氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)快速轉(zhuǎn)換技術(shù)

孟慶軍，陳 凡，周 峰，王士民，賈少東，姚超凡，劉川昆

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031; 2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530029)

目前國(guó)內(nèi)地鐵隧道施工所用的盾構(gòu)機(jī)，主要分為兩種：土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)適合于相對(duì)穩(wěn)定的地層，在掘進(jìn)速度、造價(jià)和成本方面有優(yōu)勢(shì)；泥水式平衡盾構(gòu)機(jī)在開挖面穩(wěn)定性、沉降控制、耐高水壓性能和刀盤阻力方面有優(yōu)勢(shì)[1-4]。隨著我國(guó)城市地鐵隧道的大規(guī)模興建，盾構(gòu)隧道將穿越更加復(fù)雜多變的地層。單一的盾構(gòu)機(jī)模式將無法適應(yīng)多變的復(fù)合地層，造成工期延長(zhǎng)，工程成本增加[5-8]。因此，雙模式盾構(gòu)施工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。雙模盾構(gòu)施工中，盾構(gòu)模式的轉(zhuǎn)換是控制掘進(jìn)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-12]。

本文以南寧市軌道交通5號(hào)線一期工程為背景，介紹一種氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)模式快速轉(zhuǎn)換技術(shù)，以期為國(guó)內(nèi)外類似工程提供參考。

1 工程概況

南寧市軌道交通5號(hào)線一期工程五—新區(qū)間(五一立交站至新秀公園站)，位于南寧市江南區(qū)，穿越邕江(圖1)，區(qū)間隧道起止里程為CK18+254.848～CK20+352.934，左線長(zhǎng)2 091.9 m，右線長(zhǎng)2 098.1 m，全長(zhǎng)共4 190 m。根據(jù)區(qū)間地勘報(bào)告，區(qū)間隧道主要穿越地層為：③1粉土、④1-1粉細(xì)砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3粉砂質(zhì)泥巖及⑦2-3泥質(zhì)粉砂巖，其中江南段施工地層多為粉土/粉細(xì)砂、粉細(xì)砂/圓礫、粉土/圓礫、圓礫/泥巖等復(fù)合地層，邕江段施工地層為全斷面泥巖地層，江北段施工地層為全斷面圓礫、圓礫/泥巖、粉土/圓礫復(fù)合地層(圖1)。

圖1 五—新區(qū)間平面和剖面

2 氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)

本區(qū)間穿越復(fù)雜多變的復(fù)合地層，右線隧道采用1臺(tái)氣墊式泥水/土壓雙模盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，如圖2所示。盾構(gòu)機(jī)除采用直排式泥水盾構(gòu)技術(shù)外，另增設(shè)氣墊倉(cāng)以有效緩沖土倉(cāng)內(nèi)壓力波動(dòng)。盾構(gòu)機(jī)的開挖直徑為6 280 mm，刀盤轉(zhuǎn)速0～0.35 r/min，刀盤開口率45 %，最大推力3 991 t，額定扭矩6 650 kN·m。

圖2 泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)主機(jī)布置

本工程采用的氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)主要有如下技術(shù)特點(diǎn)：

(1)主驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)，總功率945 kW，主驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)效率高，系統(tǒng)具備運(yùn)行可靠、免維護(hù)、噪音低、發(fā)熱小、省電等優(yōu)勢(shì)；采用外齒驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)。

(2)主密封：主密封形式為多唇型，內(nèi)外共8道，硬質(zhì)聚氨酯材料耐壓能力高達(dá)1 MPa。

(3)刀盤：中心開口率較大，開口率45 %，有效降低刀盤中心結(jié)泥餅的風(fēng)險(xiǎn)；主動(dòng)攪拌棒設(shè)計(jì)位置靠外，以及土艙隔板中心環(huán)帶處同刀盤之間有相對(duì)移動(dòng)，有效增加土艙土壤流動(dòng)性，牛腿內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有具備沖刷功能的被動(dòng)攪拌棒。

(4)鉸接系統(tǒng)：被動(dòng)鉸接形式。

(5)液壓系統(tǒng)：模塊式+集成式。

(6)注漿系統(tǒng)：采用同步單、雙液注漿系統(tǒng)，可有效控制地面沉降。

(7)環(huán)流系統(tǒng)：，設(shè)置正送模式，旁通模式，反沖洗模式，設(shè)有P0泵內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。

(8)皮帶系統(tǒng)：帶寬800 mm，輸送能力555 m3/h。

(9)泥水平衡控制方式：泥漿流量直接控制+進(jìn)漿管比例泄壓閥+氣墊包輔助控制。

3 雙模盾構(gòu)快速轉(zhuǎn)換技術(shù)

