張沛然 楊果林 呂濤 陳亞軍 邱明明

摘要：基于可鉆性原理，對現(xiàn)有盾構(gòu)施工地層的可掘性概念、意義及關(guān)鍵問題進(jìn)行了梳理，總結(jié)提出了表示可掘性的位移法、強(qiáng)度法和能量法，并初步優(yōu)選了其代表性指標(biāo)-貫入度，場切入指數(shù)和掘進(jìn)比能.結(jié)合某盾構(gòu)隧道工程，對掘進(jìn)過程中盾構(gòu)的施工參數(shù)及可掘性指標(biāo)變化規(guī)律進(jìn)行了時程分析，提出了盾構(gòu)掘進(jìn)工作的4個主要階段.分別從單環(huán)掘進(jìn)的不同工作階段、三類地層條件的施工統(tǒng)計數(shù)據(jù)和相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果三個方面分析了可掘性指標(biāo)間的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)貫入度、場切入指數(shù)和掘進(jìn)比能間具有較好的統(tǒng)一性，可作為表示盾構(gòu)施工地層可掘性的代表性指標(biāo).輔以工程中出現(xiàn)的特殊地層，對可掘性指標(biāo)響應(yīng)反饋機(jī)-巖狀態(tài)的可行性進(jìn)行了案例剖析.最后，對可掘性問題研究進(jìn)行了思考，認(rèn)為盾構(gòu)施工地層的分類研究應(yīng)側(cè)重巖土主要物理力學(xué)參數(shù)與可掘性指標(biāo)間的統(tǒng)計工作，加快推進(jìn)傳統(tǒng)地勘向基于可掘性的鉆探方法技術(shù)發(fā)展.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)；地層；可掘性；表示方法；指標(biāo)；統(tǒng)一性；機(jī)-巖狀態(tài)

中圖分類號：U455.43文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項(xiàng)目：國家十三五重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目（SQ2019YFC150093），National Key R&D Program during the 13th Five-year Plan Period of China（SQ2019YFC150093）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51478484，51778641），National Natural Science Foundation of China（51478484，51778641）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃資助項(xiàng)目（2019JQ-834），Natural Science Foundation of Shaanxi Province（2019JQ-834）；延安大學(xué)博士科研計劃資助項(xiàng)目（YDBK2017-32），Scientific Research Staring Foundation of Yan’an Universities（YDBK2017-32）

Boreability of Strata by Shield Construction and Case Analysis of Its Application in Machine-geotechnical State Recognition

ZHANG Peiran1，YANG Guolin1，LTao2，CHEN Yajun2，QIU Mingming3

（1. School of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China；2. CCFEB Civil Engineering Co Ltd，Changsha 410004，China；3. School of Architectural Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000，China）

Abstract：Based on the principle of drillability，the concept，significance and key issues of boreability of strata by shield construction are combed. The displacement method，the strength method and the energy method are put for-ward to express the boreability，and the representative indexes of three methods are preliminarily selected as： penetra-tion，field penetration index and specific energy. Combined with a shield tunnel project，the time history analysis on the change rule of construction parameters and boreability index of shield tunneling is carried out，and four main working stages of tunneling are put forward. Based on the different working stages of single ring driving，statistical data of three kinds of stratum and the results of relevant literature，the correlation between the boreability indexes is ana-lyzed. There is a good unity among penetration，field penetration index and specific energy，which can be used to ex-press the boreability of the stratum. Supplemented by the special stratum in the project，the feasibility of the response feedback between boreability and shield machine-geotechnical state is analyzed. At last，the study on the problem of boreability is considered. It is suggested that the study on the classification of strata should focus on the statistical work between the main physical mechanical parameters and the boreability index of the geotechnical，and accelerate the development of traditional geological exploration to drilling methods based boreability.

Key words：shield machine；layer；boreability；representation methods；index；unity；machine-geotechnical state

