贺少辉， 李承辉， 马 腾， 刘夏冰， 汪大海， 刘仰鹏

(北京交通大学， 北京 100044)



盾构刀盘形式对砂卵石地层扰动状态的影响

贺少辉， 李承辉， 马 腾， 刘夏冰， 汪大海， 刘仰鹏

(北京交通大学， 北京 100044)

盾构刀盘形式的选择是砂卵石地层盾构掘进面临的关键问题。为解决这一问题，以兰州地铁1号线一期工程为背景，综合运用现场调查、实验室试验、三维离散元数值模拟、现场原位监测等方法，对砂卵石地层土压平衡盾构施工颗粒流动和地表沉降的机制进行了研究。1)通过室内大直径(300 mm)试样三轴压缩试验获得了砂卵石地层的应力-应变曲线，基于试验结果和EDEM离散元三轴数值试验，标定了离散元数值模拟需要的参数。2)基于Solidworks软件建立了面板式刀盘盾构和辐条式刀盘盾构三维机械模型。3) 将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中，建立了砂卵石地层盾构掘进过程的三维离散元模型； 将模拟结果与现场监测数据对比，揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层扰动状态和地表沉降的影响机制。面板式刀盘土压平衡盾构掘进，刀盘前方、上方的“强烈扰动区”范围为(0.3～0.5)D(D为刀盘直径)； 辐条式刀盘土压平衡盾构掘进的“强烈扰动区”范围不足面板式刀盘的1/3，且扰动程度轻。

兰州地铁； 砂卵石地层； 土压平衡盾构； 面板式刀盘； 辐条式刀盘； 地层扰动； 三轴压缩试验； 三维离散元模拟； 现场监测

0 引言

土压平衡盾构刀盘形式有面板式和辐条式2种。在砂卵石地层中，选择面板式刀盘的优点是可以布置可破碎大粒径卵石的滚刀(实施施工中却难以起到这种作用)，缺点是一方面需要装备比辐条式刀盘更高的刀盘额定扭矩，使盾构的造价明显偏高，另一方面，在施工中往往因刀盘扭矩大，使得其推进困难，难以保持土压平衡；选择辐条式刀盘，可明显降低盾构的刀盘额定装备扭矩，尽管不能布置滚刀，但其施工推进往往较为顺利。在我国地铁盾构隧道施工中遇到砂卵石地层，首先是在北京地铁，接着在成都地铁，再接着在目前施工的兰州地铁1号线一期工程。目前，关于砂卵石地层中盾构刀盘选型的观点不一，意见分歧较大。在北京地铁，针对砂卵石地层盾构施工，既有选用面板式刀盘，也有选用辐条式刀盘[1]； 在其10号线二期工程施工中，曾出现过因面板式刀盘盾构推进困难而被迫将盾构法改变为矿山法的情况。成都地铁[2]和兰州地铁的土压平衡盾构均采用面板式刀盘。在兰州地铁1号线一期工程施工中，经常遇到盾构难以推进、不能保持土压平衡、易引发开挖面坍塌等工程难题，这主要是不清楚面板式刀盘盾构掘进对砂卵石地层的扰动机制所致。

近年来，盾构掘进对地层的扰动状态引起了研究者的关注。CHEN等[3]在1个4 m(轴向)×5 m(横向)×6 m(垂向)模型箱内设计了1个直径1 m的圆筒装置用来模拟盾构掘进，通过模型试验和基于FLAC3D的有限差分数值模拟，研究了砂层中盾构掘进的拱效应和地层沉降规律。此外，CHEN等[4]还基于颗粒间数值直剪试验所确定的摩擦因数，通过PFC3D离散元数值模拟，研究了干砂层中浅埋盾构掘进刀盘前方开挖面的稳定性，但没有涉及刀盘形式及出渣量控制对开挖面稳定性的影响。文献[5-7]基于PFC2D、PFC3D软件，对成都地铁、北京地铁砂卵石层中盾构掘进地层扰动状态进行了二维、三维离散元数值模拟； 其中，文献[5-6]对成都地铁隧道盾构掘进采用二维模拟不便考虑刀盘形式的影响，文献[7]针对北京地铁4号线角门西站相邻区间隧道采用面板式刀盘盾构掘进对地层的扰动进行了三维模拟，但没有说明离散元模拟关键参数的取值依据。V.Fargnoli等[8]基于意大利米兰新地铁5号线砂卵石层盾构掘进过程的系统监测结果和Peck[9]、O’Reilly等[10]、Rankine[11]、Lake等[12]的经验公式，分析了盾构掘进参数与地表沉降的相互影响规律。

