城市地鐵土壓-單護(hù)盾雙模式TBM設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

雙模式TBM 作為一種新型的隧道掘進(jìn)機(jī)，近年來越來越廣泛的用于城市地鐵施工項(xiàng)目中，這其中不僅取決于城市地鐵單線施工距離的延長(zhǎng)、工程地質(zhì)的復(fù)雜變化，更包含盾構(gòu)施工技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。

雙模式TBM 不同于傳統(tǒng)意義上的土壓或泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，它既能滿足在軟弱地層或圍巖較差地層中的掘進(jìn)，同時(shí)又兼具有硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）的功能，在具體地質(zhì)變化時(shí)能快速地轉(zhuǎn)換掘進(jìn)模式，最大程度地保證施工效益。

目前，國內(nèi)學(xué)者及設(shè)備制造廠商已針對(duì)雙模式TBM 的選型及適應(yīng)性設(shè)計(jì)、施工關(guān)鍵技術(shù)和施工風(fēng)險(xiǎn)等展開了一系列的研究。張寧川等對(duì)全斷面雙模式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，分析了不同型式雙模式TBM 的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了雙模式TBM 的地質(zhì)適用范圍和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)[1]；閔銳指出雙模式TBM 的一系列技術(shù)進(jìn)一步保證了TBM在復(fù)雜地層長(zhǎng)距離掘進(jìn)的可靠性[2]；李洪祺指出在全斷面巖層掘進(jìn)，不同掘進(jìn)模式下的施工參數(shù)選擇對(duì)施工進(jìn)度的影響[3]；葉蕾等從雙模式TBM的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)方面，對(duì)雙模式TBM 的模式轉(zhuǎn)換過程進(jìn)行了闡述，指出雙模式TBM 在地質(zhì)變化時(shí)能否及時(shí)、順利地進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換是雙模式TBM 技術(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[4]。齊夢(mèng)學(xué)從單護(hù)盾的掘進(jìn)機(jī)理方面進(jìn)行研究，分析了基于單護(hù)盾模式的復(fù)合式TBM 在重慶銅鑼山隧道的應(yīng)用情況[5]。管會(huì)生等以雙模式TBM 在新街臺(tái)格廟礦區(qū)斜井隧道的應(yīng)用為依托，分析了雙模式TBM 在不同掘進(jìn)模式下最大切深、土艙壓力、盾構(gòu)推力和刀盤扭矩等關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算模型，對(duì)未來雙模式TBM 的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)[6]。劉東依托南京地區(qū)某項(xiàng)目施工，從理論分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面對(duì)雙模式TBM 的模式轉(zhuǎn)換技術(shù)、模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)和刀具磨損規(guī)律進(jìn)行了研究[7]。

如上分析，雙模式TBM 在國內(nèi)部分項(xiàng)目中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，積累了一定的模式轉(zhuǎn)換經(jīng)驗(yàn)，本文從雙模式TBM 的功能特點(diǎn)、工程地質(zhì)方面對(duì)雙模式TBM 的適應(yīng)性進(jìn)行了分析，通過對(duì)主要部件的針對(duì)性設(shè)計(jì)，解決雙模式TBM 在施工過程中遇到的難題，結(jié)合具體的工程使用案例，對(duì)雙模式TBM 的具體適用范圍進(jìn)行了總結(jié)。

1 雙模式TBM的特點(diǎn)及要求

1.1 雙模式TBM與單護(hù)盾TBM的適應(yīng)性對(duì)比

1）地質(zhì)適應(yīng)性 單護(hù)盾TBM 可以在全斷面硬巖地層掘進(jìn)，雙模式TBM 切換至敞開模式掘進(jìn)時(shí)出渣方式和單護(hù)盾TBM 完全一樣；但是，在軟土地層，雙模式TBM 可切換至土壓模式進(jìn)行掘進(jìn)，并進(jìn)行渣土改良，具有更好的適應(yīng)性，單護(hù)盾TBM 不具備此功能。

