评价指标，并探究了渣土改良状态与盾构掘进状态间的关联性。研究结果表明：随着盾构开始掘进，盾构扭矩随推力的增加先不变后增大，最后稳定在一定范围内。将盾构扭矩分为抵抗扭矩和掘进扭矩，盾构推力分为抵抗推力和掘进推力，通过将掘进扭矩除以掘进推力获得刀盘扭矩系数，将掘进推力除以盾构推进速度获得盾构贯入指数。螺旋输送机扭矩与转速呈现一定的线性关系，将螺旋输送机扭矩除以转速获得螺旋输送机扭矩系数。渣土改良能增大渣土塑流性，明显减小螺旋输送机扭矩系数，同时泡沫和水能起到一定润滑作用，使得刀盘扭矩系数减小，但由于刀具破岩效果受渣土改良影响较小，盾构贯入指数变化较小。关键词 盾构；掘进参数；渣土改良；评价指标；坍落度中图分类号 文献标识码 文章编号（），（，；，；，；，）：，施工技术（中英文）第 卷 ：；引言 盾构选型设计往往依据穿越地层的整体情况进行，当遭遇局部复杂多变的地层时，通常需要采取渣土改良的辅助措施来增强盾构的地层适应性。而盾构掘进参数是反映盾构掘进状态好坏的重要指标，探究渣土改良状态与盾构掘进状态之间的关联性，对于指导渣土改良和盾构控制具有重要意义。对于掘进参数的研究包括理论分析、模型预测和数理统计等，然而已有研究中多依据盾构单个掘进参数展开规律性分析，却忽略了各参数间的关联性以及其他因素的影响。例如，盾构扭矩与盾构推力密切相关，盾构推力越大，则刀盘与地层间的摩擦扭矩以及刀具的切削扭矩增大。同时，等指出盾构推力包括盾壳与周围地层的摩阻力、地层水土压力、盾尾与管片间的摩阻力、切口环贯入地层时的阻力以及后接台车的牵引阻力等，而盾构施工中更多关注盾构总推力中的地层水土压力以及切口环贯入阻力的变化，如何消除或减小其他因素带来的影响将决定盾构掘进状态评价的准确性。可见，不同掘进参数间相互关联，且受到多种因素影响，盾构掘进状态评价迫切需要更合适的指标。渣土改良是改善盾构掘进状态的重要手段。而坍落度试验因其操作简单且可以快速判断渣土的整体改良特性，是目前评判渣土改良状态的常用方法。以往研究中，渣土改良最佳坍落度范围通常根据室内试验或工程经验进行确定，并通过盾构常规掘进参数的变化验证改良参数的合理性。然而常规分析中，单一掘进参数的变化并不能充分反映盾构掘进状态的真实变化，则所获得的渣土最佳改良状态不完全准确。且已有研究中，较少研究渣土改良状态与盾构掘进状态间的相关性，盾构最佳掘进状态时的渣土合理改良范围也仍未清晰。因此，本文依托广州地铁 号线二期工程洪圣沙站裕丰围站区间，通过对掘进参数的深入剖析以及现场渣土改良跟踪试验，深入揭示盾构掘进参数的变化规律及参数间的关联性，提出合适的盾构掘进状态评价指标，探究盾构掘进状态与渣土改良间的关联性，提出渣土改良的合理范围，为盾构掘进精细化控制及渣土改良研究提供理论基础。工程概况 广州地铁 号线二期工程洪圣沙站裕丰围站区间（简称洪裕区间）连接珠江两岸，区间盾构隧道采用气垫直排式泥水土压双模盾构进行施工，在具备泥水平衡和土压平衡两种模式的基础上，能实现两种模式的一键切换。研究区段内盾构掘进主要采用土压平衡模式进行施工。盾构刀盘为复合式刀盘（见图），开口率为，开挖直径 ，刀盘面板上布置有 个渣土改良喷口，喷口设计为背装式结构，可实现喷口的快速更换和清理。盾构渣土改良主要采用泡沫剂和水，采用半自动控制模式进行改良剂的施加，渣土改良系统包括 路泡沫管线，均为单泵单路控制管路。图 刀盘结构形式 工程与水文地质条件 洪裕区间盾构段隧道埋深为 ，穿越主要地层为全风化泥质粉砂岩、强风化含砾粗砂岩、中风化含砾粗砂岩和微风化含砾粗砂岩，其中在里程 （）段内穿越狮子洋断裂带，断裂带宽度 ，与区间隧道近垂直相交，地质纵断面如图 所示。