TBM-EPB雙模盾構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)研究及實(shí)例分析

肖友柯，雷軍，彭斌，羅偉庭，岳強(qiáng)，張樹光

（1.中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410007；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266000）

XIAO You-ke,LEI Jun,PENG Bin,LUO Wei-ting,YUE Qiang,ZHANG Shu-guang

深圳目前城市軌道交通工程在建及開通20 余條，深惠、穗莞深等城際鐵路也是如雨后春筍般出現(xiàn)。隨著隧道越來越長，隧道地層越來越復(fù)雜，單一模式盾構(gòu)將不再滿足掘進(jìn)要求，故雙模式盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。雙模式盾構(gòu)誕生時(shí)間并不長，而盾構(gòu)的選型對(duì)于工程來說十分關(guān)鍵，關(guān)系到工程能否優(yōu)質(zhì)履約，所以雙模式盾構(gòu)的選型研究尤為重要，而想要選出合適的雙模式盾構(gòu)，就必須要對(duì)雙模式盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有足夠的了解。

1 TBM-EPB雙模盾構(gòu)技術(shù)原理

目前國內(nèi)盾構(gòu)施工中使用的盾構(gòu)通常為單一模式，硬巖掘進(jìn)盾構(gòu)常用盾構(gòu)類型為土壓平衡盾構(gòu)（EPB）和TBM，且各自都有較大的局限性。土壓盾構(gòu)在軟土地層中掘進(jìn)效率、適應(yīng)性方面更具有優(yōu)勢(shì)，因TBM盾構(gòu)和土壓平衡盾構(gòu)各有其限制性。而盾構(gòu)設(shè)備的模式種類與地質(zhì)一一對(duì)應(yīng)，為了解決不同地質(zhì)交替出現(xiàn)的情況，雙模式盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

所謂“TBM-EPB 雙模盾構(gòu)”即為同時(shí)具備TBM 及土壓平衡兩種掘進(jìn)模式的盾構(gòu)，渣土排出配備了螺旋輸送機(jī)和皮帶。技術(shù)設(shè)計(jì)上，是集成了土壓平衡盾構(gòu)和TBM 盾構(gòu)的設(shè)計(jì)理念與功能，將土壓和TBM 兩套系統(tǒng)和設(shè)備安裝在一臺(tái)盾構(gòu)上，可根據(jù)不同地質(zhì)、地層的變化，利用可拆卸的刮料裝置和互換型承壓隔板，實(shí)現(xiàn)土壓平衡模式開挖和硬巖敞開模式開挖兩種不同掘進(jìn)模式之間的快捷切換，所有需要轉(zhuǎn)換部件設(shè)計(jì)均需滿足在洞內(nèi)模式轉(zhuǎn)換過程中拆除、運(yùn)輸、更換功能需求。在轉(zhuǎn)換模式時(shí)，只要通過控制系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)土壓平衡盾構(gòu)和TBM 之間的轉(zhuǎn)換。土壓平衡模式如圖1 所示，TBM 模式如圖2 所示。

圖1 土壓平衡模式示意圖

圖2 TBM模式示意圖

2 理論分析

1）優(yōu)點(diǎn)分析 雙模盾構(gòu)設(shè)計(jì)的初衷就是為了適應(yīng)復(fù)合地層的掘進(jìn)，以確保在不同地層運(yùn)用合適的盾構(gòu)模式進(jìn)行掘進(jìn)，確保施工的安全風(fēng)險(xiǎn)可控，所以雙模盾構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是安全性較高。

2）缺點(diǎn)分析 雙模盾構(gòu)是土壓和TBM 的綜合體，一方面可以說雙模盾構(gòu)具備兩種模式的能力，但是反過來說，雙模盾構(gòu)在任一一種模式掘進(jìn)時(shí)都不如單一模式的盾構(gòu)，特別還涉及模式轉(zhuǎn)換，所以雙模盾構(gòu)在掘進(jìn)工效這方面相對(duì)單一模式的盾構(gòu)來說相對(duì)較低。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