如上所述，国内外所开展的相关研究主要存在2方面的问题： 一是所进行的盾构掘进对砂卵石地层的扰动、变形规律的离散元模拟研究，基本上是通过数值试验标定关键参数，缺乏实验室试验数据支撑； 二是缺乏对面板式、辐条式2种刀盘盾构掘进对砂卵石地层扰动状态的对比研究。

本文以兰州地铁1号线一期工程砂卵石地层中土压平衡盾构掘进为研究对象，针对大直径砂卵石试样(直径300 mm)进行三轴应力-应变关系试验(国内首次)，以其作为三维离散元数值模拟时采用三轴数值试验标定离散元模拟关键参数(静摩擦因数、滚动摩擦因数、恢复系数)的依据； 以现场试验测试获取的砂卵石地层开挖后的松散系数作为数值模拟时螺旋输送机出渣量控制的依据； 通过建立砂卵石地层颗粒级配模型和面板式刀盘盾构、辐条式刀盘盾构的三维机械模型，对2种刀盘盾构掘进对砂卵石地层的扰动状态进行数值模拟研究。综合三维离散元数值模拟结果以及对兰州地铁盾构隧道掘进试验断面采取深层监测所获得的变形监测结果，揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘盾构掘进对砂卵石地层的扰动规律，可作为新线建设时盾构刀盘选型的依据。

1 工程概况及砂卵石地层特征

1.1 工程概况

兰州地铁1号线一期工程(陈官营—东岗段)长约26.692 km，其区间隧道大部分采用土压平衡盾构掘进。本研究选取了最具代表性的世纪大道站—中间风井区段。该区段土压盾构掘进穿越〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石层，隧道结构底部处于〈3-11〉砂卵石层。

1.2 砂卵石地层特征

根据地勘报告，〈2-10〉砂卵石层粒径大于20 mm的卵石平均含量约为64.12%，偶遇漂石的最大粒径可达500 mm； 该层砂卵石的含砂率(即粒径小于2 mm的颗粒含量)平均约为19.27%，局部存在泥质微胶结。〈3-11〉砂卵石层粒径大于20 mm的卵石平均含量约为60.39%，偶遇漂石的最大粒径可达500 mm以上； 该层砂卵石的含砂率平均约为21.47%，局部存在泥、钙质弱胶结。因此，〈2-10〉和〈3-11〉地层均为含砂率偏低的砂卵石层。〈3-11〉砂卵石层如图1所示。

图1 〈3-11〉砂卵石地层

根据现场试验测定，砂卵石地层开挖后的松散系数最大约为1.23。

2 砂卵石地层的应力-应变关系试验

2.1 试验仪器及试样制备

本次试验在中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室的SJ70大型高压三轴剪力仪上进行，如图2所示。试样直径为 300 mm，高度为700 mm。

图2 砂卵石三轴应力-应变试验

Fig. 2 Tri-axial stress-strain test of sandy gravel stratum in laboratory

在车站基坑开挖过程中，按照试验要求分别采集了〈2-10〉和〈3-11〉样品； 根据筛分结果，粒径大于60 mm的卵石颗粒约占5%，如图3所示。按照SL 237—1999《土工试验规程》，对于粒径大于60 mm的卵石，可采用40～60 mm的粒径对其进行替代，替代后的试验级配见表1。

