复合硬岩地质条件对盾构施工影响的技术研究

复合 硬岩 地质条件对 盾构施工 影响的 技术研究

韩章良

中国水利水电第七工程局有限公司

摘要：在地铁施工中，盾构法施工技术以其较高的安全性、可靠性，对周边环境适应性强，工程进度快，工程质量优良，适用范围广等优点在地铁建设中得到广泛应用。近年来随着地铁工程的快速发展，盾构施工过程中经常遇到一些特殊的地质状况，如在软硬不均、地层条件变化频繁、复合交互，且岩石强度大的硬岩地层中应用盾构法来修建城市地铁道路就复杂的多。

关键词：复合地层；盾构选型；复合硬岩；刀具磨损；参数优化

在硬岩质地层中采用盾构法施工时，由于硬岩地层强度大，面临碎岩效率低下、掘进速度慢、刀具磨损大、卡盾、滞排、盾体姿态不易控制而发生旋转等问题，在富水硬岩中经常会发生隧道渗漏水等病害。在硬岩、软硬不均的复合地层中进行盾构法隧道施工，如何确定盾构施工风险及其水平高低，如何合理的选择掘进模式以满足环境保护要求，同时提高掘进效率，在国内盾构法施工领域是迫切需要解决的难题。

本为以深圳市城市轨道交通12号线工程为依托。为了使工程顺利实施，进一步完善盾构机在硬岩、上软下硬复合地层的施工配套技术，急需对盾构在硬岩中的施工关键技术开展研究。

1、工程概况及水文地质

1.1 概况

深圳市城市轨道交通12号线工程土建三工区位于宝安中心区，线路沿前进一路、前进二路下方敷设，正线全长4.3km。共4站5区，除上流区间右线82m明挖外均采用盾构法施工，盾构区间总长5596单延米。

1.2水文地质

本工程沿线地下水主要有二种类型：一是第四系地层中的松散岩类孔隙潜水，主要赋存于冲洪积砂土层中，略具承压性；另一类为基岩裂隙（构造裂隙）水，主要赋存于强、中等风化带及断裂构造裂隙中，具有承压性。勘察期间稳定地下水位埋深0.10~8.20m，标高为-7.85~16.71m。因地层分布的不均一性、岩土层富水性及透水性的差异性导致基岩裂隙水局部具承压性。

同新区间、新灵区间、灵上区间及上流区间隧道穿越地层主要为砾质粘性土、全～微风化粗粒花岗岩，石最大强度达130MPa，左、右线硬岩段合计长度达1302m，因线路位于城市主干道下方，建设环境极为敏感

2 工程地质施工条件影响

盾构在施工过程中的效率受地层条件的影响较大，开挖断面埋深、地层岩土软硬程度、地下水发育情况等不同，都会对掘进参数产生一定的影响。盾构掘进参数在不同的地层中表现出不同的分布规律。

2.1、单一岩体的影响

贯入度受地质影响因素极大，在全风化和强风化硬岩中开挖贯入度大，在存在微风化硬岩的地层中开挖贯入度急剧变小。地质因素对总推力有一定的影响，在全风化和强风化花岗岩中总推力小一些，在微风化岩突起地层中较大，在硬岩地层中最大。刀盘扭矩受地质条件影响很大，随着微风化硬岩在开挖断面所占比例的增加，刀盘扭矩显著提升。土仓压力受微风化硬岩在开挖断面所占比例的影响表现为，硬岩所占比例越高，土仓压力越小。

2.2、水文地质条件的影响

水压力可来自于地下水和地表水，水压力对总推力、刀盘扭矩和掘进速度均会产生显著影响，水位深度同覆土厚度一样，也是影响土仓压力设定的重要因素。施工区地下水位或地表水位发生变化时，开挖面附近的水压力会发生变化，土仓压力值应相应作出调整，其他掘进参数也应随之做出调整，以保持开挖面稳定和控制地层位移。因此，在地下水位高于隧道底板的高地下水位隧道和地表水丰富的越江隧道中，水位深度对掘进参数存在重要影响，水压力是不容忽视的又一重要因素。因此在本盾构隧道的线路区富水地带施工时，需要及时调整掘进参数来应对高地下水压力。