2）掘進(jìn)效率 雙模式TBM 刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)比單護(hù)盾TBM 略小，在硬巖地層掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)效率會(huì)低于單護(hù)盾TBM，但是相比于單一模式的土壓或泥水盾構(gòu)，掘進(jìn)效率約有1.2～1.5 倍的提升。

3）使用成本 施工成本：在硬巖地層中，二者都采用敞開模式掘進(jìn)，主軸承扭矩、總推力、油脂消耗、渣土改良、電力消耗相差不大，施工成本基本一致。設(shè)備成本：?jiǎn)巫o(hù)盾TBM 造價(jià)約為雙模式TBM 的1.5 倍左右；雙模式TBM 后期便于改造為單一模式的土壓盾構(gòu)，具有較好的設(shè)備通用性。

4）模式轉(zhuǎn)換 雙模式TBM 具有主機(jī)皮帶機(jī)/螺旋輸送機(jī)兩種出渣模式，在一個(gè)區(qū)間如果地質(zhì)變化過于頻繁，需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換模式，模式轉(zhuǎn)換過多一定程度上影響施工效率。

1.2 雙模式TBM的地質(zhì)適應(yīng)性分析

盡管雙模式TBM 有著掘進(jìn)效率高和地質(zhì)適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，但并不是所有的地質(zhì)情況都可以采用雙模式TBM，雙模式TBM 的使用在地質(zhì)適應(yīng)性方面需要考慮以下3 個(gè)因素。

1.2.1 軟硬巖分層的影響

雙模式TBM 需要在主機(jī)內(nèi)布置皮帶機(jī)或螺旋機(jī)。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間足夠時(shí)可以同時(shí)布置皮帶機(jī)和螺旋機(jī)，不需要拆裝部件即可滿足模式切換需求，一般稱這種雙模式TBM 為并存式（圖1）。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間狹小時(shí)，主機(jī)內(nèi)只能布置中心皮帶機(jī)或螺旋輸送機(jī)，當(dāng)切換模式時(shí)需要拆裝部件，一般稱這種雙模式TBM 為換裝式。

圖1 雙模式TBM并存式

目前城市地鐵隧道管片外徑普遍集中在6～7m，相應(yīng)的盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部空間比較狹小，采用雙模式TBM 時(shí)一般只能考慮換裝式，即模式切換時(shí)需要拆裝部件。根據(jù)以往洞內(nèi)模式切換施工案例，在準(zhǔn)備工作充分和工序銜接緊湊的前提下，模式切換需要花費(fèi)20 天左右，一般同一隧道區(qū)間如果軟硬巖分層過于頻繁，會(huì)造成雙模式TBM 需要經(jīng)常模式切換，將直接影響雙模式TBM 的使用效率。因此，雙模式TBM 適用于軟硬巖分層較少的隧道區(qū)間。

是否有必要采用雙模式TBM，軟硬巖分層數(shù)量是參考依據(jù)之一，具體數(shù)量可參考以下公式。

式中x——軟硬巖分層數(shù)量，個(gè)；

a——硬巖地層敞開模式日進(jìn)尺，m；

b——硬巖地層土壓模式日進(jìn)尺，m；

d——軟土地層土壓模式日進(jìn)尺，m。

1.2.2 全斷面硬巖地層距離的影響

雖然雙模式TBM 敞開模式掘進(jìn)在全斷面硬巖地層效率比較高，但是如果全斷面硬巖地層距離過短，當(dāng)敞開模式的掘進(jìn)節(jié)約時(shí)間小于模式切換花費(fèi)的時(shí)間時(shí)，可考慮采用雙模式TBM 的土壓模式直接掘進(jìn)，不再進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。

當(dāng)采用雙模式TBM 時(shí)，判斷某段硬巖地層是否有必要由土壓模式轉(zhuǎn)換為敞開模式，硬巖地層距離是參考依據(jù)之一，具體硬巖地層距離可參考以下公式。

