基于盾构掘进参数分析的隧道围岩模糊判别_宋克志

引言近年来，隧道及地下空间的开发在国内已成为新型的经济增长点。

随着此类工程的快速发展，机械化隧道掘进以其安全、快速、优质等特点而得到广泛应用。

全断面机械化隧道掘进设备主要有TBM 、盾构及顶管，是一种机械化程度很高、能进不能退的全断面施工技术，若在施工中突遇地质灾害，会产生塌方、涌水、掉块，使机器被埋、被淹、被卡，将会出现进退两难，难以处理的局面。

轻则延误工期，增加施工费用，重则造成设备损坏和人员伤亡，后果不堪设想，大量工程实践让人们认识到做好超前地质预报对于保证其高效、安全施工具有非常重要的意义。

为避免事故的发生，除提高勘察精度外，在隧道施工过基金项目：中国博士后科学基金（NO.20060400670）作者简介：宋克志，男，博士，副教授收稿日期：2007-09-29基于盾构掘进参数分析的隧道围岩模糊判别宋克志1，2袁大军3王梦恕3（1.鲁东大学，山东烟台264025；2.同济大学，上海200092；3.北京交通大学，北京100044）摘要：以重庆主城越江排水隧道工程的地层条件为背景，基于施工现场盾构掘进试验，运用模糊数学方法，对盾构掘进过程中隧道围岩状况判别的理论和方法进行了研究。

结合盾构掘进的特点和刀盘切割岩石的基本原理，提出了比推力和比扭矩的概念，建立了不同围岩条件下的比推力（SF ）和比扭矩（ST ）模糊集合，探讨和揭示了刀盘比推力和比扭矩的关系，刀盘推力、扭矩及切深与地质条件的相关性及与不同围岩状况、盾构掘进状态的对应关系。

研究表明，若比推力与比扭矩以较高的水平同步、均匀变化，说明盾构在较硬的均匀地层中掘进；若比推力与比扭矩均较小且同步、均匀变化，说明盾构在较软的均匀地层中掘进；若比推力与比扭矩的变化出现比例异常，则暗示盾构正在穿越断层破碎地段或遇到障碍物或盾构姿态不良等。

该方法减少了盾构在此类地层下掘进的盲目性和停机次数，提高了掘进效率和施工安全度，可用于盾构隧道施工围岩状况的适时、定性判别。

关键词：盾构；掘进参数；比推力；比扭矩；围岩；模糊判别中图分类号：U452U455文献标识码：A文章编号：1000-131X （2009）01-0107-07Fuzzy identification of surrounding rock conditions based on analysis of shield tunneling dataSong Kezhi 1，2Yuan Dajun 3Wang Mengshu 3(1.Ludong University,Yantai 264025China ；2.Tongji University,Shanghai 200092China ；3.Beijing JiaoTong University,Beijing 100044China)Abstract ：Considering the stratums surrounding the Chongqing Yangtze River tunnel,using field tests and fuzzytheory,the method to distinguish the surrounding rock conditions for shield tunneling are studied.Conceptions of specific thrust force (SF )and specific torque (ST )are presented,and fuzzy sets of SF and ST are established.The relationships between SF and ST ,shield performance and the geology are studied.The results indicate that shield tunneling parameters may be significantly influenced by rock conditions.Synchronous and homogeneous variations of SF and ST at high level indicate that the shield is driving through homogeneous and hard rock;if SF and ST vary synchronously and homogeneously at low level,it is an indication that the shield is driving in homogeneous and soft rock;and if the ratio of SF to ST varies abnormally,the shield may be obstructed by fault or fractured zones or poor shield attitudes.The proposed method may reduce the blindness and increase the efficiency of shield driving.Keywords ：shield ；tunneling data ；specific thrust force ；specific torque ；surrounding rock ；Fuzzy identification Email:ytytskz@土木工程学报CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL第42卷第1期2009年1月Vol.42No.1Jan.2009DOI:10.15951/j.tmgcxb.2009.01.007··土木工程学报2009年图1重庆越江隧道纵断面图Fig.1Longitudinal section of the Chongqing Yangtze River tunnel程中，采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确的判断，可以提前采取预防措施，避免灾害的发生，保证隧道施工的安全。

这是设计、施工部门共同关心的问题，国内外都十分重视隧道工作面前方不良地质预报的技术研究，也由此产生了一系列的超前地质预报及判别方法，主要有：（1）利用导洞地质情况推断；（2）利用出露的岩石、出渣的情况以及TBM 掘进参数等；（3）利用超前地质预报系统（简称TSP ）；（4）利用TBM 上配备的超前钻机［1，2］。

