土壓/泥水平衡在線雙模盾構(gòu)機(jī)模式切換應(yīng)用研究

劉愷

中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410100

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，地鐵項(xiàng)目建設(shè)如雨后春筍般展開，地鐵隧道施工所用到的盾構(gòu)機(jī)也從最初的全部靠進(jìn)口到現(xiàn)在基本實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，在這個(gè)過程中，從盾構(gòu)設(shè)備制造到地鐵施工技術(shù)，我國都取得了極大的進(jìn)步。

總結(jié)這些年的地鐵隧道施工經(jīng)驗(yàn)，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)具有掘進(jìn)速度高、施工效率高、經(jīng)濟(jì)性良好、適用性廣等優(yōu)點(diǎn)，但是在面對(duì)富水層粉質(zhì)黏土地層，土壓盾構(gòu)對(duì)于地層沉降控制難度大，且易發(fā)生噴涌等安全隱患。泥水盾構(gòu)能很好彌補(bǔ)土壓的這些缺點(diǎn)，但是泥水盾構(gòu)在施工效率和經(jīng)濟(jì)性落后于土壓盾構(gòu)。在一些長(zhǎng)距離的過江隧道，采用土壓/泥水平衡在線雙模盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，能兼顧施工安全性、施工效率和經(jīng)濟(jì)性[1]。

本文以昆明地鐵5號(hào)線某區(qū)間段所用到的雙模式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了模式切換的流程，以及在模式切換過程中的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定。通過分析實(shí)際施工過程中的4次模式切換過程中掘進(jìn)參數(shù)的變化，結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的模式切換流程及參數(shù)設(shè)定為今后土壓/泥水平衡在線雙模盾構(gòu)機(jī)施工中模式切換操作有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

昆明地鐵5號(hào)線昆明北站～圓通公園站區(qū)間（左、右兩線），區(qū)間長(zhǎng)993m，采用盾構(gòu)法施工。區(qū)間下穿軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間(已運(yùn)營) 、北站隧道(側(cè)穿樁基) ，下穿昆北新村鐵路小區(qū)、省醫(yī)藥公司、環(huán)城北路、盤龍江、小菜園村。水平線間距0m～16.0m，左線隧道頂部埋深約9.2m～28.4m，右線隧道頂部埋深約17.3m～30.6m。

本區(qū)間隧道（昆～圓區(qū)間）以圓礫土層為主，伴以少量粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土，圓礫土由圓礫和少量黏土組成，其中粒徑2～20mm約占60～65%，其余為黏性土填充。

地下水極為豐富，局部存在微承壓水，施工風(fēng)險(xiǎn)大。圓礫中的地下水主要為孔隙潛水，水量豐富，滲透系數(shù)為5.9m/d（6.82*10-5m/s）。區(qū)間穩(wěn)定水位埋深為2.00～5.80m。地表水有盤龍江、金汁河、寶象河及翠湖。地下水中黏性土，孔隙小，透水性較弱，富水性弱；卵石、圓礫富水性強(qiáng)，透水性強(qiáng)；粉土、砂土富水性中等，透水性較強(qiáng)；盆地區(qū)地下水位埋深較淺，一般2～15m，山區(qū)地段地下水位變化較大，孔隙水補(bǔ)給主要為大氣降水和地表水，地下水位動(dòng)態(tài)變化較大，一般水位雨季抬升、旱季下降，變幅一般1.5～2.0m，總體由西、北、東向滇池方向徑流[2]。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地及地質(zhì)情況，盾構(gòu)機(jī)分段選型規(guī)劃，盾構(gòu)區(qū)間647環(huán)，左線設(shè)備先始發(fā)，采用土壓模式掘進(jìn)至260環(huán)，然后切換成泥水模式掘進(jìn)至409環(huán)，再切換成土壓模式掘進(jìn)完剩余區(qū)間。盾構(gòu)機(jī)右線后始發(fā)，采用土壓模式掘進(jìn)至240環(huán)，然后切換成泥水模式掘進(jìn)至393環(huán)，再切換成土壓模式掘進(jìn)完剩余區(qū)間。左右線設(shè)備距離保持在100環(huán)以上，防止相互左右線兩臺(tái)設(shè)備相互間的影響。

