不同贯入度下的隧道施工质量与经济性对比分析

高永军

（中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250014）

1 工程背景

盾构施工法是指利用盾构机在地下掘进，在护盾的支撑与保护下，安全高效的进行开挖和衬砌管片作业，从而使隧道一次成型的施工方法。从盾构法问世以来，其高效、安全、环保等诸多优点，被广泛应用于水利、交通、采矿等各大领域[1]。芜湖城南过江隧道起于江北规划新民路，沿滨江大道南线布置，在长江大堤内侧拐向东南方向，穿越长江后，于江南接大工山路，路线全长5.965 km，其中左线盾构隧道3 957.77 m，右线盾构隧道3 967.4 m，隧道开挖直径15.07 m，管片外径14.5 m，内径13.3 m，最大转弯半径为2 000 m，最大坡度为4%。盾构机依次需要穿越粉砂、细沙、全风化及强风化粉砂岩、全风化及强风化石英岩、上软下硬、断层破碎带、凝灰角砾岩、粉土、粉质粘土等多种复杂地层。根据该工程施工要求和地层状况，其右线隧道采用一台国产泥水平衡式盾构机进行掘进，其设计最大掘进速度为50 mm/min，最大推力为222 170 KN，额定扭矩为42 784 KNm，最大工作水土压力为10 bar，刀盘的设计为开口率30%的复合耐磨常压式刀盘，配备滚刀、切刀、刮刀等多种刀具，并具备滚齿互换、刀具磨损及旋转自动监测功能。为了盾构行业积累宝贵经验，提前制定接下来要面临的地层变化所需要采取的措施，寻找调整掘进参数的合理方法，保证隧道高品质、高效率建设，本研究选取该工程项目前期粉砂、细沙层掘进期间的贯入度这一掘进参数作为研究对象，分析了不同贯入度下其他掘进参数的变化并对隧道质量及隧道施工经济性进行了对比。

2 综合方案设计

本研究中贯入度指盾构机在单位转速内刀盘贯入土体的长度，计算公式为：贯入度=掘进速度/刀盘转速[2]。该工程项目右线隧道701～760 环掘进期间理论设计切口压力近似，刀盘转速近似，掘进地层以粉砂和细沙为主，因此选取此区间作为本文的研究对象，在701～720 环以30 mm/r 的贯入度进行掘进，721～740 环以25 mm/r 的贯入度进行掘进，741～760环以20 mm/r 的贯入度进行掘进，以此为基准记录推力、扭矩等参数的变化情况，同时仔细观察在不同贯入度下所成型隧道质量的好坏，并对经济成本进行初步计算和分析[3]。701～760 环地层分布见图1。

图1 701～760 环地层图

3 数据采集与分析

将掘进过程中的各项参数如刀盘转速、刀盘扭矩、总推力、平均推进速度、贯入度、切口压力进行记录，见表1，并根据相关参数进行具体分析。

表1 701～760 环掘进参数记录

3.1 推力及扭矩的分析

计算出样本数据中不同贯入度下推力和扭矩的平均值，见表2。

表2 推力、扭矩平均值记录

从表2 中可以分析得出以下结论：贯入度和推力成反比关系，贯入度和扭矩成正比关系。按照行业经验来看，贯入度和推力及扭矩理应都成正比关系，即贯入度越高，推力及扭矩也会越大。但根据现场实际情况来看，贯入度和推力成反比，且切口压力、刀盘转速、掘进期间的进排浆流量、冲刷流量基本为定值。推测该现象的发生是地层的因素所导致，饱和粉细砂层的砂粒粒度均匀，孔隙度大，上下岩层多为不透水性，富水性较好[4]。因此，由于贯入度小，掘进速度较慢，砂层包裹性变大而造成推力未降反升。

3.2 隧道质量分析

对隧道成型质量的分析主要从管片破损情况、渗漏水情况以及管片上浮量等方面进行对比。

3.2.1 管片破损情况

通过对这60 环管片的持续观察，并未发现任何管片破损或者裂缝等现象，因此大致可以得出结论，在保证进场管片质量及拼装工艺的前提下，贯入度的高低并不会造成管片的破损。

3.2.2 管片渗漏水情况

通过对这60 环管片的持续观察，不难发现，在25 mm/r 和20 mm/r 的贯入度下掘进，隧道存在极少数轻微渗水现象，而在30 mm/r 的贯入度下，管片渗漏水的情况比25 mm/r 和20 mm/r 的贯入度下的管片渗漏水情况相对严重一些，不过并未有重大漏水现象。分析其原因有以下几点：首先高贯入度意味着掘进速度也更快，因此造成盾尾油脂对管片外弧面的填充与涂抹不能达到充分饱满的状态；其次由于同步注浆所使用的浆液初凝时间较长，经试验得知初凝时间为8到10 小时，无法及时的填充管片与外部土体的缝隙，而砂层又富含水分，这也是管片渗水的一个原因；最后由于掘进速度快，作为遏制管片渗漏水的有效手段之一，即二次注浆，无法跟上正常的掘进施工进度，也是其中一个重要原因。

3.2.3 管片上浮量

对701～760 环最大以及最小管片上浮量进行记录，见表3。

表3 上浮量记录

通过表3 中的数据分析来看，低贯入度下的整体上浮量明显高于高贯入度下的上浮量。

3.3 经济性分析

根据计算公式，在刀盘转速一定的情况下，更高的贯入度意味着更快的掘进速度。通过安装电表，对不同贯入度下每环所使用的用电量进行统计[5]。见表4。

表4 用电量记录

由表4 可知，每环多推1 min 时间会多使用约113 度的综合用电。若排除其他干扰施工的因素，按照正常的施工节奏来说，30 mm/r 的贯入度下一天可掘进10 环，25 mm/r 的贯入度下一天可掘进8 环，20 mm/r 的贯入度下一天可掘进6 环。因此可以得出结论，在每环人力、物力成本等其他开支不变的前提下，按照30 mm/r 的贯入度进行掘进，经济效益最高。

4 结论与展望

本研究以芜湖城南过江隧道项目右线隧道701至760 环的掘进过程为研究对象，在其穿越粉砂、细沙地层时采用不同贯入度进行掘进，并将各项掘进参数数据进行采集与记录。经过多层面的分析与比对，本研究可以得出以下几点结论：

（1） 由于该项目盾构机设计最大掘进速度为50 mm/min，最大推力为222 170 KN，额定扭矩为42 784 KNm，因此贯入度30 mm/r 所增加的扭矩相对于最大扭矩来说基本可以忽略不计；而较高的贯入度对成型隧道的整体质量并没有太大的负面影响，且能节省大量不必要的用电成本，工程整体进度也会大大加快。因此综合来看，保持30 mm/r 的贯入度、1.0 rpm的刀盘转速、30 mm/min 的推进速度进行粉砂、细沙地层的大直径盾构施工是较为合理可行的一种方法，但与此同时也要时刻关注其他重要掘进参数的变化，当推力和扭矩或其他参数明显出现异常时要格外引起注意，防止地层突变造成设备的损坏，影响隧道的施工甚至引发事故的发生。

（2） 在进行隧道施工的过程中，应对盾尾油脂的注入量及盾尾密封压力、同步注浆量及注浆压力、二次注浆的配比与方量、管片上浮量做好记录并及时加以调整，进行严格控制。

（3） 贯入度的不同不仅对前期粉砂、细沙层的掘进过程有着重大影响，在日后的硬岩掘进中，不同贯入度对滚刀磨损、滚刀破岩能力、硬岩层掘进效率与经济性也有着重要的研究意义[6]。提前做好应对才能有备无患。