近年來，隨著城市化的快速推進(jìn)，以地鐵為代表的地下工程建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，預(yù)計到2020年我國城市地鐵建設(shè)里程將達(dá)到近6 000 km，所需要的施工掘進(jìn)裝備總計500臺以上[1-2].但是，目前盾構(gòu)施工中存在的問題依然突出，核心原因是對機(jī)-巖工作狀態(tài)關(guān)系認(rèn)識的不足.首先，現(xiàn)有盾構(gòu)隧道的分類標(biāo)準(zhǔn)仍主要以穩(wěn)定性為前提，而已有學(xué)者[3]明確指出：盾構(gòu)隧道的圍巖分類分級應(yīng)以可掘性為基礎(chǔ)，因?yàn)榭删蛐詻Q定了盾構(gòu)的施工速度[4]，直接影響工程建設(shè)投資成本，根據(jù)現(xiàn)有隧道圍巖分類方法難以形成適用于盾構(gòu)施工的指導(dǎo)和操作標(biāo)準(zhǔn).另外，現(xiàn)有基于地質(zhì)勘探的隧道圍巖調(diào)查分類受鉆孔取樣的隨機(jī)性[5]和鉆探試驗(yàn)誤差影響，其全面性以及反映隧道沿線地層地質(zhì)條件的可靠度均值得商榷，關(guān)鍵的是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)方法的巖土分類分級結(jié)果在盾構(gòu)施工環(huán)節(jié)的應(yīng)用中存在一定的局限性.盾構(gòu)施工中產(chǎn)生了大量自動記錄數(shù)據(jù)，基于可鉆性的研究成果[6-7]有理由相信其中蘊(yùn)含著值得挖掘、分析和利用的寶貴資源.針對這些問題，已有學(xué)者嘗試通過分析盾構(gòu)機(jī)的單一施工參數(shù)（如推力、刀盤扭矩和推進(jìn)速度等）變化識別地層條件，但是研究結(jié)果受隧道地質(zhì)或盾構(gòu)設(shè)備的不同其差異性比較明顯，難以形成可靠的普遍性共識.因而，轉(zhuǎn)向通過多參數(shù)擬合分析[8-9]、神經(jīng)模型[10-11]和模糊理論[12]等的引入分析研究相關(guān)問題.在不同研究中，相關(guān)指標(biāo)的形式和計算方法或許存在區(qū)別，其實(shí)質(zhì)是將盾構(gòu)施工中同步產(chǎn)生的大量自動記錄數(shù)據(jù)組成的維數(shù)較高的測量空間變換為維數(shù)較低的可用于機(jī)-巖狀態(tài)識別的特征空間[13].研究表明盾構(gòu)施工參數(shù)的一些復(fù)合指標(biāo)與巖土條件確實(shí)具有一定的映射關(guān)系，復(fù)合參數(shù)基本可以與地層的巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)相關(guān)聯(lián)[14-16]，初步可以對圍巖進(jìn)行模糊判別或分類[9，17].同時，其在復(fù)雜地層中的響應(yīng)變化、對特殊地層的辨識[18]、渣土改良和刀具磨損預(yù)測[13，19]等研究中的作用充分說明了相關(guān)盾構(gòu)施工參數(shù)復(fù)合指標(biāo)對機(jī)-巖狀態(tài)識別的實(shí)時性、靈敏性和適用性，顯示出巨大的應(yīng)用價值.綜上所述，以建立基于可掘性的盾構(gòu)施工地層分類分級和盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)判定及其性能預(yù)測為目標(biāo)，深入挖掘盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，已經(jīng)逐漸引起業(yè)內(nèi)關(guān)注和重視.但是，鮮有研究對目前所采用的各復(fù)合參數(shù)的合理性及各參數(shù)的統(tǒng)一性進(jìn)行分析總結(jié)，共識的缺失一定程度上制約了國內(nèi)盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)的挖掘、分析和應(yīng)用.

本文基于可鉆性原理，通過對現(xiàn)有各復(fù)合參數(shù)的分析，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)成果，對盾構(gòu)施工地層的可掘性問題進(jìn)行梳理和總結(jié).鋪以工程案例，探討基于可掘性的參數(shù)指標(biāo)對機(jī)-巖狀態(tài)識別的意義.最后，討論了可掘性的相關(guān)問題，以期為可掘性和盾構(gòu)機(jī)-巖狀態(tài)識別的研究和應(yīng)用提供參考.