图3 砂卵石级配曲线

粒径/mm试验级配/%<2-10><3-11>60 100 10040 82.23 81.5820 55.20 48.6810 40.08 31.955 31.57 24.44

2.2 试验方案

本次试验采用固结排水剪切试验(CD)，分别进行〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石2组试验，每组4个试样，每个试样在饱和后分别进行围压σ3为0.4、0.8、1.2、1.6 MPa的剪切试验，饱和方法采用抽气饱和法。

2.3 试验结果

试验得到的〈2-10〉和〈3-11〉砂卵石的应力-应变曲线基本一致，不同围压下的应力-应变曲线试验结果如图4所示。据图4所示的室内试验曲线，砂卵石的应力-应变关系为非线性弹性关系。

图4 三轴实验室试验和数值试验标定的应力-应变曲线

Fig. 4 Stress-strain curves obtained by tri-axial laboratory tests and numerical simulation

3 盾构刀盘形式及盾构主要技术参数

3.1 刀盘构造及刀具布置

兰州市地铁1号线一期工程盾构隧道采用由铁建重工制造的ZTE6410面板式刀盘土压平衡盾构施工，盾构刀盘采用复合式设计，支撑方式为中心支撑。刀盘开挖直径为6 456 mm，开口率约33%。图5示出即将下井组装的盾构刀盘。

图5 盾构刀盘

3.2 盾构主要技术参数

盾构的主要技术参数见表2。

表2 盾构主要技术参数

4 三维离散元模拟数值建模及参数标定

4.1 计算参数的试验标定

三维离散元模拟是研究盾构掘进对砂卵石地层颗粒扰动较为适合的数值方法[5-7]。本文采用EDEM(Engineering+Discrete Element Method)软件进行三维离散元数值模拟。

离散元模拟的关键是相关计算参数的标定。本文基于图4中砂卵石的实验室三轴应力-应变试验结果，采用数值三轴试验对EDEM离散元模型的参数进行标定。

如前所述，表1所示的颗粒级配，为实际地层中数量占5%左右、粒径大于60 mm的卵石颗粒采用粒径为40～60 mm的颗粒对其等量替代而得到的结果。实际上，粒径大于60 mm的卵石颗粒，其中有一些粒径为十几cm、二十几cm的卵石颗粒，甚至有个别更粗粒径的漂石。为使数值模拟的颗粒级配更接近地层实际，在数值三轴试验时，以表1的颗粒级配为基础，对实际地层中数量占5%左右、粒径大于60 mm的卵石颗粒，采用250 mm和150 mm 2种粒径的卵石作为代表，数量均为2.5%。根据砂卵石地层基本无黏结力的特点，颗粒接触模型选用不考虑黏结力的Hertz-Mindlin(no-slip)模型。

数值三轴试验如图6所示，其试验步骤严格按照室内三轴试验进行。通过不断调整颗粒细观参数，得到数值三轴试验结果如图4所示。由图可知，数值三轴试验结果与室内三轴试验结果在低围压下较为吻合，高围压下数值试验的应力-应变关系波动明显，这是由于数值试验中未考虑颗粒破碎，应变达到一定程度后颗粒间产生滑动，而室内试验中颗粒在高围压下将产生破碎，在一定程度上抵消了应变变化。考虑到地铁盾构隧道工程中的围压一般较小，因此，该标定结果可以认为是较为精确的，说明离散元细观参数取值合理，能够准确反应砂卵石地层的宏观力学性质。数值三轴试验确定的静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数如表3所示。

(a) 三轴试验模型示意图

(b) 三轴试验试样破坏

图6 数值三轴试验

Fig. 6 Tri-axial test by numerical simulation

表3 数值三轴试验确定参数值

Table 3 EDEM parameters obtained by tri-axial laboratory tests and numerical simulation