式中y——全斷面硬巖地層距離，m；

a——硬巖地層敞開模式日進(jìn)尺，m；

b——硬巖地層土壓模式日進(jìn)尺，m；

c——模式轉(zhuǎn)換時(shí)間，天。

1.2.3 硬巖地層完整性的影響

由于雙模式TBM 敞開模式為常壓狀態(tài)掘進(jìn)，當(dāng)硬巖地層存在斷裂帶、破碎帶或承壓水時(shí)存在突泥、突砂等地質(zhì)災(zāi)害，敞開模式無法及時(shí)封閉土倉隔板，會(huì)大大增加設(shè)備的使用風(fēng)險(xiǎn)，因此需要設(shè)備使用方對(duì)地層風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行詳勘并評(píng)估，重新考慮硬巖段是否采用敞開模式掘進(jìn)。

2 針對(duì)性設(shè)計(jì)

雙模式TBM 首先要解決的就是破巖問題，特別是巖層硬度高于100MPa 時(shí)，刀盤的破巖效率就尤為重要，通過對(duì)本項(xiàng)目刀盤刀具的破巖效率研究，得出適合刀盤刀具的設(shè)計(jì)理論，并且估算實(shí)際的掘進(jìn)指標(biāo)，對(duì)雙模式TBM 的刀盤設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

2.1 刀盤破巖試驗(yàn)研究

1）選取該標(biāo)段155MPa 凝灰熔巖式樣若干組，選取126MPa 微風(fēng)化花崗巖若干組。

2）分別用滾刀硬度測(cè)試儀測(cè)得凝灰熔巖和微風(fēng)化花崗巖不同壓力下巖樣的壓痕深度，并記錄數(shù)據(jù)，如表1 所示。

3）根據(jù)以往的施工案例，在70～140MPa 強(qiáng)度的花崗巖地層，滾刀貫入度平均值為3～5mm，將兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行類比，進(jìn)而得到155MPa 凝灰熔巖的貫入度。

4）通過壓入試驗(yàn)得出本標(biāo)段的掘進(jìn)速度指標(biāo)預(yù)測(cè)，如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)指標(biāo)曲線

根據(jù)圖2 提供的數(shù)據(jù)可知

即：相同刀具配置的情況下，126MPa 花崗巖地層的貫入度為155MPa 凝灰熔巖地層貫入度的1.283 倍：即根據(jù)以往在花崗巖地層相同刀盤配置的施工經(jīng)驗(yàn)，貫入度可達(dá)到3～5mm，即可知該種配置的刀盤在凝灰熔巖地層的貫入度h凝為

設(shè)刀盤實(shí)際轉(zhuǎn)速4r/min，貫入度4mm，每分鐘掘進(jìn)進(jìn)度為16mm，每掘進(jìn)一環(huán)管片（環(huán)寬1 200mm）共需1.25h，考慮管片拼裝0.5h，完成每個(gè)施工循環(huán)約2h。按照每天有效掘進(jìn)10h，每月有效工天20 天計(jì)算，每月的實(shí)際掘進(jìn)指標(biāo)可達(dá)120m（通過本文最后一章節(jié)的工程應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證）。

表1 兩種地層不同壓力下滾刀壓痕深度數(shù)據(jù)

2.2 刀盤高效破巖針對(duì)性設(shè)計(jì)

2.2.1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)巖層硬度大于100MPa 時(shí)，刀盤的破巖效率直接影響了設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)性，通過上文對(duì)凝灰?guī)r地層刀盤破巖的理論研究指出，刀盤的高效破巖能力首先取決于刀盤本體結(jié)構(gòu)能否適應(yīng)高強(qiáng)度下的復(fù)雜工況要求。提高刀盤的本體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度包括以下幾個(gè)方面。

