富水砂卵石地层盾构掘进参数的分析优化

雷博超 程鹏飞

(中交一公局西北工程有限公司，陕西 西安 710000)

盾构机在富水砂卵石地层掘进施工，由于地层卵石强度高，填充物为细沙，地下水丰富，地层稳定性差，造成掘进参数异常，影响盾构机的运行情况，阻碍掘进施工的进度。本文按照实体工程为例，对掘进参数进行了进一步的分析研究，丰富了成都富水砂卵石地层中的相近地层及开挖直径的盾构施工掘进参数的控制应用。

1 工程概况

1.1 工程简介

五桐庙停车场出入场线区间，自停车场出入场线明挖段引出沿成新蒲大道南侧村庄园林向东至双温路后行进至成新蒲大道，而后进入九江北站明挖区间，出场线隧道长2219.715m，入场线隧道长2220.107m，双线合计4439.822m。隧道中心间距18.5m，最大埋深17m，最小埋深约7.5m，最小曲线半径600m，最小坡度2.967‰，最大坡度34‰。

1.2 地质条件

盾构区间穿越地层以<3-8-3>密实卵石土层及<3-8-2>中密卵石土层为主，卵石含量约占50%～70%，粒径一般2cm～20cm，以细、中砂充填，局部地段含漂石，漂石粒径大于200mm，卵石土分选性及均一性差，抗压强度高，自稳性较差，渗透系数大，透水性强，富水性良好。

1.3 水文条件

本区间沿线地下水位埋深约5.33m，平均地下水静止水位高程约509.95m。地下水主要为砂土、卵石土中赋存的孔隙潜水，水量较大。

1.4 盾构选型

区间掘进采用开挖直径φ8634mm的复合式土压平衡盾构机，刀盘由6根主辐条和面板构成，主要刀具为滚刀，切削刀，滚刀高出刀盘面板170mm，切削刀高出刀盘面板125mm，两者的高差为45mm，确保了渣土的流动性，可有效的防止渣土在刀盘上粘着并导致刀盘磨损刀盘开口率约36%，刀盘驱动力采用变频电动机控制，工作扭矩为24324.3kN·m，脱困扭矩为36486.5kN·m，为防止刀盘中心土砂粘着，在刀盘中心处设置了6处注水口，采用双管单泵方式，刀盘面板上有10个加泥或泡沫注入口，采用单管单泵方式。装备有19组(38根)千斤顶，每根油缸的推力为2000kN，总推力为76000kN。

2 掘进参数分析优化(图1，2)

2.1 试掘进段参数控制

前百环为试掘进段，左线(入场线)1～100环隧道平面为半径800m的右转弯，纵断面为34.4‰的下坡。 右线(出场线)1～100环隧道平面为直线段，纵断面为34.4‰的下坡。左、右线轴线间距为7.6m。隧道覆土厚度为6.3m～11.5m。始发穿越全断面砂卵石层，其中上部为<3-8-2>中密卵石土，下部为<3-8-3>密实卵石土。

通过理论数据计算，结合相近标段掘进经验，经过前20环的掘进后，试掘进段参数趋于稳定，掘进状态良好，平均推力25000kN～35000kN，刀盘转速1.4～1.6r/min，平均扭矩10000kN-m～15000kN-m，平均速度50mm/min～60mm/min。

2.2 下穿河流参数控制

区间隧道在CDK2+543.035～CDK2+524.635，RDK2+414.819～RDK2+396.519段下穿白河，埋深约13.8m，河道上口宽10.5，下口宽6.6m，河床深3.1m，河底至隧道顶部10.709m，穿越时水深1m，水流自北向南，水流平缓。隧道底位于<3-8-3>密实卵石土地层。

图1 掘进参数统计图

图2 掘进参数统计图

下穿河流期间，地层较为松散，掘进参数变化较大，平均推力在30000kN，刀盘转速1.4r/min～1.6r/min，平均扭矩在11000kN·m～14000kN·m左右波动，平均速度在45mm/min～60mm/min左右。

2.3 上跨既有线参数控制

盾构隧道盾构机在CDK1+494.788～CDK1+380.488，RDK1+482.943～RDK1+361.743区段上跨既有线隧道，隧道埋深17m左右，两隧道夹土体厚度最小值约3.49m。既有线位于下方，出入场线上跨，穿越区位于<3-8-3>密实卵土地层。

穿越前，既有线隧道内进行了门式工字钢加固、隧顶注浆，地面进行了袖阀管加固注浆，掘进过程中参数控制较为稳定，掘进状态良好，平均推力25000kN～30000kN，刀盘转速1.4r/min～1.6r/min，平均扭矩10000kN-m～13000kN-m，平均速度45mm/min～55mm/min。

2.4 数据分析优化

盾构推进过程中，根据不同地质，覆土厚度，地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果控制好盾构机的推力，刀盘扭矩，掘进速度和出土量，使得盾构设备可以安全稳定的运行，同时保证掘进状态的稳定性。不同的刀具配置，不同的土仓压力，不同的刀盘扭矩，不同的渣土改良，不同的出土量都会影响盾构掘进参数的变化，通过本区间不同地层的情况下参数变化情况，对掘进参数进行了不断的优化，选择了最适合本工程范围地层的掘进参数范围，保证了盾构机的良好工作状态。

根据本工程3处掘进参数分析，富水砂卵石地层地质松散，掘进开挖对地层的扰动较大，地层易发生松动坍塌，盾体所受的摩擦力较大，实际推进中总推力略大于理论计算值，优化后推力控制在25000kN～30000kN。掘进过程中刀盘扭矩和总推力的规律基本一致，略大于理论值，但膨润土+泡沫改良时刀盘扭矩略小于泡沫+水改良下的刀盘扭矩，优化平均扭矩控制为15000kN-m。由于地质松软，土体稳定性差，所以推进速度应相对提高，快速通过，减小土体沉降，优化掘进平均速度为45mm/min～60mm/min。刀盘转速与推进速度相匹配，使贯入度保持在30mm/r左右为宜；本工程盾构掘进中土仓压力为适当欠压，但最低不能低于0.06MPa，否则容易造成超方及滞后沉降数据过大等问题。

3 结 语

在进行盾构施工过程中，掘进参数控制是十分重要的技术，因此要不断的对其进行分析优化。本文主要对实体工程富水砂卵石地层中土压平衡盾构机的掘进参数进行了详细的分析，通过不断优化掘进参数，提高了盾构机的工作效率，另外还降低了更换刀具及盾构故障的频率，取得了良好的效益，推动了工程的质量和进度。