并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)與冷凍刀盤開艙技術(shù)的創(chuàng)新與實(shí)踐

朱勁鋒， 廖鴻雁， 袁守謙，*， 易 覺， 朱寶石

(1. 廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 廣東 廣州 510800; 2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510220)

0 引言

我國地大物博，地質(zhì)條件復(fù)雜多變，隧道工程建設(shè)過程中面臨各種不同的地質(zhì)情況，特別是在我國城市地鐵大規(guī)模建設(shè)時(shí)期，各種不良地質(zhì)阻礙了地鐵建設(shè)進(jìn)程，給盾構(gòu)選型和盾構(gòu)開艙換刀帶來了很大的困難。為保證盾構(gòu)施工安全，不同地質(zhì)情況下各類盾構(gòu)輔助方法也應(yīng)運(yùn)而生。

在雙模式盾構(gòu)技術(shù)方面，凌波等[1-2]研發(fā)出并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)，該盾構(gòu)集成了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的設(shè)計(jì)理念與功能，可根據(jù)地層變化快捷地在土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)2種不同掘進(jìn)模式之間實(shí)現(xiàn)相互切換； 賴?yán)泶篬3]在并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)的使用過程中總結(jié)分析了并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)掘進(jìn)模式選取的經(jīng)驗(yàn)，歸納了在不同工況選擇對應(yīng)的掘進(jìn)模式； 周玉標(biāo)[4]總結(jié)了雙模式盾構(gòu)在巖溶發(fā)育地層中下穿高速公路的相關(guān)措施； 管會(huì)生等[5]總結(jié)了雙模式盾構(gòu)在礦區(qū)斜井隧道的掘進(jìn)參數(shù)，分析計(jì)算雙模式盾構(gòu)在2種掘進(jìn)模式下的最大切深、土艙壓力以及盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)矩等關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù),確定了在EPB模式和單護(hù)盾TBM模式下的最大切深分別為28 r/min和19 r/min,并提出了在6個(gè)地質(zhì)區(qū)間下雙模式盾構(gòu)關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的配置建議。

在冷凍刀盤盾構(gòu)技術(shù)方面，劉晉斌[6]在盾構(gòu)始發(fā)端頭采用冷凍加固方法，分析了施工過程中遇到的一些難題，總結(jié)了冷凍法在始發(fā)端頭施工過程中的經(jīng)驗(yàn)； 易覺等[7]通過采取盾構(gòu)刀盤冷凍管路改造、冷凍接口密封改造、冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)、增加冷凍設(shè)備等手段，研發(fā)出搭載冷凍刀盤式的盾構(gòu)； 程林飛[8]從盾構(gòu)在冷凍法端頭加固地層中的順利始發(fā),介紹冷凍法端頭加固盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)的組成、關(guān)鍵工序、關(guān)鍵技術(shù),以及常見的問題和預(yù)防措施； 張曉磊[9]闡述了聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工工藝,并通過整理工程實(shí)測數(shù)據(jù)以及工程實(shí)際出現(xiàn)的問題,分析了影響凍結(jié)帷幕形成的原因,最終在凍結(jié)帷幕薄弱區(qū)域采用補(bǔ)孔加固凍結(jié)等措施解決高水頭高流速全斷面富水砂層凍結(jié)難題。

目前，在地鐵隧道施工過程中雙模式盾構(gòu)的施工案例不多，冷凍刀盤盾構(gòu)開艙技術(shù)應(yīng)用更少，也沒有相關(guān)冷凍刀盤開艙的操作建議。本文以廣州地鐵9號線、廣州地鐵21號線、220 kV石井—環(huán)西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程為例，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)值模擬對比，總結(jié)出并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)與冷凍刀盤開艙技術(shù)。

1 并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)介紹

1.1 并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)原理

并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)能通過系統(tǒng)控制直接切換掘進(jìn)模式。并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)具備泥水平衡模式與土壓平衡模式的2套設(shè)備，盾構(gòu)主體與臺車設(shè)備布置空間狹小，為達(dá)到不拆裝任何設(shè)備直接切換，主體與臺車上設(shè)備的布置成為制造難點(diǎn)之一。設(shè)備盾體設(shè)計(jì)總長8.92 m，8節(jié)臺車總長7.735 m，包含機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)包含刀盤及主驅(qū)動(dòng)、筒體、盾尾密封、鉸接系統(tǒng)、人閘、拼裝機(jī)、皮帶輸送機(jī)、螺旋機(jī)、連接平臺、臺車等設(shè)計(jì)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、測量導(dǎo)向及糾偏系統(tǒng)、氣壓開艙系統(tǒng)、背填注漿系統(tǒng)、密封注脂系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。