1盾構(gòu)施工地層可掘性及表示方法

1.1盾構(gòu)施工地層可掘性

可鉆性作為反映巖石抵抗鉆頭鉆進(jìn)的阻力[20]或抵抗鉆具鉆鑿能力的定量指標(biāo)[21]，已在石油、礦山等行業(yè)被用于鉆鑿鉆頭選擇、生產(chǎn)定額編制及地層判別等[22].在可鉆性的研究中分為三種鉆進(jìn)方式考慮：旋轉(zhuǎn)式、沖擊式和旋轉(zhuǎn)-沖擊式，而盾構(gòu)的掘進(jìn)開挖主要靠推進(jìn)力和刀盤的轉(zhuǎn)動帶動刀具切割、破碎巖土體，其行為可以被認(rèn)為是水平方向上的旋轉(zhuǎn)式鉆孔行為.因此，根據(jù)可鉆性的含義可以初步定義盾構(gòu)施工地層的可掘性：地層抵抗盾構(gòu)（刀盤）鉆進(jìn)的阻力或抵抗盾構(gòu)掘進(jìn)的能力.可掘性反映了地層巖性、盾構(gòu)以及環(huán)境間的關(guān)系[22]，不僅表示巖土體抵抗盾構(gòu)掘進(jìn)的能力，而且可以表征所掘進(jìn)地層的巖土體與盾構(gòu)的接觸作用特征.不同地層的物質(zhì)組成、顆粒級配、液塑限、強(qiáng)度、硬度和溫度等物理力學(xué)性狀或指標(biāo)不同，其抵抗機(jī)械作用破壞的能力也不盡相同[22-23].盾構(gòu)在不同巖土性狀地層的掘進(jìn)施工表現(xiàn)理論上呈現(xiàn)出一定的差異性，其具體反映在掘進(jìn)速率、開挖單位體積或進(jìn)尺所消耗的能量等方面，巖土性狀相同或差異性較小的同類或同級地層的可掘性應(yīng)該接近或相同.同時，考慮到地層條件的復(fù)雜性和盾構(gòu)機(jī)械工作條件的變化，可掘性應(yīng)該由幾個具有代表性的指標(biāo)組成的低維特征空間表示[13]，用于對掘進(jìn)地層類別和盾構(gòu)機(jī)工作狀態(tài)的辨識、評價和反饋.一定意義上組成低維特征空間的幾個指標(biāo)之間根據(jù)物理力學(xué)機(jī)制應(yīng)形成一定的標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系，這個標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系目前可以借助大量的實(shí)測數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，因而這項(xiàng)工作具有試驗(yàn)統(tǒng)計性質(zhì).

盾構(gòu)施工地層可掘性研究的重點(diǎn)是提出具有以下兩點(diǎn)特征的表示可掘性的合理方法及指標(biāo)：①從不同角度表示可掘性，如相關(guān)專業(yè)提出的表示巖石可鉆性的三大指標(biāo)體系-位移指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)和能量指標(biāo)[22]，并且理論上這些指標(biāo)應(yīng)該具有統(tǒng)一性；②所有指標(biāo)的計算均應(yīng)由盾構(gòu)施工參數(shù)直接換算而得，不宜也不應(yīng)摻加入傳統(tǒng)巖土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo).其原因在于，盾構(gòu)隧道前期工程地質(zhì)勘察結(jié)果難以反映實(shí)際沿線地層的巖土條件.同時，保留一定的巖土力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)可以對由盾構(gòu)施工參數(shù)表示的可掘性指標(biāo)合理性作定性判斷.

1.2盾構(gòu)施工地層可掘性表示方法及指標(biāo)

目前，盾構(gòu)施工地層可掘性研究主要基于盾構(gòu)施工參數(shù)的統(tǒng)計分析，同時考慮到影響可掘性的諸多因素，從嚴(yán)格的物理意義上定義相關(guān)指標(biāo)不具備理論可能性.因此，本文主要探討從概念性層面表示可掘性的方法，并依托實(shí)際盾構(gòu)工程和國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展歸納性提出各類表示方法的代表性指標(biāo).這些指標(biāo)具備一定的物理機(jī)制合理性，是機(jī)-巖工作狀態(tài)的參數(shù)反映.

1）位移法及指標(biāo)：對于具體的盾構(gòu)隧道工程而言，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)所處的地層條件對盾構(gòu)掘進(jìn)效率有直接影響，因此盾構(gòu)的掘進(jìn)效率一定意義上反映了地層的可掘性.盾構(gòu)施工現(xiàn)場用于監(jiān)測、評價掘進(jìn)效率的指標(biāo)可以為推進(jìn)速度或貫入度，其在時間上的累積則為對應(yīng)時間段內(nèi)的盾構(gòu)掘進(jìn)行程，反之可將推進(jìn)速度或貫入度視為盾構(gòu)的瞬時推進(jìn)行程.為了和可鉆性的表示方法一致，本文視盾構(gòu)推進(jìn)行程為掘進(jìn)前進(jìn)的位移，將以盾構(gòu)掘進(jìn)速率表示地層可掘性的方法稱為位移方法，簡稱位移法.盾構(gòu)的推進(jìn)速度和貫入度具有如式（1）所示的關(guān)系，即在刀盤轉(zhuǎn)速一定情況下推進(jìn)速度和貫入度成正比.貫入度常被作為現(xiàn)場評價刀盤工作狀態(tài)的指標(biāo)，并且在已有的研究中基本上以貫入度作為巖土可鉆性或可掘性的試驗(yàn)或現(xiàn)場指標(biāo).因此，本文建議在表示盾構(gòu)施工地層可掘性的位移法中可取貫入度作為其代表性指標(biāo).貫入度越大表示盾構(gòu)掘進(jìn)時刀盤切入土體的平均切深越大，所受到的地層阻力較小，即可掘性較小.

