龔學(xué)棟 胡宇琛 蔣亞龍 郭小龍 章云生 陳 強
(1.中鐵隧道集團二處有限公司,江西 南昌 330209; 2.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330013)
隨著我國城市交通業(yè)的快速發(fā)展,我國大量城市開始興建地鐵,而盾構(gòu)法因其施工效率高、對地面交通擾動小而廣泛應(yīng)用于地鐵施工中。在泥水平衡盾構(gòu)掘進過程中,合理調(diào)整主要的掘進參數(shù)對保證隧道的安全高效掘進是十分重要的,不恰當?shù)木蜻M參數(shù)易導(dǎo)致姿態(tài)難控制、泥餅、掘進困難等問題[1-3]。為了確保泥水盾構(gòu)施工質(zhì)量,探究盾構(gòu)掘進過程中主要掘進參數(shù)之間的相關(guān)性,并構(gòu)建相應(yīng)的擬合模型顯得非常重要[4]。
近年來國內(nèi)大量學(xué)者就盾構(gòu)掘進過程中機器參數(shù)之間的相關(guān)性做了大量研究。楊旸等[5]以南寧軌道交通2號線為工程依托,對富水圓礫地層段和圓礫泥巖復(fù)合地層段土壓平衡盾構(gòu)掘進參數(shù)進行對比分析并提出圓礫地層土倉壓力取值范圍的計算方法;田勇堅等[6]以新鄭機場至鄭州南站城際鐵路盾構(gòu)段隧道施工為背景,針對泥水盾構(gòu)在黏土地層中刀盤結(jié)泥餅問題提出了半艙氣壓工法,研究了半艙氣壓法下盾構(gòu)掘進參數(shù)的變化特征;于云龍等[7]依托石家莊地鐵1號線白留區(qū)間隧道工程,基于現(xiàn)場盾構(gòu)掘進試驗,通過對盾構(gòu)原始掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換,建立標準推力—標準轉(zhuǎn)矩特征空間,并對傳統(tǒng)盾構(gòu)掘進速率模型進行修正;范文超等[8]以汕頭海灣隧道為依托,對區(qū)間內(nèi)掘進參數(shù)進行分析,通過優(yōu)選函數(shù)類別和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),建立基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合地層超大直徑泥水盾構(gòu)掘進參數(shù)預(yù)測模型,通過機器參數(shù)相關(guān)性分析定量預(yù)測刀盤轉(zhuǎn)矩、泥水壓力等數(shù)據(jù)。
依托南昌軌道交通4號線安豐站—東新站盾構(gòu)掘進區(qū)間隧道,由于泥水盾構(gòu)隧道在復(fù)合地層中的施工較為復(fù)雜,本文旨在探究泥水平衡盾構(gòu)主要掘進參數(shù)與不同地層參數(shù)之間的關(guān)系,確定不同地層條件下合理的掘進參數(shù)取值范圍,能夠為后續(xù)盾構(gòu)掘進工作或者其他相似工況提供數(shù)據(jù)參考。
安豐站—東新站盾構(gòu)區(qū)間在西岸下穿淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、砂礫及強風化、中風化泥質(zhì)粉砂巖,過江段為中風化泥質(zhì)粉砂巖,東岸下穿中砂、粗砂、砂礫、中風化泥質(zhì)粉砂巖,區(qū)段工程各地層主要土層參數(shù)如表1所示。其中全斷面砂層自穩(wěn)性較差、透水性較強、水壓較高,而中風化泥質(zhì)粉砂巖為典型不透水地層,圍巖強度較高、自穩(wěn)性好。
表1 土層參數(shù)
用于分析的盾構(gòu)掘進參數(shù)均來自施工現(xiàn)場控制室監(jiān)測與施工單位臺賬記錄,由于監(jiān)測數(shù)據(jù)體系龐大,在參數(shù)分析時無法充分地考慮到所有掘進參數(shù),故選取其中起主要影響作用的掘進參數(shù),本節(jié)就盾構(gòu)總推力和掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速和掘進速度、刀盤扭矩和掘進速度以及刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力之間的相關(guān)性展開分析。
