單護(hù)盾-土壓平衡雙模式TBM設(shè)計(jì)及模式轉(zhuǎn)換分析

葉 蕾，袁文征，卓興建

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016)

1 引 言

在具有世界地質(zhì)博物館之稱的中國，地質(zhì)復(fù)雜多變，許多地下工程，施工區(qū)間一般以一種地質(zhì)為主，同時(shí)存在其它過渡地層及復(fù)雜地質(zhì)。具有單一硬巖地質(zhì)適應(yīng)性的TBM土倉是敞開式的，采用主機(jī)皮帶機(jī)出碴，在突遇局部富水軟土?xí)r發(fā)生的噴涌、噴砂問題已經(jīng)給工程造成了重大影響，已被證明在復(fù)雜多變地層或局部地質(zhì)信息工程不明地層中施工風(fēng)險(xiǎn)極大[1-2]。而具有單一軟土、軟巖地質(zhì)適應(yīng)型的復(fù)合式盾構(gòu)土倉是封閉的，采用螺旋輸送機(jī)出碴，在部分硬巖地層中掘進(jìn)會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)效率低下，刀盤、刀具、螺旋輸送機(jī)等較快磨損導(dǎo)致壽命不足，常壓掘進(jìn)時(shí)出碴不暢等問題。雙模式TBM可同時(shí)適應(yīng)軟巖、硬巖、過渡復(fù)合地層的復(fù)雜工程地質(zhì)地層施工，具有相對(duì)廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，在地層地質(zhì)變化時(shí)可以轉(zhuǎn)換掘進(jìn)模式，對(duì)配套施工干擾小，可以有效降低工程風(fēng)險(xiǎn)，縮短施工工期，具有廣泛的應(yīng)用前景[3]。選用的隧道掘進(jìn)設(shè)備是否與地質(zhì)相適應(yīng)，是隧道施工成敗的關(guān)鍵。

2 地鐵隧道地質(zhì)情況

根據(jù)重慶地鐵隧道穿越地層主要為砂巖、砂質(zhì)泥巖、局部地段有粉質(zhì)粘土層。其中中風(fēng)化砂巖的巖石單軸強(qiáng)度自然值為28～68MPa之間，部分地段砂巖巖體中含鈣質(zhì)結(jié)核，其單軸自然抗壓強(qiáng)度可達(dá)101.5MPa，同時(shí)石英含量較高；中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖巖石單軸強(qiáng)度自然值為8～24MPa之間、局部地段為粉質(zhì)粘土，圍巖性質(zhì)變化、差異較大且軟硬相間。埋深12～41m之間。地下水為松散層孔隙水和基巖裂隙水，水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單。

3 雙模式TBM技術(shù)特點(diǎn)

結(jié)合隧道穿越地質(zhì)條件，隧道掘進(jìn)設(shè)備采用單護(hù)盾-土壓平衡雙模式TBM。該雙模式TBM具有雙重掘進(jìn)模式功能，TBM以“雙?！睘樘卣鬟M(jìn)行整機(jī)的設(shè)計(jì)、配置，以其在地質(zhì)變化時(shí)能實(shí)現(xiàn)便捷的模式轉(zhuǎn)換為主要特點(diǎn)。掘進(jìn)模式主要以適應(yīng)砂巖等巖體整體性良好，開挖面能夠保持自穩(wěn)的單護(hù)盾掘進(jìn)模式為主，輔助以局部軟土、極軟巖等軟弱地層的土壓平衡掘進(jìn)模式。雙模式TBM設(shè)計(jì)除了具備通用土壓平衡技術(shù)特點(diǎn)外，還具備以下特點(diǎn)。

1）雙模式TBM掘進(jìn)特點(diǎn) 在單護(hù)盾掘進(jìn)模式，可以顯著提高掘進(jìn)效率，土倉碴土基本處于空置狀態(tài)，可以大大降低諸如刀盤、刀具、螺旋機(jī)部件的磨損，相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)扭矩可大幅降低。碴土改良劑使用基本停止，輔助以在土倉內(nèi)噴射高壓水，但高壓水的主要作用不是改良碴土，而是降低刀具溫度及輔助降塵。由于土倉在常壓下工作，主軸承油脂的消耗減少，刀盤推力荷載也將顯著降低。所以單護(hù)盾掘進(jìn)模式在掘進(jìn)效率、驅(qū)動(dòng)扭矩、掘進(jìn)總推力、掘進(jìn)成本等對(duì)施工都相對(duì)有利。在土壓平衡掘進(jìn)模式時(shí)，土倉為封閉結(jié)構(gòu)，在掘進(jìn)過程中可以建立土壓力，實(shí)現(xiàn)平衡模式掘進(jìn)。在需要進(jìn)行掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，需進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換相關(guān)工作。