接触部位静摩擦因数滚动摩擦因数恢复系数颗粒-加载盘5.030.020.31颗粒-边界5.030.020.31颗粒-颗粒5.030.020.31

4.2 离散元模型

4.2.1 盾构模型

基于Solidworks软件，建立面板式刀盘盾构三维机械模型，如图7所示； 同时，为给兰州地铁1号线剩余区段和后续建设线路隧道掘进的盾构选型提供依据，建立辐条式刀盘盾构三维机械模型进行对比研究，如图8所示。面板式刀盘盾构包括刀盘及刀具(包括滚刀、刮刀、齿刀等，严格按第3.1节和3.2节描述的刀具布置和技术参数进行建模)、土舱、螺旋输送机、盾尾等，辐条式刀盘盾构包括刀盘及刀具(包括刮刀、齿刀)、土舱、螺旋输送机、盾尾等。刀盘开挖直径为6 456 mm，盾体长度为7 978 mm，盾体直径为6 410 mm。螺旋输送机壳体内径为920 mm，节距为630 mm。

4.2.2 盾构掘进离散元模型

将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中，建立盾构掘进过程的离散元三维模型如图9所示。

(a) 盾构正面

(b) 刀盘、螺旋输送机剖面

(c) 刀具布置详图

(d) 滚刀正面

图7 面板式刀盘盾构三维机械模型

Fig. 7 3D models of EPB shields with plate cutterhead

(a) 盾构正面

(b) 刀具布置详图

图8 辐条式刀盘盾构三维机械模型

Fig. 8 3D models of EPB shields with spoke cutterhead

(a) 面板式刀盘盾构

(b) 辐条式刀盘盾构

模型尺寸为： 隧道覆土厚度为10.6 m(约为1.5D，D为盾构刀盘直径)，刀盘前方纵向长度为8 m(1倍盾构主机长度)，刀盘左、右至边界宽度为6.8 m(略大于1倍盾构刀盘直径)，刀盘底至下边界为5 m。通过在EDEM模型中设定盾构的运动形式，实现盾构掘进过程中盾构前进以及刀盘、滚刀、螺旋输送机旋转姿态的控制。离散元模拟的相关参数见表4—8。

表4 盾构几何及施工参数

表5 模型材料参数

表6 离散元模型参数

表7 仿真参数

注：R为最大颗粒半径，mm。

表8 接触参数

对于砂卵石地层，当掘进界面处的压力pt控制在式(1)所表达的荷载域时，即表明盾构掘进处于土压平衡状态。

pt∈(Ea，E0)。

(1)

式中：Ea为主动土压力；E0为静止土压力。

由于掘进界面处的压力pt无法直接观测，只能通过布置于土舱隔板上的压力传感器进行监测而间接控制。文献[13]建立了掘进界面处的压力pt和盾构土舱压力pc的相互关系：

pc=αpt。

(2)

式中α为与地层条件、盾构刀盘开口率、螺旋输送机转动速度等因素有关的压力传递系数。

α=0.018 4β-0.000 1β2。

(3)

式中β为盾构刀盘开口率。

表4中的螺旋输送机转动速度通过数值模拟试验标定。标定的步骤为： 1)根据刀盘开口率β，由式(3)确定压力传递系数α； 2)根据式(1)和式(2)确定盾构土舱压力pc； 3)按照速度由低到高，转动螺旋输送机进行盾构掘进模拟，当监测到模拟过程中的土舱压力满足式(1)时，即得到满足盾构土压平衡掘进的螺旋输送机转动速度； 4)由第1.2节中通过现场试验测定的地层开挖后的松散系数所控制的最大出渣量(出渣控制如图10所示)，核算满足土压平衡的螺旋输送机转动速度是否符合最大出渣量控制要求，如符合，即为合理的转动速度。由此，相应地实现盾构掘进过程中螺旋输送机转动、出渣量控制和土压平衡保持的联动调节。

