0 引言

　　珠海地区位于海积平原与丘陵交汇处，广泛存在上软下硬、软硬不均的复合地层，这对盾构施工提出了新的难题。复合地层中，不同地层岩石强度差异巨大，地层条件变化复杂，导致了盾构机掘进参数差异性较大。对于何种地层适用何种掘进参数，一直是盾构施工中的难点问题，若盾构参数选取不合理，将导致盾构机姿态偏移掘进轴线、管片拼装质量差、管片错台漏水等严重质量问题。

　　目前，针对不同地层掘进参数适用性已经有了大量研究，如赵博剑等^[1]以深圳地铁11号线车公庙站—红树湾站和南山站—前海湾站两个区间中直径7m的复合式土压平衡盾构施工为背景，针对区间典型地段的不同地层，采用数理统计方法分析了5个关键盾构掘进参数与6种主要地层的相关性。孟德鑫等^[2]针对两个区间盾构掘进中遇到的砾质黏性土、全风化花岗石两种地层，对比分析在相同地层下，不同掘进参数的实际应用效果。褚东升^[3]对湘江隧道陆屿段、西汊越江段和东汊越江段3个区段不同地层掘进参数的分布规律进行统计分析，对比总结陆屿段和越江段的掘进参数分布特点，提出陆屿段和越江段掘进参数的合理控制范围，分析主要掘进参数间的关联度。虽然有众多学者对该问题进行研究，但由于不同地质条件下盾构掘进施工参数变化极大，仍需要结合具体工程，针对典型复合地层进行参数选取研究。

　　本文以珠机城际轨道交通横琴隧道1号工作井—湾仔北站盾构区间直径8.8m复合式土压平衡盾构施工为例，针对区间典型地段的不同地层，采用数理统计方法对盾构掘进过程中实测的6个重要掘进参数和地层的相关性进行了分析。相关结论可以为同类型盾构施工掘进参数设置和选取提供参考。

　　1 工程背景

　　横琴隧道1号井—湾仔北站区间位于珠海市市区南湾大道，线路左侧临海，多为工业厂房。盾构隧道起讫里程左线DK2+748.926—DK3+986.200，全长1.237km，右线YDK2+764.071—YDK3+994.380，全长1.230km，双洞单线，采用铁建重工DZ192直径8.8m盾构机进行施工。1号井—湾仔北站盾构区间，分别设置半径R=400m,R=800m及R=500m转弯段，区间盾构段纵断面为下坡，最大坡度为15.7‰，隧道顶覆土厚度6.1～16.5m。

　　区间隧道穿越地质情况复杂，穿越多种地层，主要有人工填土层、粉质黏土、全风化花岗岩、弱风化花岗岩等，部分地段含有大体积球状风化孤石，给盾构带来较多困难。1号井—湾仔北站区间地层岩性分布如图1所示。

　　图1 1号井—湾仔北站区间地层岩性分布  

　　本盾构区间地层情况可以大致分为4类:软土地层、上软下硬地层、全风化花岗岩地层、弱风化花岗岩地层。分析时，将按照上述4类对掘进参数进行分类对比。

　　2 掘进参数选取原则

　　本文选取的掘进参数是由盾构数据采集系统记录的，收集了盾构操作过程中的全部参数，包括掘进时间、衬砌环数、设备倾角、主驱动相关参数、推进油缸和铰接油缸推进行程、土仓压力、贯入度、螺旋输送机参数等几十项参数，在盾构掘进历时过程中共产生50多万组数据，为了保证盾构掘进参数研究的准确性和代表性，故选取具有典型代表值的几项掘进参数进行统计分析，揭示该参数和地层的相关性^[4,5]。掘进参数选取原则如下。

　　1)选取的掘进参数需能正确反映盾构机的掘进特性，并且在不同地层中具有显著差异，能够代表地层特性。

　　2)每环的掘进参数众多，选取掘进过程中各环参数的平均值作为分析代表值。

　　3)不考虑盾构在非掘进时间内的参数，只选取掘进时间内的数据作为该环掘进参数。

　　4)具有多个传感器数值的掘进参数，如土仓压力，取各传感器的平均值。

　　依据上述原则，结合现有研究成果，选取6个重要研究参数，分别为:主驱动总推力、主驱动推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力和贯入度作为本次分析的数据。

　　3 复合地层盾构掘进参数变化及分析

　　分析1号井—湾仔北站区间的地质特性图可知，隧道在DK2+748—DK3+234段、DK3+539—DK3+986段主要穿越人工素填土层、粉质黏土层、粗砂等地层;在DK3+234—DK3+334段、DK3+459—DK3+539段主要穿越粉质黏土层和全风化花岗岩互层，该段为上软下硬地层;在DK3+334—DK3+459段主要穿越弱风化花岗岩地层。选取各地层中共260环主要掘进参数进行统计分析，研究各掘进参数和地层的相关性。

　　3.1 主驱动总推力分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环主驱动总推力进行分析，总推力变化曲线如图2所示。

　　图2 不同地层主驱动总推力变化  

　　主驱动总推力是评价土压平衡盾构工作性能的重要指标，在掘进过程中是动态变化的，不同地层条件下总推力变化是较大的。由图2可以得出以下结论。

　　1)在基本相同的粉质黏土地层条件下，1～45环盾构主驱动平均总推进力在21 986kN左右，而216～260环盾构主驱动平均总推进力在22 113kN左右，两者整体相差不大，差距在1%以内。