1.2 并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)及性能提升，以現(xiàn)有的泥水、土壓盾構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合盾構(gòu)的施工環(huán)境及對盾構(gòu)功能的要求，將具有泥水、土壓2種模式的功能有機(jī)地融合在1臺盾構(gòu)上，再進(jìn)行設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)和性能提升，使新設(shè)備在各方面優(yōu)于現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)2種功能既可以獨(dú)立使用，又可以互相配合使用，最主要的是2種模式要在不拆裝任何部件的情況下安全、快速地實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)模式的切換。在土體自穩(wěn)性強(qiáng)、巖層，采用土壓平衡模式掘進(jìn)可以減少盾構(gòu)施工成本； 在軟土、富水性地層、高水壓地層、過重要建筑物、下穿河流等工況下，采用泥水模式掘進(jìn)可以有效控制地表沉降。雙模式盾構(gòu)解決了單一盾構(gòu)的適用性受限問題。并聯(lián)式雙模式盾體內(nèi)環(huán)流系統(tǒng)管路布置設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 并聯(lián)式雙模式盾體內(nèi)環(huán)流系統(tǒng)管路布置設(shè)計(jì)圖

2 雙模盾構(gòu)的工程實(shí)踐應(yīng)用

2.1 巖溶發(fā)育地區(qū)工程實(shí)踐應(yīng)用

廣州地鐵9號線線路基本位于巖溶發(fā)育的花都地區(qū)，地質(zhì)特點(diǎn)主要表現(xiàn)為： 灰?guī)r分布廣泛，砂層直接覆蓋在灰?guī)r面上，灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度為60～100 MPa； 巖溶發(fā)育(溶溝、溶槽、溶洞、土洞發(fā)育)，見洞率約為50%； 地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育； 巖體較破碎； 地下水較為豐富。廣州地鐵9號線沿線地質(zhì)構(gòu)造見圖2。車站開挖巖面及巖石情況見圖3。盾構(gòu)開艙巖石情況見圖4。巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工刀具磨損情況見圖5。

圖2 廣州地鐵9號線沿線地質(zhì)構(gòu)造圖

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

圖4盾構(gòu)開艙巖石情況

Fig. 4 Rock Condition in Shield Machine Opening

(a)

(b)

(c)

圖5巖溶地區(qū)盾構(gòu)施工刀具磨損情況

Fig. 5 Wear of Cutter for Shield Tunneling in Karst Area

其中，廣州地鐵9號線2標(biāo)為花都汽車城站—廣州北站，線路總長約1.68 km，盾構(gòu)從花都汽車城站始發(fā)，向廣州北站掘進(jìn)。

2.1.1 地面情況

區(qū)間線路自西向東下穿風(fēng)神大道、農(nóng)新大道、荔紅路下沉隧道、天馬河、農(nóng)新排水站、廣清高速公路、7.3 m×1.9 m污水渠箱，側(cè)穿天馬河西岸樓盤、天馬河1號樓盤、農(nóng)新大橋、祈福輝煌臺樓盤、布心塘村天然地基居民樓群等。廣州地鐵9號線2標(biāo)衛(wèi)星線路圖見圖6。

2.1.2 地質(zhì)情況

區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)以砂層為主，占57%，黏土地層占32%，灰?guī)r占11%，溶土洞見洞率為46%，裂隙發(fā)育。巖面直接過渡到砂層，砂層非常厚，滲透性大。就地層和地表環(huán)境而言，對地面沉降控制要求非常嚴(yán)格。廣州地鐵9號線2標(biāo)地質(zhì)縱斷面見圖7。

