盾构机掘进参数的关联分析与地质特征识别

构机 ， 本文 所处 理 的数 据是 在盾 构机 掘进 过程 中 ， 通
第 ４期
张莹 ， ： 等 盾构机掘进参数 的关联分析 与地质特征识别
过 采集 盾构 各种 传感 器得 到 的数 据 ， 片号 Ⅳ 分 别 环 为 １ ５—９ １共计 ９７环 ， ９， ７ 这些 数 据 可 以在 控 制 室 主
Ｆ、 刀盘 旋转 速度 ｎ和掘 进 速率 等参数 进 行统计 分 析 ． 采样 数据 对 各个 环 片求 平 均 ， 去 掉 开 车 、 将 并 关 车 以及盲 目操 作带 来 的 奇 异 点数 据 ， 以得 到 主 要 可 工作 参数 的变 化范 围 ， 表 １所 示 ． 析 可 知 ， 推 如 分 总 力 和 刀盘扭 矩 的变化 范 围与 隧道开 挖土 层基 本上 为 粉 质粘 土相 符 ．
岩 土 承载力 为 １ ０～１５ｋ ａ ０ ４ Ｐ ． 在 该 区段 的地 铁 施 工 中 ， 用 的是 土 压 平衡 盾 选
冷永 刚（９ ４ ） １６ 一 ，男 ， 教授 ，博士生导师 ， — ａｌｌｎ —ｇ Ｅ ｍ ｉ ｅｇ ｙ＠ ：
ｑ ．ｄ ．ｎ ｕ ｅｕ ｃ ．
通信作者 ： 冷永 刚．
Ｆ 占总推 力 的 １．％ ～１． ％ ， 构 机壳 与 泥 土 的 ４５ ８５ 盾 摩擦 阻力 Ｆ 占总 推力 的 ５ ％ 以上 ． ， ０ 刀盘 扭 矩 是 刀 盘 施 加 推 力 后 产 生 的 ， 由下
式 决定 ：
Ｍ ＝Ｍｃ ＋ ＋ （） ２
（ ）刀具旋转速度 Ｃ
×１ ０３ ２
ｉ
至１
式 中 ， 为 主要 包括 刀 盘 切 削土 体 的力 矩 ， 为 刀 盘正 面 的摩擦 力 矩 ， 刀 盘 周 边 的摩 擦 力 矩 等． 盾
（ ）刀 盘 扭 矩 ｄ
构施 工 中， 刀盘 切削 土体 的力 矩 占总 力矩 的 ２ ％ ～３％ ， ５ １ 刀盘 周边 的摩 擦力 矩 占 ４ ％ ～ ３ ． ７ ７％ 掘进速率 是盾构掘进 效率的直接反 映 ， 一般 来说 ， 当地层强度较高时， 掘进速率较小 ； 反之 ， 岩性 越低 ， 掘进速率越大 ＿． ４ 掘进速率在数 值上 等于切 Ｊ 深与时间的比值 ， 即
＝
图 １ 掘进参数均值 随环片号变化 曲线
Ｆ ｇ １ Ｃｈ ｎｇ ｓｏ ｕ ｎ ｌ ｇ ｍ ｅ ｎ ｖ ｌ ｅ ｉ． ａ ｅ ｆ ｔ ｎ ｅｉ ａ ａ ｕ ｓ ｎ
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盾 构 机 掘 进 参 数 的关 联 分 析 与地 质 特征 识别
张莹 ， 宗熙 冷永 刚 ， 蔡 ， 亢一澜
（． １ 天津 大学 机械工程 学院， 天津 ３０ ７ ；． ０ ０ ２ ２ 中国民航 大学 航 空工程 学院 ， 天津 ３０ ０ ） ０ ３０ 摘 要 ： 了根据 掘进参 数对地质情况进行判定 ， 为 以天津地铁某 标段 隧道 工程 的地 层条件 为背景 ， 基于施 工现 场盾构 掘
ｃｏ ； ｍ
１ 工 程 背 景 与实 验 数 据 概 况
本 区段 隧道 工程 是 天津 地铁 ９号 线工 程 的一个 重 要组 成部 分 ， 该段 区 间从 十一 经路 站开 始 ， 到大 直
沽西路站结束 ， 隧道覆土高度约为 ｌ １ ０～ ５ｍ不等 ，
工 程沿 线地 势较 为 平 坦 ． 构 主 要 穿 越 的 土层 为粉 盾 质粘土 ， 色 ， 灰 可塑 一流 塑状 态 ， 局部 夹粉 土或 粉砂 ，
表 １ 盾构机掘进参数 的变化范 围
Ｔａ ｅ １ Ｒａｎｇ ｆ ｔ ｂｌ ｅ ｏ ｕｎｎｅｉ ａ ｌｎｇ ｄａｔ
６ ０
晕
ｌｏ ４
２ Ｏ
Ⅳ
（ ）掘进 速率 ａ
×１ ０ ３
…
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ｋ Ｎ
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１ ０ ０． ２ ０４ ．
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降具 有重 要 意义 ． 文 在 前 人 研 究 基 础 上 ， 本 以天
津地 铁某 标段 隧道 工 程 的地 层 条 件 为 背 景 ， 于 施 基
工现 场盾 构 掘进试 验 ， 结合 导洞 地质 图 ， 出 了盾 构 提 机 掘进参 数 与地 质参 数 的关联 分析 以及 地 质特 征 的