2）主機(jī)設(shè)計(jì) 圖1、圖2所示分別為單護(hù)盾和土壓平衡兩種模式下主機(jī)示意圖?？蓾M足土壓平衡掘進(jìn)模式下通過螺旋輸送機(jī)出碴、中心回轉(zhuǎn)接頭通道進(jìn)行碴土改良及單護(hù)盾掘進(jìn)模式下主機(jī)皮帶機(jī)出碴功能要求；同時(shí)具備土壓平衡模式人艙保壓功能及敞開模式除塵功能要求；前盾隔板上設(shè)計(jì)有可拆卸的攪拌棒、高壓噴水口、除塵通道、驅(qū)動(dòng)中心可以安裝溜槽、中心回轉(zhuǎn)接頭、主機(jī)皮帶機(jī)、下部可以安裝螺旋輸送機(jī)。其中人艙、攪拌棒、中心回轉(zhuǎn)接頭、螺旋輸送機(jī)為土壓平衡模式下使用，并在敞開模式下拆除或封堵；除塵通道、穩(wěn)定器、溜槽、可拆卸溜碴板、主機(jī)皮帶機(jī)為單護(hù)盾模式下使用，并在土壓平衡時(shí)拆除、閑置或封堵；攪拌棒、溜槽、中心回轉(zhuǎn)接頭承壓隔板、除塵通道等為可拆卸或分塊設(shè)計(jì)，便于在模式轉(zhuǎn)換過程中拆除、運(yùn)輸。

圖1 單護(hù)盾模式主機(jī)示意圖圖

圖2 土壓平衡模式主機(jī)示意圖

3）刀盤設(shè)計(jì)（圖3） 刀盤、刀具設(shè)計(jì)為可適應(yīng)風(fēng)化巖及軟土地層掘進(jìn)的復(fù)合式刀盤。刀盤上布置有土壓模式下碴土改良所需的改良通道，同時(shí)在刀盤結(jié)構(gòu)、刮碴刀具、溜碴板設(shè)計(jì)上均為對(duì)稱布置，使刀盤具備雙向旋轉(zhuǎn)開挖及出碴功能要求，可以有效避免常規(guī)單護(hù)盾TBM在掘進(jìn)過程中主機(jī)和管片滾轉(zhuǎn)對(duì)掘進(jìn)施工的影響[4]。

圖3 雙模式TBM刀盤

4）盾體設(shè)計(jì) 盾體布置數(shù)組油缸伸靴式穩(wěn)定器，伸靴的油缸可以吸收主機(jī)傳來的振動(dòng)，對(duì)刀盤振動(dòng)形成半剛性約束，可有效減少刀盤的振動(dòng)。同時(shí)由于增加了盾體約束點(diǎn)，增大了盾體與開挖面的摩擦力以獲得較大的反扭矩，減少盾體由于刀盤扭矩引起的滾轉(zhuǎn)速率。另主機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)考慮了設(shè)備在地層穩(wěn)定地段掘進(jìn)時(shí)可采取輔助措施更換所有盾尾刷、止?jié){板功能，解決了盾尾刷、止?jié){板在硬巖地層磨損過快導(dǎo)致可能漏漿問題。

5）主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 為適應(yīng)單護(hù)盾模式下破巖需要的高轉(zhuǎn)速及土壓模式下需要的大扭矩要求，配置的主驅(qū)動(dòng)為高轉(zhuǎn)速、大扭矩主驅(qū)動(dòng)，采用變頻驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到6rpm。

6）刀盤后退換刀功能 在單護(hù)盾模式掘進(jìn)過程中，需要頻繁的檢查、更換刀具。為降低換刀難度及風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)備通過固定尾盾裝置，具備在需要更換刀具時(shí)刀盤后退一定距離，獲得更換刀具空間。另主機(jī)皮帶機(jī)具有在更換刀盤中心刀具時(shí)臨時(shí)后退功能，獲得更換中心刀具空間。

7）通風(fēng)、除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì) 配置高效能的干式除塵器，利用除塵風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將開挖倉內(nèi)的粉塵抽出過濾、收集；同時(shí)配合隧道內(nèi)的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)，通過設(shè)備自帶的二次風(fēng)機(jī)，可以將清潔空氣壓入到主機(jī)工作區(qū)域，達(dá)到防止土倉內(nèi)的粉塵通過皮帶機(jī)向外擴(kuò)散，保持工作環(huán)境清潔的目的。