圖6 廣州地鐵9號線2標(biāo)衛(wèi)星線路圖

圖7 廣州地鐵9號線2標(biāo)地質(zhì)縱斷面圖

2.1.3 掘進(jìn)情況

采用2臺并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)施工，下穿風(fēng)神大道、天馬河河堤(景觀河，高差8 m)、農(nóng)新大橋、農(nóng)新排水站、廣清高速。在風(fēng)神大道、天馬河、農(nóng)新排水站、廣清高速公路等對地面沉降要求嚴(yán)格的區(qū)域，出現(xiàn)上軟下硬地層，故該區(qū)域采用以泥水模式為主、土壓模式為輔(排出大粒徑石塊)的形式進(jìn)行掘進(jìn)，充分利用了雙模式盾構(gòu)在地質(zhì)和地面環(huán)境方面的通用性，達(dá)到了控制沉降、減少振動(dòng)的施工效果。廣州地鐵9號線2標(biāo)并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)掘進(jìn)模式選取圖見圖8。

圖8 廣州地鐵9號線2標(biāo)并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)掘進(jìn)模式選取圖

Fig. 8 Mode Selection of Parallel Dual-Mode Shield Tunneling for Lot 2 of Guangzhou Metro Line 9

在9號線2標(biāo)盾構(gòu)施工過程中，左、右線盾構(gòu)共進(jìn)行了14次模式切換。基本掌握了盾構(gòu)在全斷面砂層、黏土層、加固體、灰?guī)r地層、上軟下硬復(fù)合地層等條件下的切換技術(shù)和應(yīng)對措施管理。真正實(shí)現(xiàn)了不需在特定條件下拆裝任何部件，就能安全、快速、連續(xù)地切換掘進(jìn)模式。

2.1.4 完成情況

9號線2標(biāo)采用雙模式盾構(gòu)掘進(jìn)，在整個(gè)9號線施工的所有標(biāo)段里，是唯一一個(gè)未出現(xiàn)過地面冒漿、塌陷等現(xiàn)象的標(biāo)段。對于地層沉降要求嚴(yán)格的區(qū)域施工，且在巖溶發(fā)育區(qū)，上軟下硬地層掘進(jìn)施工對盾構(gòu)的適應(yīng)性和施工應(yīng)急要求較高，因此，采用并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)掘進(jìn)無需在特定條件下進(jìn)行裝卸任何部件，便可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)模式的切換。實(shí)際施工中根據(jù)地層環(huán)境的變化，快速切換，利用不同的模式有針對性地掘進(jìn)，以彌補(bǔ)泥水以及土壓單一掘進(jìn)模式的不足。泥水掘進(jìn)模式切換成土壓掘進(jìn)模式操作流程見圖9。土壓掘進(jìn)模式切換成泥水掘進(jìn)模式操作流程見圖10。廣州地鐵9號線各類型盾構(gòu)完成情況對比見表1。廣州地鐵9號線其余標(biāo)段盾構(gòu)施工沉降過大、坍塌現(xiàn)場見圖11。

圖9 泥水掘進(jìn)模式切換成土壓掘進(jìn)模式操作流程

Fig. 9 Steps for Switchover from Slurry Balanced to EPB Shield Tunneling

圖10 土壓掘進(jìn)模式切換成泥水掘進(jìn)模式操作流程

Fig. 10 Steps for Switchover from EPB to Slurry Balanced Shield Tunneling

2.2 并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)在球狀風(fēng)化體地區(qū)工程實(shí)踐應(yīng)用

廣州地鐵21號線14標(biāo)位于蘿崗區(qū)九龍鎮(zhèn)九龍大道上，線路基本為東西走向。其中，鎮(zhèn)龍南站—鎮(zhèn)龍站區(qū)間、鎮(zhèn)龍車輛段出入段線均為地下段區(qū)間。

2.2.1 地面情況

鎮(zhèn)龍南站—鎮(zhèn)龍站間線路出鎮(zhèn)龍南站后，沿著廣汕公路由西往東前行，途經(jīng)美佳超市綜合市場、擬建廣汕公路跨線橋(廣汕公路與九龍大道路口)、廣州寶麗雅復(fù)合材料有限公司、增城市優(yōu)氏工藝品有限公司，進(jìn)入鎮(zhèn)龍站。廣州地鐵21號線14標(biāo)衛(wèi)星線路圖見圖12。

