地鐵工程建設(shè)中的土壓/TBM雙模式盾構(gòu)洞內(nèi)轉(zhuǎn)換刀盤(pán)技術(shù)

胡向陽(yáng)，楊亞培，劉記，李文奇，吳川

（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

隧道施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，加之安全文明施工和高效率施工要求的逐步提高，單一掘進(jìn)模式在隧道工程中可行性不足的局限性逐步顯現(xiàn)。TBM隧道掘進(jìn)機(jī)是隧道工程中的重要設(shè)備，用主機(jī)皮帶機(jī)出渣，但若施工期間存在局部富水的特殊條件，易由于防控不當(dāng)而誘發(fā)噴涌、噴砂等事故。相比敞開(kāi)式的TBM隧道掘進(jìn)機(jī)，土壓盾構(gòu)屬于封閉形式，出渣由螺旋輸送機(jī)完成，但現(xiàn)場(chǎng)存在全斷面硬巖地層時(shí)，該模式的適用性不足，掘進(jìn)效率偏低?？梢?jiàn)，兩種方式均有各自的應(yīng)用優(yōu)劣勢(shì)，為適應(yīng)不同地層條件，可考慮雙模式盾構(gòu)的方案。

2 多模式盾構(gòu)概述

縱觀現(xiàn)階段的隧道盾構(gòu)施工技術(shù)，常見(jiàn)的有土壓平衡盾構(gòu)、硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）和泥水平衡盾構(gòu)3類，各自對(duì)地層的適用范圍有所不同。隧道掘進(jìn)期間所遇地層條件普遍復(fù)雜，僅采用單一設(shè)備可能由于設(shè)備在某些地層的適應(yīng)性不強(qiáng)而出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題乃至安全問(wèn)題。

為了適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，可以考慮雙模式乃至多模式盾構(gòu)的方案，集多項(xiàng)盾構(gòu)方式的優(yōu)勢(shì)于一體，有效盾構(gòu)掘進(jìn)。多模式盾構(gòu)是一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)的工程資源整合方案，將土壓和泥水平衡盾構(gòu)的功能部件集為一體，共同布置在單臺(tái)盾構(gòu)上，其集成了兩種乃至更多的盾構(gòu)模式，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件靈活切換，以安全盾構(gòu)為基本前提，實(shí)現(xiàn)高效率和高效益的盾構(gòu)目標(biāo)[1-2]。

3 雙模式土壓/TBM與單護(hù)盾TBM的多角度對(duì)比分析

1）適應(yīng)性的對(duì)比分析。單護(hù)盾TBM在全斷面硬巖地層中具有可行性，雙模式土壓/TBM在敞開(kāi)模式下運(yùn)行時(shí)，出渣采取和單護(hù)盾TBM相同的方法；若現(xiàn)場(chǎng)為軟土地層，在雙模式的方案中采用土壓模式時(shí)，可適應(yīng)軟土地層，相比之下單護(hù)盾的盾構(gòu)效果較差。

2）掘進(jìn)效率的對(duì)比分析。從刀盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)看，雙模式土壓/TBM略低于單護(hù)盾TBM，若現(xiàn)場(chǎng)為硬巖地層，前者的掘進(jìn)效率較低，但相比于單一模式的土壓或TBM盾構(gòu)，仍具有較高的掘進(jìn)效率，通?？商嵘?.2～1.5倍。

3）成本的對(duì)比分析。從施工成本的角度來(lái)看，兩者均采用敞開(kāi)模式，成本投入基本一致。進(jìn)一步考慮設(shè)備成本，相比雙模式土壓/TBM的設(shè)備成本，單護(hù)盾TBM約為該值的1.5倍，因此，認(rèn)為雙模式土壓/TBM的成本控制效果更佳。

4 項(xiàng)目概況

廣州地鐵軌道交通某區(qū)間全長(zhǎng)約2 229.3 m，盾構(gòu)掘進(jìn)采用的是2臺(tái)土壓平衡/TBM雙模盾構(gòu)。盾構(gòu)從始發(fā)站始發(fā)，從接收井吊出。盾構(gòu)首先采取TBM模式，以便適應(yīng)微風(fēng)化混合花崗巖地質(zhì)條件，在該處掘進(jìn)285 m；隨后調(diào)整為土壓平衡模式，于強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖中掘進(jìn)400.6 m；再調(diào)整為T(mén)BM模式，在微風(fēng)化混合花崗巖中掘進(jìn)1 543.7 m，到達(dá)接收井。整個(gè)區(qū)間的地質(zhì)條件復(fù)雜，硬巖和軟巖的地層分界面明顯，在采取雙模式的盾構(gòu)方案后，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)方法，在硬巖層和軟巖層快速切換盾構(gòu)模式，既保證盾構(gòu)安全，又提高盾構(gòu)效率，在指定工期內(nèi)保質(zhì)保量完成盾構(gòu)作業(yè)。