深圳地鐵13 號(hào)線留仙洞站～白芒站盾構(gòu)區(qū)間左線全長4 606.2m，右線全長為4 610.9m，設(shè)8座聯(lián)絡(luò)通道及1 座中間風(fēng)井，為13 號(hào)線最長的盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間采用中鐵裝備4 臺(tái)TBM-EPB 雙模盾構(gòu)進(jìn)行施工，分別從留仙洞站和白芒站始發(fā)，從中間風(fēng)井吊出。留白盾構(gòu)區(qū)間概況如圖3 所示。

圖3 留白盾構(gòu)區(qū)間概況圖

留仙洞站～白芒站區(qū)間洞身范圍內(nèi)主要表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)化黑云母花崗巖-全風(fēng)化黑云母花崗巖-中等風(fēng)化黑云母花崗巖-微風(fēng)化黑云母花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖-全風(fēng)化混合花崗巖-中等風(fēng)化混合花崗巖-微風(fēng)化混合花崗巖，其中硬巖占比達(dá)到80%，上軟下硬地層占比達(dá)到15%。巖石最高強(qiáng)度177MPa。區(qū)間共穿越5 處斷層破碎帶，靠近西麗水庫，地層裂隙水發(fā)育。留白盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖4 所示。

圖4 留白盾構(gòu)區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

3.2 盾構(gòu)刀盤

盾構(gòu)刀盤采用6 主梁+6 副梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整體開口率為30%。布置滾刀50 把，中心刀間距90mm，正面刀間距75mm，刀高165mm，提高刀盤破巖能力；滾刀采用18 寸刀圈，采用高合金鋼材質(zhì)，增強(qiáng)滾刀耐磨性、抗沖擊性；最外軌跡布置同軌跡滾刀2 把，更有利于保證開挖直徑；布置邊刮刀12 組，刮刀61 把，刮刀寬200mm；布置雙刃滾刀超挖刀1 把，最大超挖量40mm。

3.3 掘進(jìn)過程中遇到的問題

1）地層裂隙水發(fā)育，盾尾清渣時(shí)間長。區(qū)間地層裂隙水十分發(fā)育，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，皮帶極易漏渣，盾尾積水積渣嚴(yán)重（圖5），須清理完成后方能拼裝管片，前期清渣時(shí)間平均每環(huán)6h。

圖5 盾尾積水

采取的措施：①對(duì)連通水系的斷層破碎帶進(jìn)行地面注漿加固；②每間隔五環(huán)制作一次止水環(huán)，相鄰2～3 環(huán)并做1 處止水環(huán)以增強(qiáng)止水效果，止水環(huán)與止水環(huán)之間進(jìn)行二次注漿填充，控制管片背后的裂隙水流動(dòng)；③使用真空泵及22kW大水泵，快速清理皮帶下漏的渣水混合物，減少人工清渣時(shí)間；④推進(jìn)前，使用5.5kW 水泵提前將土倉內(nèi)水抽排至臺(tái)車污水箱，減少啟推時(shí)皮帶漏渣量。

2）大埋深高水壓上軟下硬地層掌子面塌方、螺機(jī)噴涌、刀盤結(jié)泥餅。區(qū)間長距離硬巖居多，雙模盾構(gòu)刀具配置偏TBM，較密集，刀盤中心開口率偏?。凰淼缆裆畲?，地下水位高，上軟下硬地層掘進(jìn)過程中土壓高（3bar），螺機(jī)易噴涌，泡沫劑管路易堵塞，渣土改良效果差；上部土狀的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層自穩(wěn)性極差，邊推邊塌，致使刀盤中心區(qū)域渣土改良?jí)毫M(jìn)一步增大。多方面原因?qū)е麓舐裆罡咚畨荷宪浵掠驳貙泳蜻M(jìn)時(shí)刀盤中心區(qū)域易結(jié)泥餅，且高壓下的泥餅異常堅(jiān)硬，帶壓開倉清理泥餅耗時(shí)長，嚴(yán)重影響工效。另外，因超挖停機(jī)進(jìn)行地面和洞內(nèi)注漿加固，也嚴(yán)重影響工效。刀盤結(jié)泥餅如圖6 所示。