2.2.2 地質(zhì)情況

隧道埋深16.5～17.3 m，盾構(gòu)區(qū)間所遇地層中涉及到〈6H〉花崗巖全風(fēng)化層達(dá)到17.13%，〈5N〉花崗巖殘積土(即砂質(zhì)黏性土)達(dá)到49.00%。殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化巖中常發(fā)育球狀風(fēng)化體(孤石)，其埋藏分布及大小是隨機(jī)的。

表1 廣州地鐵9號線各類型盾構(gòu)完成情況對比

2.2.3 完成情況

通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制及泥水、土壓模式切換，采用螺旋機(jī)排石技術(shù)，盾構(gòu)下穿后房屋群沉降均在規(guī)范范圍內(nèi)，成功通過孤石地層，且在遇到鋼板樁后，盾構(gòu)直接切除并排出。如果采用單一的泥水模式，無法順利排出較大直徑的孤石，只能采用開艙撈石的方法排出； 而采用單一的土壓模式，盾構(gòu)在下穿房屋群無法更有效地控制地面沉降。根據(jù)整個(gè)標(biāo)段的地質(zhì)考慮采用單一的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)，遇到孤石地層且意外遇到鋼板樁的情況下，單單靠泥水盾構(gòu)的排泥管無法把較大的孤石或其他較大障礙物順利排出，導(dǎo)致障礙物堵塞排泥管口，致使切口水壓不穩(wěn)定、地面沉降過大，甚至由于土艙滯排導(dǎo)致刀具破損脫落等問題的發(fā)生，因此在這時(shí)候把泥水盾構(gòu)切換成土壓盾構(gòu)，直接采用螺旋機(jī)解決滯排問題。廣州地鐵21號線14標(biāo)區(qū)間掘進(jìn)排出孤石如圖13所示，區(qū)間掘進(jìn)切割鋼板樁如圖14所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖11廣州地鐵9號線其余標(biāo)段盾構(gòu)施工沉降過大、坍塌現(xiàn)場

Fig. 11 Site Photos of Excessive Settlement and Collapse of Shield Tunneling in Other Lots of Guangzhou Metro Line 9

圖12 廣州地鐵21號線14標(biāo)衛(wèi)星線路圖

3 冷凍刀盤的創(chuàng)新與實(shí)踐

3.1 冷凍刀盤的原理

1)對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，刀盤12個(gè)隔艙內(nèi)在輻條板、刀箱板、大圓環(huán)等結(jié)構(gòu)的側(cè)面焊接異形冷凍液管路，冷凍機(jī)對冷凍液進(jìn)行降溫，通過循環(huán)凍結(jié)管路輸送到盾構(gòu)刀盤內(nèi)結(jié)構(gòu)區(qū)域，并保持溫度，使溫度向外擴(kuò)散產(chǎn)生凍結(jié)效果，土層溫度可降到-28 ～-30 ℃，使整個(gè)刀盤結(jié)構(gòu)及周邊土體變成一個(gè)大型的“凍結(jié)圓盤”。冷凍刀盤的冷凍管路布置見圖15。這個(gè)“凍結(jié)圓盤”能夠充分隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，如同一道凍土屏障，換刀作業(yè)就在凍土屏障的保護(hù)下進(jìn)行。冷凍刀盤適用于含水量大于10%的土層和巖層。在軟土地層、含水不穩(wěn)定土層、流砂，高水頭、高地壓地層開艙實(shí)施較為困難，氣壓開艙存在較大風(fēng)險(xiǎn)，使用冷凍刀盤開艙更為安全。

2)為了應(yīng)對特殊情況，需進(jìn)行開艙檢查或更換刀具： ①利用刀盤為等溫體的特性，設(shè)置冷凍管路和冷凍設(shè)備，使盾構(gòu)刀盤附近土體有效凍結(jié)； ②刀盤同時(shí)作為承載體，承擔(dān)掌子面總荷載，凍結(jié)體只承擔(dān)開口部位荷載； ③根據(jù)刀盤冷凍管路設(shè)置及智能控制系統(tǒng)，針對復(fù)合地層的復(fù)雜性，可進(jìn)行分區(qū)不均勻冷凍。

(a)

(b)

Fig. 13 Photos of Boulders Discharged from Tunneling in the Section of Lot 14 of Guangzhou Metro Line 21