5 模式轉(zhuǎn)換位置的選擇

TBM模式轉(zhuǎn)土壓平衡模式有其特定的條件，需要考慮如下幾項(xiàng)位置選型原則：一是盾構(gòu)所處位置在全斷面硬巖中，刀盤(pán)前方有10 m長(zhǎng)全斷面硬巖、上方有3 m厚硬巖；二是地面無(wú)重要建（構(gòu)）物或管線；三是掌子面無(wú)滲漏水。

根據(jù)前述提及的條件，在施工中加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)勘察，全面分析，在確認(rèn)條件適宜時(shí)方可轉(zhuǎn)換盾構(gòu)模式。其中，區(qū)間右線279～281 m隧道拱頂埋深達(dá)35.215 m，全斷面微風(fēng)化混合花崗巖可作為轉(zhuǎn)換位置。

1）模式轉(zhuǎn)換位置的掌子面前方為15 m長(zhǎng)的全斷面硬巖，刀盤(pán)上方為8 m厚的硬巖，該處詳勘點(diǎn)埋深為26.9 m處為微風(fēng)化混合花崗巖。

2）在279～281 m周邊補(bǔ)勘點(diǎn)埋深27.0 m以下為微風(fēng)化花崗巖，此項(xiàng)補(bǔ)勘資料與詳勘內(nèi)容保持一致。

3）加強(qiáng)對(duì)地面的觀察，發(fā)現(xiàn)在279～281 m處地面周邊并未建設(shè)重要的建（構(gòu)）筑物，且影響范圍內(nèi)未分布管線。

4）隨著盾構(gòu)掘進(jìn)的持續(xù)進(jìn)行，達(dá)到279 m時(shí)安排進(jìn)艙檢查，以便更加準(zhǔn)確地判斷現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，掌子面為全斷面硬巖，倉(cāng)內(nèi)底部有少量積水。經(jīng)綜合分析，認(rèn)為右線279 m處具備盾構(gòu)模式轉(zhuǎn)換的條件，因此，在該處安排模式轉(zhuǎn)換。

6 模式轉(zhuǎn)換的流程及具體技術(shù)

6.1 模式轉(zhuǎn)換流程

TBM模式轉(zhuǎn)土壓平衡模式以階段性的方式完成：

第一階段：拆除TBM專用設(shè)施，包含刀盤(pán)刮渣板、格柵板、主機(jī)皮帶機(jī)等。

第二階段：安裝土壓平衡模式的配套專用設(shè)施，包含螺旋輸送機(jī)、中心回轉(zhuǎn)接頭等。

第三階段：調(diào)試、檢驗(yàn)土壓平衡模式的運(yùn)行狀態(tài)，以便在該模式下有效掘進(jìn)。

6.2 準(zhǔn)備工作

1）設(shè)備的配套。模式轉(zhuǎn)換前，根據(jù)盾構(gòu)模式要求做好設(shè)備的準(zhǔn)備工作，將各項(xiàng)設(shè)備配置到位，建立良好的硬件基礎(chǔ)，以便高效掘進(jìn)。模式轉(zhuǎn)換涉及的關(guān)鍵設(shè)備及其數(shù)量關(guān)系如見(jiàn)表1。

表1 模式轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備

2）系統(tǒng)的全方位檢查。檢查冷卻水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、膨潤(rùn)土系統(tǒng)，判斷是否可正常運(yùn)行；檢查遞進(jìn)分配閥，判斷其是否可正常使用，并檢查伸縮手動(dòng)潤(rùn)滑點(diǎn)；檢查各土壓傳感器，要求其正常運(yùn)行且有足夠的精度；檢查螺旋機(jī)前閘門(mén)系統(tǒng)，要求其正常運(yùn)行；檢查是否存在主機(jī)供電問(wèn)題、后退管線斷開(kāi)問(wèn)題，若有則予以處理，并判斷現(xiàn)場(chǎng)是否有必要進(jìn)行管線延伸。

