郑鹏飞， 郭治岳， 陈文宇， 陈 行， 于 超， 徐海南

(1. 中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司，广东深圳 518083； 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031； 3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610041)

盾构法因开挖速度快、地层扰动小等优点已经逐渐成为城市隧道最常使用的工法。但盾构法一般适用于较为均一的地层，在软硬不均的交互地层中盾构法的施工难度会大幅增加。盾构法需要与所开挖交互地层相适应，才能发挥其最佳状态的性能，因此选取合适的盾构掘进施工参数是至关重要的。

国内围绕盾构施工参数已有不少研究成果，何祥凡[1]等建立数值模型，分析了盾构隧道穿越复合地层掌子面过程中不同分区内的顶推力规律，为上软下硬地层盾构施工提供参考；谭忠盛[2]等针对不均匀地层盾构施工重难点，提出将盾构设计为复合盾构，并对其功能与参数进行研究；宋克志[3]等基于现场试验的方法，研究了泥岩和砂岩交互地层条件下影响盾构推进效能的因素；王晖[4]等考虑多种因素，对影响复合地层盾构掘进姿态的主要因素进行了分析并提出了控制措施。以上学者主要是针对软硬不均地层盾构开挖的施工参数进行了现场实测数据分析和理论研究，但由于盾构施工参数在交互地层中较均一地层更复杂和盾构施工参数对地层具有很强的适应性。本文依托成都轨道交通10号线二期双流机场2航站楼站—双流西站盾构区间工程，针对泥岩和砂岩交互地层的地质条件下，通分析盾构隧道下穿机场滑行道过程中各施工参数的变化规律，得出了各施工参数的最优取值范围，给类似工程施工提供参考指导。

1 工程概况

盾构下穿双流机场隧道位于双流机场2航站楼～双流西站区间，各区域分布如图1所示，停机坪区域内有四根中航油输油管线，盾构隧道正穿该四根油管。该区段埋深44 m，隧道顶深入泥岩层4～5 m。盾构区间处于泥岩和砂卵石交互地层，该地层的主要特点为岩体松散，自稳能力较差，石块的单个强度较高。砂卵石地层属于力学不稳定地层，该地层空隙率大，粘聚力低，无水状态时，地层反应灵敏，刀盘旋转切削时，地层极易被破坏而发生坍塌，引起较大的地层损失和围岩扰动。本文基于盾构下穿机场滑行面盾构掘进工程，分析了盾构掘进参数在掘进过程中的规律并归纳出了参考范围。

图1 盾构下穿机场滑行道示意

2 施工参数选取与分析

在盾构机掘进参数中，总推力是盾构机掘进的动力所在，其值大小将直接影响盾构的掘进效率；刀盘扭矩是土压平衡盾构掘进过程中一个重要的控制参数，盾构施工时需根据实际工况确定刀盘扭矩；盾构机推进速度应根据地层而设置，即不同地段地层对应不同的推进速度；刀盘转速表示盾构刀盘切削土体的快慢，是盾构施工中的重要掘进参数；在土压平衡盾构隧道施工过程中，盾构机土舱压力会对开挖掌子面土体移动有明显影响，因此，在土压平衡盾构掘进过程中，对土舱压力数值进行全程检测显得尤为重要。

本文以成都轨道交通10号线二期双流机场2航站楼站～双流西站盾构区间盾构隧道下穿机场滑行面工程为依托，选择穿越泥岩和砂卵石交互地层的700环至1300环的施工现场记录数据作为分析对象，选取盾构机总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速和土舱压力共5项施工参数进行数理统计分析。

3 关键参数规律性分析及最优取值范围

3.1 盾构机总推力

提取成都地铁盾构区间隧道下穿机场滑行面施工现场盾构机总推力记录数据，绘出盾构机总推力规律曲线和盾构机总推力分布直方图(图2、图3)。

图2 盾构总推力规律曲线

图3 盾构总推力分布直方图

由图2和图3可知，盾构机在泥岩和砂卵石交互地层中掘进时，盾构机总推力总体呈现略微增加的趋势，总推力分布在1 000～2 300 t区间，集中分布在1 000～1 800 t区间，约为额定推力的25 %～45 %，分析认为，下穿机场滑行面地层岩性较为稳定，围岩岩性大致相同，故盾构机总推力在掘进过程中可稳定逐步增加。

3.2 盾构机刀盘扭矩

提取成都地铁盾构区间隧道下穿机场滑行面施工现场盾构机刀盘扭矩记录数据，绘出盾构机刀盘扭矩规律曲线和盾构机刀盘扭矩分布直方图(图4、图5)。

图4 刀盘扭矩规律曲线

图5 刀盘扭矩分布直方图

由图4和图5可知，盾构机在泥岩和砂卵石交互地层中掘进时，刀盘扭矩需求较大，均值可达到3 664 kN·m；刀盘扭矩分布在1 200～5 400 kN·m区间，集中分布在2 200～4 600 kN·m区间，约为额定刀盘扭矩的32 %～67 %，分析认为，下穿机场滑行面地层岩性较为稳定，围岩岩性大致相同，盾构机刀盘扭矩在掘进过程中呈现较为稳定的规律；左线刀盘扭矩数值大致分布在2 000～4 300 kN·m，右线刀盘扭矩大小整体略高于左线，数值大致分布在2 200～4 500 kN·m，分析认为右线施工晚于左线，左右线间距为13 m，右线施工受到的地层扰动较大，故刀盘扭矩较高。