需要指出的是：

1）掘進(jìn)比能一般分為兩種，其一是通過室內(nèi)巖土切削試驗(yàn)得到的試驗(yàn)SE值，其二是根據(jù)式（4）通過現(xiàn)場實(shí)際掘進(jìn)數(shù)據(jù)采集計算的現(xiàn)場SEf值.二者在TBM施工巖層中一般根據(jù)巖石的節(jié)理、完整性等進(jìn)行適當(dāng)折減換算.對于EPB盾構(gòu)施工而言，考慮到土倉壓力的影響，現(xiàn)場掘進(jìn)比能SEf值一般高于室內(nèi)SE值，文獻(xiàn)[25]建議為1.8倍.

2）現(xiàn)場掘進(jìn)比能值計算中，認(rèn)為總推進(jìn)力和刀盤驅(qū)動做功都完全用于掘進(jìn)面巖土體的開挖中，而實(shí)際總推進(jìn)力包括巖土體抵抗刀盤頂進(jìn)的阻力、盾殼摩擦力以及盾構(gòu)前進(jìn)的機(jī)械推進(jìn)力等.同時，刀盤扭矩也包括刀具在掘進(jìn)面巖土體中的滾動阻力、正面摩擦、刀盤側(cè)面摩擦、刀盤后部摩擦等[26].根據(jù)嚴(yán)格的理論計算各部分具體值，并確定實(shí)際切削掘進(jìn)面巖土體所消耗的有效功，從現(xiàn)有理論研究結(jié)果來看，不同工程的理論計算和實(shí)測結(jié)果均有一定的出入[26-27].重要的是其必須已知掌子面及其附近巖土體的物理力學(xué)參數(shù)以及巖土體與盾體、刀盤和刀具等的接觸力學(xué)參數(shù)，而這恰是本文基于可掘性所希望解決的巖土參數(shù)取值不確定問題，因而在現(xiàn)場掘進(jìn)比能計算中暫不討論總推進(jìn)力和刀盤扭矩的組成及分量問題.

不難看出，對于同一工程而言掘進(jìn)比能SEf與上述單位貫入度的刀盤扭矩指標(biāo)TPI值之間為一種線性函數(shù)關(guān)系，即TPI實(shí)質(zhì)可視為表示盾構(gòu)施工地層可掘性的一個能量法指標(biāo).

綜上所述，本文從不同物理層面總結(jié)提出了表示盾構(gòu)施工地層可掘性的三類方法：位移法、強(qiáng)度法和能量法，并優(yōu)選了相應(yīng)代表性指標(biāo).三類表示方法中，能量法相較其它兩類的物理意義更為嚴(yán)謹(jǐn)，重要的是能量法可以從能量守恒的角度聯(lián)系室內(nèi)外試驗(yàn)和施工數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，進(jìn)而為可掘性從研究到工程應(yīng)用提供有效途徑.但是，位移法或強(qiáng)度法對可掘性的研究和應(yīng)用而言依然具有重要的價值，比如受限于室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備平臺的局限性，二者相較能量法更易獲取相關(guān)指標(biāo).理論上三類方法及其指標(biāo)應(yīng)該具有統(tǒng)一性.而這種統(tǒng)一性不僅說明了采用盾構(gòu)施工參數(shù)復(fù)合指標(biāo)表示巖土界面特性-可掘性的科學(xué)性，為機(jī)-巖工作狀態(tài)識別研究提供有力支撐，而且為三類方法及指標(biāo)的相互轉(zhuǎn)化提供研究和工程應(yīng)用上的依據(jù).

2某EPB盾構(gòu)隧道施工實(shí)例分析

2.1工程概況

長沙市某電力市政管廊盾構(gòu)隧道工程，總長近6 km，隧道內(nèi)徑3.6 m，開挖直徑4.35 m，采用兩臺土壓平衡盾構(gòu)南北相對施工.據(jù)勘測報告，盾構(gòu)掘進(jìn)地層地質(zhì)條件復(fù)雜，從南向北盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)歷礫巖、砂卵石、泥巖（泥質(zhì)粉砂巖）、圓礫、板巖和粉質(zhì)黏土等地層，其中前三者為主要地層，各地層風(fēng)化程度不同.