本部分內(nèi)容主要從雙模盾構(gòu)的轉(zhuǎn)換原則、泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式和土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式，三個(gè)方面詳細(xì)闡述氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)的快速轉(zhuǎn)換技術(shù)。盾構(gòu)機(jī)的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)示意

3.1 模式轉(zhuǎn)換的原則

雙模式盾構(gòu)機(jī)在模式轉(zhuǎn)換的過程中，核心的原則是控制掌子面壓力的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)換過程中掌子面若出現(xiàn)壓力失穩(wěn)，會(huì)造成地面的坍塌或者隆起，帶來極大的施工風(fēng)險(xiǎn)。其次，為滿足快速施工的需要，轉(zhuǎn)換效率也是轉(zhuǎn)換技術(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。

3.2 泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式

泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式如圖4所示，具體操作步驟如下：

圖4 泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式示意

步驟1：即將到達(dá)預(yù)定切換點(diǎn)時(shí)，降低刀盤轉(zhuǎn)速至0.5 r/min，降低推進(jìn)速度(建議不超過20 mm/min)。到達(dá)預(yù)定切換點(diǎn)時(shí)停止掘進(jìn)，關(guān)閉倉(cāng)內(nèi)氣壓聯(lián)通管、中部氣壓聯(lián)通管，泥水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)內(nèi)旁通模式。

步驟2：在機(jī)內(nèi)旁通模式下打開土倉(cāng)進(jìn)漿球閥F11，盾構(gòu)機(jī)按照0.5 r/min的轉(zhuǎn)速，緩慢推進(jìn)(建議推進(jìn)速度不超過20 mm/min)，開始進(jìn)行土倉(cāng)堆渣。此時(shí)，不啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)。隨著推進(jìn)的緩慢進(jìn)行，渣土不斷堆積，需要排出土倉(cāng)中原有的泥漿，以避免土倉(cāng)壓力的升高，打開土倉(cāng)進(jìn)漿球閥F11，將主機(jī)段進(jìn)漿管當(dāng)做排漿管進(jìn)行土倉(cāng)排漿，利用旁通模式將泥漿帶出。注意觀察土倉(cāng)壓力，使掘進(jìn)速度與排渣速度相匹配，穩(wěn)定土倉(cāng)壓力。

步驟3：隨著盾構(gòu)緩慢推進(jìn)，土倉(cāng)中渣土堆積越來越高，預(yù)估已經(jīng)堆積的渣土量已經(jīng)到達(dá)進(jìn)漿口時(shí)，打開上部土倉(cāng)探測(cè)管，如果沒有漿液流出(如果有漿液流出需要現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員判斷是否適合土壓推進(jìn))，停止推進(jìn)，關(guān)閉球閥F11，停止運(yùn)行泥水循環(huán)系統(tǒng)。環(huán)流系統(tǒng)停止后，可以通過隔板上土倉(cāng)聯(lián)通管、進(jìn)漿口、排漿口上預(yù)留的支口注入盾尾油脂，對(duì)上述管路進(jìn)行填充，減小土壓模式下堵塞的概率。在注入盾尾油脂的同時(shí)，注意利用上部探測(cè)管進(jìn)行間歇性的泄壓，穩(wěn)定土倉(cāng)壓力。

步驟4：打開螺旋輸送機(jī)前后閘門，運(yùn)行螺旋輸送機(jī)、皮帶機(jī)，開始運(yùn)行土壓模式緩慢推進(jìn)，待運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，即可進(jìn)行正常推進(jìn)。注意觀察螺旋輸送機(jī)出土口渣土狀態(tài)，剛置換完成后渣土狀態(tài)可能處于流塑狀，會(huì)出現(xiàn)短暫的噴涌現(xiàn)象，如果噴涌嚴(yán)重需繼續(xù)置換，直到適合土壓掘進(jìn)。

3.3 土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式

土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式如圖5所示，具體操作步驟如下：

步驟1：在土壓模式下掘進(jìn)，即將到達(dá)預(yù)定切換點(diǎn)時(shí)，降低刀盤轉(zhuǎn)速至0.5 r/min，降低推進(jìn)速度(建議不超過20 mm/min)。到達(dá)預(yù)切換點(diǎn)后，停止掘進(jìn)，準(zhǔn)備模式切換。為增強(qiáng)渣土被泥漿置換過程中土倉(cāng)氣密性，停機(jī)之前，可以適當(dāng)增加土倉(cāng)膨潤(rùn)土注入，一方面增強(qiáng)渣土的流動(dòng)性，另一方面可以在掌子面形成一層薄泥膜。

