总推力、刀盘扭矩及转速、掘进速度等都是表征泥水盾构掘进性能的主要参数^[1,2,3,4,5], 各个参数都会受到外界诸多因素的影响。常见的影响因素主要有:隧道线型、地质条件、水文条件、设备状况以及人为因素等^[6,7], 因此在研究泥水盾构使用性能时, 一方面要充分分析各项参数本身的变化规律, 同时还需要深入了解关键掘进参数与外界影响因素之间的相互关系。南昌市轨道交通1号线一期工程某区间泥质粉砂岩地层组成部分为: (2) ₃细砂、 (2) ₆砾砂、 (2) ₇圆砾层、 (5) _1-1强风化泥质粉砂岩、 (5) _1-2中风化泥质粉砂岩、 (5) _1-3微风化泥质粉砂岩层, 各地层主要参数情况如表1所示。中 (微) 风化泥质粉砂岩为1 120m长, 渗透系数为10^-5量级, 占总长度的60%。

通过对该工程泥水盾构在泥质粉砂岩地层中的施工数据进行统计与分析, 深入研究盾构掘进参数与地层之间的关联性, 以确定泥水盾构掘进参数的合理控制范围, 并推导出主要掘进参数的回归数学模型, 能够为工程施工中的掘进参数控制与调整提供参考。

为进一步分析本工程泥水盾构主要掘进参数 (盾构总推力、刀盘扭矩及转速、盾构掘进速度等) 与地层之间的相互关系, 基于工程施工区间地层性质的不同, 此处将泥水盾构区间分为两个阶段进行统计分析, 分别为:强 (中) 风化泥质粉砂岩地层 (170~330环) , 以层号Ⅰ表示;中 (微) 风化泥质粉砂岩地层 (330~640环) , 以层号Ⅱ表示。并在此基础上, 对各掘进参数沿区间纵向变化规律进行研究分析。

对各环的推力平均值进行统计分析, 不同地层数据直方图如图1所示。

由图1可以知, 在泥质粉砂岩地层施工中, 盾构总推力基本呈现出正态分布的规律, 其中:其在强 (中) 风化泥质粉砂岩、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中的总推力均值分别为17 130, 12 190k N, 方差分别为1 541 780k N。施工过程具体表现为:相对于中 (微) 风化泥质粉砂岩地层而言, 在强 (中) 风化泥质粉砂岩地层中的盾构总推力相对更大, 掘进速度相对更低。

以170~640环区间的盾构总推力数据为例进行分析, 得出总推力沿里程变化关系曲线, 如图2所示。

由图2可以看出, 盾构总推力起初相对平稳, 波动幅度较小, 但数值相对偏大, 推力在15~20MN范围内;随后波动幅度较大, 400环之后盾构总推力先减小后增大, 随后又减小。从地层关系上说, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩地层掘进时, 刀盘出现结泥饼现象, 因此推力相对较大;随后经过刀盘改造, 刀盘结泥饼现象消除, 且中 (微) 风化泥质粉砂岩地层地质条件较好, 盾构所受到的阻力较小, 故盾构总推力数值较小, 其值在8~12MN左右。

对各环的刀盘扭矩平均值进行统计分析, 不同地层数据直方图如图3所示。

由图3分析可知, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 刀盘扭矩均值分别为2 576, 1 753k N·m, 方差分别为41 818, 335 963k N·m。

对比分析可知:相对于中 (微) 风化泥质粉砂岩地层, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 刀盘扭矩更大。刀盘扭矩总体变化趋势与盾构总推力基本一致, 以170~640环区间的盾构刀盘扭矩数据为例进行分析, 得出刀盘扭矩沿里程变化关系曲线如图4所示。

由图4可知:泥水盾构刀盘扭矩数值刚开始较平稳, 波动幅度较小, 但数值相对偏大, 刀盘扭矩在2 200~2 800 k N·m范围内;随后波动幅度较大, 刀盘扭矩先减小后增大, 随后又减小。泥水盾构刀盘扭矩沿纵向变化规律与盾构推力变化规律基本一致。

