南昌地铁典型上软下硬地层土压平衡盾构掘进参数控制研究

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摘要：依托南昌地铁1号线五标工程，详细地分析了南昌典型上软下硬地层中土压平衡盾构的总推力、刀盘扭矩、土仓压力及推进速度4个关键掘进参数的变化 ，据此提出了在类似地层中掘进参数的控制范围，并结合现场沉降监测验证了掘进参数选取的合理性。这对类似上软下硬地层的土压平衡盾构施工具有一定的参考价值。

关键词：上软下硬地层；土压平衡；掘进参数；控制

中图分类号：U455.4 文献标识码：A

引言

21世纪是大力开发地下空间的世纪，土压平衡盾构在地铁修建中将得到越来越多的应用。但土压平衡盾构一般主要应用于比较均一的软上、软岩地层或砂层及其互层，在比较均一的地层中采用盾构法施工,盾构掘进方式及掘进模式相对简单、掘进方向容易控制、掘进参数相对稳定,因此盾构施工技术也比较简单[1]。而在上软下硬地层中,坚硬岩层仅在隧道开挖面下半部分出露,下部硬岩自稳性较好而上部软岩自稳性较差,软硬不均现象明显,局部存在不均匀风化夹层,给盾构施工造成了很大的闲难,施工过程中可能会出现很多问题。如:盾构掘进姿态控制闲难、刀具偏磨严重、刀盘受力不均致使主轴承受损或主轴承密封被破坏、工况转换频繁造成较大地表变形等问题[2] [3]。因此掘进参数的控制在上软下硬地层中显得尤其重要，直接关系到施工质量与安全。

南昌地铁1号线五标中山西路站～子固路站盾构区间（简称中~子区间）穿越的的上软下硬地层，上部分为富水细砂和砾砂地层，下部分为强分化及中风化泥质粉砂岩，地层存在明显的软硬不均现象。对于此类典型的上软下硬地层中的掘进参数相关的研究还较少，如何在这种典型上软下硬地层中合理地控制其掘进参数是一个具有工程价值的课题。邓彬，顾小芳[4]在深圳地铁2号线上软下硬地层中根据现场施工简单地提出了刀盘转速、掘进速度、刀盘扭矩及油缸推力的控制值。李光耀[5]也对盾构穿越上软下硬地层时的刀盘转速、掘进速度、刀盘扭矩及推力提供了控制范围，并通过对刀盘扭矩与刀盘转速之间关系的分析提供了刀盘转速的控制范围。但是这些研究主要是简单的提出在上软下硬地层中掘进参数的控制范围，并没有进行详细的数据分析。

本文依托于南昌地铁1号线五标土建工程，对其中~子区间下行线的一段典型上软下硬地层区段的总推力、刀盘扭矩、土仓压力及推进速度进行统计分析，提出了在类似的上软下硬地层中的这4个关键掘进参数的控制范围，并通过现场地表沉降监测验证了掘进参数控制范围的合理性，对今后类似工程具有一定的参考价值。

1 工程概况

南昌地铁1号线五标中~子区间从中山西路站开始沿中山西路自西向东前行，穿越抚河后进入中山路，最后到达子固路站。同时根据勘察资料[6]，中～子区间地层由人工填土、第四系全新统冲积层、第四系上更新统冲积层，下部为第三系新余群基岩。按其岩性及其工程特性，自上而下依次划分为杂填土、粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土、细砂、粗砂、砾砂、砾砂、圆砾、卵石、泥质粉砂岩。在穿越抚河以前，盾构穿越地层为典型的上软下硬地层，上部分为细砂及砾砂地层，下部分为强分化泥质粉砂岩及中分化泥质粉砂岩地层，其纵断面图如图1所示。

图1 中~子区间地质纵断面图[6]

该区间采用土压平衡盾构法推进，盾构直径为6.28m。盾构始发后在过抚河前的典型上软下硬地层区段出现了掘进异常现象，针对这些异常现象，提取该区段的盾构掘进参数进行统计分析，并据此提出在该地层中几个关键掘进参数的控制范围。

2 主要掘进参数统计分析

2.1 总推力

总推力是评价土压平衡盾构工作性能的重要指标，在掘进过程中一般是动态变化的，不同地层条件下会表现出不同的变化规律。将中~子区间下行线上软下硬地层段（前210环）总推力提取出来进行统计分析，其随盾构环数变化曲线图如图2所示，统计分析结果如表1所示。

图2 总推力变化曲线图

表1 总推力统计分析结果

通过对前210环的上软下硬地层的盾构总推力统计分析以及结合地质纵断面图可以看出：随着砾砂层比例的减少和泥质粉砂岩比例的增加，总推力呈现很明显的上升的趋势，但是总体变化不大。通过统计数据，在南昌地区典型上软下硬地层区段，总推力的离散性相对较小，标准差为2256KN，主要分布在15000KN~18000KN之间，其分布曲线为左偏态，且随着掌子面地层中泥质粉砂岩比例增大，盾构的总推力增大。