　　2)粉质黏土地层和弱风化花岗岩层的总推力波动较小，而上软下硬地层总推力波动范围较大，波动性强。粉质黏土地层波动范围为18 388～24 345kN，弱风化花岗岩层波动范围为13 056～21 248kN，上软下硬地层波动范围最大，为19 105～35 541kN。

　　3)对于总推力平均值而言，上软下硬地层>粉质黏土地层>弱风化花岗岩层，说明盾构在弱风化花岗岩地层中总推力需设置略小一些，若推力过大，将会导致刀盘破坏，但为了提高掘进效率，需提高刀盘转速^[6]。

　　3.2 主驱动推进速度分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环主驱动推进速度进行分析，推进速度变化曲线如图3所示。

　　图3 不同地层主驱动推进速度变化 

　　掘进速度主要取决于盾构机的设计性能和地层特点，对3种地层的掘进速度分析可以得出以下结论。

　　1)盾构在3种地层中掘进时，推进速度平均值差异较大。粉质黏土地层的平均掘进速度最大，约为48.63mm/min，上软下硬地层的平均掘进速度次之，为5.49mm/min，弱风化花岗岩层的平均掘进速度最小，只有3.74mm/min，说明由于粉质黏土层的土体强度低，更利于刀盘切削，盾构掘进效率最高。

　　2)上软下硬地层中，盾构逐渐由粉质黏土和强风化花岗岩互层、强风化花岗岩层向弱风化花岗岩层过渡，岩体强度逐渐提高，掘进速度逐渐减小，切削效率降低^[7]。

　　3)弱风化花岗岩地层由于岩性单一，推进速度值波动范围在平均值附近，波动范围小，最稳定;上软下硬地层由于岩性复杂，推进速度波动较大;粉质黏土地层由于土体强度低，推进速度不容易控制，更容易受到推进压力的影响而发生较大变化。

　　3.3 刀盘扭矩分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环刀盘扭矩进行分析，刀盘扭矩变化曲线如图4所示。

　　1)粉质黏土地层和弱风化花岗岩地层由于岩性单一，刀盘扭矩变化范围较小，相对于平均值变化幅度分别为36.4%和27.4%;而上软下硬地层由于岩性复杂，地层条件差，刀盘扭矩离散性大，相对于平均值变化幅度为83.1%。

　　图4 不同地层刀盘扭矩变化  

　　2)弱风化花岗岩层的刀盘扭矩平均值最小，但仍然能够进行隧道正常开挖，说明即使在岩石强度高的地层，盾构机刀盘扭矩较小的情况下也能破碎岩体，但带来的问题是掘进效率低下^[8]。

　　3.4 刀盘转速分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环刀盘转速进行分析，刀盘转速变化曲线如图5所示。

　　图5 不同地层刀盘转速变化  

　　从不同地层刀盘转速变化曲线可以看出以下几点。

　　1)各地层中的刀盘转速波动范围很小，基本在平均值附近，上软下硬地层刀盘转速波动范围稍大。

　　2)粉质黏土地层刀盘转速最小，平均值为1.47r/min和1.54r/min，其次为上软下硬地层，刀盘转速平均值分别为1.48r/min和1.74r/min，弱风化花岗岩层刀盘转速最大，平均值为1.95r/min，说明在硬岩地层中掘进时，应该采用高转速、低推进压力和低扭矩的盾构掘进参数，有利于保护刀盘。

　　3.5 土仓压力分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环土仓压力进行分析，土仓压力变化曲线如图6所示。从不同地层土仓压力变化曲线可以看出以下几点。

　　1)粉质黏土层土仓压力变化范围较小，进入上软下硬地层后，土仓压力变化幅度增大，而在弱风化花岗岩层中变化幅度又变小。

　　图6 不同地层土仓压力变化  

　　2)3种地层的土仓压力平均值，粉质黏土层>上软下硬地层>弱风化花岗岩层。其中，粉质黏土层土仓压力和上覆土层产生土压力相近，而弱风化花岗岩层由于岩体强度高，整体性好，自持能力强，故土仓压力最小，平均值为0.031MPa，约为粉质黏土层的14.8%。

　　3)结合地层条件及盾构隧道覆土厚度，认为土仓压力值的波动幅度主要取决于地层特性，波动数值范围取决于覆土厚度^[9,10]。

　　3.6 刀盘贯入度分析

　　对粉质黏土层、上软下硬地层和弱风化花岗岩地层的盾构掘进各环刀盘贯入度进行分析，刀盘贯入度变化曲线如图7所示。

　　图7 不同地层刀盘贯入度变化  

　　从不同地层刀盘贯入度变化曲线可以看出:弱风化花岗岩层由于岩体强度高，刀盘贯入度低，且波动范围小，平均值为1.89mm/r，平均值仅为粉质黏土层条件下的5.9%;上软下硬地层次之，刀盘贯入度平均值分别为3.72mm/r和2.63mm/r，粉质黏土层贯入度变化范围最大，平均值差距较大，但贯入度明显高于另两种地层，平均值分别为31.73mm/r和9.90mm/r。说明在硬岩地层中盾构掘进刀盘贯入度最小，盾构机在硬岩中掘进效率低下。

　　4 结语

　　1)硬岩地层中盾构掘进时，为了保证盾构刀盘的完整性和切削效率，减少换刀次数，可以适当降低盾构机总推力和刀盘扭矩，适当提高刀盘转速，从而在保证整体掘进效率的前提下，减少换刀数量，提高工程经济性和稳定性。

　　2)结合珠机城际横琴隧道，针对典型的华南地区复合地层，分析了3种不同地层条件下的6种主要盾构掘进参数，为同类型的土压平衡盾构在珠海地区复合地层条件下盾构参数选取提供参考和指导。