盾构段主要地表水体为珠江水，盾构下穿珠江宽度约为。地下水主要为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，地下水埋深在 ，主要靠大气降水和地表水径流进行补给。盾构掘进参数分析及掘进状态评价 盾构推力、扭矩和推进速度等是盾构掘进的基本参数，不仅受到刀盘前方渣土物性及其改良状态的影响，还受到盾构侧面地层摩阻力等因素影响。刘国强等：盾构掘进参数特征及其与渣土状态关联性研究 图 地质纵断面示意 因此，为了更好地评价盾构掘进状态，需要进一步分析掘进参数的变化规律。盾构推力、扭矩和掘进速度分析 如图 所示，以广州地铁 号线二期工程洪裕区间右线 环为例进行分析。盾构开始推进约 的盾构推力增长段如图 所示，盾构开始推进时，随着总推进力的增大，盾构推进速度逐渐增加，推力开始增大到扭矩开始增长的期间，时间持续约 ，通过掘进速度对时间的积分获得盾构前进距离约 ，且盾构平均加速度约为 ，通过加速度与盾构总重的乘积获得提供该加速度所需要的惯性力为 ，因此可以忽略盾构加速度对总推力的影响。当刀盘转速建立后，盾构开始推进，此时推力需要抵抗盾壳与地层的摩阻力、地层主动水土压力、盾尾与管片间的摩阻力以及后接台车的牵引阻力，增加的推力尚未作用于刀盘面板，即刀盘与地层的正面接触力不变，因此该期间盾构扭矩基本不变，而传力机构的微小变形（）使得盾构在此时呈现出一定的速度测量值。当推力进一步增大时，上述阻力无法完全抵抗盾构总推力，则盾构开始前进，刀盘面板开始主动挤压掌子面，刀具切削地层，导致盾构扭矩增大，其增量与盾构推力增量基本成正比，但由于不同刀具切入地层时刻和切入难度不同，导致扭矩和推进速度随推力的增加会呈现一定的波动。而再之后盾构推力、扭矩均在一定值附近波动，盾构进入平稳掘进状态（见图）。盾构总推力可以分为两部分组成，分别定义为抵抗推力与掘进推力，抵抗推力包括盾壳与地层的摩阻力、地层主动水土压力、盾尾与管片间的摩阻力以及后接台车的牵引阻力，其大小主要受盾构埋深和地层属性影响，埋深大（不考虑土拱效应）则主动水土压力和盾壳侧面受到的土压力大，导致抵抗推力较大；掘进推力则定义为除去抵抗推力后，盾构主动作用于掌子面上的力，其大小主要受刀盘刀图 环盾构掘进参数 具结构形式、地层强度、渣土改良状态和设定的推进速度有关。由于盾构掘进过程中刀盘转速保持不变，而贯入度为推进速度与转速的比值，因此推进速度和贯入度的变化趋势相同，可采用盾构推进速度的变化来评价刀盘贯入度的变化。通过将掘进推力除以盾构推进速度，获得盾构产生单位掘进速度（或贯入度）所需要的平均推力值，定义为地层贯入指数，可以评价地层的可贯入属性和渣土改良效果。刀盘扭矩主要包括刀盘与地层间的摩擦扭矩、刀盘侧摩阻力、土仓渣土与刀盘面板间的摩擦扭矩、搅拌棒搅拌扭矩和刀具贯入地层产生的切削扭矩。而刀盘侧摩阻力受地层压力影响，盾构推力增长段地层埋深基本不变，则地层压力基本不变，因此认为刀盘侧摩阻力基本不变。为了平衡开挖面 施工技术（中英文）第 卷土压力，土仓中的渣土在辅助气压的作用下维持恒定的土压力，加上推力增长段掘进距离较短，土仓渣土堆积状态可以认为不变，因此土仓渣土与刀盘面板间的摩擦扭矩以及土仓中搅拌棒搅拌扭矩对扭矩的变化无影响。由此可知，扭矩随着推力的改变是由刀盘与地层间的摩擦扭矩以及刀具贯入地层产生的切削扭矩发生变化导致的。因此，盾构扭矩可分为抵抗扭矩和掘进扭矩，抵抗扭矩包括刀盘侧摩阻力、土仓渣土与刀盘面板间的摩擦扭矩、地层主动土压力产生的摩擦扭矩和搅拌棒搅拌扭矩，其基本不受盾构推力增大的影响，而掘进扭矩为除去抵抗扭矩后随着掘进推力增大而增大的扭矩。