雙模盾構穿越復雜環(huán)境技術研究

張維

（中鐵交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530023）

1823—1843年，法國人Marc Brunnel率先在倫敦泰晤士河下建成世界上首條盾構法施工的隧道，從此盾構在隧道施工中得到了廣泛應用。近幾十年來，國產盾構從逐步追趕到突破和超越，尤其是具有土壓盾構掘進速度快和泥水盾構控制沉降少優(yōu)點且可隨時切換掘進模式的雙模式盾構問世后，解決了穿越地質情況變化較大、環(huán)境較為惡劣造成的不利影響，克服了單一盾構機掘進的短板和困境以及工期緊、成本大、風險高等施工技術難題。

凌波等[1-2]研制出首臺集成土壓平衡和泥水平衡盾構設計理念與功能的并聯(lián)式雙模式盾構機，該機可根據地層變化，快捷地實現(xiàn)土壓和泥水盾構2種不同掘進模式間的相互切換，解決了單一模式盾構在復雜環(huán)境施工中的短板和問題；凌鐵堅[3]、姚平等[4]以及李源輝[5]分別論述了雙模盾構機切換基本原理、模式選擇，總結了雙模盾構在復雜地層的適應性、安全性及工效，比單一盾構模式有優(yōu)勢，但缺點是需要增加配合土壓或泥水的配套設施；賴理春[6]在雙模式盾構的應用過程中，探究了雙模式盾構掘進模式切換條選取，總結歸納了盾構在不同地層的掘進模式選擇；朱勁鋒等[7]論證了雙模盾構兼有土壓平衡盾構施工效率高和泥水平衡盾構控制沉降少，施工中能夠最大程度減少對隧道沿線地面建（構）筑物的不利影響，總結了盾構穿越地質條件過程，科學分析了適宜泥水還是土壓模式的施工區(qū)段、切換位置選擇、環(huán)境適應性，且模式切換安全、快捷；王余良[8]、周玉標[9]、鄧旭山[10]等總結了下穿巖溶及老舊建筑群的優(yōu)勢，精細化的施工參數(shù)、優(yōu)良的施工工藝控制及應急措施。

本文就某市軌道交通X號線五新區(qū)間為工程背景，右線投入1臺直排式氣墊雙模盾構，左線投入1臺直排式泥水盾構，用于區(qū)間隧道施工，以此為例探討雙模盾構較單一泥水盾構在穿越復雜環(huán)境的施工技術。

1 工程概況

1.1 工程水文地質

軌道交通X號線五新區(qū)間從五一立交站始發(fā)，下穿市政道路、居民樓、市場、小學、小區(qū)后抵達邕江南岸，下穿邕江、側穿大橋后，到達中間風井，穿過中間風井后，沿市政道路，北向行駛到達新秀公園站接收，最小轉彎半徑R為500 m，最大縱坡為29‰，左線長2 091.891 m，右線長2 098.086 m，區(qū)間平面位置如圖1所示。

圖1 區(qū)間平面位置示意圖

盾構穿越的地質情況：素填土層①2、粉質黏土②2-2、粉土③2、粉細砂④1-2、圓礫⑤1-1、礫石黏性土⑤3。過江段為全斷面粉砂質泥巖⑦1-3及泥質粉砂巖⑦2-3地層。其中全斷面粉砂質泥巖⑦1-3為局部粉砂質結構，成巖程度較深，呈半巖半土狀，遇水易軟化，天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為1.03～7.39 MPa，自由膨脹率26.4%～43.4%，屬A2類膨脹土；泥質粉砂巖⑦2-3成巖程度較深，局部含泥質，天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為0.92～3.56 MPa。過江段隧道埋深為9.2～33 m，隧頂最高水位25.8 m。區(qū)間縱斷面如圖2所示，區(qū)間穿越地層情況如表1所示。

圖2 區(qū)間縱斷面圖

表1 區(qū)間隧道地質匯總表

影響隧道的地下水主要有上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和基巖裂隙水。初見水位主要是第四系的松散巖類孔隙水，水位在0.00～10.50 m，穩(wěn)定水位為1.00～18.50 m，水位受地形和降水影響很大；地下水水位年變化幅度為2～5 m。