盾構(gòu)在南昌地區(qū)掘進時上軟下硬地層最具特色,即指的是上部是砂層,下部是中風化泥質(zhì)粉砂巖,下文統(tǒng)稱為上軟下硬地層。選取三種典型地層中的掘進參數(shù)進行相關(guān)性分析,分別為砂礫層、上軟下硬地層和中風化泥質(zhì)粉砂巖地層,以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)作為分析對象,得出了總推力與掘進速度的關(guān)系表達式,如圖1所示。
由圖1可見:總推力N與掘進速度u關(guān)系可以近似擬合為u=-0.023 78N+64.172 08,R2=0.443 59,即盾構(gòu)總推力增大時,伴隨著掘進速度下降的趨勢,這是因為盾構(gòu)過程中遇到復(fù)雜的地層條件,巖層厚度的變化及巖體強度變化導(dǎo)致盾構(gòu)掘進速度隨著盾構(gòu)總推力的增大而減小[9]。
以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)作為分析對象,繪制出刀盤扭矩與掘進速度關(guān)系曲線,如圖2所示。
對圖2進行分析可知:刀盤轉(zhuǎn)速均穩(wěn)定在1.0 r/min~1.2 r/min之間,說明施工過程中,刀盤轉(zhuǎn)速與刀盤轉(zhuǎn)速線性相關(guān)性差,這是因為一般刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍很小,掘進速度受到盾構(gòu)設(shè)備、出土設(shè)備、注漿設(shè)備和盾構(gòu)機操作員水平等因素影響,因此掘進速度更多受客觀條件影響。
以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)作為分析對象,繪制出刀盤扭矩與掘進速度關(guān)系曲線并進行擬合,如圖3所示。
由圖3可知:掘進速度u與刀盤扭矩T的關(guān)系可擬合為u=-0.007 9T+53.252 92,R2=0.464 38,即刀盤扭矩增大時,伴隨著有掘進速度下降的趨勢,這是因為在該區(qū)間隧道斷面存在細砂等摩擦角較大的土層,當?shù)侗P切削隧道周圍土體時,刀盤與周圍土體摩擦系數(shù)增大,盾構(gòu)掘進時需要克服更大的切削土阻力轉(zhuǎn)矩、刀盤旋轉(zhuǎn)阻力矩和其他附加轉(zhuǎn)矩,從而導(dǎo)致掘進速度降低。
以在這三種地層盾構(gòu)時的現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)作為分析對象,繪制出刀盤扭矩與盾構(gòu)總推力關(guān)系曲線并進行擬合,如圖4所示。
由圖4可知:盾構(gòu)總推力N與刀盤扭矩T的關(guān)系可擬合為N=0.215 82T+696.560 76,R2=0.442 2,即刀盤扭矩逐漸增大時,伴隨著有總推力增大的趨勢,出現(xiàn)刀盤扭矩偏大最重要的原因是刀盤結(jié)泥餅形成,盾構(gòu)區(qū)段巖體不均勻、巖層強度不均勻,尤其在上軟下硬地層中易使刀盤結(jié)泥餅形成,進而增加了盾構(gòu)總推力。
以南昌軌道交通4號線過江隧道為工程依托,對盾構(gòu)掘進過程中機器參數(shù)之間的關(guān)系進行研究,得到結(jié)論如下:
1)在盾構(gòu)掘進過程中,采用線性擬合的分析方法,建立各項掘進參數(shù)之間線性關(guān)系數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)不同掘進參數(shù)之間存在一定的相關(guān)聯(lián)性,其中掘進速度受盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩的影響,盾構(gòu)總推力和刀盤扭矩增大時,伴隨著有掘進速度下降的趨勢,受刀盤結(jié)泥餅影響,會出現(xiàn)刀盤扭矩和總推力驟增,盾構(gòu)推進速度出現(xiàn)較大幅度降低,對于盾構(gòu)掘進工作來說為不利的工作狀態(tài)。
2)縱使盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速及掘進速度等掘進參數(shù)之間存在一定的相互關(guān)系,但由于盾構(gòu)施工的地層不同,其相關(guān)性的顯著性也不同,但整體可以反映盾構(gòu)掘進參數(shù)之間的相關(guān)性。
3)刀盤轉(zhuǎn)速與掘進速度之間不存在顯著的線性相關(guān)性。