对各环的刀盘转速平均值进行统计分析, 不同地层数据直方图如图5所示。

由图5分析可以得知, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 刀盘转速均值分别为1.06, 1.08r/min, 方差分别为0.04, 0.034 r/min。即两种地层条件下刀盘转速均相对较稳定。以170~640环区间的盾构刀盘转速数据为例进行分析, 得出刀盘转速沿里程变化关系曲线, 如图6所示。

由图6可知:泥水盾构刀盘转速起初基本稳定在1.05r/min左右;400环以后盾构刀盘转速数值略微有所提高。从地层关系上说, 盾构在中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 刀盘结泥饼概率更小, 进而具有更高的刀盘转速。

对各环的掘进速度平均值进行统计分析, 不同地层数据直方图如图7所示。

由图7可知, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 掘进速度均值分别为6.45, 10.6mm/min, 方差分别为2.79, 3.8 mm/min。由于在强 (中) 风化泥质粉砂岩中, 刀盘更易出现结泥饼现象, 因此掘进速度相对于在中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中要慢。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出掘进速度沿里程变化关系曲线如图8所示。

由图8可知, 在400环以前盾构掘进速度相对较低, 基本稳定在8mm/min左右;400环以后盾构掘进速度有所提高 (12mm/min) , 但波动幅度也有所增加。从地层关系上进行分析, 泥水盾构在中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 岩层硬度更高, 不会出现因切削下来的碎屑粉末状黏土颗粒而结泥饼, 因而具有更高的掘进速度。

对各环的泥水仓泥水压力平均值进行统计分析, 不同地层数据直方图如图9所示。

由图9分析可知, 盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 刀盘转速均值分别为222, 181k Pa, 方差分别为12, 27 k Pa。由于泥水压力设定与隧道埋深、地层条件、水压等因素关联密切, 中 (微) 风化泥质粉砂岩地层条件较好, 土层完全具有自稳能力, 因此在中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 泥水仓泥水压力设定较小。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出泥水仓泥水压力沿里程变化关系曲线, 如图10所示。

由图10可知, 320环以前, 泥水压力基本稳定在0.21MPa左右;320环以后泥水压力数值在0.15~0.3 MPa范围内浮动, 且有下降趋势。泥水仓压力波动的原因主要是因为在中 (微) 风化泥质粉砂岩地层掘进时, 为了保证掘进速度, 刀盘仓冲刷相对比较厉害, 堵仓现象引起泥水仓的泥水压力在一定范围内波动。

基于以上统计分析结果, 针对泥水盾构在泥质粉砂岩地层条件下掘进, 提出一定的掘进参数控制范围, 如表2所示。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出刀盘扭矩M与总推力N关系曲线, 如图11所示。

由上图分析可知:泥水盾构在强 (中) 、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 刀盘扭矩与盾构推力近似呈线性的正相关关系。中 (微) 风化泥质粉砂岩区间的岩体较为均匀、岩层强度较为均匀, 而强 (中) 风化泥质粉砂岩地层易使刀盘结泥饼, 进而增加了盾构推力和刀盘扭矩。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出掘进速度v与刀盘转速ω关系曲线, 如图12所示。

由上图分析可知:泥水盾构在强 (中) 、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 由于受到施工条件、工期、人员操作水平等外部因素的影响, 刀盘转速与掘进速度均相对稳定 (刀盘转速稳定在1.0~1.1 r/min范围内) , 但匹配性较差。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出刀盘扭矩M与掘进速度v关系曲线, 如图13所示。

由上图分析可知:泥水盾构在强 (中) 、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 掘进速度与刀盘扭矩呈无规则分布, 不具备明显的相关关系。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出不同地层条件下的掘进速度v与总推力N关系曲线如图14所示。

由上图分析可知:泥水盾构在强 (中) 、中 (微) 风化泥质粉砂岩地层中掘进时, 掘进速度与总推力间呈弱线性相关关系;另一方面, 由于盾构施工过程中遇到坚硬地层等复杂地质条件, 导致掘进速度随盾构推力增大而减小。