邕江水文：河床寬約485 m，深約21 m，平均水面寬307 m，枯水期水深8～9 m；100年一遇洪水位80.50 m；江底覆土厚度約11 m，水深約12 m；下伏半成巖的粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，隧道結構從半成巖層中穿過，該地層透水性弱，江水與隧道所穿過圓礫地層存在水力聯(lián)系。

1.2 區(qū)間盾構設計選型

1.2.1 區(qū)間隧道重難點分析

根據初步設計文件、地勘報告及隧道沿線現(xiàn)場環(huán)境考察，盾構施工區(qū)間環(huán)境和地質結構復雜，沉降控制要求高、風險大。其重難點如下。

影響隧道施工的建筑合計64棟，其中基礎為條形、片石、松木樁、獨立及樁基礎的磚混結構建筑51棟，樁筏、獨立、樁基礎的土框架結構建筑12棟，條形基礎的鋼架結構建筑1棟；距離隧道最小距離1.9 m；下穿磚混淺基礎（基礎埋深1～2 m）的20世紀80、90年代老舊建筑22棟，正穿條形、片石淺基礎危房（鑒定為Csu級）居民樓8棟，側穿建筑物42棟。穿越建筑群和隧道平面位置示如圖3所示。

圖3 穿越建筑群和隧道平面位置示意圖

0—460 環(huán)，盾構正（側）穿基礎差、年限久遠且密集、風險極高的老舊建筑群，其地質結構為粉土③2、粉細砂④1-2、圓礫⑤1-1等強透水性不良地層。地面環(huán)境惡劣，地質結構復雜多變，自穩(wěn)能力極差，地面極易沉降或塌陷，建筑物及地下管線變形、開裂等，沉降控制要求極高。

460—860環(huán)，盾構下穿邕江段為全斷面古近系粉砂質泥巖，掌子面具有一定強度、易脆、遇水軟化后膨脹，黏性增大，渣土在土倉和管路內極易粘合成黏土塊，導致堵倉、管路堵塞、結泥餅，使倉壓出現(xiàn)較大波動，造成泥漿泵受損、軟管爆裂等問題出現(xiàn)，嚴重影響掘進效率。另外，因土倉內渣土滯排、渣土堆積而糊刀盤、刀箱、牛腿和土倉結泥餅，加快刀具異常磨損，增加開倉換刀次數(shù)和風險。

1.2.2 盾構針對性設計

如圖4所示的雙模盾構機在施工過程中既可以實現(xiàn)泥水模式掘進又可以實現(xiàn)土壓模式掘進施工，其主要技術特點和針對性設計具體如下。

圖4 土壓/泥水雙模式盾構機主機圖

主驅動：電、液壓驅動（總功率770 kW），具有傳動安全、可降低噪聲和設備運轉溫度、省電等優(yōu)點，進而提高驅動的系統(tǒng)可靠性和掘進功效，同時降低了能耗和維護成本；采用外齒驅動，傳動穩(wěn)定。

刀盤：開口率45%，能有效地降低刀盤結泥餅的可能性；主動攪拌棒位置靠外，土倉隔板中間環(huán)帶處與刀盤間有相對位移，牛腿靠內側，有具備沖洗功能的被動攪拌棒等設計，增加倉內渣土的和易性，有效規(guī)避結泥餅、堵倉、堵管的風險。

鉸接系統(tǒng)：采用被動鉸接設計，使每組鉸接千斤頂?shù)囊簤夯芈坊ハ噙B通，當外力較大時，鉸接千斤頂行程逐漸伸長，當外力較小時，鉸接千斤頂行程逐漸縮短，避免了應力集中，使管片質量得到了有效保護，能滿足各種形式的掘進軸線要求；機動性較高，適合變坡較大和小曲線半徑隧道的施工工況，進而提高了管片成環(huán)質量及隧道的整體質量。

液壓系統(tǒng)：模塊式+集成式，是集液壓技術、電子技術于一身，容易進行相關參數(shù)的控制，同時又提高了能量傳遞效率。

環(huán)流系統(tǒng)：正送、旁通模式、反沖洗循環(huán)3種模式設計，用P0泵內循環(huán)，規(guī)避了刀盤結泥餅情況。

泥水平衡控制：泥漿流量直接控制加氣墊倉輔助控制設計，氣墊倉起到了緩沖直接控制式泥水系統(tǒng)倉壓壓力，減少了盾構對土體的擾動，達到沉降控制目的。

氣墊倉設計：增設了氣墊倉，土倉和氣墊倉相互連通，氣墊倉緩沖了來自土倉內壓力，氣墊倉的保壓系統(tǒng)調節(jié)氣墊倉內液位，從而達到壓力平衡；土倉和氣墊倉既能聯(lián)通循環(huán)，又能斷開單獨循環(huán)，當氣墊倉單獨循環(huán)時，是沖洗氣墊倉，此循環(huán)過程不進土倉，優(yōu)化了直排式壓力波動變化大的難題，緩解土倉壓力變化對土體造成擾動導致地表沉降難題。氣墊倉設計如圖5所示。