4 模式轉(zhuǎn)換過程

在進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換時(shí)，除選取相對(duì)穩(wěn)定的地層條件外，還需采取必要的地層加固措施，準(zhǔn)備必要的工具及輔助工裝等相關(guān)工作，這里不再詳述。以下對(duì)雙模式TBM從單護(hù)盾模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式步驟進(jìn)行說明，單護(hù)盾模式設(shè)備局部布置如圖4所示。

1）斷開主機(jī)上的除塵風(fēng)管，只保留設(shè)備橋上的一段，盾體隔板上的除塵口封堵，并拆除防溜車裝置。

2）將后配套與TBM主機(jī)之間的拖拉油缸及各種管線斷開，管線整理并固定在合適位置；再將設(shè)備橋前端支撐在管片運(yùn)輸車上，利用牽引機(jī)車拖拉后配套臺(tái)車整體后退15m左右，獲得模式轉(zhuǎn)換操作空間。然后用臨時(shí)工裝支撐設(shè)備橋前端，皮帶機(jī)接料段，保證后配套物料運(yùn)輸通道暢通。

3）延伸軌枕及軌道至主機(jī)管片拼裝機(jī)下方，然后依次拆除主機(jī)皮帶機(jī)后段和前段，并分別用管片輸送車依次運(yùn)出。

4）分塊拆除土倉內(nèi)溜槽結(jié)構(gòu)，并通過驅(qū)動(dòng)中部臨時(shí)導(dǎo)軌逐步運(yùn)出，分塊割除溜碴板，通過土倉下部螺旋機(jī)筒體運(yùn)出。

5）將攪拌棒、主驅(qū)動(dòng)中心過渡承壓隔板結(jié)構(gòu)、過渡泡沫管路結(jié)構(gòu)運(yùn)進(jìn)土倉，并按照刀盤攪拌棒（焊接式）、盾體被動(dòng)攪拌棒（可拆式）－泡沫管路保護(hù)結(jié)構(gòu)－主驅(qū)動(dòng)中心過渡壓力隔板－泡沫管路－回轉(zhuǎn)接頭順序安裝于既定位置。

6）將螺旋機(jī)吊裝門架工裝分塊運(yùn)到洞內(nèi)并組裝，然后將螺旋輸送機(jī)運(yùn)到洞內(nèi)。并借助臨時(shí)導(dǎo)鏈將螺旋機(jī)吊裝、調(diào)整、安裝到位，同時(shí)安裝螺旋機(jī)拉桿。要求在此過程中螺旋軸呈收回狀態(tài)，并機(jī)械鎖定。最后將螺旋機(jī)運(yùn)輸小車運(yùn)出，拆除螺旋機(jī)吊裝門架。

圖4 單護(hù)盾模式設(shè)備局部布置圖

7）將后配套整體前移，斷開的管線重新連接。進(jìn)行整機(jī)系統(tǒng)調(diào)試后即可按照土壓平衡模式向前掘進(jìn)。至此，所有單護(hù)盾模式至土壓平衡模式轉(zhuǎn)換工作完成。從土壓平衡向單護(hù)盾模式轉(zhuǎn)換工作基本沿上述過程逆向進(jìn)行，具體過程稍有差異，不再累述。

5 結(jié) 語

雙模TBM最大特點(diǎn)為設(shè)備本身具有雙重或多重掘進(jìn)模式功能，在遭遇不良地質(zhì)時(shí)可以及時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換模式施工。目前復(fù)合式盾構(gòu)、單護(hù)盾TBM技術(shù)在國內(nèi)技術(shù)日漸成熟，但雙模TBM及施工技術(shù)仍為一個(gè)新的領(lǐng)域，可借用的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)并不多。所以在雙模式TBM在地質(zhì)變化時(shí)能否及時(shí)、順利地進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換無疑是雙模式TBM技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，也是保證“雙模”功能特征實(shí)現(xiàn)的成敗所在。本文對(duì)用于某城市地鐵的單護(hù)盾-土壓平衡雙模式TBM技術(shù)特點(diǎn)及模式轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，為雙模TBM設(shè)計(jì)及施工提供有益參考。

[1] 王純亮．引洮單護(hù)盾TBM前盾改造分析[J]．山西建筑，2011，37（11)：191-192．

[2] 賀 飛，卓興建，葉 蕾．引紅濟(jì)石工程雙護(hù)盾TBM技術(shù)改造[J]．建筑機(jī)械，2012，(7)：99-103.

[3] 張寧川，李 光．雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)探討[J]．隧道建設(shè)，2013，33（4)：323-326．

[4] 張志英．TBM隧洞施工管片安裝及滾動(dòng)姿態(tài)糾偏方案[J]．山西水利，2010，26（6)：38．