雙模盾構復合地層應用技術研究

葉永茂

摘要：雙模盾構機是將土壓和泥水雙掘進模式整合為一體的新型盾構設備。以某市地鐵X號線WX區(qū)間為工程背景，雙模盾構相較于單一模式泥水盾構在復合地層適應性進行研究。

關鍵詞：雙模盾構;復合地層

1、 引言

隨著城市軌道交通建設發(fā)展，國內已有45座城市在建地鐵，已開通地鐵城市37座。盾構機在地鐵建設已經(jīng)得到廣泛使用，而雙模盾構更好地滿足不同地層又好又快掘進效率。截至目前國內現(xiàn)有小直徑雙模盾構（開挖直徑小于9m）4臺，首次使用于廣州市軌道交通9號線2標花都汽車城站-廣州北站盾構區(qū)間。因采用小直徑土壓/泥水雙模盾構施工項目較少，現(xiàn)階段國內雙模盾構施工技術應用尚不夠廣泛。

為了讓隧道施工更快、更好、更安全，某市軌道交通X號線XX區(qū)間擬投入1臺雙模和1臺泥水盾構機用于區(qū)間隧道施工。

2、 項目重難點分析

根據(jù)詳勘及補勘的地質報告及XX市軌道交通X號線一期工程X標WX區(qū)間隧道的設計文件揭示，區(qū)間隧道主要穿越的地層為圓礫、粉砂質泥巖復合地層及全斷面的粉砂質泥巖地層，泥水盾構掘進施工中可能存在的風險源如下：

2.1 圓礫、泥巖復合地層中刀盤刀具易磨損。

2.2 全斷面粉砂質泥巖地層掘進施工中極易“結泥餅”、堵倉，掘進效率低。

2.3盾構區(qū)間始發(fā)段下穿建筑物風險高。

2.4盾構下穿過江施工安全風險大。

3、區(qū)間模式區(qū)段劃分及及轉換點選擇

根據(jù)某市地鐵施工以來，各地層地質特點，掘進適應性和盾構機適應性，某市X號線XX區(qū)間，始發(fā)至460環(huán)，因隧道埋深淺、地表為復雜建筑物群、穿越地層為軟土地層，對沉降控制要求高，泥水模式最宜;460～860環(huán)過江期間施工地質為全斷面泥巖，泥水掘進易造成渣土土倉滯排，掘進功效低，此地層穩(wěn)定型好，為不透水層土壓模式掘進效率高;861 環(huán)至1380環(huán)，主要為富水圓礫地層，土壓模式易螺機閘門噴涌，泥水模式安全和效率高。

4、 設備選型及針對性設計

4.1 總述

為泥水/土壓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。本雙模盾構機主要技術特點有以下9點：

（1）主驅動：電驅，總功率770kw，主驅動傳動效率高，系統(tǒng)具備運行可靠、免維護、噪音低、發(fā)熱小、省電等優(yōu)勢;采用外齒驅動，傳動平穩(wěn)。

（2）主密封：主密封形式為多唇型，內外共8道，硬質聚氨酯材料耐壓能力高達10bar。

（3）刀盤：中心開口率較大，開口率45%，有效降低刀盤中心結泥餅的風險;主動攪拌棒設計位置靠外，以及土艙隔板中心環(huán)帶處同刀盤之間有相對移動，有效增加土艙土壤流動性，牛腿內側設計有具備沖刷功能的被動攪拌棒。

（4）鉸接系統(tǒng)：被動鉸接形式。

（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)：，設置正送模式，旁通模式，反沖洗模式，設有P0泵內循環(huán)系統(tǒng)。

（8）皮帶系統(tǒng)：帶寬800，輸送能力555m3/h。

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

4.2雙模盾構機針對性設計

本雙模盾構機采用直排式泥水盾構機技術外，增加氣墊倉，優(yōu)化直排式壓力波動大問題。氣墊倉設計有效緩沖土倉內壓力波動，有利于控制地表沉降。

土倉和氣墊倉采用兩個連通管，保證土倉內壓力傳入氣墊倉，通過氣墊倉保壓系統(tǒng)控制壓力平衡。土倉和氣墊倉能聯(lián)通循環(huán)，又能單獨循環(huán)，氣墊倉單獨循環(huán)為洗氣墊倉過程，此過程循環(huán)不進土倉。

4.3 排漿口使用措施

排漿口設計兩個，分別布置在螺機的左右兩側，兩個排漿口是一用一備關系，當?shù)侗P順時針掘進時，使用左側排漿口;當?shù)侗P逆時針掘進時，使用右側排漿口。要求掘進過程中頻繁更換刀盤轉向和出渣口，防止長時間不用造成渣土堵塞排漿管口。

5、 雙模盾構技術管理

5.1 掘進模式轉換原理

掘進模式轉換原理在于通過掘進過程中改變盾構土倉內渣土性狀實現(xiàn)渣土改良和出渣方式的改變。雙模式盾構切換流程詳見圖2所示。

5.2泥水模式轉換為土壓模式

施工準備：

膨潤土罐內加入制好指標膨潤土備用，泡沫罐內調整好泡沫，皮帶機調試運轉正常，渣車編組準備到位，泡沫和膨潤土管路要提前疏通完成。

施工方案：

（1） 當掘進里程達到泥水轉換土壓模式位置時停止掘進，用低比重泥漿清洗土倉內部渣土，保證排漿管內（特別是旁通閥之前、F38、F39～F32之間）將來無渣土沉淀。土倉渣土清理完成后，通過氣墊倉倉內循環(huán)，清洗氣墊倉。土倉和氣墊倉清洗完畢后，泥水模式切換至旁通模式，清洗泥漿管管路渣土，待泥水分離設備二級旋流器篩板無渣土排出。旁通模式環(huán)流見圖3。