2 土壓/泥水平衡在線雙模盾構(gòu)機(jī)

本工程所采用的雙模式盾構(gòu)機(jī)是由中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司設(shè)計(jì)制造的[3]，根據(jù)工程特點(diǎn)，盾構(gòu)機(jī)的主要參數(shù)見表1。

表1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

雙模式盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是具備土壓模式和泥水模式兩種出渣方式，結(jié)構(gòu)上體現(xiàn)為配備有螺旋機(jī)加皮帶機(jī)的土壓出渣通道，同時(shí)配備了泥漿環(huán)流出渣的泥水出渣通道。根據(jù)工程實(shí)際技術(shù)交底可選擇任意一種出渣通道，另一種出渣通道作為備用，若因地質(zhì)情況變化需要切換出渣通道，只需要按照預(yù)定的操作流程和控制參數(shù)即可順利完成出渣通道的切換[4]。

3 模式切換流程及參數(shù)控制

3.1 土壓模式轉(zhuǎn)泥水模式

3.1.1 土壓轉(zhuǎn)泥水模式步驟

（1）模式轉(zhuǎn)換前需保證泥水站及所有泵、閥組等都能正常運(yùn)行；需保證隧道管路已延伸至盾構(gòu)機(jī)尾部尾部連接管；泥漿池開始制漿，保證轉(zhuǎn)換時(shí)能隨時(shí)供應(yīng)新鮮泥漿。

（2）準(zhǔn)備工作完成后，盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)，關(guān)閉螺旋機(jī)閘門，形成內(nèi)部土塞。

（3）啟動(dòng)泥水處理站，先運(yùn)行圖1所示旁通線路圖，再轉(zhuǎn)圖2所示土倉循環(huán)線路圖，保證泥水環(huán)流系統(tǒng)管路通暢正常[5]。

圖1 旁通線路圖

圖2 土倉循環(huán)線路圖

（4）打開盾體隔板泥漿連接管路的各個(gè)手動(dòng)閘閥，往土倉添加泥漿；手動(dòng)操作主進(jìn)漿閥開度，同時(shí)將盾體隔板頂部處的球閥稍微開啟進(jìn)行排氣，聯(lián)動(dòng)操作來控制開挖倉的壓力平衡。

（5）土倉充滿泥漿后，切換到反沖洗模式將土倉渣土進(jìn)行反復(fù)沖洗（切換前需先通過旁通模式穩(wěn)定流量）；同時(shí)啟動(dòng)刀盤低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速不大于0.6rpm）進(jìn)行攪拌渣土；同時(shí)開啟自動(dòng)泄壓閥來調(diào)節(jié)土倉壓力[6]。

（6）待反沖洗模式能穩(wěn)定運(yùn)行10分鐘后，再切換至開挖模式進(jìn)行正常掘進(jìn)。

3.1.2 土壓轉(zhuǎn)泥水模式控制參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)換前土壓模式掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 （土壓轉(zhuǎn)泥水前）土壓模式掘進(jìn)參數(shù)表

（2）轉(zhuǎn)換后泥水模式掘進(jìn)參數(shù)交表3。

表3 （土壓轉(zhuǎn)泥水后）泥水模式掘進(jìn)參數(shù)表

3.2 泥水模式轉(zhuǎn)換到土壓模式

3.2.1 泥水轉(zhuǎn)土壓模式步驟

（1）模式轉(zhuǎn)換前需保證電瓶車機(jī)組就緒，土壓模式相關(guān)部件能正常運(yùn)行。

（2）將刀盤轉(zhuǎn)速降低至0.5rpm以下，推進(jìn)速度小于15mm/min，關(guān)閉進(jìn)漿泵停止輸送泥漿，關(guān)閉主排漿控制閥并將隔板處泥漿閘閥關(guān)閉，進(jìn)行排漿；排漿期間通過排漿泵排漿流量和推進(jìn)速度的配合來平衡土倉壓力[7]。