图10 螺旋输送机出渣量控制

5 面板式刀盘和辐条式刀盘盾构掘进的颗粒流动和地表沉降

5.1 离散元数值模拟结果及分析

选取如图11所示的A断面进行分析。A断面为垂直隧道轴线方向，位于模型的中部。

图11 监测断面

图12(a)和图12(b)分别示出面板式刀盘和辐条式刀盘盾构掘进时，刀盘在穿过断面A后12m(10环管片长度)位置时距地表不同深度处的地层扰动和沉降曲线。由图可知，地表、地表以下1m深度、地表以下4m深度的沉降曲线类似Peck曲线形状； 地表以下7m深度(距离隧道洞顶3.6m，约为0.5倍的盾构刀盘直径)的沉降曲线在隧道中线及其两侧一定范围呈锯齿状波动，尤其是面板式刀盘盾构掘进呈现强烈锯齿状波动，这是由刀盘面板对卵石颗粒的挤压、碾磨造成的颗粒滚动与跳动引起的。

(a) 面板式刀盘

(b) 辐条式刀盘

Fig. 12CurvesofgrounddisturbanceandsettlementinducedbyEPBshieldtunneling

图13为盾构掘进时土舱内和刀盘前方卵石颗粒运动速度矢量图。图中线框区域内的颗粒运动速度矢量表明，盾构掘进过程中，刀盘前方和上方的地层颗粒受到强烈扰动，为“强烈扰动区”； 此区域以上至地表的范围为“沉降变形区”。

(a) 面板式刀盘

(b) 辐条式刀盘

图13 土舱内和刀盘前方卵石颗粒运动速度矢量图

Fig. 13 Velocity vectors of grain movements ahead of cutterhead and in spoil chamber

因面板的挤压、碾磨作用，面板式刀盘盾构掘进的扰动程度较辐条式刀盘明显偏大。面板式刀盘盾构掘进的“强烈扰动区”的范围为(0.3～0.5)D(D为盾构刀盘直径)； 同时，面板式刀盘盾构掘进的“强烈扰动区”内的颗粒运动最大速度为1.87 m/s，约为辐条式刀盘的1.25倍。“强烈扰动区”上方的颗粒运动速度急剧衰减为0，表明“沉降变形区”的地层存在明显的拱效应。

辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层的扰动明显小于面板式刀盘盾构，其“强烈扰动区”范围不足面板式刀盘的1/3，且扰动程度轻。

5.2 数值模拟结果与现场监测结果对比

为确定面板式刀盘土压平衡盾构施工对隧顶上方地层的扰动状态和范围，在奥体中心站—中间风井区段隧道(覆土厚度为10.6 m)中线正上方的不同深度布设4个测点，分别为地表(测点编号Y0)、地表以下1 m(测点编号Y1)、地表以下4 m(测点编号Y4)和地表以下7 m(测点编号Y7，该测点距盾构刀盘顶约为0.5D)。测点构造如图14所示。

地层沉降监测结果如图15所示。由图可知： 距刀盘顶为0.5D的测点(Y7)的最终沉降较大，大于65 mm，与图12(a)所示的离散元数值模拟结果基本吻合； 地表测点(Y0)和较浅深度的测点(Y1和Y4)的沉降很小，仅为5～6 mm。这一方面验证了离散元数值模拟结果——刀盘前方、上方(0.3～0.5)D的范围为“强烈扰动区”的合理性，另一方面也进一步说明，当隧道覆土厚度达到1.5D及以上时，如离散元模拟结果分析，“强烈扰动区”上部的砂卵石地层具有很好的成拱效应。

图14 地表以下深部地层沉降测点构造

图15 隧道中线正上方不同深度处的地层沉降曲线

Fig. 15 Curves of ground settlement above tunnel central line at different depths

