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摘要：大型泥水盾构施工参数是地面沉降的决定性因素，现有研究缺乏指导工程实践的方法。研究基于盾构掘进引起地层阶段性变形激励，梳理盾构施工主被动控制参数，总结推进速度、同步注浆量等主动控制参数的调控策略。表明气泡舱压力监测值与隧道轴线埋深线形关系明显，推进速度为20-40mm/min，刀盘转速通常设定为0.8-1.2r/min，同步注浆采用注浆压力与注浆量双控模式，注浆压力为0.3-0.85MPa。
关键词：泥水盾构机；泥浆参数；工程机械施工
1989年东京湾海底公路隧道建设14m超大直径盾构隧道，过去国内采用14m级超大直径盾构修建多条城市公路隧道。盾构掘进造成地层损失及受剪切破坏重塑土再固结是盾构法隧道施工沉降主要原因。盾构施工参数是地面沉降决定性因素，盾尾同步注浆是盾构施工关键控制参数，许多研究分析推进速度、同步注浆量等参数对地面沉降的影响，但未对大型泥水盾构参数变化关系进行区分。研究基于大型泥水盾构掘进引起底层阶段性变形机理，梳理盾构施工主被动控制参数，为大直径盾构施工参数调控提供借鉴。
1.泥水盾构施工的应用研究
随着社会经济的快速发展，隧道工程技术不断进步，隧道连接快速交通成为地区间沟通的重要途径。城市地下空间资源开发利用成为可持续发展的重要方向。近年来国内出现很多大型隧道工程，盾构施工速度快等优点，在城市地下隧道建设中广泛应用。泥水平衡盾构工法益气效率高、安全可靠等优点得到广泛使用，在地质条件复杂、不稳定图层工程，对地面变形要求高的工程中体现其独特优越性。
1825年英国工程师在伦敦泰晤士河用矩形盾构修建行人隧道，此后盾构法隧道经历巨大进步，各国建造各种直径的盾构，盾构掘进机从手工操作到计算机监控机械化施工，从挤压式盾构发展到闭胸式盾构【1】。盾构法可以在包含水量大的砂砾石层施工，因其机械化程度高，掘进速度快等优点，在隧道施工中占据主导地位。盾构隧道新技术方法不断开发完善，目前国内外在复杂土层隧道建设方面技术逐渐成熟。我国自50年代采用盾构法修建隧道，1963年上海进行饱和软土地层盾构工程试验，建成了地铁1，2号线等功率地铁交通隧道。通过工程实践积累丰富的工程经验，形成适合我国国情的技术规范及系统的盾构隧道施工理论。
盾构法隧道施工是使用盾构机控制开挖面同时进行隧道掘进，在机内拼装管片形成衬砌，不扰动围岩修筑隧道的方法。盾构机的盾是保持开挖面稳定性的刀盘与支护围岩盾构钢壳。泥水盾构机是在机械式盾构机刀盘后方设置封闭隔板，把水与添加剂混合制成泥水，泥水充满你水仓，推进力经舱内泥水传递到掘削面土体上。刀盘掘削下土砂进入泥水舱，泥浆泵送到地面泥水处理系统，循环完成排土掘进。盾构法施工是复杂的过程，对周围环境影响密切相关。1969年Peck指出盾构法施工引起地层损失对相邻结构物的影响。理论分析只有把握盾构施工主要因素才能得出符合实际的结果。
泥水平衡盾构法建造水底隧道具有安全等优点，成为未来隧道发展方向。国内出现很多代行跨海盾构隧道工程，其特点是直径大，盾构开发隧道中对底层产生扰动，盾构开挖对周围底层产生位移，造成建筑物倒塌【2】。开挖面失稳事故在地层条件复杂盾构隧道施工中时有发生，人们对盾构隧道工程安全性提出更高的要求。研究盾构掘进对土体扰动影响，通过泥浆参数调整保证工程安全具有重要意义。
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图1 大型盾构掘进引起地面沉降示意
2.泥水盾构施工参数调控分析
大型泥水气压平衡施工参数分为主被动调整参数，被调参数为自适应盾构掘进状态变化参数，主控参数有同步注浆量Vg与注浆压力Pg，注浆压力控制在一定范围内；气泡舱压力Pa，进泥流量Qi，排泥流量Qo，为维持气泡舱泥水液位处于隧道轴线位置；推进速度v，对应的千斤顶推力F是自适应盾构掘进系统被调参数【3】。考虑盾构掘进过程，盾构掘进引起地面沉降分为切口压力影响，注浆填充与固结沉降等阶段。（图1）