2.3、地层复合角

图2显示了不同隧道埋深比条件下，上软下硬复合地层大直径土压平衡盾构开挖面支护压力随地层复合角 的变化规律。由图可知： 对于一特定埋深比的盾构隧道，存在一个临界地层复合角 。当 时，无需外部支护压力开挖面上部软土基本即可自稳；当 时，计算最小支护压力开始从零随地层复合角 的增大而增大。并且，对于土体强度参数越高的上部软土，相对应的临界复合角 也就越大。当上部软土区域所占比例超过一定值后，开挖面支护压力才开始成为必要且会随着地层复合角的增大而呈双曲线式增大。盾构的土仓压力、刀盘扭矩、推进压力等掘进参数都与开挖面支护压力呈正相关关系，因此地层复合角对盾构掘进速度的影响同样不容忽视。

图2 开挖面支护压力与地层复合角关系

3 掘进参数计算

盾构各掘进参数不是孤立存在的，而是受到外部条件的影响和其他掘进参数的制约的，研究掘进参数之间的关系和分析影响掘进参数的因素是盾构掘进参数研究中的重要内容。本节初步阐述分析主要掘进参数的计算方法。

3.1 总推力计算

盾构机的推进机构是盾构机的关键部件，为盾构机提供向前掘进的动力，主要由设置在盾构支承环内环形中梁上的千斤顶群组成，推进机构的总推力是设计、制造盾构机的关键参数之一。盾构掘进中主要承受来自开挖面和盾壳周围的水压力和土压力的共同作用，盾构向前推进时，千斤顶必须克服盾壳与周围地层的摩阻力、推进时的正面推进阻力、管片与盾尾间的摩阻力以及后接台车的牵引阻力等。此外，在盾构曲线施工和切口环凸出于刀盘时还需考虑盾构变向阻力和切口环贯入阻力。因此，土压平衡盾构推进时总推力的构成为：①盾构推进时的正面推进阻力

F₁；②盾构外壳与周围地层的摩擦阻力F₂；③管片与盾尾间的摩擦阻力F₃；④当盾构机切口环凸出于刀盘时应考虑切口环的贯入阻力F₄；⑤在曲线中掘进时应考虑变向阻力F₅；⑥后接台车的牵引阻力F₆。则盾构总推力的计算公式可表示为：

（3-1）

一般情况下认为盾构机推进时的正面推进阻力F₁和盾构外壳与周围地层的摩擦阻力F₂之和占盾构总推力的95%~99%，其它几项阻力在总推力中所占比重极小，可忽略不计。F和F₁的简化计算公式如下：

①盾构推进时的正面阻力：

（3-2）

式中：H为盾构轴线埋深；D为刀盘直径；K为土体侧压力系数；γ为土体重力密度。

②盾构外壳与周围地层的摩擦阻力：

（3-3）

式中：f为盾体与周围土体间的摩擦系数；K_α为主动土压力系数；L为盾构机壳体长度；G为盾构主机重量。

由公式（13-1）~（13-3）可得盾构总推力的计算公式为：

（3-4）

由公式（13-4）可知，盾构总推力主要与土体的侧压力系数K、主动土压力系数K_α、土体的重力密度γ和盾构轴线埋深H等参数相关，而这些参数都是由土体参数、隧道覆土厚度等决定的。因此可以认为总推力与盾构施工区域的地形、地质条件密切相关。盾构设计时，盾构机的实际装备推力往往是在公式计算结果的基础上，考虑2~3倍的安全系数。

盾构主要掘进参数计算中，还可釆用经验公式进行估算。宋克志、邓立营等提出了盾构总推力计算的经验公式：

（3-5）

式中：P_J为刀盘单位掘削面上的经验推力值，一般取P_J=1000~1300kN。

公式（13-5）计算较为简便，可用于估算盾构总推力设计值，也可用于其他计算结果的对比验证。

3.2 刀盘扭矩计算

盾构机掘进过程中，刀盘正面、侧面均会受到来自土体的压力，土体对掘进中的刀盘产生摩擦阻力；土仓内开挖下来的碴土在压力的作用下对刀盘背面产生摩擦阻力；刀具切削土体时受到的地层抗力对刀盘产生摩擦阻力扭矩；刀盘搅拌棒及支撑梁受到土仓内土体的摩擦阻力；密封及主轴承在刀盘旋转过程中产生摩擦阻力扭矩。因此，土压平衡盾构刀盘扭矩的构成如下：①刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩T₁；②刀盘背面与土压力仓内土体的摩擦阻力扭矩T₂；③刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩T₃；④刀具切削土体时的地层抗力产生的扭矩T₄；⑤刀盘搅拌阻力扭矩T₅；⑥刀盘主密封摩擦阻力扭矩T₆；⑦主轴承摩擦阻力扭矩T₇。则刀盘扭矩计算公式可表示为：