3.3 盾构机推进速度

提取成都地铁盾构区间隧道下穿机场滑行面施工现场盾构机推进速度记录数据，绘出盾构机推进速度规律曲线和盾构机推进速度分布直方图(图6、图7)。

图6 盾构机推进速度规律曲线

图7 盾构推进速度分布直方图

由图6和图7可知，盾构机在泥岩和砂卵石交互地层中推进时，推进速度呈现一定的稳定规律，推进速度均值为44.46 mm/min，推进速度分布范围较大，为18～70 mm/min区间，集中分布在30～60 mm/min区间，推进速度分布曲线峰值为35～48 mm/min，分析认为下穿机场滑行面地层岩性较为稳定，围岩岩性大致相同，盾构机推进速度在推进过程中呈现较为稳定的规律。

3.4 盾构机刀盘转速

提取成都地铁盾构区间隧道下穿机场滑行面施工现场盾构机刀盘转速记录数据，绘出盾构机刀盘转速规律曲线和盾构机刀盘转速分布直方图(图8、图9)。

图8 刀盘转速规律曲线

图9 刀盘转速分布直方图

由图8和图9可知，盾构机在泥岩和砂卵石交互地层中推进时，刀盘转速分布在1.2～1.7 r/min区间，平均值为1.47 r/min，刀盘转速分布整体呈近似正态分布，分析认为，盾构机刀盘转速是随着围岩岩性的变化而发生变化的，在泥岩和砂卵石地层中岩性会表现出一定的差异性，故刀盘转速会发生变化；刀盘转速在900环左右时发生突然减小，可能是由于地质情况变化或认为调整，为保护刀盘，适当减小刀盘转速。

3.5 盾构机土舱压力

提取成都地铁盾构区间隧道下穿机场滑行面施工现场盾构机土仓压力记录数据，绘出盾构机土仓压力规律曲线和盾构机刀盘转速分布直方图(图10、图11)。

图10 土舱压力规律曲线

图11 土舱压力分布直方图

由图10和图11可知，盾构机在泥岩和砂卵石交互地层中推进时，土舱压力均值为153 kPa；土舱压力分布在30～230 kPa内，集中分布在100～180 kPa区间，分析认为下穿机场滑行面地层岩性较为稳定，盾构机土仓压力在推进过程中分布较为稳定；土舱压力整体趋势先是下降后再逐渐增大，分析原因为可能遇到特殊地质，需要降低土舱压力来保持稳定，随后地质条件逐渐变好，土舱压力逐渐趋向于稳定；在760～1 100环之间，左线盾构土舱压力略低于右线盾构土舱压力，分析认为可能是由于左线晚于右线开挖，且两隧道较近的缘故。

3.6 关键参数需求额度及最优控制范围

提取关键参数控制范围见表1。

表1 盾构推进关键参数需求额度及控制范围

4 相似工程推进参数对比分析

本文选取成都地铁1号线和4号线盾构推进参数[5-6]与成都地铁10号线二期盾构推进参数进行对比分析，数据见表2。

表2 相似工程关键参数需求额度及控制范围

结合相似工程案例和实际地质条件情况，对成都地铁10号线二期工程盾构推进关键参数取值进行归纳，盾构机总推力参考值为10～15 MN，刀盘扭矩参考值为2.5～4.6 MN·m，推进速度参考值为20～50 mm/min，刀盘转速参考值为1.0～1.5 r/min。

5 结论

本文依托成都轨道交通10号线二期双流机场2航站楼站～双流西站盾构区间工程，研究了泥岩和砂卵石交互地层条件下，盾构开挖时盾构机总推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速和土舱压力5个施工参数的变化规律，并进行相似工程对比分析，得出了以下结论：

(1)盾构机总推力总体呈现略微增加的趋势，集中分布在1 000～1 800 t区间，约为额定推力的25 %～45 %，分析认为，施工区间地层岩性较为稳定，盾构机总推力在推进过程中可稳定逐步增加。

(2)盾构机刀盘扭矩需求较大，均值可达到3 664 kN·m，集中分布在2 200～4 600 kN·m区间，约为额定刀盘扭矩的32 %～67 %，分析认为，施工区间地层岩性较为稳定，刀盘扭矩可维持稳定；右线刀盘扭矩大小整体略高于左线，分析认为右线施工晚于左线，右线施工受到的地层扰动较大。

(3)盾构机推进时推进速度呈现一定的稳定规律，推进速度均值为44.46 mm/min，集中分布在30～60 mm/min区间，推进速度分布曲线峰值为35～48 mm/min，分析认为施工区间地层岩性稳定，盾构机推进速度较为稳定。

(4)盾构机推进时刀盘转速分布整体呈近似正态分布，刀盘转速分布在1.3 r/min～1.7 r/min区间，平均值为1.47 r/min，分析认为，施工地层岩性表现出一定的差异性，导致刀盘转速会发生变化；刀盘转速在900环左右时突然减小，可能是地质情况变化或人为调整的原因。

(5)盾构机推进时土仓压力集中分布在100～200 kPa区间，土舱压力整体趋势先是下降后再逐渐增大，分析原因为可能遇到特殊地质，需要降低土舱压力来保持稳定，随后地质条件逐渐变好，土舱压力逐渐趋向于稳定。

(6)归纳盾构机推进参数参考值，盾构机总推力为10～15 MN，刀盘扭矩为2.5～4.6 MN·m，推进速度为20～50 mm/min，刀盘转速为1.0～1.5 r/min。