1）高強(qiáng)度的刀盤盤體設(shè)計(jì) ①目前雙模式TBM 刀盤在合適開口率的基礎(chǔ)上，通過增加大圓環(huán)的厚度，增強(qiáng)各主梁間外圍的結(jié)構(gòu)連接性；②主梁結(jié)構(gòu)的調(diào)整，通過加大主梁的厚度和高度，提升刀盤的剛度；③刀盤中心區(qū)域采用鍛件，鍛件可保證零件具有較好的力學(xué)性能和較長(zhǎng)的使用壽命，減小刀盤中心區(qū)域發(fā)生變形的概率。通過優(yōu)化后刀盤的最大應(yīng)力值和變形量和常規(guī)土壓盾構(gòu)刀盤相比，性能指數(shù)有了顯著提升，大大提高了刀盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使雙模式TBM 的刀盤具有良好的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以應(yīng)對(duì)全斷面高強(qiáng)度硬巖的掘進(jìn)要求。刀盤的最大應(yīng)力及應(yīng)變分析圖如圖3 所示。

圖3 刀盤的最大應(yīng)力及應(yīng)變分析圖

2）刀具設(shè)計(jì) 刀盤的破巖能力取決于滾刀的規(guī)格和刀間距布置。①滾刀尺寸：如拿17 寸滾刀和19 寸滾刀相比，19 寸滾刀的刃口接觸面積僅增加5%，但軸承承載力卻由25t 增加到31t，增加了24%，因此19 寸刀刃口的比壓大于17 寸，貫入的能力大于17 寸滾刀，因此，不考慮結(jié)構(gòu)空間的前提下，刀具軸承尺寸越大，破巖能力越強(qiáng)；②刀間距布置：根據(jù)刀具的破巖機(jī)理及工程應(yīng)用實(shí)踐，刀間距越小，裂紋貫通越容易，破巖的能力越好，一般盾構(gòu)刀盤的刀間距為90～100mm，TBM 刀間距為70～85mm，目前雙模式TBM 刀盤的刀間距可做到75mm，與TBM的刀間距基本相同，較小的刀間距也保證了刀盤的破巖能力（圖4）；③刀具安裝方式：盾構(gòu)機(jī)在硬巖地層掘進(jìn)時(shí)，刀盤高轉(zhuǎn)速使用會(huì)造成整體結(jié)構(gòu)的頻繁震蕩，增加中心區(qū)域滾刀掉落的風(fēng)險(xiǎn)，為了保證刀盤中心滾刀連接性能的穩(wěn)定可靠，雙模式TBM 的中心滾刀采用TBM 的安裝方式，可有效防止中心滾刀異常損壞或掉落，提高刀具的使用壽命。

圖4 福州地鐵雙模式TBM滾刀刀間距示意圖

2.2.2 主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

全斷面硬巖地層掘進(jìn)刀盤在貫入度相同的前提下，掘進(jìn)進(jìn)尺取決于刀盤的最大轉(zhuǎn)速。由于雙模式TBM 需要考慮在土壓模式掘進(jìn)下對(duì)扭矩的需求，為了不使主驅(qū)動(dòng)功率過大，只能通過降低刀盤轉(zhuǎn)速來換取刀盤的扭矩。

一般管片外徑為6.2m 的設(shè)備，TBM 的刀盤額定轉(zhuǎn)速為8～12rpm，土壓盾構(gòu)的刀盤額定轉(zhuǎn)速為2～3.7rpm，雙模式TBM 通過特殊設(shè)計(jì)刀盤的額定轉(zhuǎn)速可達(dá)到5～7rpm，約為TBM 的60%，但比土壓盾構(gòu)的刀盤使用轉(zhuǎn)速提高了3 倍，因此，可以初步估算雙模式TBM 的掘進(jìn)速度約為TBM 的60%，約為土壓盾構(gòu)的300%。