通过将掘进扭矩除以掘进推力获得盾构单位掘进推力作用下的盾构平均掘进扭矩值，定义为刀盘扭矩系数，其大小主要取决于地层与刀盘间摩擦扭矩和刀具切削土体的切削扭矩，受到地层刀盘摩擦系数、刀盘刀具结构形式、刀盘尺寸、地层强度和渣土改良状态影响，可以用来评价地层的黏附性、可切削性和渣土改良效果等。螺旋输送机工作状态分析 盾构渣土改良状态与螺旋输送机（简称螺机）工作状态密不可分，因此螺机的工作状态也是评价渣土改良状态的重要指标之一。同样以 环螺机工作状态为例，如图 所示，和 等发现一致，螺机启动段转速与扭矩基本成正比。整环螺机扭矩与转速的关系如图 所示，盾构掘进中由于出渣停止等因素影响，螺机需要多次停止旋转再启动。但螺机转速的对扭矩的影响具有一定的相似性，即螺机扭矩与螺机转速呈现一定的正比关系。因此，可通过将螺机扭矩除以对应的转速，获得产生单位螺机转速所需要的平均螺机扭矩增量，定义为螺机扭矩系数。然而，螺机前后部压力差及其渣土填充率会导致螺机扭矩产生一定的偏差，但可以通过适当处理以减小偏差，如取盾构渣车满斗需要换斗导致盾构停机再启动段或者螺机转速较大段进行分析，此时螺机通常具有稳定的前后部压力差及填充率。螺机扭矩系数与渣土状态密切相关，可以用于评价盾构渣土改良状态以及地层属性。由图 可见，地层贯入指数、刀盘扭矩系数以及螺机扭矩系数是评价盾构掘进状态的重要指标。为获得单环盾构掘进状态的代表值，首先应通过盾构启动时的推力增长段获得盾构抵抗推力和抵抗扭矩，再获得盾构稳定掘进时各时刻的地层贯入指数、刀盘扭矩系数以及螺机扭矩系数，然后分别取其平均值作为该环盾构掘进状态代表值。图 螺机出渣状态分析 渣土改良跟踪试验及掘进状态分析 试验段渣土改良跟踪试验 取广州地铁 号线二期工程洪裕区间右线第 环为试验段，根据地勘报告，在 环穿越地层主要为中风化含砾粗砂岩，地层渗透性较小，黏粒含量较少（见图），有较小结泥饼和喷涌风险，因此渣土改良的主要目的为改善渣土塑流性，渣土塑流性与地层初始状态和渣土改良效果有关，而坍落度是反映渣土改良效果的重要手段，因此，开展渣土改良跟踪试验，并探究渣土改良效果与盾构掘进状态间的关联性。针对盾构渣土改良状态，每隔一定环数开展一次渣土改良跟踪试验，即首先采集盾构用泡沫测定发泡倍率和半衰期，同时取试验段内特征渣样进行坍落度试验，分析渣土改良塑流性，最后，收集部分渣样进行渣土粒径分析和含水率试验，并收集和记录对应的盾构渣土改良参数以及掘进参数，以探究渣土改良状态与盾构掘进参数间的关联性。经试验发现，渣土含水率和粒径分布差异不大，实际发泡倍率多在，半衰期均大于，满足盾构掘进需求。坍落度试验仪如图 所示，试验步骤如下。）采集盾构原状渣土，或按试验工况配置土样。刘国强等：盾构掘进参数特征及其与渣土状态关联性研究 图 渣土级配曲线 图 坍落度试验仪 ）将坍落度筒内壁润湿，放在水平平坦的底板或地面上，并保证足够空旷的坍落面积。）然后用脚踩住坍落度筒两边的脚踏板，将渣土分 层装入坍落度筒中，每层采用振捣棒插捣 次，渣土装填在 内完成。）清理筒边渣土，并垂直将坍落筒提起，用测量标尺测量其坍落度值和延展度值并将其表观状态拍照记录。）然后取一定质量坍落渣土测定含水率。试验段内跟踪渣土坍落度试验部分结果如表 所示。渣土改良效果对盾构掘进状态的影响 ）渣土改良效果与刀盘扭矩系数的影响试验段渣土坍落度与刀盘扭矩系数关系如图 所示。刀盘扭矩系数反映地层与刀盘之间的黏附扭矩、摩擦扭矩和刀具切削地层产生的切削扭矩，试验段刀盘扭矩系数基本在 波动。