3）現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備。盾構(gòu)TBM向土壓平衡模式轉(zhuǎn)換前，做好如下幾項(xiàng)準(zhǔn)備工作，以便轉(zhuǎn)換順利進(jìn)行：（1）最后一環(huán)推進(jìn)后拼裝下半環(huán)，回收正上方油缸；（2）完成對(duì)頂部盾尾外10環(huán)位置螺栓的更換作業(yè)；（3）開(kāi)倉(cāng)門(mén)，清理土艙和中前盾殘留渣土；（4）分解中心回轉(zhuǎn)體；（5）拆除螺旋輸送機(jī)蓋板；（6）停機(jī)前盾尾注膨潤(rùn)土，適量補(bǔ)充注漿以便建立穩(wěn)定的封閉環(huán)，用此結(jié)構(gòu)阻隔地下水，以免其進(jìn)入土艙內(nèi)。

6.3 模式轉(zhuǎn)換的第一階段

拆除后配套皮帶機(jī)尾部總成，將拆除后的各類構(gòu)件用管片運(yùn)輸車裝載、運(yùn)出；拆除主機(jī)皮帶機(jī)上的除塵風(fēng)管，適當(dāng)向后移動(dòng)主機(jī)皮帶機(jī)，完成該裝置前段和后段的拆除作業(yè)，用管片運(yùn)輸車將拆除后的管片運(yùn)出，避免堆放在現(xiàn)場(chǎng)；主機(jī)皮帶機(jī)軌道也需拆除。

分離溜渣結(jié)構(gòu)與刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)（此項(xiàng)操作在土艙內(nèi)完成），分解溜渣結(jié)構(gòu)，在經(jīng)過(guò)“化整為零”的處理后，將分解產(chǎn)生的小構(gòu)件有序移出土艙；拆除溜渣槽，用螺機(jī)筒運(yùn)出。

經(jīng)前述流程后，拆除溜渣槽和刮渣板，安排盾體被動(dòng)攪拌棒的安裝作業(yè)，再連接管路，保證管路的完整性和嚴(yán)密性；割除螺旋輸送機(jī)口的格柵板，此階段產(chǎn)生的構(gòu)件統(tǒng)一由螺機(jī)筒運(yùn)出；詳細(xì)檢查螺旋機(jī)前閘門(mén)的安裝情況，要求其位置準(zhǔn)確、動(dòng)作順暢。

6.4 模式轉(zhuǎn)換的第二階段

1）刮渣板被割除后，將設(shè)置在配套臺(tái)車與主機(jī)間的設(shè)施斷開(kāi)，即兩者間的管路、結(jié)構(gòu)件均要被斷開(kāi)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步斷開(kāi)管路。此環(huán)節(jié)的基本流程為：（1）斷開(kāi)設(shè)置在拼裝機(jī)與后配套間的電纜和管線；（2）準(zhǔn)備好設(shè)備橋移動(dòng)工裝，以焊接的方法將其設(shè)置到位；（3）聯(lián)合應(yīng)用2輛電瓶車，在兩者的協(xié)同下帶動(dòng)后配套前移約15 m；（4）組織設(shè)備橋的焊接作業(yè)，并將工裝安裝至指定位置固定，使其精準(zhǔn)到位且維持穩(wěn)定。

2）刀盤(pán)中心后部的液壓回轉(zhuǎn)接頭、管路等設(shè)施均要被拆除，然后在刀盤(pán)背部的管路塊油路口焊接堵頭，以有效封堵油路口，在大回轉(zhuǎn)接頭尾部的位置將小回轉(zhuǎn)接頭安裝到位。

3）安裝中心回轉(zhuǎn)接頭，質(zhì)量約1 100 kg。驅(qū)動(dòng)中心連接法蘭和變接法蘭均被運(yùn)送至洞內(nèi)后，用螺栓連接；準(zhǔn)備D30×120 mm的圓柱銷（8個(gè)）和M30×110 mm的內(nèi)六角螺釘（48個(gè)），通過(guò)兩類零件的應(yīng)用連接法蘭和驅(qū)動(dòng)盤(pán)。