气泡舱压力Pa设定值根据刀盘中心处切口水压Ps确定，工程经验公式Ps=K0γZ，γ为土体容重kN/m3，Ko为静止土压力系数0.65，Z为隧道轴线埋深m.盾构推进严格控制切口水压，使切口正面土压保持稳定。密度是泥浆性质的重要指标，加入泥水新浆，会提高泥浆黏度，泥浆颗粒多，形成致密泥膜，泥浆颗粒形成泥膜时增大泥浆密度导致泥水系统超负荷运转，黏度高，携渣能力强【4】。泥水平衡㐐通过调节油压千斤顶进油流量推进速度，大型盾构在穿越重要建筑物时，正常工况下推进速度为20-40mm/min，推进油压使用不超过额定油压的70%，提高刀盘转速减小输出扭矩，但转速过高增加刀具磨损，确保刀盘扭矩控制在额定扭矩的65%内【5】。大型盾构同步注浆采用单液惰性浆液，设定活塞泵注浆压力上下限值，根据传感器监测值调整，正常推进状态注浆率为110%-130%，盾构穿越敏感建筑物时加固区需降低注浆量。
3.大型泥水盾构施工参数调控实例
上海某越江隧道工程采用直径14.93泥水气压平衡盾构施工，隧道内径13.3m，盾构隧道东线共1694环，盾构施工穿越草黄色粉质黏土，灰色淤泥质粘土、草黄色粘质粉土夹粉质黏土；灰黄-灰色粉砂。根据隧道埋深对盾构掘进进行区间划分。
管片环号为隧道轴线埋深体现，泥水气压平衡盾构通过调节气泡舱空气压力控制泥水压力，气泡舱压力监测值与隧道轴线埋深呈线性关系【6】。盾构推进保持进泥流量不变，分析不同区间及推进速度随盾构推进环好变化曲线，进排泥流量差与推进速度正相关性明显，单位时间内切削泥土多，盾构在1056-1123环区间进入粉砂层为主的底层中，进排泥流量差取最小值136m³/h.分析不同区间进排泥密度均值，进泥密度均值范围为1.128-1.206g/cm3，盾构从1056环进入粉砂层，进排泥密度降低，1123-1181环掘进断面内粉砂层进排泥密度差达到最大值0.108g/cm3.
分析盾构推进速度刀盘转速随隧道埋深直径比变化曲线，油压千斤顶为盾构前行提供推力，推力与推进速度关联性不明显【7】。刀盘扭矩随隧道覆土厚度增大，刀盘扭矩达到最大值13.145MN•m，刀盘扭矩降低到6.389MN•m，土层密室刀盘扭矩大。分析盾构各掘进区间注浆量与浆液坍落度均值随隧道埋深直径比变化曲线，工程除始发段采用128%注浆率，后续掘注浆量为21.8-22.8m³/环【8】。坍落度是同步注浆液施工重要指标，由地层环境等因素决定。施工总控制坍落度为120±30mm，坍落度变化范围为84-119mm。
结语
大型泥水气压平衡盾构施工参数分为主被动调整参数，推进速度，同步注浆量等为主动控制参数；正常工况下大型盾构推进速度为20-40mm/min，刀盘转速设定为0.8-1.2r/min。气泡舱压力监测值与隧道轴线埋深线性关系明显，通过调节排泥量稳定泥水液位。同步注浆采用注浆压力与注浆量双控模式，注浆压力通常为0.3-0.85MPa.
参考文献
[1]米珂.基于虚拟仪器的盾构机故障预测与健康管理研究[D].石家庄铁道大学,2019.
[2]宗树红.超大直径盾构隧道穿越黄河施工控制技术研究[D].山东大学,2018.
[3]黄海.大直径盾构施工引起的钱塘江大堤沉降研究[D].浙江工业大学,2018.
[4]张智博.南京长江隧道大型泥水盾构施工风险分析及对策[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2011,38(06):65-69.
[5]仲生星,李荣智.穿黄隧洞工程泥水盾构掘进施工技术[J].人民长江,2011,42(08):70-76.
[6]李震.地面超载条件下泥水盾构斜穿防汛墙扰动位移研究[D].上海交通大学,2011.
[7]党西锋.基于盾构施工与渣土改良的成都地铁施工关键技术研究[D].石家庄铁道大学,2017.
[8]杨长顺.盾构泥浆处理系统用除泥器设计及粒径控制实验研究[D].北京化工大学,2016.