王 凯，盛永清，王国安，曾垂刚，张 兵，韩伟锋

(1.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001； 2.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458；3.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430040)

0 引言

盾构机作为隧道施工的掘进装备，融合了机械、电子、液压、控制等先进技术，具有施工安全性好、效率高、对环境影响小等优点，因而得到了广泛应用[1]。盾构以工程场地水文、地质条件为基础开展适应性设计，在盾构实际应用中因地质不同表现迥异[2]。北京砂卵石地层存在土仓压力建立难、推力及扭矩过大、地表沉降严重的问题[3]。华南地区常见的上软下硬地层除刀具磨损加剧外，相比均一地层盾构有向软弱地层偏移的趋势[4-5]。在淤泥、淤泥质土、粉土等软土中施工时，盾构机易发生栽头现象[6]。泥水盾构支护压力参数设定极为关键，直接关系到掌子面的稳定。在工程实践中，推力、扭矩、贯入度等关键参数既作为评估当前盾构掘进表现的指标，又是盾构进行必要调整的依据[7]。掘进参数明显的高出、低于预期值，要对掘进参数异常的原因进行分析并采取应对措施[8]。对掘进参数异常的判断主要基于盾构当前的参数与设计要求对比、操作人员主观经验，尤其参考已掘进段的推力、扭矩、贯入度等[9]。肖超、徐汪豪等用统计方法分析了大直径泥水盾构不同地层的掘进参数，最后对盾构穿越不同地层掘进参数进行了控制[10-11]。赵博剑等[12]用数理统计方法分析了5个关键掘进参数与6种主要地层的相关性，为同类型盾构在复合地层条件下掘进参数的选取和优化提供指导。另外，包括粒子群算法(particle swarm optimization)，支持向量机(support vector machine)以及一些人工智能算法也应用到掘进参数的分析与预测中[13-15]。伴随盾构直径尺寸不断突破，在深埋、高水压、复杂地层应用场景不断增多，要求对其掘进参数进行分析为当前工程进行指导，也为后续工程提供参考。汕头苏埃通道作为国内超大直径盾构在海域环境应用的工程，地质条件比较复杂，通过对盾构掘进参数分析研究，可为盾构剩余里程的掘进提供技术支撑，也可为超大直径选型设计提供一定的参考。

1 工程概况

苏埃通道工程路线全长6.68km，共设置互通立交2处，地面收费站1座，风塔2座，通道穿越海域段采用盾构法施工，包括2条平行隧道(东线、西线)，长度为3 047.5m。盾构段平面如图1所示，在南岸填海建造围堰结构并筑始发井，盾构由南至北经始发井依次穿越始发端头及回填区、软土段、基岩段直至到达北岸接收井。

图1 汕头苏埃通道工程盾构段平面

东线隧道采用1台开挖直径15.01m的海瑞克泥水盾构机施工(见图2)，该盾构为常压刀盘设计，刀盘被纵向可移动球面轴承支撑，通过液压油缸操纵实现伸缩与扩挖功能，盾构装备参数如表1所示，管片环宽2.0m。

图2 汕头苏埃通道东线盾构(海瑞克S1046)

表1 盾构主要参数

盾构以-3%的坡度始发，随后线路按-0.3%坡度至隧道最低点(平均潮水位下37.14m)，然后路线按0.3%，2.9%上坡至北岸接收井。盾构将穿越淤泥、淤泥质土、花岗岩、淤泥混砂、粉质黏土、基岩突起段、砾砂，其中始发段端头及回填段为基岩孤石段，接着盾构进入约1 500m的软土段，随后盾构将进入累计长度182m的基岩突起段(主航道下方)。盾构从里程EK6+837.5掘进至里程EK4+917.5，到达基岩突起段附近尚未掘进，故不在研究之列。

2 海域复杂地层掘进参数选取

用于掘进参数分析的数据从智慧盾构大数据平台获取，数据平台从盾构主控室PLC中读取大量的机器数据并传输至该平台存储，数据传输路径如图 3所示，用户根据需要提取对应的参数，要分析的数据量为GB级，可通过筛选出掘进状态数据或每环参数平均值等方法降低数据的分析规模。

图3 数据采集传输路线

除刀盘转速、贯入度、总推力、扭矩作为基本的分析参数外，结合盾构特点进行参数挖掘。盾构采用可移动球面轴承支撑，刀盘水平方向受力如图4所示，水平方向刀盘受泥水压力Fsl及刀具贯入阻力Fc，其中刀盘水平方向受力Fdsp为可采集参数，结合泥水压力分布的规律，可等效为刀盘中心区域受泥水挤压力。

图4 刀盘水平方向受力

(1)

(2)

式中：Rb为主轴承半径；盾构总推力Ft可表达为盾构主机正面阻力Fslc，Fc、摩阻力Fμ(包括土体与盾构、盾尾与管片及后配套牵拉阻力等)；R为盾构开挖半径。

Fslc=πR2·Psl

(3)

Fμ=Ft-Fslc-Fc

(4)

选取盾构刀盘转速、贯入度、总推力、扭矩、刀盘伸缩总挤压力(刀盘水平方向受力)Fdsp、泥水压力、Fc，Fsl，Fμ作为基本的分析参数。

3 掘进参数分析

将刀盘转速和贯入度的平均值作为统计量，1～959环的变化规律如图5所示，从图中可知基岩、孤石段转速控制在0.6r/min，贯入度则在6mm/r附近；在全断面软土地层盾构的转速控制在1.0～1.2r/min，贯入度一般可达到25mm/r，差异性较大。