6 结论与建议

目前国内外所开展的一些盾构掘进对砂卵石地层的扰动、变形规律的三维离散元模拟研究，基本上是通过数值试验标定关键参数，缺乏实验室试验依据的支撑。本研究基于实验室大直径试样的三轴试验获得的砂卵石地层应力-应变曲线，进行数值三轴试验来标定离散元数值模拟的静摩擦因数、滚动摩擦因数和恢复系数等关键参数，结论可靠，为兰州地铁后续线路建设时开展土压平衡盾构掘进对地层扰动和周边环境影响的模拟及预测提供了依据，也可为其他城市类似地层条件下地铁盾构隧道施工进行模拟和预测时相关参数的取值提供借鉴。

采用面板式刀盘土压平衡盾构掘进时，刀盘前方、上方的“强烈扰动区”范围为(0.3～0.5D)(D为刀盘直径)。当隧道的覆土厚度达到1.5D及以上时，“强烈扰动区”上方的“变形区”存在明显的“拱效应”。若在盾构掘进时，同步注浆和二次补注浆未将“强烈扰动区”填实，盾构在不利的隧道覆土厚度((1.0～1.5)D)区段掘进时，易引发后续的突发性超量地表沉降； 当隧道处于最不利覆土厚度(1.0D)时，如不按照试验确定的地层开挖后的松散系数计算的出渣量严格控制出渣，后续可能存在发生突发性地表塌陷的风险； 因此，在邻近、下穿主要道路、重要建(构)筑物等环境风险源时，建议自地表布设深达可监测到“强烈扰动区”状态的深层测点，以改变目前施工方监测和第三方监测通常采用的以地表沉降测点代替地表下深层沉降测点的做法。

辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层的扰动明显小于面板式刀盘盾构，其“强烈扰动区”范围不足面板式刀盘的1/3，且扰动程度轻。兰州地铁1号线一期工程盾构隧道施工全部选用面板式刀盘土压平衡盾构，一方面，施工造成对砂卵石地层的扰动大，另一方面，需装备更大的刀盘机械扭矩，影响经济性。因此，在兰州地铁后续线路建设的盾构选型时，建议进行2种刀盘形式的综合比选。

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Study of Influence of Types of Cutterhead of Shield on Sandy Gravel Stratum

HE Shaohui, LI Chenghui, MA Teng, LIU Xiabing, WANG Dahai, LIU Yangpeng

(BeijingJiaotongUniversity，Beijing100044,China)

The selection of cutterhead type is a key issue of EPB shield tunneling in sandy gravel stratum. The mechanism of ground disturbance induced by Lanzhou Metro Line No. 1 bored by EPB(earth pressure balance) shield with two types of cutterhead in sandy gravel stratum is systematically studied by field investigation, laboratory tests, 3D discrete element method (DEM) modeling and field monitoring. The major works of the study are as follows: 1) Firstly, tri-axial tests (sample diameter of 30 cm) are carried out to obtain the stress-strain curve of sandy gravel stratum in lab. Then the parameters of DEM simulation are obtained by comparison between numerical experiments and laboratory tests. 2) 3D mechanical models of shields with plate cutterhead and spoke cutterhead are built by software Solidworks. 3) A 3D DEM model is established to simulate the ground disturbance induced by EPB shield tunneling. And the results of 3D DEM modeling and field monitoring reveal the effects of tunneling induced ground disturbance by EPB shield with two types of cutterhead in sandy gravel stratum. The range of the heavily disturbed zone of plate cutterhead shield tunneling is about 0.3D-0.5D(Drefers to diameter of the cutterhead), while that of the disturbed zone of spoke cutterhead shield tunneling is less than 1/3 of that of the plate shield.

Lanzhou Metro; sandy gravel stratum; EPB shield; plate cutterhead; spoke cutterhead; ground disturbance; tri-axial compressive tests; 3D DEM simulation; field monitoring

2016-11-08;

2017-04-26

兰州市轨道交通科技计划项目(2014-02)

贺少辉(1966—)，男，江西永新人，1995年毕业于北京科技大学，工程力学专业，博士，教授，博士生导师，主要从事隧道与地下工程专业领域的教学与研究工作。E-mail: heshaohui1114@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.002

U 455.43

A

1672-741X(2017)05-0529-08