3)盾構(gòu)在刀盤各輻條上預(yù)埋了冷凍管，分區(qū)冷凍。主要研究成果有： 主軸承保護(hù)、冷凍滾刀、根據(jù)土艙壓力變化介質(zhì)轉(zhuǎn)換(凍脹內(nèi)應(yīng)力、土艙清理、隔熱)、溫度流量PID自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、集成式冷凍機(jī)組系統(tǒng)。

(a)

(b)

(c)

Fig. 14 Photos of Steel Sheet Pile Cut Off from Tunneling in the Section of Lot 14 of Guangzhou Metro Line 21

4)采用重新定制的一體化冷凍設(shè)備。該設(shè)備體積較小，可放置于隧道內(nèi)盾構(gòu)配套臺車后方，跟隨盾構(gòu)掘進(jìn)前行，避免長距離的冷凍管路連接，便于快速應(yīng)對冷凍期間的各種情況，提高冷凍施工效率。冷凍設(shè)備布置見圖16。

3.2 冷凍刀盤研究歷程

1)本研究最早開始于“廣州市220 kV石井—環(huán)西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標(biāo)段”，工程施工1標(biāo)段圖見圖17。該項(xiàng)目區(qū)間總長度約為2.6 km，采用直徑為4.35 m的泥水盾構(gòu)掘進(jìn)。

(a)

(b)

①該盾構(gòu)直徑小，空間受限。

②隧道斷面范圍內(nèi)局部有強(qiáng)度較高的灰?guī)r侵入，有較長距離的上軟下硬地段，拱頂主要是以強(qiáng)透水軟弱地層為主，典型的復(fù)合地層，且地下水較為豐富，地層對盾構(gòu)刀具的磨損比較嚴(yán)重； 因此，不排除在上軟下硬或全斷面軟弱地層中開艙(換刀)的可能性。

③由于隧道線路基本上是沿著西灣路和西槎路穿行，地面交通十分繁忙，征借地相當(dāng)困難，基本不具備地面加固換刀的條件。

2)隧道內(nèi)導(dǎo)洞填埋冷凍試驗(yàn)方案。即在環(huán)西1標(biāo)始發(fā)井端頭內(nèi)，先行進(jìn)行導(dǎo)洞施工，然后將盾構(gòu)安置于導(dǎo)洞內(nèi)，根據(jù)冷凍試驗(yàn)相關(guān)要求進(jìn)行試驗(yàn)，導(dǎo)洞及土艙內(nèi)注入濃泥漿。對注入泥漿取樣檢驗(yàn)比重及黏度指標(biāo)，以模擬地下水及水壓環(huán)境，檢驗(yàn)凍結(jié)施工后在開艙作業(yè)期間的實(shí)際效果。

(a)

(b)

(c)

①W01～W08是圍繞在盾構(gòu)外殼垂直向外的測溫孔，深度1 m，每隔20 cm布設(shè)1個(gè)測溫點(diǎn)，每個(gè)孔累計(jì)5個(gè)測點(diǎn)。盾構(gòu)外殼外部累計(jì)40個(gè)測點(diǎn)，測溫孔最高溫度為-4.8 ℃，可分析計(jì)算出凍土向外擴(kuò)散大于1 m。測溫孔布置如圖18所示。

圖17 220 kV石井—環(huán)西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標(biāo)段圖

②SQ01～SQ03、EQ01～EQ03、YQ01～YQ03、ZQ01～ZQ03是分布在盾構(gòu)外殼前方邊緣4個(gè)區(qū)域隔艙的測溫孔，共84個(gè)測點(diǎn)，測溫孔最高溫度為-2.26 ℃，可分析計(jì)算出凍土向?qū)Ф捶较驍U(kuò)散大于1 m。

③土體、鋼管片的初始溫度均取為18 ℃，有限元計(jì)算整體模型如圖19所示。圖19中： 面ADEH、EFGH、CDEF為恒溫邊界，溫度為原始地溫；考慮到對稱性，面ABCD、ABGH為絕熱邊界；考慮到盾構(gòu)刀盤后方會(huì)進(jìn)行保溫處理，且盾構(gòu)刀盤后方的溫度場發(fā)展趨勢不是重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，面BCFG近似按絕熱邊界處理。凍結(jié)管外表面溫度是決定凍結(jié)效果的重要因素，計(jì)算的凍結(jié)管外壁溫度采用3種不同的方案，即經(jīng)過一定的降溫時(shí)間以后(凍結(jié)開始1周后鹽水溫度降至0 ℃以下，凍結(jié)2周后鹽水溫度降至-20 ℃以下)，鹽水溫度分別穩(wěn)定在-25、-28、-30 ℃。

