土壓平衡與TBM雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)

（廈門廈工中鐵重型機(jī)械有限公司，福建 廈門 361023）

隨著國內(nèi)對安全文明施工及掘進(jìn)效率的要求逐漸提高，隧道掘進(jìn)機(jī)的施工應(yīng)用也越來越廣泛。常規(guī)單一掘進(jìn)模式，掘進(jìn)機(jī)局限在各自優(yōu)缺點(diǎn)的地層中。TBM 隧道掘進(jìn)機(jī)是敞開式的，采用主機(jī)皮帶機(jī)出渣，在突遇局部富水時容易發(fā)生噴涌、噴砂等問題。土壓盾構(gòu)是封閉的，采用螺旋輸送機(jī)出渣，在全斷面硬巖地層中其掘進(jìn)效率低。因此，設(shè)計一款兼有兩種優(yōu)勢適應(yīng)不同地層的雙模式盾構(gòu)成為必然的選擇。

1 工程概況

福州地鐵軌道交通4 號線林-城區(qū)間全長約為2km，區(qū)間為軟硬軟地質(zhì)，即軟土主要地質(zhì)為淤泥、中細(xì)砂824.5m+凝灰熔巖1 299.8m（硬度120～190MPa）+軟土80m，其中硬巖段凝灰熔巖平均硬度達(dá)到190MPa，在國內(nèi)并無類似的施工案例，掘進(jìn)過程中面臨軟硬交接段水頭壓力大、淤泥段易栽頭，極硬巖段刀具損耗大、管片易上浮，洞內(nèi)模式轉(zhuǎn)換空間狹小，軟硬交接處刀具破巖等諸多技術(shù)難點(diǎn)，施工難度大，單一模式盾構(gòu)無法滿足工程復(fù)雜的施工需求。因此，結(jié)合以往隧道掘進(jìn)裝備的設(shè)計和使用經(jīng)驗(yàn)，在福建軟硬地層中首創(chuàng)使用小直徑EPB/TBM 雙模掘進(jìn)機(jī)，解決單一模式的盾構(gòu)在極端硬巖地層掘進(jìn)效率低以及單護(hù)盾或雙護(hù)盾TBM 無法在復(fù)合地層中掘進(jìn)等技術(shù)難題，區(qū)間地質(zhì)概況如圖1 所示。

圖1 福州地鐵軌道交通4號線林-城區(qū)間地質(zhì)概況

2 設(shè)備方案比選

2.1 常規(guī)土壓平衡與TBM雙模式盾構(gòu)

主要組成：刀盤、主驅(qū)動、盾體、管片拼裝機(jī)、螺旋輸送機(jī)、主機(jī)皮帶機(jī)和溜渣槽后配套等。

常規(guī)土壓平衡與TBM 雙模式盾構(gòu)兩種模式采用不同的出渣方式，在TBM 模式掘進(jìn)時，中心區(qū)域?yàn)槌ㄩ_模式，突遇局部富水軟土的情況下易發(fā)生噴涌、噴砂等現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備無法正常掘進(jìn)，增加施工風(fēng)險，圖2 為常規(guī)土壓平衡與TBM雙模盾構(gòu)。

2.2 中心螺機(jī)土壓平衡與TBM雙模式盾構(gòu)

主要組成：刀盤、溜渣槽、主驅(qū)動、人艙、盾體、管片拼裝機(jī)、中心螺機(jī)、螺旋輸送機(jī)和中心回轉(zhuǎn)接頭等，其中中心螺機(jī)還設(shè)計有前置關(guān)節(jié)軸承和后部支撐，通過前置關(guān)節(jié)軸承設(shè)計與后部支撐構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，保證雙模盾構(gòu)在硬巖段掘進(jìn)過程中可隨主機(jī)進(jìn)行擺動，避開螺機(jī)與主機(jī)姿態(tài)不協(xié)調(diào)而卡軸。

圖2 常規(guī)土壓平衡與TBM雙模盾構(gòu)

圖3 中心螺機(jī)土壓平衡與TBM雙模盾構(gòu)

中心螺機(jī)土壓平衡與TBM雙模式盾構(gòu)（圖3），通過改良TBM 模式下的出渣方式，有效降低盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中突遇富水層的噴涌和噴砂問題，保證設(shè)備正常施工掘進(jìn)。前置關(guān)節(jié)軸承設(shè)計如圖4 所示。

圖4 前置關(guān)節(jié)軸承設(shè)計

中心螺機(jī)土壓平衡與TBM 雙模式盾構(gòu)在TBM 模式下具有轉(zhuǎn)換時間少、施工文明、施工風(fēng)險小和故障率低等優(yōu)點(diǎn)。