2.2盾構(gòu)施工參數(shù)及可掘性指標(biāo)時程變化分析

為對盾構(gòu)施工參數(shù)及本文選取的巖土可掘性代表性指標(biāo)進(jìn)行分析，在項(xiàng)目現(xiàn)場依據(jù)勘查報告調(diào)取保存了包括泥巖、砂卵石和礫巖地層的近150環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù).其中，各地層風(fēng)化程度涉及全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化以及復(fù)合地層等.通過對采集數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)每環(huán)掘進(jìn)的施工參數(shù)時程變化存在共同的特征，限于篇幅，本文以盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中某環(huán)的主要掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析為例.如圖1所示，本掘進(jìn)曲線具有盾構(gòu)施工參數(shù)數(shù)據(jù)分布變化的代表性特征，結(jié)合表1可以分為以下幾個階段.

Ⅰ）啟動階段：總推進(jìn)力和刀盤轉(zhuǎn)速快速增加，約在60 s時達(dá)到極值A(chǔ)點(diǎn)，推進(jìn)速度和貫入度隨之分別增加至約60 mm·min-1和40 mm·r-1，在這個過程中場切入指數(shù)FPI和掘進(jìn)比能SEf降低了一個數(shù)量級.但很快推進(jìn)速度和貫入度隨之又發(fā)生了急劇降低，在第147 s時降至B點(diǎn)，跌至2.0 mm·min-1和1.86 mm·r-1附近，在此期間刀盤扭矩較低，而總推進(jìn)力并沒有發(fā)生明顯的降低，導(dǎo)致FPI和SEf在推進(jìn)速度和貫入度觸底時出現(xiàn)了明顯的反向震蕩，增大一個數(shù)量級多.掘進(jìn)約200 s時，刀盤扭矩快速增加至1 000 kN·m附近，推進(jìn)速度和貫入度則急劇攀升至70 mm·min-1和50 mm·r-1左右，高于A點(diǎn)附近的對應(yīng)值，F(xiàn)PI和SEf快速回落至200 kN/（mm·r-1）和3 kWh·m-3以內(nèi).通過以上變化特征可以看出，當(dāng)?shù)侗P扭矩較低時，由式（2）和式（4）定義計算的FPI值和SEf值可以快速識別出機(jī)-巖狀態(tài)，即刀盤接觸頂進(jìn)地層的啟動階段.

Ⅱ）頂進(jìn)掘進(jìn)階段：盾構(gòu)約從150 s開始，刀盤扭矩快速上升，在222 s左右時達(dá)到972 kN·m，推進(jìn)速度和貫入度攀升至81 mm·min-1和62 mm·r-1，認(rèn)為刀盤從對地層的接觸進(jìn)入切入狀態(tài). 222 s以后盾構(gòu)進(jìn)入正常掘進(jìn)階段，此階段總推進(jìn)力相對較為穩(wěn)定（7 289～8 027 kN），刀盤扭矩約在426～1 003 kN·m間變化，具有一定的震蕩性，此階段的貫入度均值約為55 mm·r-1，為盾構(gòu)不同工作階段的最大值.推進(jìn)速度和貫入度的震蕩趨勢基本同步于刀盤扭矩的變化，說明盾構(gòu)在正常掘進(jìn)階段的刀盤工作狀態(tài)是影響貫入度和推進(jìn)速度的主要因素[28].正常掘進(jìn)階段，F(xiàn)PI和SEf分別在108～716 kN/（mm·r-1）和1.07～ 6.43 kWh·m-3間變化，變化幅度相對較小，曲線平穩(wěn)，說明當(dāng)前地層的巖土條件較為均質(zhì).注意到，在正常階段貫入度和推進(jìn)速度發(fā)生了一次明顯跌落（圖中D點(diǎn)），F(xiàn)PI和SEf值發(fā)生了偏離.但此刻刀盤扭矩并未發(fā)生顯著性變化，說明D點(diǎn)是施工中的一個異常狀態(tài)，在正常分析中應(yīng)該予以剔除.

Ⅲ）停機(jī)階段：在盾構(gòu)掘進(jìn)至約936 s時，總推進(jìn)力、刀盤扭矩和螺機(jī)扭矩等均發(fā)生了顯著回落降低，此階段的貫入度均值落至0.87 mm·r-1左右，為盾構(gòu)不同工作階段的最小值，F(xiàn)PI、TPI和SEf值均發(fā)生了劇烈震蕩.結(jié)合現(xiàn)場施工情況，此時盾構(gòu)渣土車進(jìn)行換車，盾構(gòu)處于（臨時）停機(jī)狀態(tài).在盾構(gòu)臨時停機(jī)結(jié)束后，各項(xiàng)參數(shù)回歸正常掘進(jìn)階段狀態(tài)，直至掘進(jìn)完成.

