EPB和TBM雙模盾構(gòu)選型探討

劉東亮，康 峰

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458)

隨著施工技術(shù)發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)的施工應(yīng)用也越來越廣泛。為有效解決掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)性問題，應(yīng)對(duì)各種地層復(fù)雜雙模式的掘進(jìn)機(jī)逐漸應(yīng)用，如土壓平衡（EPB）和TBM 雙模式掘進(jìn)機(jī)、泥水和土壓雙模式掘進(jìn)機(jī)。雙模式掘進(jìn)機(jī)可以在不同的地層中，采用不同的模式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)安全、快速施工，目前國內(nèi)使用較多的土壓平衡和TBM 雙模式掘進(jìn)機(jī)。

文獻(xiàn)[1]論述了在長距離高強(qiáng)度巖層兼上軟、下硬復(fù)合地層中穿越重要建（構(gòu)）筑物的施工環(huán)境下，采用TBM＆EPB雙模式可轉(zhuǎn)換盾構(gòu)掘進(jìn)施工，既能滿足在高強(qiáng)度硬巖中掘進(jìn)效率，又能保證在上軟、下硬復(fù)合地層中穿越建（構(gòu))筑物的安全。文獻(xiàn)[2]針對(duì)泥水平衡盾構(gòu)、土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)模式優(yōu)、缺點(diǎn)方面的闡述。文獻(xiàn)[3]以南寧地鐵5 號(hào)線五新區(qū)間為工程背景，在泥水平衡和土壓平衡雙模盾構(gòu)租賃費(fèi)用、配套設(shè)施設(shè)備、掘進(jìn)資源（人材機(jī)）消耗、及掘進(jìn)效果等4 個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比，研究使用雙模盾構(gòu)相較于單一模式泥水盾構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性。文獻(xiàn)[4]講述了雙模盾構(gòu)姿態(tài)控制工程的質(zhì)量的影響，文獻(xiàn)[5]以新街臺(tái)格廟礦區(qū)斜井隧道雙模式盾構(gòu)為依托，提出了雙模盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)配置的原則。文獻(xiàn)[6]利用數(shù)值方法分析了大埋深雙模式盾構(gòu)隧道有無支護(hù)條件下圍巖的變形特征和圍巖與盾殼的相互作用關(guān)系，探討了大埋深軟巖區(qū)段雙模式盾構(gòu)隧道卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的控制和處理措施。

1 EPB和TBM雙模盾構(gòu)結(jié)構(gòu)

EPB 和TBM 雙模盾構(gòu)是指1 臺(tái)盾構(gòu)既具備土壓平衡盾構(gòu)功能（圖1），又具備TBM 單護(hù)盾功能（圖2），可根據(jù)施工地質(zhì)條件和要求，進(jìn)行功能轉(zhuǎn)換，從理論上講滿足安全、快速施工的需求。按照TBM 模式結(jié)構(gòu)，可分為中心皮帶機(jī)出碴和中心螺旋輸送機(jī)出碴兩種型式。

圖1 土壓平衡模式盾構(gòu)示意圖

2 掘進(jìn)效率分析

2.1 TBM兩種出碴方式轉(zhuǎn)換時(shí)間

采用中心皮帶機(jī)出碴，從土壓平衡盾構(gòu)轉(zhuǎn)換為TBM 模式，需要退回螺旋輸送機(jī)，關(guān)閉螺機(jī)前閘門，拆除中心回轉(zhuǎn)接頭、密封和支撐，安裝中心螺旋輸送機(jī)（或皮帶機(jī)）、中心封閉壓力隔板和刀盤泡沫噴嘴，才換刮碴板，連接現(xiàn)應(yīng)的管路，理論上兩種模式工序時(shí)間需要時(shí)間大約20～25 天。若采用中心螺旋輸送機(jī)出碴的模式，理論上兩種模式轉(zhuǎn)換時(shí)間10～15 天。

2.2 應(yīng)用案例

深圳地鐵十四號(hào)線布吉-石芽嶺區(qū)間設(shè)中間風(fēng)井1 座兼始發(fā)、接收井。區(qū)間長3 230m，兩臺(tái)雙模盾構(gòu)從中間風(fēng)井始發(fā)，往布吉車站方向掘進(jìn)，掘進(jìn)長度2 170m，在布吉站接收。出碴方式采用礦車編組運(yùn)輸、門式起重機(jī)起吊。

如圖3 所示，布-石區(qū)間洞身主要位于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化角巖層，微風(fēng)化角巖天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值為165MPa，平均值為103MPa。中風(fēng)化角巖天然單軸抗壓強(qiáng)度25～60MPa。根據(jù)地勘報(bào)告，區(qū)間存在2 條斷層破碎帶，推測(cè)F2 斷層破碎帶寬度約10m，F(xiàn)2-1、F2-2 破碎帶50～70m。

圖3 布吉區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

在中間風(fēng)井采用TBM 模式始發(fā)，根據(jù)地質(zhì)情況，在洞內(nèi)先后轉(zhuǎn)換為：TBM 模式-土壓模式。兩臺(tái)中心螺機(jī)式雙模盾構(gòu)，開挖直徑為?6 990mm，最大推力5 060t，整機(jī)長105m，主機(jī)總長（含刀盤）9.5m，總重（主機(jī)+后配套）約650t。刀盤額定轉(zhuǎn)速2.26rpm，最大轉(zhuǎn)速5.4rpm，額定扭矩5 920kNm，脫困扭矩7 100kNm，最大設(shè)計(jì)壓力5bar，裝機(jī)功率2 407.8kW。中間風(fēng)井至布吉站掘進(jìn)進(jìn)度情況如表1 所示。