圖18 測溫孔布置

圖19 有限元計(jì)算整體模型

土體和鋼管片的熱物理參數(shù)見表2。

表2土體和鋼管片的熱物理參數(shù)

Table 2 Thermophysical Parameters of Soil Mass and Steel Segments

參數(shù)土體鋼管片密度/(kg/m3)含水量/%導(dǎo)熱系數(shù)λ/(W/(m·K))比熱容/(kJ/(kg·K))1 930251.45(未凍土)1.85(凍土)1.69(未凍土)1.108(凍土)7 800360.47

凍結(jié)效果評價(jià)： 凍結(jié)帷幕向外擴(kuò)散最小厚度為1 m，即實(shí)際凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度大于設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度，平均溫度-17.8 ℃(設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的平均溫度為-10 ℃)，實(shí)際凍結(jié)天數(shù)為18 d，即凍土向四周擴(kuò)散速度為55 mm/d，向前擴(kuò)散速度最低為44 mm/d，滿足方案設(shè)計(jì)要求。

④凍結(jié)帷幕平均溫度-17.8 ℃低于設(shè)計(jì)溫度(設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的平均溫度為-10 ℃)，由此推斷實(shí)際凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度均大于設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕的強(qiáng)度，實(shí)際凍結(jié)效果可開艙做進(jìn)一步檢驗(yàn)。凍結(jié)效果見圖20。

(a)

3)第2次試驗(yàn)在220 kV石井—環(huán)西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標(biāo)第640環(huán)位置實(shí)施。冷凍試驗(yàn)前，在停機(jī)位置先進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)勘，揭示隧道洞身地層為〈3-2〉中砂層2.05 m、〈4N-2〉粉質(zhì)黏土2.05 m； 隧道覆土厚度為12.2 m，上覆土層為〈4-2B〉淤泥質(zhì)土層和雜填土層，隧道地質(zhì)條件為全斷面軟弱地層，含水量較豐富。該位置地質(zhì)條件對于冷凍試驗(yàn)來說屬于不利地層。第2次刀盤冷凍試驗(yàn)如圖21所示。測溫孔位置布置見表3。

圖21 第2次刀盤冷凍試驗(yàn)(單位： m)

孔編號孔位置用途T1T2T3T4T5T6T7T8盾構(gòu)左邊 掌子面前方盾構(gòu)右邊 測溫

注： 地面往下鉆探成孔，在掌子面前方0.5～0.8 m、筒體上方0.8 m至下方0.8 m范圍內(nèi)布置測溫感應(yīng)器，布設(shè)間距為0.5 m，用以監(jiān)測凍土發(fā)展情況，以實(shí)現(xiàn)安全開艙的目的。

4)冷凍刀盤第2次試驗(yàn)結(jié)果。

泥水盾構(gòu)停止掘進(jìn)通過泥漿循環(huán)洗艙后開始積極凍結(jié)，在冷凍膠圈初步形成后采用空氣置換艙內(nèi)部分泥水，減少艙內(nèi)凍土量。經(jīng)過6 d冷凍施工，根據(jù)監(jiān)測，刀盤前方0.5～0.8 m處凍土溫度已達(dá)到0 ℃以下，且已保持冷凍5 d，滿足安全開艙冷凍帷幕厚度達(dá)到0.5～1 m的要求。對土艙取樣檢測冷凍效果，掌子面已結(jié)成具有相當(dāng)硬度的冰塊，根據(jù)數(shù)據(jù)綜合分析，已達(dá)到預(yù)設(shè)冷凍效果，滿足開艙條件。冷凍刀盤開艙作業(yè)現(xiàn)場如圖22所示。

5)冷凍刀盤技術(shù)拓展及創(chuàng)新。

冷凍刀盤與雙模式盾構(gòu)的融合，提升了盾構(gòu)施工技術(shù)。目前常見的盾構(gòu)開艙方式有以下3種，這3種開艙方法都存在著各自的弊端。

(a)

(b)

(c)