圖5 氣墊倉設計示意圖

排漿口設計：設2個排漿口，位列于螺機的兩側，2個排漿口一用一備，刀盤順時針轉動時，外力作用下，土倉左側渣土集結，左側排渣，刀盤逆時針轉動時，右側排渣；在推進過程，應頻繁改變刀盤轉向，避免長時間不用，渣土淤積，堵塞排漿管口；排漿口切換前應用環(huán)流系統(tǒng)進行逆沖洗，規(guī)避排渣口堵塞風險。

2 盾構掘進模式切換

2.1 區(qū)段模式劃分及切換位置選擇

0—460 環(huán)，地面環(huán)境惡劣，地質條件差，適宜泥水模式；為更好地摸清雙模盾構機適應性、安全性及模式切換操作規(guī)律和流程，以461—480環(huán)作為試驗段，分別用土壓、泥水模式各掘進10環(huán)；481—860環(huán)下穿江面段為全斷面泥質粉泥巖，適宜土壓模式；861—1 300環(huán)、1 331—1 399環(huán)主要為圓礫地層和盾構接收，土壓模式易使螺機閘門發(fā)生噴涌，適宜泥水模式；1 301—1 330環(huán)為復合地層，建筑物離隧道較遠，環(huán)境要求不高，用土壓模式（試驗段）印證掘進。具體掘進模式轉換位置如表2所示。

表2 掘進模式及轉換位置表

2.2 掘進模式切換原理

雙模盾構泥水、土壓模式切換的原理是通過改變土倉內渣土的性質、渣土改良和改變出渣方式，解決模式切換的問題。切換的關鍵是控制土倉壓力，維持掌子面的穩(wěn)定，通過土倉的壓力進行判斷，調整漿渣置換或渣漿置換后，進行模式切換。本案施工期間，模式切換14次，試驗切換12次。泥水、土壓相互切換均能在當環(huán)全面完成，切換的效果安全、快捷、高效。

掘進模式切換流程如圖6所示。

圖6 掘進模式切換流程圖

3 雙模盾構施工關鍵技術

3.1 泥水轉土壓模式

3.1.1 施工準備

膨潤土、泡沫劑材料等滿足土壓模式掘進需要；土壓模式配套設備調試運轉正常備用；在到達模式切換里程前，應加大同步注漿、盾尾油脂的注入量，注漿壓力滿足設計要求；對盾尾后5環(huán)管片，補注雙液漿，確保壁后充填密實，形成封水環(huán)，防止噴涌。

3.1.2 泥水切換土壓模式

到達切換土壓模式里程時，停止掘進，用低比重泥漿沖洗土倉并排渣，尤其是旁通閥之前、F38、F39—F32，確保干凈、無渣土沉積；開啟氣墊倉循環(huán)系統(tǒng)，沖洗氣墊倉；當土倉和氣墊倉沖洗完成后，由泥水模式轉換至旁通模式，再沖洗出漿管管路渣土，當泥水分離設備的二級旋流器篩板無渣土流出，則證明泥漿管路渣土已沖洗干凈，為下次泥水模式掘進施工做準備。旁通模式環(huán)流示意圖如圖7所示。

圖7 環(huán)流系統(tǒng)旁通循環(huán)示意圖

從螺旋機預留接口向螺旋機內注入一定稠度的惰性砂漿，充填螺旋機空隙，緩沖螺旋機噴涌壓力。

管路清洗干凈后，切斷環(huán)流系統(tǒng)，關閉氣墊倉連通管V67/V68聯(lián)通閥和中部壓力傳遞管上的氣動閥F23/F24，將土倉與氣墊倉隔離，關閉保壓系統(tǒng)，觀察1 h土倉和氣墊倉壓力波動情況。