以170~640环区间的盾构掘进数据为例进行分析, 得出不同地层条件下的泥水仓泥水压力σ与掘进速度v关系曲线, 如图15所示。

由图15可知:盾构泥水仓泥水压力基本呈无规则分布 (在0.1~0.3MPa范围内变化) ;泥水压力设定值大小主要依据是地层条件、隧道埋深、地下水状况等因素。

由于不同地层中泥水盾构掘进参数不尽相同, 针对不同地层条件建立多元线性回归模型, 对掘进参数进行回归分析:

式中:v为掘进速度 (mm/min) ;N为总推力 (MPa) ;σ为泥水压力 (MPa) ;ω为刀盘转速 (r/min) ;a₀, a₁, a₂, a₃为回归系数。

基于式 (1) 对不同地层段盾构掘进参数分别进行回归分析。

以171~330环区间的盾构掘进数据为例进行回归分析, 得出掘进速度v与总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω之间的关系表达式:

基于式 (2) 模型, 得出盾构在171~330环区间内的掘进速度v拟合值与实测值的对比曲线, 具体如图16所示。

由式 (2) 及上图曲线分析可知:盾构掘进速度v受总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω影响显著 (回归相关系数R=0.764) , 拟合曲线与实测值基本吻合, 可作为预测强 (中) 风化泥质粉砂岩条件下的盾构掘进速度v的回归模型。

以331~640环区间的盾构掘进数据为例进行回归分析, 得出掘进速度v与总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω之间的关系表达式:

基于式 (3) 模型, 得出盾构在331~640环区间内的掘进速度v拟合值与实测值的对比曲线, 具体如图17所示。

由式 (3) 及上图曲线分析可知:掘进速度v与盾构总推力N、泥水仓泥水压力σ及刀盘转速ω总体上存在显著线性关系 (回归相关系数R=0.865) 。且拟合曲线与实测值基本吻合, 则式 (3) 可作为中 (微) 风化泥质粉砂岩地质条件下盾构掘进速度预测模型。

针对不同地层条件建立刀盘扭矩M与总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω间的多元线性回归模型:

式中:b₀, b₁, b₂, b₃为回归系数, 其余符号意义同上。

以171~330环区间的盾构掘进数据为例进行回归分析, 得出刀盘扭矩M与总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω之间的关系表达式:

基于式 (5) 模型, 得出盾构在171~330环的刀盘扭矩M拟合值与实测值的对比曲线, 具体如图18所示。

由式 (5) 及上图曲线分析可知:刀盘扭矩M与盾构总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω整体上存在弱线性关系 (回归相关系数R=0.493) 。拟合曲线与实测值的变化规律基本一致, 但拟合值与实测值有一定的差距 (可能与强风化泥质粉砂岩区间出现刀盘结泥饼现象有关) 。

以331~640环区间的盾构掘进数据为例进行回归分析, 得出刀盘扭矩M与总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω之间的关系表达式:

基于式 (6) 模型, 得出盾构在331~640环的刀盘扭矩M拟合值与实测值的对比曲线, 具体如图19所示。

由式 (6) 及上图曲线分析可知:刀盘扭矩M与盾构总推力N、泥水压力σ及刀盘转速ω整体上存在显著线性关系 (回归相关系数R=0.848) 。刀盘扭矩拟合曲线与实测值变化规律基本一致, 且具有较好的吻合度, 可作为盾构在中 (微) 风化泥质粉砂岩中掘进时刀盘扭矩M的预测模型。

1) 强 (中) (微) 风化泥质粉砂岩地层段泥水盾构总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、盾构掘进速度、泥水仓泥水压力等参数变化相对稳定。

2) 由于盾构在强 (中) 风化泥质粉砂岩地层掘进过程中, 存在盾构刀盘结泥饼等不良影响, 使得总推力、刀盘扭矩的数值较大, 但掘进速度值较低。

3) 采用多元回归分析方法, 建立了盾构掘进速度、刀盘扭矩的回归数学模型, 工程实践证明, 中 (微) 风化地层段的参数实测值与拟合值吻合度更高, 可作为掘进速度及刀盘扭矩的预测模型。