随着渣土坍落度的增大，刀盘扭矩系数存在一定的减小趋势，从最初的 （对应坍落度值为 ），减小至 ，减小约。且当渣土坍落度较小时，刀盘扭矩系数波动性较大，随着坍落度的增大，刀盘扭矩系数减小且波动性较小，表明渣土改良在一定程度上能降低刀盘扭矩系数，有利于减小盾构扭矩，增大盾构掘进效率。表 跟踪坍落度部分试验结果 渣土改良效果对刀盘扭矩系数的影响主要在于：随着渣土改良效果的增加，渣土坍落度增大，塑流性增强，且改良剂如泡沫和水能起到一定的润滑作用，因此渣土刀盘间的摩擦或黏附扭矩减小，进而降低了刀盘扭矩系数。）渣土改良效果对地层贯入指数的影响 施工技术（中英文）第 卷图 渣土坍落度与刀盘扭矩系数关系 试验段渣土坍落度与地层贯入指数关系如图 所示。地层贯入指数反映产生单位推进速度或相应贯入度时所需要的推进力的大小，地层贯入指数大则产生单位推进速度所需要的推进力大，试验段地层贯入指数位于 波动。随着坍落度的增大，地层贯入指数的变化不显著，存在较大的波动性。地层贯入指数主要与开挖面的地层属性和刀盘刀具的结构形式有关，地层强度低，刀具切削效果好，则地层贯入指数小，盾构推进容易。但刀具破岩效果受渣土改良影响较小，因此，渣土改良对该地层贯入指数的影响较小。图 渣土坍落度与地层贯入指数关系 ）渣土改良效果对螺机扭矩系数的影响试验段渣土坍落度与螺机扭矩系数关系如图 所示。螺机扭矩系数在 波动，且随着坍落度的逐渐增大，螺机扭矩系数出现明显的减小，从最大 的 减 小 到 ，减 小 幅 度 占 总 额。当渣土坍落度大于 时，螺机扭矩系数能降低到 以下，且波动性较小，表明渣土此时已获得较好的改良。可见，随着坍落度的增加，螺机扭矩系数明显降低，有利于盾构连续顺利出渣。同时结合刀盘扭矩系数的变化，建议试验段（含砾粗砂岩地层）渣土改良坍落度应大于，同时为避免渣土坍落度较大时产生喷涌和喷土等现象，结合已有经验建议渣土改良合理坍落度范围取。图 渣土坍落度与螺机扭矩系数关系 渣土改良效果对螺机扭矩系数的影响在于：盾构渣土破碎后，随着改良剂的注入，渣土在开挖面和土仓中获得了充分的搅拌，因此当渣土运输至螺旋输送机时，已被充分搅拌和改良，改良后的渣土具有较好的塑流性和较低的强度，因此具有较小的螺机扭矩系数，螺旋输送机的出渣也更具效率和连续性。结语 针对盾构掘进参数特征及其与渣土改良状态的关联性，本文通过对掘进参数特征的深入分析以及现场渣土改良跟踪试验，提出了合适的盾构掘进状态评价指标，探究了盾构掘进状态与渣土状态间的关联性，提出渣土改良的合理范围。主要结论如下。）盾构扭矩随推力的增加先不变后增大，盾构总推力可分为抵抗推力与掘进推力两部分，抵抗推力对盾构扭矩大小无影响，其大小主要受盾构埋深和地层属性影响；掘进推力则定义为除去抵抗推力后，盾构主动作用于掌子面上的力，其大小主要受设定的推进速度、刀盘刀具结构形式、地层强度和渣土改良状态有关。通过将掘进推力除以盾构推进速度，得到盾构获得单位掘进速度（贯入度）时所需要的平均推力值，定义为地层贯入指数，可以评价地层的可贯入属性和渣土改良效果。）盾构扭矩可分为抵抗扭矩和掘进扭矩，抵抗扭矩为不受推力影响的扭矩值。掘进扭矩为掘进推力作用于掌子面导致增加的扭矩值，其主要受到掘进推力、刀盘结构形式、地层属性和渣土改良状态的影响。通过将掘进扭矩除以掘进推力，得到盾构单位掘进推力作用下盾构平均掘进扭矩值，定义为刀盘扭矩系数，其大小取决于地层与刀盘摩擦扭矩和刀具切削土体的切削扭矩，可以评价地层的黏 刘国强等：盾构掘进参数特征及其与渣土状态关联性研究 附性、可切削性和渣土改良效果等。）