當1 h內土倉和氣墊倉壓力穩(wěn)定在P±0.2 bar時，打開泥水循環(huán)旁通模式，觀察螺旋機后閘門密封性能，并確認，打開螺旋機前閘門，在旁通模式下，刀盤以0.9～1.0 r/min轉速，推力控制在1 000～1 600 t，扭矩控制1 5 0 0～3 5 0 0 k N·m，速度控制在1 2～17 mm/min慢速掘進，伸出螺旋機軸，土倉開始堆渣，向刀盤前方間隙性注入泡沫，打開土倉進漿閥（F11），保持倉壓穩(wěn)定，通過旁通模式，逐步排出土倉中原有泥漿，當空倉推進油缸行程約800 mm，掘進與排漿速度相匹配時堆渣完成。環(huán)流模式如圖8所示。

圖8 環(huán)流模式示意圖

當土倉中渣土量堆積越到達進漿口時，開啟上部液位檢測管，如無漿液流出，停止掘進，關閉球閥（F11），停止運行泥水循環(huán)系統(tǒng)。從隔板上的土倉聯(lián)通管、進（排）漿口預留的疏通支口注入盾尾油脂，填充上述管路，降低土壓模式下管路堵塞的風險。

以小于10 mm/min速度、0.7 r/min轉速慢速掘進，開啟螺旋機后上閘門約100 mm，點動開啟下閘門，觀察運行螺旋機噴漿情況，根據噴漿情況調整下閘門打開幅度，當噴出的泥漿明顯減少，呈現(xiàn)為間歇性塑狀渣土排出，開啟泡沫系統(tǒng)、膨潤土系統(tǒng)，進行渣土改良，逐漸降低土倉渣位至合適位置，刀盤扭矩符合土壓掘進要求，出渣狀態(tài)平穩(wěn)，逐漸提高推進速度，模式切換完成。

3.2 土壓轉泥水模式

3.2.1 施工準備

制漿備漿，泥漿池內應有足夠盾構掘進且滿足指標要求的漿液；排查泥漿循環(huán)系統(tǒng)配套設備運行良好，泥漿管路連接完好、通暢。

3.2.2 土壓切換泥水模式

當掘進到達轉換里程時，停止掘進，原地緩慢轉動刀盤，從頂部進漿管向土倉注入膨潤土增強氣密性，穩(wěn)定倉壓，同時使之與渣土充分混合，增加渣土的和易性，刀盤轉動可使泥漿在掌子面建立一層泥膜護壁，穩(wěn)定掌子面。

轉動刀盤，正反循環(huán)疏通進出排漿管、土倉及氣墊倉連通管，以2～3 r/min的轉速轉動螺旋機，通過上下閘門（閘門打開140 mm左右）交替緩慢出渣，降低土倉渣位，同時向螺旋機前部注入惰性漿液，彌補排渣帶來的土倉壓力降低，土倉壓力保持在P±0.2 bar范圍，降渣過程中，從進漿管灌入泥漿。當?shù)侗P扭矩在200～300 kN·m波動，當螺機下閘口出現(xiàn)噴漿，土倉上部壓力和下部壓力基本一致時，停止螺旋機降渣位。具體渣土及泥漿流程如圖9所示。

圖9 渣漿置換示意圖

降渣完成后，關閉螺旋機后閘門；收回螺旋機并確認，關閉螺機前閘門；確認后，開始運行泥水模式。

轉動刀盤，運行旁通模式循環(huán)，打開主進漿球閥，根據土倉壓力變化，判斷進漿口是否堵塞，如無堵塞，繼續(xù)向土倉灌漿，同時打開頂部排氣管迚行排氣，直至頂部排氣管噴漿，關閉排氣球閥。

打開氣墊倉，啟動保壓系統(tǒng)，并打開V67/V68聯(lián)通管，如排漿管路稍有堵塞，采用逆洗模式沖洗管路，逆洗模式示意圖如圖10所示，各管路暢通后切換正送模式進倉循環(huán)后，即可進行泥水模式掘進，慢速掘進，根據排渣情況，逐步提高推進速度至正常掘進狀態(tài)，模式切換完成。

圖10 泥水循環(huán)逆洗模式示意圖

3.3 雙模盾構應用效果分析

雙模式盾構機穿越復雜多變的地質和環(huán)境過程中，通過掘進模式切換，在泥水模式下穿越不良地質、建筑群時，可精準控制沉降；在土壓模式下穿越單一地層時，掘進效率高，且有效避免了泥巖地層結泥餅等風險，在復雜地層和環(huán)境中雙模盾構比單一盾構模式掘進具有明顯優(yōu)勢，具體如下。