2.3 控制管片上浮針對(duì)性設(shè)計(jì)

全斷面硬巖地層掘進(jìn)，漿液來不及凝固或是填充不及時(shí)容易造成成型管片的上浮，雙模式TBM 的注漿系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。

1）同步注漿采用單、雙液注漿系統(tǒng)，根據(jù)施工需要可及時(shí)有效的選擇注漿方式控制管片上浮。

2）采用豆礫石注入系統(tǒng)。雙模式TBM 系統(tǒng)配置了豆礫石填充系統(tǒng)，在刀盤與管片的間隙內(nèi)填充豆礫石，可達(dá)到設(shè)計(jì)的承載強(qiáng)度，同時(shí)起到堵水和防滲透效果，實(shí)現(xiàn)襯砌和圍巖的緊密結(jié)合。

2.4 模式轉(zhuǎn)換研究

雙模式TBM 從敞開模式轉(zhuǎn)化到土壓模式時(shí)，盾構(gòu)除選取穩(wěn)定的地質(zhì)條件外，如果需要還需進(jìn)行必要的加固措施，同時(shí)準(zhǔn)備模式轉(zhuǎn)換時(shí)需要的工裝和工具，進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換作業(yè)，本文從雙模式TBM 的設(shè)計(jì)特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際轉(zhuǎn)換過程，提出了圖5 所示操作流程。

圖5 雙模式TBM模式轉(zhuǎn)換過程

3 雙模式TBM應(yīng)用案例

3.1 工程概況

福州地鐵4 號(hào)線3 標(biāo)10 工區(qū)林浦站-城門站區(qū)間，左線全長(zhǎng)約為2 174m，右線全長(zhǎng)約2 185.3m。隧道中段洞身處淤泥質(zhì)土、中細(xì)砂、粉質(zhì)粘土和微風(fēng)化凝灰熔巖。區(qū)間的地質(zhì)分為三大部分，如圖6 所示，其中微風(fēng)化熔結(jié)凝灰?guī)r<9-2>：灰色，塊狀構(gòu)造，巖芯以長(zhǎng)柱狀為主，部分短柱狀，長(zhǎng)度一般為15～40cm，RQD=60～90，巖芯采取率TCR 為90%～100%。飽和單軸抗壓強(qiáng)度為126.1～193.1MPa，平均值143MPa，最高強(qiáng)度則達(dá)到201MPa。

圖6 區(qū)間縱斷面填充示意圖

3.2 雙模式TBM技術(shù)參數(shù)及掘進(jìn)情況

主要技術(shù)參數(shù)如表2 所示。

表2 雙模式TBM主要技術(shù)參數(shù)

雙模式TBM 于2019 年8 月6 日始發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)采用始發(fā)豎井+龍門吊的方式進(jìn)行材料和渣土的垂直提升，現(xiàn)場(chǎng)如圖7～圖9 所示。

圖7 設(shè)備始發(fā)照片

圖8 填充豆礫石泵照片

圖9 成型隧道照片

雙模式TBM 始發(fā)以來，累計(jì)掘進(jìn)至1 297.2m，掘進(jìn)速度為10～20mm/min，推力為13 595kN 左右，最高日進(jìn)尺8.4m，最高月進(jìn)尺120m。

4 結(jié)論與建議

通過科學(xué)的選型及合理的針對(duì)性設(shè)計(jì)，在城市地鐵單區(qū)間硬巖長(zhǎng)度比例占到本區(qū)間的70%，且硬巖區(qū)間圍巖以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主的情況下，選用雙模式TBM 是合適的，既滿足了全斷面硬巖地層的高效破巖要求，也滿足在軟弱地層下對(duì)沉降或施工風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)保壓掘進(jìn)的要求，通過模式轉(zhuǎn)換工具及經(jīng)驗(yàn)的積累，雙模式TBM 的模式轉(zhuǎn)換時(shí)間可進(jìn)一步縮短。