（3）切削下來的渣土進(jìn)入土倉沉積到底部，渣土慢慢上升；當(dāng)?shù)侗P扭矩明顯增大時(shí)，檢測(cè)隔板處的閘閥是否堵塞，檢測(cè)位置由低到高，確保該位置閘閥完全堵塞后再檢測(cè)下一個(gè)是否堵塞，直至最高處閘閥也出現(xiàn)完全堵塞現(xiàn)象。

（4）此時(shí)刀盤停止旋轉(zhuǎn)，盾構(gòu)機(jī)停止推進(jìn)；繼續(xù)按上述線路進(jìn)行排漿，同時(shí)開啟自動(dòng)保壓系統(tǒng)平衡土倉壓力；直至排漿泵出現(xiàn)負(fù)壓后，關(guān)閉環(huán)流系統(tǒng)，將隔板處所有泥漿閘閥關(guān)閉。

（5）打開螺旋機(jī)閘門，開度不大于20%；啟動(dòng)刀盤，設(shè)備重新開始推進(jìn)，開始土壓模式的操作。在此期間需注意閘門噴涌的現(xiàn)象，可改良渣土降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)[8]。

3.2.2 泥水轉(zhuǎn)土壓模式控制參數(shù)

（1）轉(zhuǎn)換前泥水模式掘進(jìn)參數(shù)如表4所示。

表4 （泥水轉(zhuǎn)土壓前）泥水模式掘進(jìn)參數(shù)表

（2）轉(zhuǎn)換后土壓模式掘進(jìn)參數(shù)如表5所示。

表5 （泥水轉(zhuǎn)土壓前）土壓模式掘進(jìn)參數(shù)表

4 模式切換過程中掘進(jìn)參數(shù)結(jié)果分析

在此項(xiàng)目施工過程中，左右線兩臺(tái)雙模式掘進(jìn)機(jī)，總計(jì)進(jìn)行了四次模式切換，記錄施工過程中地表沉降如圖3所示，每一環(huán)的有效掘進(jìn)時(shí)間如圖4所示。

圖3 地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖4 單環(huán)有效掘進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，泥水模式對(duì)于地表沉降控制做的更好，在模式切換過程中，雙模式盾構(gòu)機(jī)對(duì)于地表沉降的控制過渡平穩(wěn)，模式切換過程中參數(shù)的設(shè)定比較合適[9]。

根據(jù)單環(huán)有效掘進(jìn)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，泥水模式掘進(jìn)速度稍快，在模式切換前后5環(huán)中，基于掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整，單環(huán)有效掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)有所增加，這個(gè)是符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

5 結(jié)論與建議

本文針對(duì)昆明地鐵5號(hào)線昆明北站～圓通公園站區(qū)間用到的兩臺(tái)土壓—泥水在線雙模式盾構(gòu)機(jī)在這個(gè)區(qū)間左右線共計(jì)約兩千米四次模式切換的掘進(jìn)過程中，地表沉降和單環(huán)有效掘進(jìn)實(shí)際的追蹤和統(tǒng)計(jì)，得出如下結(jié)論和建議：

（1）本文設(shè)計(jì)的土壓/泥水在線雙模式掘進(jìn)機(jī)具備很好的在線模式切換功能，模式切換步驟合理，切換參數(shù)設(shè)置得當(dāng)。

（2）土壓/泥水在線雙模式掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)模式在線的一鍵切換，既保證了設(shè)備在良好地層下土壓模式高效快速的掘進(jìn)，又能實(shí)現(xiàn)在一些黏土砂土等不良地層泥水模式掘進(jìn)，高精度控制地表沉降[10]。

（3）尤其對(duì)于過江段長(zhǎng)距離的復(fù)合地層、高水壓、卵石等分段明顯的地鐵隧道，土壓/泥水在線雙模式掘進(jìn)機(jī)可以針對(duì)不同地層切換最適合的掘進(jìn)模式，是一種綜合效率和安全性最高的施工方式。