海域復(fù)雜地質(zhì)雙模式TBM設(shè)備選型與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

劉 澤， 王 勇， 李小鋒， 吳志昊

(中鐵二局集團(tuán)有限公司, 四川 成都 610031)

0 引言

隨著TBM掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其適應(yīng)性越來(lái)越廣。TBM在硬巖地層采用敞開(kāi)模式可實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，但遇到富水、軟弱地層時(shí)，掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)較高；土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)出土，有利于控制軟土、軟巖地層掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)[1]。為解決復(fù)雜地質(zhì)TBM適應(yīng)性難題，TBM & EPB(土壓平衡)雙模式掘進(jìn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，但并未能真正在我國(guó)海域地層實(shí)踐應(yīng)用。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)雙模式TBM模式轉(zhuǎn)換進(jìn)行了研究。2013年南京地鐵機(jī)場(chǎng)線區(qū)間在國(guó)內(nèi)首次采用EPB & TBM雙模式掘進(jìn)機(jī)施工，主要穿越中風(fēng)化安山巖，局部穿越微風(fēng)化安山巖、強(qiáng)風(fēng)化安山巖、粉質(zhì)黏土[5]。文獻(xiàn)[6-8]對(duì)雙模式TBM刀具刀盤(pán)進(jìn)行了仿真分析研究。文獻(xiàn)[9]對(duì)TBM施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[10-15]對(duì)雙模式TBM應(yīng)用、組合回填、步進(jìn)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等進(jìn)行了研究。上述文獻(xiàn)主要基于常規(guī)地層、煤礦等開(kāi)展雙模式TBM研究。另外，重慶軌道交通環(huán)線體育公園站、冉家壩站區(qū)間隧道工程采用雙模式TBM，但未進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換；深圳地鐵13號(hào)線擬投入10余臺(tái)雙模式TBM，尚未進(jìn)行掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換。

本文基于青島地鐵8號(hào)線大洋站—青島北站區(qū)間西側(cè)輔助導(dǎo)洞下穿復(fù)雜海域地層的工程實(shí)際，針對(duì)國(guó)內(nèi)穿越海域地層首次采用雙模式TBM掘進(jìn)并在導(dǎo)洞內(nèi)進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換的技術(shù)難題，開(kāi)展設(shè)備選型與應(yīng)用研究，優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)刀具與盾尾刷等構(gòu)造，改進(jìn)同步注漿等工藝，超前鉆探確定掘進(jìn)機(jī)模式轉(zhuǎn)換安全位置，試驗(yàn)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)洞內(nèi)受限空間下掘進(jìn)模式的快速轉(zhuǎn)換和海域復(fù)雜地層雙模式TBM的安全掘進(jìn)。

1 工程概況

青島地鐵8號(hào)線起自膠州北站，終至五四廣場(chǎng)站，正線全長(zhǎng)61.4 km，設(shè)車站18座，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km。其中大洋站—青島北站區(qū)間西側(cè)過(guò)海段采用礦山法施工，陸域段長(zhǎng)1 332 m，海域段長(zhǎng)2 537 m；海域段穿越F5斷層帶寬約500 m。大—青區(qū)間是青島地鐵8號(hào)線關(guān)鍵性控制節(jié)點(diǎn)工程，采用平行輔助導(dǎo)洞增設(shè)橫通道的方式，為礦山法正線隧道施工增加工作面。地鐵過(guò)海域段線路如圖1所示。

輔助導(dǎo)洞最大縱坡2.8%，與區(qū)間正線線間距約17 m，全長(zhǎng)2 110 m。導(dǎo)洞隧道埋深30～60 m，穿越地質(zhì)以微風(fēng)化凝灰?guī)r和安山巖為主，凝灰?guī)r巖芯采取率為90%，巖體完整性指數(shù)為0.55～0.93，微風(fēng)化安山巖巖體完整性指數(shù)為0.69～0.98，強(qiáng)度基本在30～50 MPa，局部高達(dá)70 MPa，總體地質(zhì)條件較好，但其穿越F5斷層破碎帶。輔助導(dǎo)洞地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖1 青島地鐵8號(hào)線過(guò)海域段線路圖

圖2 輔助導(dǎo)洞地質(zhì)剖面圖(單位： m)

輔助施工導(dǎo)洞除60 m陸域段外，其余2 050 m均位于海底以下。海底砂性土(泥質(zhì)含量較高)中等富水，具有弱承壓性。以基巖裂隙水為主，基巖裂隙水的動(dòng)態(tài)與第四系孔隙水密切相關(guān)，主要以海水和砂土中孔隙水的下滲補(bǔ)給為主。