图5 盾构转速和贯入度变化曲线

总推力中各主要成分的变化曲线如图6所示，按占比权重排序依次为泥水阻力、摩擦阻力、刀具贯入阻力。泥水阻力由支护压力决定，而支护压力的设定与盾构埋深、地层力学参数相关，因此泥水阻力与盾构中心埋深h关联性很高，其线性关系为：

图6 总推力中主要成分变化

Fslc=ah+b(R2=0.820 7)

(4)

式中：回归结果显示系数a范围为2 053～2 179；系数b范围-6 781～-3 266；R2均值0.820 7，随着盾构埋深的增加泥水阻力部分线性增加。盾构摩擦阻力最重要的是盾体与地层之间的摩阻力，受埋深、侧压力系数、摩擦系数等诸多因素影响，通过摩擦阻力与埋深线性拟合，R2=0.452 6相关性不显著。200～959环盾构的埋深按0.3%的坡度变化，埋深差异3.0m以内,摩擦阻力变化可达1.2×104kN，500～550环摩擦阻力显著增高，因地质由混砂向淤泥质土变化；750～850环摩擦阻力升后降，因混砂增多，粉细砂减少，摩擦阻力上升；随后混砂减少，中粗砂、粉细砂增多，摩擦阻力上升。同等埋深下，地层由侧压力系数大的土层向侧压力系数小的砂层变化时，摩擦阻力呈降低趋势。Fc在总推力中占比低，基岩段平均比例为8.58%，软土段平均比例为3.50%，而泥水压力与埋深h相关性高，总推力基本随摩擦阻力变化波动，线性拟合关系如式(5)所示：

Ft=1.372Fμ+4.948×104(R2=0.89)

(5)

为进一步比较扭矩T和Fc(刀具贯入阻力)的变化规律，选取典型的基岩段(3～34环)和全断面软土段(450～600环)作为对比如图7所示，比较扭矩和切削力的平均值，发现基岩段的扭矩和推力变化明显超过软土段，在基岩段3～34环平均扭矩为1 593～3 484kN·m，平均刀具贯入阻力为1 754～5 965kN；对比全断面软土地层450～600环平均扭矩为1 714～3 084kN·m，平均刀具贯入阻力为2 772～3 429kN，显然基岩段比软土段荷载波动剧烈。

图7 不同地层刀具贯入阻力、扭矩变化曲线

选取基岩段和软土段扭矩和贯入阻力进行概率分布统计，稳定的掘进过程下扭矩和贯入阻力指标符合尺度参数和位置参数的t分布(tlocation-scale distribution)，基岩段相比软土段概率密度曲线整体向右边移动，形态上接近窄条形变为扁平状，反映软土段推力、扭矩数值分布较为集中，而基岩段的两项指标集中度劣于软土段，如图8所示。

图8 不同地层扭矩、贯入阻力概率密度曲线

基岩段和软土段由于贯入度差异较大，为了进一步探索两类地层下载荷的变化规律，引入T/P(TPI)、Fc/P(FPI)表示单位切深下的扭矩、切削力，图9为FPI，TPI变化曲线，在FPI，TPI指标上基岩段相比软土段呈现数值大、波动大的特点(FPI，TPI统计如表2所示)，主要由于基岩面起伏导致且滚刀破岩过程中能量的积聚和释放是一个不平稳的过程，而软土段地层差异性小，切削软土过程相比破岩过程更加平稳。

图9 不同地层FPI，TPI变化曲线

表2 FPI，TPI统计

利用FPI，TPI两个参数对地层进行判断，TPI>235，FPI>312可划为基岩段；TPI<167，FPI<233划为软土段；中间位置为过渡区。1～969环掘进数据基于FPI和TPI的分类如图10所示，能较好实现对不同地层的分类并指导施工的开展。

图10 基于FPI，TPI的地层分类

4 结语

本文从S1046盾构在苏埃通道前959环的掘进数据作为基础，结合盾构主机设计特点，分析了盾构总推力主要成分占比及规律，得到泥水阻力与埋深，总推力与摩擦阻力的关系，分析了陆域基岩段和软土段掘进参数的差异，提出了基于TPI和FPI的地层分类方法。

1)基于可移动球面轴承支撑的设计优势，通过采集的总推力、伸缩总挤压力、泥水压力分离出Fc，Fsl，Fμ，参数分析表明泥水阻力Fsl在总推力中占比最大，与盾构埋深正相关；摩擦阻力Fμ在总推力中占比次之，总推力的波动基本随摩擦阻力变化波动；刀具贯入阻力Fc占比较小。

2)相比软土段，基岩段在掘进参数控制上采用低转速、低贯入度的策略，但基岩段的刀具贯入阻力和扭矩的波动明显较软土段强烈。基岩段和软土段贯入阻力和扭矩的概率密度能较好地通过尺度参数和位置参数的t分布描述，基岩段概率密度曲线扁平，软土段对应曲线呈窄条形。

3)引入TPI和FPI指数，通过对比发现基岩段和软土段数据，已掘进软土段TPI为71～167，FPI范围为110～233与基岩段的TPI，FPI值差异性明显，可通过TPI和FPI来对基岩段和软土段进行划分，进而指导现场的施工。

4)在实际施工中Fc较总推力、伸缩总挤压力在表征垂直掌子面的作用力上更加准确，应该作为主要的分析参数，除转速、贯入度、扭矩参数数值波动要关注外，通过TPI和FPI指数对基岩段和软土段判断是一种有效的方法。

5)针对海域基岩段掘进，施工方案建议以0.8～1r/min，贯入度3 ～5mm/r的参数掘进，在接近海域基岩段10环左右的软土段可采用上述参数进行掘进，通过采集试验段参数，分析TPI和FPI有助于更加准确判断盾构是否进入基岩，借助TPI与FPI线性拟合系数定性比较岩石侵入高度，对施工具有很好的指导意义。