盾构施工具有全封闭、快掘进、边掘进边衬砌的特征，这就决定了在施工中，不能像常规法施工的隧道那样可对围岩地质特征作全面观察，必须充分利用各种手段获得的信息，适时对围岩状况进行判断，如观察排出渣料、研究盾构掘进参数变化规律，以及必要的超前钻探。

其中掘进参数与地质条件往往具有一定的对应关系，且具有经济性好、反应快速等优点，可以利用掘进参数的变化规律和趋势对围岩状况做出正确判断。

这方面相关的文献有，Takuji Yamamoto ，Suguru Shirasagi 等［3］基于TBM 掘进参数，运用地质统计方法建立了开挖能量与岩体强度的关系，有效地用于判别工作面前方岩体状况。

T.Kawatani ，H.Tezuka ［4］等研究了日本最大的TBM (Φ8.3m)在断层、坍塌围岩条件下的隧道施工问题，基于TSP 和TBM 推力、扭矩及开挖体积对隧道围岩状况进行了预报和评判，取得了月进尺380m 和日进尺28.4m 的掘进速率。

K.Fukui ，S.Okubo 等［5］基于日本Niken-goya 隧道施工实践，并结合现场地质勘探研究了如何利用TBM 切割力预估围岩强度的方法。

国内王梦恕、宋抗常等［6］结合秦岭TBM 隧道（Φ8.8m ）施工，研究了在花岗岩、片麻岩坚硬地层中利用掘进参数判别地质状况的理论和方法，以TBM 掘进时对岩石的响应作为识别和分类的依据，提高了TBM 施工对岩石划分的准确性，使TBM 工作参数的选取更具适时性、合理性。

许建业、刘跃丽等工程技术人员［7］在山西引黄工程的双护盾TBM 施工中，研究了如何根据渣料和TBM 掘进参数的地质编录进行围岩稳定分类及预测。

黄祥志［8］基于TBM 施工渣料和掘进参数的地质编录对隧道围岩稳定分类方法进行了探讨，应用可拓理论，建立了隧洞围岩稳定分类的可拓评价方法，并编制了相应的计算程序。

周奇才、崔涛等［9］将探地雷达应用于盾构前方适时探测中，相对于传统的超前预报方法具有明显的优势，在盾构隧道超前探测方面做了开创性的研究和探讨。

上述文献基于工程实践对TBM 隧道施工超前地质预报及围岩状况识别做了卓有成效的研究和探索，为今后研究奠定了良好的基础，并提供了相应的研究思路。

在前人研究基础上，本文结合重庆越江隧道盾构掘进实践［10，11］，基于盾构掘进参数，运用模糊数学的方法对隧道围岩状况进行了分析与判别。

1工程背景及掘进试验重庆主城越江隧道连接南岸区海棠溪和渝中区太平门，穿越长度925m ，区段地层条件复杂，主要为泥岩、砂岩交互地层，如图1所示。

泥岩的天然抗压强度为7.3~21.9MPa ，砂岩的天然抗压强度为26.7~69.4MPa 。

越江隧道水压最大达0.64MPa ，且砂岩渗透性较大(渗透系数一般在0.10~0.30m/d ，最大可达3.65m/d)，为保证工程安全，选用泥水加压平衡盾构施工，盾构外径Φ6.57m 。

盾构采用配备切刀、盘形滚刀的复合式刀盘，刀盘基本转速分2rpm 和4rpm 两档，对应的标称驱动扭矩分别为3050kN ·m 和1450kN ·m ，且转速可以在0~5rpm 之间调整。

盾构推进机构包括14组推进千斤顶，最大推力37000kN 。

盾构掘进过程中，对刀盘扭矩、推力、切深及掘进速率等参数进行了采集与分析，所用数据采集存储系统如图2所示。

该系统通过PLC 采集盾构各种传感器的数据，传送给控制室的主机，在主机上进行数据的记录、108··第42卷第1期图3掘进参数与围岩状况的对应关系及在子空间中的位置Fig.3Correspondence between tunneling data and rockand its location in sub space图2盾构数据采集存储系统Fig.2Data acquisition and storage system of shield machine存储和分析，研究盾构在不同地层中掘进参数的变化规律，并根据地质条件对主机进行设定，调整掘进参数。