圖6 刀盤結(jié)泥餅

采取的措施：①對(duì)地面具備加固條件的此類地層進(jìn)行注漿加固；②掘進(jìn)過程中加大中心4 路泡沫劑管路流量，發(fā)現(xiàn)堵管時(shí)，立即停機(jī)疏通泡沫管路，確保渣土改良效果；③發(fā)現(xiàn)刀盤結(jié)泥餅和超排后，立即停機(jī)進(jìn)行洞內(nèi)和地面注漿加固，帶壓開倉清理泥餅。

3.4 實(shí)際工效分析

包含模式轉(zhuǎn)換、開倉換刀，盾構(gòu)掘進(jìn)平均工效如表1 所示。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，雙模盾構(gòu)的掘進(jìn)工效相對(duì)較低。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)工效統(tǒng)計(jì)

3.5 安全性分析

工程施工期間未發(fā)生安全事故，且留白區(qū)間盾構(gòu)管片隆起、地表沉降、管線沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，安全風(fēng)險(xiǎn)可控。地表沉降累計(jì)變化曲線詳如圖7 所示。

圖7 地表沉降累計(jì)變化曲線圖

4 結(jié)語

4.1 應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)

1）地層適用性強(qiáng)。長距離復(fù)合地層掘進(jìn)時(shí)，針對(duì)不同地層適時(shí)采用不同模式，匹配對(duì)應(yīng)的出渣方式、掘進(jìn)參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)施工中地層與設(shè)備的最優(yōu)匹配，對(duì)復(fù)合地層有較好的適應(yīng)性。

2）安全風(fēng)險(xiǎn)低。不同地層對(duì)應(yīng)相應(yīng)盾構(gòu)模式，能有效規(guī)避TBM 長距離在軟巖或上軟下硬地層中掘進(jìn)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 應(yīng)用缺點(diǎn)

1）EPB 模式刀盤開口率偏小，TBM 模式刀盤開口率偏大。留白區(qū)間含長距離硬巖，雙模盾構(gòu)刀具布置較密集，刀盤開口率偏向于TBM，尤其中心區(qū)域刀盤開口率偏小。EPB 模式通過軟巖或上軟下硬地層時(shí)，刀盤中心區(qū)域易結(jié)泥餅。TBM 模式掘進(jìn)RQD 值較低地層時(shí)，易產(chǎn)生大石塊，砸壞主機(jī)輸送皮帶。

2）TBM 模式刀盤轉(zhuǎn)速偏小。TBM-EPB 雙模盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)功率介于單一土壓平衡盾構(gòu)與單一TBM 盾構(gòu)之間。因此，雙模盾構(gòu)最大刀盤轉(zhuǎn)速也介于單一土壓平衡盾構(gòu)與單一TBM 盾構(gòu)之間，單一TBM 盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)速一般為8～10r/min，而雙模盾構(gòu)TBM 模式刀盤轉(zhuǎn)速一般為3.5r/min，導(dǎo)致TBM 模式掘進(jìn)效率遠(yuǎn)低于單一TBM 盾構(gòu)。

總之，TBM-EPB 雙模盾構(gòu)既有其優(yōu)點(diǎn)也有其缺點(diǎn)，盾構(gòu)選型時(shí)需綜合多方面的因素來選擇盾構(gòu)的種類，本文論述的TBM-EPB 雙模盾構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，可供各地鐵工程盾構(gòu)選型時(shí)提供參考。O