從以上盾構(gòu)掘進(jìn)階段的全過程分析可以看出，刀盤扭矩和總推進(jìn)力發(fā)生顯著性變化時對貫入度、推進(jìn)速度產(chǎn)生了明顯影響，同步影響可掘性代表性指標(biāo)的變化趨勢，相關(guān)變化特征與文獻(xiàn)[14，24]研究結(jié)果基本一致.

3可掘性表示指標(biāo)的統(tǒng)一性

3.1盾構(gòu)不同工作階段和典型地層的統(tǒng)一性分析

如圖2所示，本文分別對2.2節(jié)所述盾構(gòu)不同工作階段，以及三大地層近150環(huán)未經(jīng)篩選包含各掘進(jìn)階段的可掘性指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計分析.可以看出，無論單環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)的不同階段或是三類地層的可掘性代表性指標(biāo)間關(guān)系而言均具有顯著的相關(guān)性.場切入指數(shù)和掘進(jìn)比能隨貫入度增大而降低；掘進(jìn)比能隨場切入指數(shù)的增大而同步增加，表明抵抗刀盤切入的阻力越小，其刀盤貫入度越大，同時掘進(jìn)時所需要消耗的能量越少.各可掘性代表性指標(biāo)變化曲線上呈現(xiàn)出鮮明的聚類特征，掘進(jìn)階段較大的貫入度對應(yīng)的場切入指數(shù)相對較低且穩(wěn)定，而當(dāng)貫入度不斷降低，其對應(yīng)的場切入指數(shù)以數(shù)量級式連續(xù)增加，特別是在停機(jī)階段貫入度頻近于0時，場切入指數(shù)達(dá)到萬位數(shù).而啟動階段和頂進(jìn)階段貫入度主要分布于5～40 mm·r-1，低于掘進(jìn)階段的均值55 mm·r-1.同時，啟動階段的數(shù)據(jù)不同程度地偏離各指標(biāo)關(guān)系擬合線，說明啟動伊始盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)受機(jī)-巖接觸狀態(tài)的影響呈現(xiàn)較大的離散型.因此，對于一個均質(zhì)連續(xù)的地層而言，由三類可掘性表示方法及其指標(biāo)表征的地層可掘性及其范圍應(yīng)該是確定的.當(dāng)各指標(biāo)遠(yuǎn)離這個正常范圍，往往是機(jī)-巖狀態(tài)異常的征兆或表現(xiàn)[13，18].

從圖3（a）可以看出，每個地層的掘進(jìn)速度具有一定的聚類特點(diǎn)，推進(jìn)速度與貫入度成正比，而采用貫入度表示位移指標(biāo)可以消除不同地層中刀盤轉(zhuǎn)速對推進(jìn)位移計算的影響，說明選取貫入度作為位移法的代表性指標(biāo)是合適的.如圖3（b），采用式（6）計算的掘進(jìn)比能SEf-T與基于式（4）求得的掘進(jìn)比能SEf-（T+F）結(jié)果相近，經(jīng)計算SEf-T值約為SEf-（T+ F）的96%，說明盾構(gòu)掘進(jìn)中破碎開挖土體的主要能量來源于刀盤系統(tǒng).如圖3（c）所示，掘進(jìn)比能SEf與式（3）定義的TPI值成線性關(guān)系.

3.2不同盾構(gòu)工程可掘性表示指標(biāo)統(tǒng)一性分析

如表2所示，從國內(nèi)外學(xué)者[9，13，28-34]的研究結(jié)果可以看出，本文所歸納提出的可掘性代表性指標(biāo)間相關(guān)性較好.其中，位移法和強(qiáng)度法指標(biāo)分別與能量法指標(biāo)間為典型的冪函數(shù).但是，有關(guān)研究主要針對TBM施工，較少涉及EPB盾構(gòu)施工方面.為此本文根據(jù)文獻(xiàn)[29]對近150環(huán)施工數(shù)據(jù)進(jìn)行了掘進(jìn)階段的可掘性指標(biāo)計算（說明：本盾構(gòu)共16把滾刀），結(jié)果如圖4所示.可以看出，各地層的可掘性指標(biāo)具有鮮明的聚類特征，泥巖地層的場切入指數(shù)和掘進(jìn)比能相較礫巖和砂卵石地層而言分布較為廣泛，或與地層的液塑限[30]和風(fēng)化程度有關(guān).但是，受砂卵石地層土水壓力和卵石強(qiáng)度等影響，相同貫入度下砂卵石地層的FPI值高于其他兩類地層.