（2） 螺旋機預留了膨潤土、聚合物等注入接口，泥水轉土壓模式時可向螺旋機內注入惰性砂漿，以緩解螺旋機的噴渣壓力。

（3） 管路清洗完畢后，關閉環(huán)流系統(tǒng)，關閉氣墊倉內聯(lián)通管液壓閘閥，保證氣墊倉和土倉完全隔離，關閉保壓系統(tǒng)，觀察土倉和氣墊倉壓力變化1小時。土倉壓力保持P±0.2bar，當1小時內壓力變化不大于0.2bar。

（4） 開啟泥水循環(huán)旁通模式，檢查螺旋輸送機后閘門密封情況，確定密封良好后，打開土倉內螺機前閘門。在旁通模式下，盾構機按照0.9～1.0rpm/min 的轉速緩慢推進（推進速度不超過 15mm/min），伸出螺機軸，開始進行土倉堆渣。為避免土倉壓力的升高，需排出土倉中原有的泥漿，因此打開土倉進漿球閥 F11，將進漿管當做排漿管進行土倉排漿，利用旁通模式將泥漿帶出，使掘進速度與排漿速度相匹配，穩(wěn)定土倉壓力。

（5）預估渣土量已經(jīng)到達進漿口時， 打開上部液位探測管， 如果沒有漿液流出，停止推進，關閉球閥 F11，停止運行泥水循環(huán)系統(tǒng)。

（6）打開螺旋輸送機后閘門，運行螺旋輸送機、皮帶機，開始運行土壓模式緩慢出渣推進，待運轉穩(wěn)定后，即可進行正常推進。

5.3 土壓模式轉換為泥水模式

施工準備：泥漿池內部保證有滿足掘進指標足夠的漿液，并能投入使用。盾構掘進施工配套設施均達到良好條件。隧道內泥漿管路連接良好，并暢通。

施工方案：

（1） 當掘進里程達到土壓轉換泥水模式位置時，停止掘進，準備模式切換。

（2） 通過正反循環(huán)疏通進土倉內進出漿管、土倉和氣墊倉聯(lián)通管，檢查氣墊倉液位傳感器，并向氣墊倉內加水檢查液位傳感器準確度。啟動螺旋輸送機，打開螺旋輸送機下閘門，慢慢出土，為防止噴涌可通過螺旋預留口向螺機內注入惰性砂漿，此時要特別注意觀察土倉壓力變化，土倉壓力保持P±0.2bar。土倉渣土下降的過程中，可通過打開進漿管F11向土倉加入泥漿，可保證倉壓穩(wěn)定。在土倉內剩余渣土量約為預估量的 1/3 時（根據(jù)刀盤扭矩及出渣量判斷），螺旋輸送機停止轉動，關閉螺旋輸送機后閘門，收回螺機，并檢查后閘門密封情況，具體渣土及泥漿流程詳見圖4。

（3）轉動刀盤使倉內底部渣土與泥漿充分混合，關閉螺機前閘門（此時底部使泥漿容易關閉閘門），利用逆洗模式，完成渣漿置換，逆洗模式詳見圖5。觀察氣墊倉液位變化，確保氣壓聯(lián)通管路通暢。

（4） 根據(jù)土倉壓力設置氣墊倉內SAMSON系統(tǒng)氣壓。泥水循環(huán)切換至正常掘進模式掘進。

5.4泥漿管理

針對某市軌道交通X號線WX盾構區(qū)間的地質情況，本區(qū)間左右線采取一臺泥水盾構與一臺雙模盾構施工。盾構粉細砂地層老舊建筑物下穿及富水圓礫地層掘進過程中對泥漿性能要求較高。通過轉化雙模盾構機掘進模式調整泥漿。

（1）左線泥水盾構進入全斷面泥巖造漿量大，泥漿粘度較高。高性能泥漿為右線雙模盾構粉細砂、圓礫地層穿越老舊建筑物沉降控制提供保證;

（2）左線泥水盾構進入全斷面富水圓礫地層泥漿性能要求高，右線雙模盾構進入全斷面泥巖段，依據(jù)泥漿情況調整為泥水模式掘進保證泥漿質量。

6、盾構適應性分析

6.1 雙模盾構機特點

（1）適應性：盾構采用的泥水、土壓兩種模式可以快速轉換，對地層的整體適應性較好。

（2）先進性：配有自動導向系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，環(huán)流操作系統(tǒng)采用自動化控制。

（3）經(jīng)濟性：通過對盾構機刀具最優(yōu)配置，取得了較好的經(jīng)濟性。

（4）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體，刀具采用鑲嵌春保合金刀片，提高了整機工作的可靠性。

（5）安全性：盾構機的設計中采用了防爆電機，重型防護外殼，并配有有害氣體監(jiān)控系統(tǒng);盾構掘進與控制系統(tǒng)連鎖;對液壓油、電纜、電氣設備帶進行防火和防毒設計，以滿足地下施工的需要。

6.2 雙模盾構與泥水盾構掘進效率對比

結合某市地鐵2號線CN區(qū)間、3號線QS區(qū)間過江段施工情況，對比情況分析如下：

通過對比，直排式泥水盾構比傳統(tǒng)的氣墊式盾構平均進度效率提高約12.3%，有效掘進進度效率提高約80%;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%。

7、結論

雙模盾構始發(fā)掘進以來，創(chuàng)造了單線日掘進24米，月掘進322.5米的全線最高施工紀錄。雙模盾構機針對本區(qū)間穿越建筑物及過江適應性良好，能夠滿足施工任務需求，掘進效率較泥水盾構提高。通過對該地區(qū)地層及各種盾構機使用情況進行摸索總結，為某市地鐵后續(xù)施工積累了寶貴的經(jīng)驗。

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