2 方案選擇

通過(guò)礦山法、盾構(gòu)、TBM施工方法比選，綜合考慮地質(zhì)和工期因素，施工導(dǎo)洞選定雙模式TBM施工。

1)施工進(jìn)度因素： 導(dǎo)洞是為增加區(qū)間正線工作面而增設(shè)的輔助施工通道，施工通道需在8個(gè)月內(nèi)完成，綜合月進(jìn)度應(yīng)達(dá)到300 m以上，才能在階段時(shí)間前為暗挖區(qū)間提供作業(yè)面，以滿足總體工期目標(biāo)。

2)工程地質(zhì)因素： 以微風(fēng)化凝灰?guī)r和安山巖為主，總體地質(zhì)條件較好；但其在接近終點(diǎn)段穿越F5斷層帶，面臨破碎巖體和突涌水安全風(fēng)險(xiǎn)。導(dǎo)洞巖石飽和抗壓強(qiáng)度分布如圖3所示。

輔助導(dǎo)洞為直徑6.8 m的圓形斷面，其中1#豎井起點(diǎn)100 m段采用礦山法施工，為T(mén)BM提供洞內(nèi)拼裝空間。穿越海底F5斷層破碎帶采用土壓平衡模式，其余地段采用TBM敞開(kāi)模式掘進(jìn)。

圖3 輔助導(dǎo)洞巖石飽和抗壓強(qiáng)度分布圖

Fig. 3 Distribution of rock saturated compressive strength in auxiliary guide tunnel

3 技術(shù)難點(diǎn)

1)穿越海底斷層破碎帶： 穿越F5斷層破碎帶長(zhǎng)度約500 m，勘察顯示斷層上盤(pán)較下盤(pán)破碎，上盤(pán)破碎圍巖影響140 m長(zhǎng)度，地下水壓達(dá)到0.5 MPa，突涌水安全風(fēng)險(xiǎn)高。

2)雙模式TBM模式轉(zhuǎn)換： 雙模式TBM在復(fù)雜海域地層未能夠真正實(shí)踐應(yīng)用，面臨復(fù)雜海域地質(zhì)雙模式TBM模式轉(zhuǎn)換最佳位置的確定、導(dǎo)洞內(nèi)受限空間環(huán)境掘進(jìn)機(jī)模式轉(zhuǎn)換、斷層破碎帶掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化、粉塵控制等技術(shù)難題。

4 設(shè)備選型與優(yōu)化

4.1 設(shè)備選型

確定雙模式TBM施工后，掘進(jìn)機(jī)的選型以及主要技術(shù)參數(shù)的確定就至關(guān)重要。設(shè)備選型主要考慮以下因素： 1)安全性、可靠性、實(shí)用性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性； 2)隧道開(kāi)挖斷面、長(zhǎng)度、埋深、地質(zhì)及環(huán)境條件； 3)安全、質(zhì)量、工期、造價(jià)及環(huán)保要求； 4)設(shè)備配套，后配套設(shè)備與主機(jī)配套，生產(chǎn)能力與主機(jī)掘進(jìn)速度相匹配，施工安全性、布置合理性、維護(hù)保養(yǎng)。

綜合比選后確定選用中鐵裝備φ6 850 mm單護(hù)盾雙模式TBM，開(kāi)挖直徑6 906 mm。

4.2 設(shè)備優(yōu)化

針對(duì)海域段水文地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造： 1)掘進(jìn)機(jī)下井時(shí)更換掘進(jìn)機(jī)鉸接密封，原設(shè)備盾尾刷為2道鋼絲刷、1道鋼板刷，可承受0.4 MPa水壓；為確保盾尾密封良好，改造為3道鋼絲刷、1道鋼板刷，可承受約0.6 MPa水壓；并采用優(yōu)質(zhì)盾尾油脂、刀盤(pán)油脂、盾尾刷，提高掘進(jìn)機(jī)密封效果，防滲漏水，有利于提高掘進(jìn)速度。盾尾鋼絲刷如圖4所示。2)為確保TBM模式掘進(jìn)壁后注漿效果，在盾尾增設(shè)1道止?jié){板，防止?jié){液流失，有利于保證壁后注漿飽滿。3)配備TBM超前地質(zhì)鉆機(jī)和雙液注漿設(shè)備，可進(jìn)行超前鉆探和注漿加固，提高TBM實(shí)施超前鉆孔探測(cè)的便捷性，同時(shí)可利用超前地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，配套注漿設(shè)備進(jìn)行超前注漿加固。4)針對(duì)地質(zhì)特點(diǎn)，TBM采用60 cm龐萬(wàn)力重型合金刀，提高耐磨性能，減少換刀頻率，適當(dāng)增大開(kāi)挖尺寸，降低設(shè)備卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。5)在TBM的刀盤(pán)開(kāi)口位置增設(shè)鋼格柵，防止大塊石頭進(jìn)入土艙破壞刀具。6)在TBM的承壓鋼板上增設(shè)8個(gè)預(yù)留孔，用于無(wú)壓模式TBM正面超前鉆探及注漿加固，提高超前注漿加固斷層破碎帶施工效率。承壓鋼板增設(shè)預(yù)留孔如圖5所示。