表1 中間風(fēng)井至布吉站的掘進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)分析表

從統(tǒng)計(jì)分析來看，在TBM 模式下平均日進(jìn)度3～4.2 環(huán)，土壓平衡模式下平均日進(jìn)度4.5 環(huán)左右，從進(jìn)度上分析，采用TBM 模式和采用土壓模式區(qū)別不大。

2.3 模式轉(zhuǎn)換

模式轉(zhuǎn)換分為兩種：土壓模式轉(zhuǎn)換為敞開模式和敞開模式轉(zhuǎn)換土壓模式?？紤]兩種轉(zhuǎn)換是相互可逆的過程且敞開模式轉(zhuǎn)換土壓模式流程較復(fù)雜，本文分析敞開模式轉(zhuǎn)換為土壓模式這種工況，其轉(zhuǎn)換流程主要內(nèi)容如圖4 所示。

圖4 TBM模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式流程示意圖

當(dāng)盾構(gòu)從敞開模式轉(zhuǎn)換到土壓模式時(shí)，盾構(gòu)距離硬巖段長度為10～15m（安全距離)時(shí)停機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。反之當(dāng)盾構(gòu)從土壓模式轉(zhuǎn)換到敞開模式時(shí)，盾構(gòu)距離硬巖段長度為20～25m（安全距離)時(shí)停機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

在土倉內(nèi)將溜渣結(jié)構(gòu)與刀盤主結(jié)構(gòu)分離，溜渣結(jié)構(gòu)分解至可移出土倉的狀態(tài)即可（通常情況下，將溜渣結(jié)構(gòu)與刀盤主結(jié)構(gòu)焊縫刨除即可），同時(shí)拆除連接在主驅(qū)動(dòng)上的溜渣槽及螺機(jī)接料斗，安裝盾體被動(dòng)攪拌棒，將前盾溜渣板割除，將螺旋機(jī)由中部轉(zhuǎn)換至底部，安裝土壓模式所需的相關(guān)零部件，并系統(tǒng)調(diào)試。

3 雙模盾構(gòu)使用中遇到的問題

3.1 刀盤設(shè)計(jì)方面

雙模盾構(gòu)的刀盤設(shè)計(jì)方面主要以土壓平衡盾構(gòu)刀盤、刀具的布置方式為主，如變換為TBM 模式，則在土壓平衡刀盤的基礎(chǔ)上進(jìn)行少量改造（圖5）。

圖5 刀盤（TBM模式）正面和背部示意圖

這種方式的刀盤存在的問題是：到間距和刀盤開口固定，尤其是在TBM 模式下，巖石抗壓強(qiáng)度超過100MPa 的情況下，會(huì)導(dǎo)致貫入度較低，同時(shí)由于刀盤轉(zhuǎn)速的增加，引起正面切刀磕碰巖脊掉落，邊緣滾刀磨損加快，檢查和換刀頻率增加，影響掘進(jìn)進(jìn)度。

3.2 刀盤轉(zhuǎn)速方面

目前設(shè)計(jì)的雙模盾構(gòu)轉(zhuǎn)速范圍均比較寬，如中鐵738、739 號(hào)盾構(gòu)，刀盤最高轉(zhuǎn)速可達(dá)0～5.4rpm，為防止盾體滾動(dòng)，在前盾上設(shè)置兩個(gè)穩(wěn)定器。在實(shí)際使用過程中，TBM 模式下刀盤轉(zhuǎn)速僅僅控制在2.5～3.0rpm，如果轉(zhuǎn)速在增加，引起刀盤震動(dòng)過大，帶來刀具的異常損壞增加。

3.3 超前注漿管路設(shè)置

由于在前體上部設(shè)置有兩個(gè)穩(wěn)定器，其結(jié)構(gòu)位置限制了同步注漿管路的布置，導(dǎo)致上部只能布置3 根超前注漿管，需要進(jìn)行超前注漿加固時(shí)，不能達(dá)到加固效果。

3.4 施工組織方面

由于在TBM 模式時(shí)，采用和常規(guī)盾構(gòu)施工編組相同的方式，起渣土運(yùn)、吊，注漿材料倒運(yùn)等工序時(shí)間，導(dǎo)致TBM 模式下效率不能充分發(fā)揮，其日進(jìn)度和盾構(gòu)基本相當(dāng)。

4 對(duì)策探討

從設(shè)計(jì)方面考慮，TBM 模式主要針對(duì)硬巖地層，刀盤設(shè)計(jì)要具有良好可掘性，因此必須減小刀間距。在不改變刀盤主體結(jié)構(gòu)情況下，可以采用預(yù)留刀孔的方法，必要時(shí)安裝滾刀，改變刀間距。對(duì)于刀盤開口較大可設(shè)置可變開口結(jié)構(gòu)，需要時(shí)改變刀盤中部開口，取消刀盤正面切刀，真正起到硬巖刀盤的作用。同時(shí)主驅(qū)動(dòng)采用雙速電機(jī)，在土壓平衡模式下采用低速、大扭矩?fù)跷唬赥BM模式下采用高速模式，充分發(fā)揮設(shè)備效率。

在施工組織方面，采用垂直皮帶機(jī)出碴，達(dá)到出碴與進(jìn)度基本匹配，提升作業(yè)效率，這種出碴方式在以色列紅色地鐵項(xiàng)目已得到成功驗(yàn)證。

對(duì)于目前國內(nèi)EPB和TBM雙模盾構(gòu)的使用，引領(lǐng)了技術(shù)上創(chuàng)新，但在實(shí)際應(yīng)用中沒有取得預(yù)期的效果，筆者從技術(shù)和施工組織方面提出設(shè)想，希望對(duì)盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)和施工起到促進(jìn)作用，優(yōu)化設(shè)備選型，服務(wù)于工程。