步驟2：刀盤原地緩慢攪拌，打開螺旋輸送機(jī)前閘門，并啟動(dòng)螺旋輸送機(jī)，轉(zhuǎn)速2～3 r/min，打開出土閘門，慢慢出土，此時(shí)要特別注意觀察土倉(cāng)壓力變化，土倉(cāng)壓力保持在P±0.1 bar。在慢慢出土的過程中，可以試運(yùn)行泥水循環(huán)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)旁通模式，確保整個(gè)泥水循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行正常，狀態(tài)穩(wěn)定。為了維持掌子面的壓力穩(wěn)定，如果地層穩(wěn)定或者掌子面建立了良好的泥膜，在螺旋輸送機(jī)出土，土倉(cāng)渣土下降的過程中，可以利用SAMSON系統(tǒng)向氣墊倉(cāng)內(nèi)注入壓縮空氣，并通過頂部連通管傳遞到土倉(cāng)中，以此維持土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定。另外如果地層不穩(wěn)定或者處于安全風(fēng)險(xiǎn)的考慮也可以采用膨潤(rùn)土置換的方式排渣。在螺旋輸送機(jī)緩慢出土之前，要對(duì)土倉(cāng)內(nèi)渣土的方量進(jìn)行預(yù)估。一方面該過程是連續(xù)過程，需要安排好渣車運(yùn)輸方案；另一方面需要預(yù)估倉(cāng)內(nèi)剩余渣土量，方便進(jìn)行下一步操作。

圖5 土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式示意

步驟3：在土倉(cāng)內(nèi)剩余渣土量約為預(yù)估土倉(cāng)渣土量的1/3時(shí)，螺旋輸送機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉螺旋輸送機(jī)出渣門，開始運(yùn)行泥水循環(huán)系統(tǒng)機(jī)內(nèi)旁通模式并打開自動(dòng)閥門F8向土倉(cāng)內(nèi)灌漿，同時(shí)利用頂部連通管，將土倉(cāng)中的壓縮空氣傳遞到氣墊倉(cāng)中，并用SAMSON系統(tǒng)維持氣壓的穩(wěn)定。運(yùn)行旁通時(shí)，注意進(jìn)漿壓力的調(diào)整，協(xié)調(diào)好進(jìn)漿速度與SAMSON系統(tǒng)的排氣能力，維持土壓壓力穩(wěn)定。在運(yùn)行泥水循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，注意上位機(jī)上的液位屏蔽，切斷環(huán)流系統(tǒng)與液位之間的連鎖關(guān)系。在打開F8之前，需要對(duì)隔板進(jìn)漿口進(jìn)行機(jī)械疏通，確保進(jìn)漿口沒有完全堵塞。

步驟4：隨著灌漿的進(jìn)行，土倉(cāng)中的泥漿通過頂部連通管進(jìn)去氣墊倉(cāng)中，此時(shí)通過拉繩液位傳感器來觀察氣墊倉(cāng)中的液位變化。液位到達(dá)0～+0.8 m之間時(shí)，關(guān)閉頂部連通管，停止灌漿，環(huán)流系統(tǒng)切換到機(jī)內(nèi)旁通模式。切換到機(jī)內(nèi)旁通模式之后需要對(duì)倉(cāng)內(nèi)氣壓聯(lián)通管、倉(cāng)外中部氣壓聯(lián)通管、隔板主排漿口進(jìn)行機(jī)械疏通，確保以上各管路沒有完全堵塞。

步驟5：打開倉(cāng)內(nèi)氣壓聯(lián)通管、倉(cāng)外中部氣壓聯(lián)通管，在機(jī)內(nèi)旁通模式下，打開土倉(cāng)進(jìn)漿管路、排漿管路，觀察氣墊倉(cāng)液位變化，以此確定氣壓聯(lián)通管路、主機(jī)段排漿管路是否通暢。

步驟6：在確認(rèn)氣壓聯(lián)通管、進(jìn)排漿管路均通暢后，開啟氣墊倉(cāng)進(jìn)漿管，關(guān)閉機(jī)內(nèi)旁通管路，切換到正常掘進(jìn)模式，加快刀盤轉(zhuǎn)速至掘進(jìn)速度，盾構(gòu)機(jī)低速前進(jìn)，逐步增加進(jìn)、排漿流量并監(jiān)測(cè)分離站出渣情況。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以南寧市軌道交通5號(hào)線區(qū)間隧道為工程背景，介紹一種氣墊式泥水—土壓雙模盾構(gòu)機(jī)的盾構(gòu)模式快速轉(zhuǎn)換技術(shù)，詳細(xì)闡述了模式轉(zhuǎn)換的原則、土壓轉(zhuǎn)泥水模式和泥水轉(zhuǎn)土壓模式的操作步驟，以期為國(guó)內(nèi)外類似工程提供參考。