圖4 盾尾鋼絲刷

圖5 承壓鋼板預(yù)留孔

5 應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

5.1 雙模式TBM始發(fā)

利用礦山法施工1#豎井口部100 m長(zhǎng)度導(dǎo)洞，在導(dǎo)洞內(nèi)施工導(dǎo)臺(tái)，安裝始發(fā)托架；吊裝TBM主機(jī)，采用液壓泵站頂推至礦山法已施工導(dǎo)洞99 m處，復(fù)測(cè)TBM零位姿態(tài)，然后安裝反力架；依次吊裝連接橋、后配套拖車，電瓶車牽引就位，與TBM主機(jī)連接，TBM整機(jī)始發(fā)；將前85 m作為試驗(yàn)段，確定掘進(jìn)參數(shù)。

5.2 單護(hù)盾TBM掘進(jìn)

基于TBM海底掘進(jìn)的特殊性，采取以下加強(qiáng)措施： 1)采用HSP和地鉆鉆探相結(jié)合進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 2)通過(guò)F6斷層帶(長(zhǎng)度20 m)時(shí)，采取超前注漿加固，注漿長(zhǎng)度30 m，注漿范圍為隧道開(kāi)挖輪廓線外3 m； 3)在微風(fēng)化凝灰?guī)r和安山巖地層中掘進(jìn)時(shí)，輔以土艙內(nèi)噴射高壓水降低刀具溫度，輔助降塵； 4)同步注水泥-水玻璃雙液漿。由于同步注漿位置與土艙存在高差且為下坡掘進(jìn)，地下水匯聚沖刷，可能導(dǎo)致同步砂漿涌入土艙，造成管片與圍巖之間填充不飽滿，需采用雙液漿加強(qiáng)同步注漿。通過(guò)安裝在盾尾內(nèi)的4個(gè)內(nèi)置式注漿管向管片與地層間的環(huán)形空間注漿填充，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa，確保填充密實(shí)。

統(tǒng)計(jì)敞開(kāi)模式在圍巖完整的微風(fēng)化凝灰?guī)r第80—140環(huán)掘進(jìn)參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)總推力主要集中在6 000～11 000 kN；刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩集中在1 400～1 750 kN·m；掘進(jìn)速度最小值為21 mm/min，最大值為49 mm/min，平均掘進(jìn)速度為36 mm/min；最快月進(jìn)度505 m，管片拱頂沉降和凈空收斂值較小，沉降均值為7 mm，掘進(jìn)參數(shù)基本合理。

5.3 雙模式TBM模式轉(zhuǎn)換

根據(jù)超前地質(zhì)鉆孔準(zhǔn)確探測(cè)斷層破碎帶位置，確定距離F5斷層帶20 m時(shí)提前停機(jī)，進(jìn)行掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換。主要原理是通過(guò)拆除TBM主皮帶機(jī)及相關(guān)設(shè)備，封堵承壓墻上的孔洞，安裝螺旋輸送機(jī)及泡沫系統(tǒng)，使得掘進(jìn)機(jī)土艙內(nèi)空間能夠封閉，具備保壓的條件；實(shí)現(xiàn)敞開(kāi)模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式，提高雙模式TBM穿越斷層破碎帶的安全性；針對(duì)導(dǎo)洞受限空間設(shè)計(jì)專用吊架，22 d完成模式轉(zhuǎn)換。具體步驟如下。