綜合而言，本EPB盾構(gòu)工程施工地層的可掘性指標(biāo)相關(guān)性同各文獻(xiàn)研究結(jié)果基本一致，說明三類可掘性指標(biāo)可用于TBM或EPB盾構(gòu)施工地層的可掘性表示.值得注意的是，當(dāng)貫入度小于20 mm·r-1時，本文計算的場切入指數(shù)較大于文獻(xiàn)中的研究結(jié)果，說明采用EPB盾構(gòu)施工時刀盤每轉(zhuǎn)切入深度所對應(yīng)的推進(jìn)力更大，刀盤需要更大的頂進(jìn)破碎壓力.但是，隨著貫入度的增大，采用文獻(xiàn)公式的推算值將趨近落于本文的95%預(yù)測區(qū)間內(nèi)，此時可以用統(tǒng)一的函數(shù)表達(dá)場切入指數(shù)和貫入度的關(guān)系，如式（7）.

FPI = 388.46×（Prev）-0.98（7）

如圖4（b）所示，對于掘進(jìn)比能SEf和貫入度Prev之間的關(guān)系而言，本文統(tǒng)計結(jié)果與文獻(xiàn)值基本相趨近.說明對于不同工程而言，雖然采用的TBM或EPB盾構(gòu)設(shè)備可能不同，所面對的地層條件也可能千變?nèi)f化，但是從能量守恒角度而言，掘進(jìn)開挖一定巖土體所消耗的能量多少不因設(shè)備、作業(yè)方式等發(fā)生改變[22]，這為我們制定盾構(gòu)施工地層可掘性分類分級標(biāo)準(zhǔn)或體系提供了科學(xué)依據(jù).另外，如圖2（c）、2（f）和4（c）所示，掘進(jìn)比能和場切入指數(shù)的擬合結(jié)果也取得了較好的相關(guān)性.同時，結(jié)合圖3（b）對于盾構(gòu)掘進(jìn)土體能量來源貢獻(xiàn)的分析結(jié)果，可以為掘進(jìn)比能與場切入指數(shù)之間的高度相關(guān)性提供有力解釋.雖然采用式（3）定義計算的掘進(jìn)比能中包括了推力做功一項(xiàng)（Fv），但是其對掘進(jìn)比能貢獻(xiàn)非常低，數(shù)學(xué)意義上掘進(jìn)比能與場切入指數(shù)之間不存在耦合影響，二者的高度相關(guān)性為本文選擇的三類可掘性表示方法及其指標(biāo)合理性提供了有力解釋.

4機(jī)-巖狀態(tài)識別案例分析

如圖5（a）所示，本盾構(gòu)在掘進(jìn)至里程DK1+880附近時，盾構(gòu)在進(jìn)入正常掘進(jìn)階段后，其貫入度卻難以提升.期間，貫入度均值為5.45 mm·r-1，且小于1.0 mm·r-1的貫入度占統(tǒng)計數(shù)的50%以上，遠(yuǎn)低于圖2和圖4中砂卵石貫入度20～60 mm·r-1的掘進(jìn)水平.但是，掘進(jìn)階段的刀盤扭矩和總推進(jìn)力卻遠(yuǎn)高于砂卵石地層的正常水平，特別是總推進(jìn)力大于8 000 kN的占統(tǒng)計數(shù)80%以上，高于1 000 kN·m的扭矩值占比超過40%.如圖5（b）所示，掘進(jìn)階段的掘進(jìn)比能和場切入指數(shù)均值異常高于前文砂卵石地層的正常范圍.經(jīng)統(tǒng)計，掘進(jìn)比能大于10 kWh·m-3的占70%以上，場切入指數(shù)小于500 kN/（mm·r-1）的不足10%，而圖4中47環(huán)砂卵石地層的最大場切入指數(shù)值均遠(yuǎn)低于500 kN/（m·r-1），掘進(jìn)比能也均低于10 kWh·m-3.從圖5（c）可以看出，特殊地層的場切入指數(shù)和掘進(jìn)比能均較后續(xù)砂卵石地層出現(xiàn)一個數(shù)量級以上的變化.因此，無論從施工參數(shù)的單獨(dú)變化或是對可掘性代表性指標(biāo)的分析表明本區(qū)段內(nèi)盾構(gòu)施工表現(xiàn)異常.結(jié)合現(xiàn)場出渣情況來看，其地層條件已不符合地質(zhì)勘查中連續(xù)砂卵石地層的結(jié)論，盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)質(zhì)進(jìn)入了特殊地層.