（3-6）

根据已有研究成果及实例计算、经验估计等，T₁、T₂、T₃和T₄之和约占总刀盘扭矩的95%以上，因此刀盘扭矩计算时一般忽略其他几项。T₁、T₂、T₃和T₄的简化计算公式如下：

①刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩：

（3-7）

式中：η为刀盘开口率。

②刀盘背面与土压力仓内的土体摩擦阻力扭矩：

（3-8）

式中：K₁为刀盘背面摩擦阻力扭矩计算调节系数，一般取K₁=0.6~0.8。

③刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩：

（3-9）

式中：W为刀盘圆周侧面的宽度。

④刀具切削土体时的地层抗力扭矩：

（3-10）

式中：v_max为盾构最大掘进速度；n_e为刀盘额定转速；q_u为土体单轴抗压强度。

由公式（13-6）～（13-10）可得盾构刀盘扭矩的计算公式为：

（3-11）

由公式（13-11）可知，盾构刀盘扭矩主要与土体的侧压力系数K、盾体与周围土体间的摩擦系数f、土体的重力密度γ和盾构轴线埋深H等参数相关，因此，刀盘扭矩与总推力一样，也受盾构施工区的地形、地质条件影响。实际设计时，刀盘扭矩通常在公式计算结果的基础上考虑1.1~1.4倍的安全系数。

日本土木学会提出了土压平衡盾构刀盘扭矩装配设计值的经验公式：

（3-12）

式中：α为扭矩系数，一般取α=18~22左右。

公式（13-12）也可用于估算盾构刀盘扭矩值和对比验证其他计算结果，但根据施工现场经验，该经验公式也有不足之处。当盾构机刀盘外径较大时，装配扭矩偏大，盾构机切削能力不能充分得到发挥；外径较小时，计算得到的装配扭矩偏小，易造成刀盘切削能力不足。

3.3 土仓压力

土仓压力是土压平衡盾构最重要的工作参数之一。盾构掘进时，控制开挖面稳定和地表变形主要是通过控制土仓渣土的压力实现的，合理地确定土仓压力对于有效控制地表沉陷与隆起、保证盾构施工安全和连续作业是非常重要的。本工程所采用的土压平衡盾构机，具有完善的土压平衡功能，当地层不稳定时釆用土压平衡模式掘进，通过控制系统对总推力、刀盘扭矩、掘进速度、螺旋输送机出碴速度、泡沫注入量等参数进行控制，确保掘进过程土仓压力可以平衡开挖面的水土压力，保持开挖面稳定。

1、土压力计算

我国铁路隧道设计规范及相关文献中，在太沙基理论基础上提出了岩体综合分类方法，将隧道分为深埋隧道和浅埋隧道，不同类型隧道采用不同的土压力计算方法。城市地铁隧道一般埋深较浅，隧道埋深大多在20m以下，根据计算及研究经验，一般可以判定为浅埋隧道。常用的浅埋隧道土压力计算方法有上覆土重理论、郎肯土压理论、太沙基理论和普氏理论等。上覆土重理论计算简图见图13.2.3-1，计算公式如下：

（3-13）

（3-14）

式中：，σ_z为竖向应力；σ_x为水平应力；K为土体侧压力系数，K=v/(1-v)；v为岩土泊松比；γ为土体重度；H为上覆土层厚度。

图13.2.3-1 上覆土重理论计算简图

朗肯土压理论计算简图见图13.2.3-2，计算公式如下：

（3-15）

（3-16）

式中：σ_a为主动土压力；σ_p为被动土压力；c为土体粘聚力；φ为内摩擦角。

（a）土压小于主动土压力 （b）土压大于被动土压力

图13.2.3-2 朗肯土压力理论计算简图

太沙基理论计算简图见图13.2.3-3，计算公式如下：

（3-17）

式中： 为太沙基松动土压力； ，2B为滑动土体的宽度；D为隧道直径；q为上覆荷载。

图13.2.3-3 太沙基理论计算简图

普氏理论计算公式为：

（3-18）

式中：P_v为普氏土压力； ，h为压力拱高度；h₀、b为隧道高度、宽度；f为普氏系数，对松散土和粘性土取f=tanφ。

2、水压力计算

地下水位高于隧道顶部时，由于地层孔隙、基岩裂隙的存在，从而形成侧向地下水压。水压力为开挖面地层中的孔隙水压力，一般可根据事前的地质勘探准确获得，但由于地下水位容易受季节、地表水等因素影响，研究开挖面水压力时，施工季节和地表水情况是不容忽视的一大因素。城市地铁施工中一般都面临地下水位高、孔隙水压力大等问题，越江隧道中更是由于地表水和地下水丰富而不得不面临开挖面高水压力的问题。