3 掘進(jìn)效率分析

雙模盾構(gòu)的掘進(jìn)效率可分為軟土掘進(jìn)效率、模式轉(zhuǎn)換效率和硬巖掘進(jìn)效率的影響。軟土掘進(jìn)效率常常受地表建筑與施工進(jìn)度控制等外界因素影響。模式轉(zhuǎn)換效率受設(shè)備結(jié)構(gòu)形式及操作隊(duì)伍的熟練程度等內(nèi)外界因素的影響。硬巖掘進(jìn)效率更多是受設(shè)備的能力影響，如刀間距、刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度等。本文主要針對換模效率和硬巖掘進(jìn)效率等進(jìn)行分析。

3.1 中心螺機(jī)出渣與皮帶機(jī)出渣換模效率對比

對比同規(guī)格的皮帶機(jī)雙模盾構(gòu)的換模時間如表1 所示。

通過對比發(fā)現(xiàn)，采用中心螺機(jī)的轉(zhuǎn)換流程上比采用中心皮帶機(jī)的流程少，在關(guān)鍵轉(zhuǎn)換流程上其工藝難度較小，整體效率比皮帶機(jī)的節(jié)省接近50%。

3.2 硬巖掘進(jìn)效率

硬巖掘進(jìn)效率最主要的核心是設(shè)備自身的能力，包含了刀具布局，整機(jī)設(shè)計性能、整機(jī)設(shè)計等。以下針對影響掘進(jìn)效率較大的因素刀間距、貫入度和刀盤轉(zhuǎn)速等進(jìn)行分析。

1）刀間距 刀盤的破巖能力主要取決于刀間距，如圖5 所示，刀間距越小，裂紋貫通越容易，破巖的能力越好。但刀間距過小，將會影響刀盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，根據(jù)破巖效果及使用效果，在硬巖刀間距設(shè)計中，設(shè)計距離為70～80mm，可滿足設(shè)備掘進(jìn)需求。

表1 模式轉(zhuǎn)換時間詳細(xì)對比表

圖5 刀間距與破巖之間關(guān)系圖

2）貫入度預(yù)測 結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)采用不同的貫入度尺寸，目前國內(nèi)凝灰熔巖掘進(jìn)案例較少，為了更接近本次施工需求，提升掘進(jìn)效率，根據(jù)項(xiàng)目提供的凝灰熔巖巖樣，通過試驗(yàn)確定了凝灰熔巖貫入度，圖6 所示為刀具貫入度試驗(yàn)現(xiàn)場及數(shù)據(jù)情況。

圖6 刀具試驗(yàn)及貫入度

3）刀盤轉(zhuǎn)速 刀盤轉(zhuǎn)速同為掘進(jìn)效率的一個關(guān)鍵因素。TBM 模式的掘進(jìn)效率高取決于刀盤的轉(zhuǎn)速，因此在貫入度相同的情況下，盾構(gòu)掘進(jìn)效率以刀盤轉(zhuǎn)速為主。常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)為了保證螺機(jī)出渣，其渣土上面線需高于螺旋機(jī)面，土倉內(nèi)的渣土需要半倉，因此刀盤需要克服土倉渣土旋轉(zhuǎn)，刀盤轉(zhuǎn)速深受影響。本文設(shè)計的中心螺機(jī)雙模盾構(gòu)，在TBM 模式下，通過溜渣將渣土集中到中心位置，形成中心集渣，土艙內(nèi)部渣土量即可保證刀盤快速旋轉(zhuǎn)，又能維持螺機(jī)出渣的能力。如圖7 所示。

圖7 土壓模式及TBM模式出渣示意圖

3.3 工程掘進(jìn)預(yù)測

本標(biāo)段1.2km 硬巖段主要為凝灰熔巖，巖石強(qiáng)度190MPa，國內(nèi)罕見。通過取樣試驗(yàn)情況，18 寸滾刀軸承額定載荷為25t，試驗(yàn)貫入度為3mm?？傻贸霰緲?biāo)段的微風(fēng)化凝灰質(zhì)熔巖的雙模盾構(gòu)理論掘進(jìn)進(jìn)尺為216m/月。

由于在全斷面硬巖中掘進(jìn)中，旋轉(zhuǎn)速度較高，且全斷面硬巖地層巖土自穩(wěn)性好，土壓平衡與TBM 雙模盾構(gòu)在該類地層中高速掘進(jìn)時會出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)及振動的現(xiàn)象，通過在前盾上對稱布置兩組穩(wěn)定器，在伸縮油缸撐靴撐緊巖壁過程中有效吸收主機(jī)傳來力，從而防止該現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

土壓平衡與TBM 雙模盾構(gòu)在福州地鐵軌道交通4 號線軟硬交替地層中施工技術(shù)延伸到凝灰熔巖地層的適用范圍，為盾構(gòu)在高硬度地層的應(yīng)用提供了一個新的案例，為今后類似工程提供參考。

中心螺機(jī)出渣對雙模盾構(gòu)TBM 模式出渣進(jìn)行了改良和優(yōu)化，該設(shè)備已由福建、廣州、深圳等地區(qū)逐漸向全國范圍推廣，解決了傳統(tǒng)的盾構(gòu)施工所不能解決的諸多問題，對我國盾構(gòu)施工建設(shè)起到促進(jìn)作用。