事實(shí)上，在進(jìn)入DK1+880以前盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)的異常已經(jīng)出現(xiàn)，但未引起工作人員的重視，使盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入了難以前進(jìn)的狀態(tài).當(dāng)晚第1次掘進(jìn)24 min實(shí)質(zhì)推進(jìn)16 mm；第2次試掘進(jìn)7 min失敗，停機(jī)36 h；第3次掘進(jìn)11 min前進(jìn)14 mm后被迫停工.與本文的可掘性表示方法相似，文獻(xiàn)[18]結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)提出了修正比能，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的孤石地層進(jìn)行了準(zhǔn)確識別.綜上所述，根據(jù)傳統(tǒng)地勘采取抽樣鉆孔勘探對盾構(gòu)隧道沿線掘進(jìn)地層進(jìn)行調(diào)查評價，所得結(jié)果的全面性和真實(shí)性值得商榷.而可掘性指標(biāo)在特殊地層中具有較好的響應(yīng)機(jī)制，可以對機(jī)-巖狀態(tài)做出及時反饋，未來通過基于可掘性表示方法和指標(biāo)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)將為盾構(gòu)施工提供有效指導(dǎo).

5問題及思考

上述研究表明，基于盾構(gòu)施工參數(shù)建立的表示可掘性的方法和指標(biāo)可用于對地層以及機(jī)-巖狀態(tài)的識別、評價，具有較好的合理性及應(yīng)用性.問題的關(guān)鍵是在明確和選擇了可掘性的三類表示方法及指標(biāo)后如何解決以下幾點(diǎn)關(guān)鍵性問題[21]：

1）進(jìn)一步對可掘性的含義及表示方法進(jìn)行深入研究，建立基于可掘性的盾構(gòu)施工地層分類分級方法、標(biāo)準(zhǔn)和體系.

2）開展傳統(tǒng)地勘及巖土測試試驗(yàn)結(jié)果和盾構(gòu)施工參數(shù)的統(tǒng)計分析工作，逐步由地勘調(diào)查方法向基于可鉆性、可掘性的隨鉆勘測技術(shù)過渡，形成盾構(gòu)施工地層地勘工作新的方法、技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn).

3）利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、模糊聚類和神經(jīng)模型等理論方法技術(shù)等對盾構(gòu)施工的時變參數(shù)進(jìn)行認(rèn)知、處理、分類分級和可視化.

4）提出盾構(gòu)施工地層識別、預(yù)警和機(jī)-巖狀態(tài)反饋調(diào)節(jié)的方法與技術(shù).

表3為國內(nèi)外針對可掘性與巖土物理力學(xué)參數(shù)相關(guān)性研究的部分結(jié)果.可以看出，以單軸壓縮強(qiáng)度[9，15，24，34，36，39]為主要參數(shù)，輔以完整性系數(shù)[9，24，34]、節(jié)理[37]和液塑限[30]等指標(biāo)形成了相關(guān)研究的特色.其中，相關(guān)系數(shù)從0.22到0.968 3均有所分布，因而，要形成評價可掘性的完善物理力學(xué)指標(biāo)計算方法還需要進(jìn)一步的深入研究.同時，受地勘調(diào)查的樣本隨機(jī)性和數(shù)量影響，很難對盾構(gòu)隧道的施工提供全面的科學(xué)依據(jù)和有效指導(dǎo).因此，對于問題（2）的認(rèn)識和解決可以將目光轉(zhuǎn)換至近年來出現(xiàn)的隨鉆技術(shù)及其相關(guān)研究[6，7，22].

6結(jié)論與建議

1）通過對盾構(gòu)掘進(jìn)過程的物理機(jī)制分析，認(rèn)為可掘性表示地層抵抗刀盤鉆進(jìn)的阻力或盾構(gòu)掘進(jìn)的能力.總結(jié)提出了表示可掘性的三類方法：位移法、強(qiáng)度法和能量法，并優(yōu)選了代表性指標(biāo).

2）基于實(shí)際工程數(shù)據(jù)的分布特征提出了盾構(gòu)掘進(jìn)工作的4個階段.發(fā)現(xiàn)正常掘進(jìn)階段盾構(gòu)刀盤的工作狀態(tài)是影響貫入度和推進(jìn)速度的主要因素，即刀盤驅(qū)動是盾構(gòu)掘進(jìn)破碎巖土體的主要做功系統(tǒng).

3）不同方面的研究均表明表示可掘性的三類方法及指標(biāo)間具有顯著的相關(guān)性，且在同類地層中表現(xiàn)出一定的聚類特征.

4）在特殊地層中可掘性指標(biāo)依然具有一定的相關(guān)性，說明可掘性指標(biāo)對機(jī)-巖的非正常工作狀態(tài)具有靈敏的響應(yīng)特征.

5）盾構(gòu)施工地層的可掘性研究應(yīng)在統(tǒng)計分析巖土體主要物理力學(xué)參數(shù)和可掘性指標(biāo)關(guān)系的同時，加快推進(jìn)傳統(tǒng)地勘向以可掘性為導(dǎo)向的鉆探方法技術(shù)轉(zhuǎn)變發(fā)展.

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