地下水压力的大小与水力梯度、地层渗透系数、渗流速度、渗透时间等因素有关。由于地下水流经土体时受到土体的阻力而产生水头损失，因此作用在开挖面的水压力一般小于该位置的理论水头压力。

盾构掘进过程中，刀盘并非完全开口，而是有60%~80%左右的支挡结构，刀盘向前推进时土仓内的压力在原始土压力值附近，考虑水在土中流动时的阻力，掘进时地层中的水压力可以根据地层的渗透系数酌情进行折减。开挖面水压力计算公式为：

（3-19）

式中：q为根据土层渗透系数确定的经验值，砂土中q=0.5~1.0，粘性土中q=0.1~0.5，风化岩层中q=0~0.5，对于粘土层而言，通常釆用水土合算将水压力计在土压力中；γ_w为水的容重；h为地下水位距刀盘顶部的高度。

3.4 出土量

土层损失与出土量紧密联系在一起，假定基准出土率时地层损失为0，则实际出土率变化时将引起附加的地层损失。盾构施工排土量多少直接影响到盾构开挖面稳定盾构正面土压力，控制排土量是控制地表变形的重要措施。土压力、推进速度和出土量三个参数中，推进速度和出土量都是通过正面土压力的变化而对周围的土体和邻近隧道产生作用的，三参数间影响密切，如推进速度增加，如果出土量不变，正面土压力必然相应的增加。在正常条件下，出土量一般设置为理论值的90%左右。

（3-20）

（3-21）

式中： 为一环长度内盾构的体积， 为实际出土量； 为出土率，与土层性质有关。

若假定 为基准出土率， 为实际出土率，则由于出土率变化所引起的地层损失增量为：

（3-22）

式中： 为超挖所引起的地层损失系数。

3.5 盾尾同步注浆

管片背隙注浆质量的好坏，直接关联到前期沉降量和后续地表沉降的控制，合适的注浆参数（包括注浆材料的影响）是控制管片错台和管片上浮的重要因素，也是控制地表沉降的重要手段。盾构施工中，由于盾构外径大于管片的外径，盾尾拖出后会在管片与周围土体之间留下空隙。此空隙大小的理论值为：

（3-23）

式中：D为盾构外径，d为管片外径， 为管片一环的长度。

注浆的浆体除填充盾尾的空隙外，还将渗透到周围土体中，所以注浆量可表达为：

（3-24）

式中： 为注浆量调整系数， 与土体性质、注浆压力、浆体材料及配比等有关。由于浆液在土体中的渗漏，因此实际工程中注浆量应大于理论注浆量，一般为理论空隙量的150%~180%之间。由理论分析，为保证浆体较好地渗入周围土体中，注浆压力须大于隧道底处的土压力值，而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂，根据经验可取为1.1~1.2倍的静止土压力。

4、掘进参数的预测

盾构掘进参数之间的关系在一定程度上会受到设备、线路、操作水平等因素的影响，因此他们之间关系比较复杂，无法给出一个显式的回归模型准确的表达它们之间的关系。在岩土工程实践中，基于统计数据的经验公式已被广泛用于预测目标变量。经验公式在项目可行性研究阶段、设计阶段和施工阶段都能发挥很大作用，因为相对于理论分析，经验公式更加实用，且更易被施工人员掌握。出于简单方便考虑，早期开发的经验模型一般只考虑一个或两个岩石力学参数，如岩石单轴抗压强度、抗拉强度或硬度等。由于简单模型预测精度不高，目前已基本不再使用。

6、 小结

本章基于大量文献调研，对盾构掘进参数的计算方法、掘进参数与环境相互作用、掘进参数之间的相互关系和掘进参数计算模型进行了归纳，然后介绍了掘进效率的影响因素和几个主要掘进参数计算的经验公式，最后对现有的掘进参数预测模型作了详细阐述，给工程实践中盾构掘进参数的确定及优化等工作提供了一些新思路。

参考文献

1. 洪开荣, 吴学松. 盾构施工技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2009: 82.

2. 周文波. 盾构法隧道施工技术与应用[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2004: 55.

3. 陈韵章, 洪开荣. 复合地层盾构设计概论[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010: 45.

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