螺机扭矩与螺机转速呈现一定的线性关系，将螺机扭矩除以对应的螺机转速，得到增加单位螺机转速所需要的平均螺机扭矩增量，定义为螺机扭矩系数。螺机扭矩系数与渣土状态密切相关，可以用于评价盾构渣土改良状态。）对于含砾粗砂岩地层，渣土改良能明显降低螺机扭矩系数，并在一定程度上减小刀盘扭矩系数，但由于刀具破岩效果受渣土改良影响较小，因此地层贯入指数变化不明显。盾构穿越强度较大地层时具有较大的掘进推力，可以获得明显的刀盘扭矩系数及地层贯入指数，当盾构穿越软弱的土层时，掘进推力和掘进扭矩相对于抵抗推力和抵抗扭矩较小，因此盾构掘进状态评价指标可能会呈现较大的波动性，此时应取相应指标平均值作为盾构掘进状态代表值。参考文献：王树英，刘朋飞，胡钦鑫，等盾构隧道渣土改良理论与技术研究综述中国公路学报，（）：，（）：，：，（）：王树英，令凡琳，黄硕泡沫改良粗粒渣土渗透性计算模型及适用性对比研究岩石力学与工程学报，（）：，（）：，：，：，（），：乔国刚 土压平衡盾构用新型发泡剂的开发与泡沫改良土体研究 北京：中国矿业大学（北京），：（），竺维彬，刘健美，郑翔，等基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究隧道建设（中英文），（）：，（），（）：张润来，宫全美，周顺华，等砂卵石地层土压平衡盾构施工渣土改良试验同济大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：王洪新，陈大羽，商涛平，等土压平衡盾构渣土改良的合理坍落度研究地下空间与工程学报，（）：，（）：，肖超，阳军生，褚东升，等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中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：王洪新 土压平衡盾构刀盘扭矩计算及其与盾构施工参数关系研究 土木工程学报，（）：，（）：，（），：肖浩汉，陈祖煜，徐国鑫，等基于 算法的盾构掘进参数预测 以成都地铁 号线为例 长江科学院院报，（）：，：，（）：，（）：王为乐 长沙地铁复合地层盾构选型与掘进参数研究长沙：中南大学，：，（下转第 页）施工技术（中英文）第 卷（）：钟毓，汪稔，李琦，等 珊瑚礁灰岩物性特征及工程性质研究进展 科技导报，（）：，：，（）：，：，：唐国艺，郑建国 东南亚礁灰岩的工程特性 工程勘察，（）：，（）：朱长歧，周斌，刘海峰 天然胶结钙质土强度及微观结构研究 岩土力学，（）：，（）：孙宗勋，卢博 南沙群岛珊瑚礁灰岩弹性波性质的研究工程地质学报，（）：，（）：，：杨永康，丁学武，冯春燕，等 西沙群岛珊瑚礁灰岩物理力学特性试验研究 广州大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：白晓宇，张明义，李明怀，等 珊瑚礁地基的工程性状研究 工程勘察，（）：，（）：，刘志伟，李灿，胡昕 珊瑚礁礁灰岩工程特性测试研究工程勘察，（）：，（）：刘军科 珊瑚礁灰岩地层钻孔灌注桩桩侧摩阻力研究 中外公路，（）：，（）：肖向阳，张荣，彭登峰 马尔代夫珊瑚礁岩土工程特性研究 铁道勘察，（）：，（）：卢超健，罗辉 马累机场岛跨海大桥建设场地工程地质特性及评价 工程建设与设计，（）：，（）：刘海峰，朱长歧，孟庆山，等 礁灰岩嵌岩桩的模型试验岩土力学，（）：，（）：（上接第 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