ｔ ｎＵ ｉ ｒ ｔ ｏ ｈ ａ Ｔａｊ ０ ３ ０ ｈｎ ） ｉ ｎｖ ｓｙ ｆ ｉ ， ｉｎ ｎ３０ ０ ，Ｃ ｉａ ｏ ｅ ｉ ｏ ｄｉｇｇｏ ｇ ａ ｃｎ ｉｏ ｓｂ ｘ ａａ ｏ ａａ ｅｅｓａ ｄｃｎｉｅ ｎ ｅｓ ａ ｍ ｂ ｔａ ｔＦ ｒ ｈ ｕｐ ｓ ｆ ｕ ｇ ｅｌ ｉ ｌ ｏ ｄｔ ｎ ｙｅｃｖｔ ｎ ｐ ｒｍ ｔｒ ｎ ｏ ｓ ｒ ｇｔ ｔ ｔ ｓ ｔ ｊ ｎ ｏｃ ｉ ｉ ｄｉ ｈ ｒｕ
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（ ．ｃｏｌ ｆ ｃａｉａＥ ｇｎｅ ｎ ， ｉ ｊ ｎｖｒ ｔ， ｉ ｊ ０ ０２ Ｃ ｉａ ２ Ｃ ｌ ｇ ｅ ｎｕｉ ｌ ｎ ｉ ｅｉｇ Ｃｖ ｖａ １ Ｓｈｏ ｏ Ｍｅｈ ｎ ｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｔａ ｉ Ｕ ｉ ｓｙ Ｔａ ｉ ３０ ７ ， ｈｎ ； ． ｏｅｅｏ Ａ ｒ ａｔ ａ Ｅ ｇ ｅｒ ， ｉｉＡ ｉ— ｃ ｉ ｎｎ ｅｉ ｎｎ ｌ ｆ ｏ ｃ ｎ ｎ ｌ
ｓｒ ｕ ｄｎ ｅ ａｎｓｃｉ ｆ ｈ ｉ ｊ ｎ ｅ， ｏ ｅ ｔ ｅａ ａ ｓ ｆ ｈ ｎ ｅｉｇｄ ｔ ａ ｄｔｅｇｏ ｇ ａ ｕｒ ｎ ｉｇａｃｒ ｉ ｅｔ ｎｏ ｅＴａ ｉ ｔ ｎ ｌ ａｃｒ ｌ ｉ ｎｌ ｉ ｏ ｅｔ ｎ ｌ ａａ ｎ ｅｌ ｉ ｐ － ｏ ｔ ｏ ｔ ｎｎｕ ａｖ ｙｓ ｔ ｕ ｎ ｈ ｏｃ
进实 际测 量采样数据 ， 对盾 构掘进参数和地质参数进行 了关联分析 ， 出 了根据 掘进参数定 性识别 地质特 征 的方 法． 提 其 中， 盾构工作参数基 于每转 切深进行“ 归一 化” 而 地质参 数根 据不 同地层对 隧道 地质 的贡献进行 加权 处理． ， 分析 发现 ， 处理后 的掘进 参数与地质参数具有较好 的对应关系． 关键 词 ： 盾构 ； 掘进参数 ； 归一化 ； 地质 特征
第３ ２卷第 ４期
２ １ 年 ４月 ０１
哈
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滨
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程
大
学
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报
Ｖｏ ． ２ № ． １３ ４ Ａｐ ． ０ １ ｒ２ １
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｒ ｉ ｎ ｉｅ ｒ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ ｏ ｒ ａ ｆＨａｂｎ Ｅ ｇｎ ｅ ｎ ｉｅｓｔ ｉ ｙ
ｄｉ１ ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ ７ ４ ．０ １０ ． １ ｏ：０ ３ ６ ／． ｓ．０ ６— ０ ３２ １ ．４ ０４ ｓ
中图分类号 ： ４ ５ 文献标识码 ： 文章编号 ：０ ６７４ （ ０ １０ － ７ －５ Ｕ５ Ａ １０ —０ ３ ２ １ ） ０ ６０ ４ ４
Ｃｏ ｒ ｌ ｔ ｅ ａ ａｙ ｉ ｆｓ ｅｄ ｔ ｎ ｅｉ ｇ ｄ ｔ ｒ ｅａ ｉ ｎ ｌ ｓｓｏ ｈｉｌ ｕ ｎ ｌ ａ ａ ｖ ｎ
出了表 ｌ中各参数 均 值 随环 片 号 的 变 化 曲线 ， 于 由
环片是连续的 ， 而且每个环片的长度相等 ， 因此横轴 可看作是掘进行程 的变化．
８０
一
机上进行存储和分析． 一般来说 ， 涉及到的工作参数 包括时间行程参数 、 掘进系统参数 、 推进系统参数 、 泥水系统参数等． 对 于关 心 的掘 进效 能 ， 择 刀盘扭 矩 、 推力 选 总
识 别方 法 ．
参数之间往往具有一定 的对应关 系， 研究这种对 应 关系 ， 对于 控制 盾构 机保 持 良好 的掘 进姿 态 ， 以满 足
施 工进 度 、 安全 和质 量要 求 ， 以及 有效 地 控制 地面 沉
收稿 日期 ：０ ００ －６ ２ １ －１ ． ０ 基金项 目： 国家重点基础研究发展计划基金资助项 目（ ０Ｃ ７ ００ ； ２ ７ Ｂ１ ０ ） ０ ４ 国家 自 然科学基金资助项目（０ ５０ ） ５９ ２ ． ７ ２ 作者简介 ： 莹 （１８ 一 张 ９ ３），女 ，讲 师 ，博 士 ，Ｅ ｍ ｉ：ｃｕｅｙ １３ — ａｌ ａ ｃｚ＠ ６ ．