4）扭腿兩側(cè)的管路上配套了堵頭和保護(hù)塊，為順利實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，將兩者拆除；全面檢查管路接口，判斷是否有受損的異常狀況，連接刀盤(pán)管路后做保壓試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管路泄漏問(wèn)題；待保壓試驗(yàn)結(jié)果合格后，在扭腿兩側(cè)管路塊處安裝原保護(hù)塊螺栓，以便封堵螺紋孔，使該處有嚴(yán)密性。安裝作業(yè)規(guī)范進(jìn)行，加強(qiáng)對(duì)刀盤(pán)管路的防護(hù)，并用螺栓將該管路安裝至主驅(qū)動(dòng)隔板上?？紤]到安裝的緊密性要求，為螺栓涂適量的螺紋緊固膠，打緊螺栓，使其穩(wěn)定。刀盤(pán)管路保護(hù)采取的是“周邊4塊+中間1塊”的組合方案，單塊重量為150 kg，共計(jì)5塊。

5）安裝拉桿，以焊接的方法在拼裝機(jī)上穩(wěn)定設(shè)置門(mén)字架；準(zhǔn)備后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)所需的螺旋輸送機(jī)，用管片運(yùn)輸車運(yùn)送至洞內(nèi)。從現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況來(lái)看，現(xiàn)場(chǎng)空間有限，螺旋輸送機(jī)質(zhì)量達(dá)到32 t，在此條件下安裝工裝屬于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)，對(duì)安全防控水平提出較高的要求。原計(jì)劃采取固定吊點(diǎn)吊裝螺栓輸送機(jī)的方法，但礙于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件的特殊性，螺機(jī)前移難度較大，完成安裝所需耗費(fèi)的時(shí)間達(dá)到4 d。針對(duì)此問(wèn)題，除了在人倉(cāng)底部、盾尾上部、拼裝機(jī)門(mén)字架處設(shè)置吊點(diǎn)外，在平板車上焊接門(mén)字架，增加1處吊點(diǎn)，在該優(yōu)化方式下，突破現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)螺旋輸送機(jī)安裝的制約作用，安裝耗時(shí)僅為1 d，效率明顯提高。

6）螺機(jī)安裝后，將螺機(jī)工裝拆除。

6.5 模式轉(zhuǎn)換的第三階段

前移后配套臺(tái)車，待其準(zhǔn)確就位后，完成主機(jī)與5#臺(tái)車及6#臺(tái)車管線、設(shè)備橋管線的連接，具體連接對(duì)象包含注漿管、泡沫管、油脂管路、流體管路、膨潤(rùn)土管、液壓及電氣管路，要求各處連接均準(zhǔn)確，連接部位均嚴(yán)密。

經(jīng)過(guò)管線連接作業(yè)后，進(jìn)入空載調(diào)試環(huán)節(jié)，此階段的重點(diǎn)調(diào)試系統(tǒng)包含配電系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，要求各系統(tǒng)均可穩(wěn)定運(yùn)行。此外，校正各儀表，保證各儀表具有足夠的精度。

待各項(xiàng)空載調(diào)試工作均結(jié)束后，安排盾構(gòu)的負(fù)載調(diào)試。全方位檢查管線及密封設(shè)備的負(fù)載能力，準(zhǔn)確判斷各部分的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)不足之處做出調(diào)整，確保盾構(gòu)各工作系統(tǒng)及其配套的輔助系統(tǒng)均可正常運(yùn)行，以便后續(xù)盾構(gòu)掘進(jìn)順利進(jìn)行。

7 結(jié)語(yǔ)

在盾構(gòu)地質(zhì)條件錯(cuò)綜復(fù)雜的工程環(huán)境中，單一的盾構(gòu)方式缺乏足夠的適應(yīng)性，易由于現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的特殊性而難以順利盾構(gòu)，此時(shí)土壓/TBM雙模式盾構(gòu)成為重要的解決方案，集多項(xiàng)盾構(gòu)模式的優(yōu)勢(shì)于一體，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件靈活調(diào)整盾構(gòu)模式，有效盾構(gòu)。本文分析了提出常見(jiàn)的幾種盾構(gòu)模式，并重點(diǎn)研究土壓/TBM雙模式盾構(gòu)轉(zhuǎn)換刀盤(pán)的施工技術(shù)，提出在模式轉(zhuǎn)換前需做好的準(zhǔn)備工作和正式轉(zhuǎn)換時(shí)的操作要點(diǎn)，希望對(duì)類似工程有參考價(jià)值。