2.2 刀盘扭矩

土压平衡盾构的刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数之一，特别是在这种典型的上软下硬地层中，刀盘扭矩能反映出当前盾构掘进的异常状态，当刀盘扭矩突然增大而推进速度又较小时，即存在结泥饼的可能性，而当刀盘扭矩较小时，又不利于姿态的控制。将中~子区间下行线上软下硬地层段（前210环）刀盘扭矩提取出来进行统计分析，其随盾构环数变化曲线图如图3所示，统计分析结果如表2所示。

图3 刀盘扭矩变化曲线图

表2 刀盘扭矩统计分析结果

盾构刀盘扭矩在掘进过程中也是动态变化的，通过对下行线刀盘扭矩的统计分析可以反映出：刀盘扭矩的变化与总推力变化规律相似，总体都保持一个比较稳定的趋势，其标准差仅为425 KNm，分布曲线为左偏态，且主要分布在3000 KNm~3200 KNm之内。

2.3 土仓压力

土仓压力，是土压平衡盾构原理应用的重要参数体现，其大小直接影响到掌子面前方土压是否能够平衡，土体发生何种破坏，同时土仓压力也是控制地层损失、减小地层变形的主要手段。将中~子区间下行线上软下硬地层段（前210环）土仓压力提取出来进行统计分析，其随盾构环数变化曲线图如图4所示，统计分析结果如表3所示。

图4 土仓压力变化曲线图

表3 土仓压力统计分析结果

从对该段上软下硬地层的土仓压力的统计分析看来，始发之后土仓压力离散性比较大，直到100环才慢慢稳定下来，稳定后的土仓压力主要分布在0.8Bar~1.0Bar之间，分布呈左偏态。结合图6的地表沉降监测结果来看，地表变化在100环区段较前100环区段更加明显，可见在此类上软下硬地层中，盾构的推进以控制土仓压力为主能更有效减少地层扰动。

2.4 推进速度

土压平衡盾构通过典型上软下硬地层，速度过快会影响同步注浆的效果且不利于盾构姿态的调整，合理设定掘进速度可以有效控制地表沉降，确保施工安全、进度及质量。将中~子区间下行线上软下硬地层段（前210环）推进速度提取出来进行统计分析，其随盾构环数变化曲线图如图5所示，统计分析结果如表4所示。

图5 推进速度变化曲线图

表4 推进速度统计分析结果

通过对该段上软下硬地层掘进速度的分析，其变化比较明显地分为两个阶段，前80环未拆负环阶段速度保持在20 mm/min，而80环之后速度保持在30 mm/min左右，总体来说掘进参数的离散性较小，能保持稳定均匀。这说明在地表没有建筑物等危险源的情况下，在此类上软下硬地层中推进速度控制在30 mm/min比较合理。

3 主要掘进参数的控制及合理性

通过对中~子区间下行线典型上软下硬区段总推力、刀盘扭矩、土仓压力以及推进速度的变化规律以及描述性统计分析，能明显的反映出上软下硬地层中主要掘进参数的控制范围：总推力控制在15000KN~18000KN之间，刀盘扭矩控制范围为3000 KNm~3200 KNm，土仓压力宜控制在0.8Bar~1.0Bar之间，推进速度控制在30 mm/min比较合理。

图6 累计地表沉降值变化曲线图

对盾构穿过南昌地铁1号线中~子区间下行线典型上软下硬地层之后的累计地表沉降值进行汇总，得出不同环数地表沉降累计值的变化曲线图。从图6中累计沉降值可以看出，地表沉降能控制在规范的预警值范围（30mm）内，可见在该典型上软下硬地层区段采用上述掘进参数能较好地控制地层沉降，确保施工的安全，同时也说明上述掘进参数控制范围是合理的。

4 结论

南昌地区的典型上软下硬地层给地铁工程施工造成了很大的闲难,掘进参数的控制是其中的一个重要环节。通过对几个主要掘进参数的统计分析，得出在该区段上软下硬地层中掘进参数的控制范围：总推力控制在15000KN~18000KN之间，刀盘扭矩控制范围为3000 KNm~3200 KNm，土仓压力宜控制在0.8Bar~1.0Bar之间，推进速度控制在30 mm/min比较合理。通过现场监测表明地表沉降均在规范允许范围之内，验证了掘进参数控制范围的合理性。这为今后类似的典型上软下硬地层中的土压平衡盾构施工提供了一定的借鉴意义。

参考文献

[1] 杨书江.盾构在硬岩及软硬不均地层施工技术研究[d].上海交通大学硕士学位论文.上海:上海交通大学,2006.

[2] 尤显明,杨书江.短距离硬岩及上软下硬地层盾构法施工技术[J].城市轨道交通研究,2007,32-34.

[3] 谭忠盛,洪开荣,万姜林,王梦恕.软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术[J].岩石力学与工程学报.2006,25(增2):3945-3952.

[4] 邓彬,顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究[J].现代隧道技术.2012,49(2):59-64.

[5] 李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J].隧道/地下工程.2010,11:89-94.

[6] 南昌市轨道交通1号线一期工程B合同段滨江大道站~万寿宫站区间岩土工程勘察报告[R].南昌:江西省勘察设计研究院,2010.

[7] 孙谋,刘维宁.软土地层盾构近距穿越老式建筑区掘进参数分析[J].土木工程学报.2009,42(12):170-176.

[8] 褚东升.长沙地铁下穿湘江土压平衡盾构隧道掘进参数研究[D].长沙:中南大学,2012.