適應性：盾構針對改區(qū)間地層設計了同步注漿系統(tǒng)的容量、可靠度、泥水倉內泥漿循環(huán)流量和泥漿沖刷系統(tǒng)，泥水、土壓2種模式能安全、快速轉換，對復雜地層有良好的適應性。

先進性：盾構機械化及自動化程度高，泥漿循環(huán)系統(tǒng)自帶沖刷功能，配有自動導向系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，可全方位監(jiān)控掘進過程；自動化環(huán)流操作監(jiān)控系統(tǒng)，控制精度高，監(jiān)控反饋及時。

經濟性：根據區(qū)間2種盾構掘進參數(shù)及能耗數(shù)據統(tǒng)計顯示，氣墊直排式雙模盾構機掘進時間、速度、油脂和水電消耗，均優(yōu)于單一模式盾構機；在人員配置方面，較泥水盾構，雙模盾構需增加2名門吊司機出渣；在設備配置方面，雙模盾構機需要在泥水盾構的基礎上增加出渣礦車、45 t門吊和渣土坑，出運、儲存土壓渣土所帶來的一定投入，增加282.2萬元。具體費用對比如表3所示。

表3 盾構機費用對比表

施工進度：雙模盾構施工110 d，掘進687 m，平均進度6.25 m/d；單日最高掘進24 m，月掘進322.5 m為全線最高施工記錄。區(qū)間隧道貫通耗時281 d，累計掘進2 100 m，綜合平均進度7.47 m/d。通過統(tǒng)計對比，雙模盾構比直排式泥水盾構平均進度效率提高約65%，有效掘進效率提高約22%，雙模式盾構掘進效率高，工期優(yōu)勢明顯。雙模和泥水盾構掘進參數(shù)對比如表4所示。

表4 雙模和泥水盾構掘進參數(shù)均值對比

材料消耗：雙模盾構在油脂、水、電消耗比泥水盾構明顯降低，節(jié)能效果良好。物資、能源消耗對比如表5所示。

表5 物資能源消耗統(tǒng)計表

可靠性：本盾構機的刀盤主軸承是一個兩重式軸向徑向滾柱的組合，刀具采用鑲嵌保合金刀片，增加了刀具的耐磨性；盾構機的潤滑、密封設計安裝了監(jiān)控裝置，對潤滑和密封情況實時監(jiān)控；盾構前盾承壓壁將土倉與盾構機內部隔離，配備2道可調緊急氣囊、1道應急密封倉室、4道尾刷和1道2漿板，提高了整機工作可靠性。

安全性：在盾構整體理念設計時，采用防火、防爆、主動防護罩、有害氣體監(jiān)測、物料運輸車（管片運送）、載人車（工作場地）分離等主動安全措施，充分考慮施工作業(yè)環(huán)境和人員安全。

沉降控制：盾構機設計考慮了穩(wěn)定的切口水壓、恰當?shù)牡侗P開口率以及2套注漿系統(tǒng)來確保較小的工后沉降，必要時采用雙液同步注漿系統(tǒng)來獲得更小的后期沉降；考慮先進的PLC控制系統(tǒng)設計，利用泥水倉壓和環(huán)流泵PID直接控制切口環(huán)水壓；增加了氣墊倉設計，緩沖了泥水倉傳來的壓力對地層的擾動，最大程度降低了前盾、后盾造成地面沉降的可能性。下穿建筑物后地表和建筑物累計沉降﹣11 mm，平均沉降﹣5 mm，符合工后設計預期，實現(xiàn)了對地面沉降的精準控制。

4 結論

綜上所述，通過對本區(qū)間右線雙模盾構穿越不良地層，下穿危舊建筑物群、江河及模式切換位置等施工、掘進模式切換技術應用進行探索和總結，改變泥水或土壓掘進出渣方式，進行模式相互切換，可很好地適應不同環(huán)境、不同地層施工需求，滿足施工任務要求，掘進效率、經濟效益較盾構單一模式具有明顯優(yōu)勢，為后繼復雜多變地層、周邊惡劣的施工環(huán)境盾構選型，區(qū)段劃分，模式切換和位置積累了寶貴經驗。