1)準(zhǔn)備工作： 檢查掌子面圍巖，確保掌子面穩(wěn)定。在盾尾后4、5、6環(huán)采用水泥-水玻璃雙液漿注漿形成止水環(huán)箍，隔斷管片背后滲水通道。模式轉(zhuǎn)換前向盾體周圍壓注高體積分?jǐn)?shù)膨潤(rùn)土漿液填充，防止TBM長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)卡殼。2)拆除相關(guān)設(shè)備： 斷開(kāi)除塵設(shè)備，封堵盾體隔板上的除塵口，拆除防溜車裝置；斷開(kāi)后配套皮帶與TBM主機(jī)皮帶之間的拖拉油缸及各種管線，后配套臺(tái)車整體后退約10 m，提供模式轉(zhuǎn)換操作空間。拆除盾尾管片喂料機(jī)、主機(jī)皮帶機(jī)后段和前段；分塊拆除土艙內(nèi)溜槽結(jié)構(gòu)。3)安裝螺旋輸送機(jī)及相關(guān)設(shè)備： 拆除螺旋輸送機(jī)筒體蓋，按照刀盤(pán)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)中心壓力隔板—泡沫管路—回轉(zhuǎn)接頭順序安裝到既定位置；管片機(jī)軌道梁前部橫梁安裝就位；安裝螺旋輸送機(jī)吊裝門(mén)架，吊裝螺旋輸送機(jī)；后配套整體前移，管線重新連接，整機(jī)系統(tǒng)調(diào)試，按照土壓平衡模式向前掘進(jìn)。在地面拼裝螺旋輸送機(jī)吊裝門(mén)架，分塊運(yùn)輸至洞內(nèi)拼裝就位。吊裝螺旋輸送機(jī)如圖6所示。

圖6 吊裝螺旋輸送機(jī)

5.4 斷層帶土壓平衡模式掘進(jìn)

雙模式TBM敞開(kāi)模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式掘進(jìn)，保持土艙進(jìn)渣量與螺旋輸送機(jī)出渣量平衡。通過(guò)改良渣土建立較好的土壓平衡，降低F5斷層中的破碎圍巖泥糊的黏附性，防止刀盤(pán)結(jié)泥餅，降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩，提高掘進(jìn)效率；防止渣水分離、螺旋輸送機(jī)噴涌。采用泡沫改良渣土，通過(guò)渣土和易性判斷渣土改良效果，保證渣土具有較好的流動(dòng)性，在螺旋輸送機(jī)形成土塞效應(yīng)，防止噴涌。富水地段，向土艙中加入膨潤(rùn)土液，或采取輔助氣壓掘進(jìn)，適當(dāng)保壓，阻擋部分地下水進(jìn)入土艙。

統(tǒng)計(jì)EPB模式在斷層帶凝灰?guī)r破碎圍巖地層第1221—1280環(huán)掘進(jìn)參數(shù)，掘進(jìn)機(jī)總推力主要集中在6 500～11 000 kN，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩為1 700～2 000 kN·m，掘進(jìn)速度最小值為26 mm/min，最大值為36 mm/min，平均掘進(jìn)速度為30 mm/min，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為2 r/min，貫入度和掘進(jìn)速度曲線基本保持一致，最快月進(jìn)度247 m。根據(jù)隧道內(nèi)管片拱頂沉降和凈空收斂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合刀具磨損分析，掘進(jìn)參數(shù)總體合理有效。土壓平衡模式掘進(jìn)的推力和轉(zhuǎn)矩參數(shù)曲線如圖7所示。

(a) 推力曲線

(b) 轉(zhuǎn)矩曲線

6 結(jié)論與建議

基于復(fù)雜海域地層比選確定TBM & EPB雙模式掘進(jìn)機(jī)施工，提出增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)盾尾密封，提高刀具耐磨性能，加強(qiáng)雙液同步注漿回填，距離斷層破碎帶20 m進(jìn)行掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換，成功實(shí)現(xiàn)了雙模式TBM在復(fù)雜海底地質(zhì)地鐵建設(shè)中的工程化應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益，并提出以下建議：

1)雙模式TBM宜增設(shè)可變速齒輪箱實(shí)現(xiàn)雙級(jí)變速，滿足敞開(kāi)模式下高轉(zhuǎn)速需要，又兼顧土壓平衡模式下大轉(zhuǎn)矩掘進(jìn)需求。

2)宜配備豆礫石吹填系統(tǒng)和水泥儲(chǔ)存料艙，有利于敞開(kāi)模式掘進(jìn)工況下管片的快速穩(wěn)定，防止管片錯(cuò)臺(tái)。

3)雙模式TBM敞開(kāi)模式掘進(jìn)遇到局部突涌水的處治等問(wèn)題仍難以解決，建議對(duì)TBM敞開(kāi)模式下的防突涌水、噪音與粉塵控制等開(kāi)展深入研究，進(jìn)一步提高其水文地質(zhì)的適應(yīng)性。

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