①地面預(yù)加固常壓開艙。預(yù)加固常壓開艙工法，地面加固位置無法按實(shí)際需要預(yù)先精確選位，且加固及齡期時(shí)間長，對周邊環(huán)境影響大，成本費(fèi)用高，甚至地面無法提供條件進(jìn)行土層加固等。

②氣壓開艙。氣壓開艙在氣密性差的地層環(huán)境下難以實(shí)施，施工人員進(jìn)入氣壓土艙施工時(shí)間不能過長，工作效率低。

③常壓開艙。常壓刀盤換刀對刀盤制造工藝要求高，費(fèi)用高，刀盤質(zhì)量大，多次使用可能帶來密封失效的風(fēng)險(xiǎn)； 且常壓刀盤最大的缺點(diǎn)在于刀具布置不合理，切削效率低。刀盤超厚，排土效率低，與土壓模式不匹配，特別是降低了刀盤中心開口率，導(dǎo)致開口率不足，容易造成切削的渣土不能及時(shí)進(jìn)入開挖艙而積聚于刀盤中心面板形成泥餅，泥餅又反過來造成刀具磨損，掘進(jìn)困難，兼容性較差。

針對以上3種開艙換刀弊端的對比和條件的局限性，將冷凍法加固與盾構(gòu)刀盤結(jié)合在一起，自帶冷凍功能的盾構(gòu)刀盤，使盾構(gòu)刀盤具備凍結(jié)地層的功能，通過冷凍刀盤在隧道內(nèi)對土艙外土層凍結(jié)加固，使其達(dá)到常壓開艙的要求，與雙模式盾構(gòu)相結(jié)合，兼容性好，不存在功能上的沖突。冷凍刀盤雙模式盾構(gòu)照片如圖23所示。

圖23 冷凍刀盤雙模式盾構(gòu)照片

4 結(jié)語

1)并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)的研發(fā)與應(yīng)用，具有兼具土壓平衡盾構(gòu)、泥水平衡盾構(gòu)的功能； 能夠通過置換各種不同配置的刀具來適合2種模式下盾構(gòu)在復(fù)合地層、砂層及巖層的施工要求，包括硬巖刀具配置和軟土刀具配置；設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)、功能提升與結(jié)構(gòu)優(yōu)化；設(shè)備融合土壓平衡盾構(gòu)及泥水平衡盾構(gòu)的施工優(yōu)勢，可根據(jù)盾構(gòu)隧道沿線地表環(huán)境條件和隧道穿越的地層條件，合理劃分隧道采用泥水或土壓模式施工的地段，確定隧道區(qū)間的最優(yōu)施工方案； 盾構(gòu)施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)； 對今后盾構(gòu)制造和盾構(gòu)在復(fù)雜地層施工有良好的促進(jìn)作用，其強(qiáng)大的適應(yīng)性，安全快速的切換，保證了施工工期及施工安全。

2)冷凍刀盤首次將盾構(gòu)施工技術(shù)與冷凍技術(shù)相結(jié)合。 整個(gè)刀盤結(jié)構(gòu)及周邊土體變成一個(gè)大型的“凍結(jié)圓盤”，如同一道屏障，充分地隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，確保在不良地質(zhì)下盾構(gòu)開艙作業(yè)安全。冷凍刀盤目前處于試驗(yàn)成果階段，尚未有大量項(xiàng)目論證，尚需考慮更復(fù)雜的建設(shè)環(huán)境，如特殊地層(沿海含鹽、含氣、地下水與海水相通地層，西南地區(qū)的高地?zé)岬貙?是否適用冷凍刀盤問題。深埋隧道、高水壓冷凍效果尚待驗(yàn)證及研究等。

3)冷凍刀盤與并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)高度匹配，階段性地?cái)U(kuò)大了盾構(gòu)的適應(yīng)范圍和提高了盾構(gòu)的掘進(jìn)效率，解決了大埋深、高水壓、大直徑帶來的盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的瓶頸，填補(bǔ)了在軟弱地層、高水壓、大埋深、地面無預(yù)加固條件下實(shí)施常壓開艙換刀的空白。通過不斷開發(fā)這2項(xiàng)技術(shù)的適用性及優(yōu)化完善其施工工藝和施工方法，將這2項(xiàng)技術(shù)在華南地區(qū)甚至全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。