復(fù)合地層施工全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型探討

張照煌，安 濤

華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院 北京 102206

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是用于地下工程全斷面開挖的機(jī)械化施工設(shè)備。地下工程地質(zhì)條件往往很復(fù)雜，就具體工程而言，施工設(shè)備選型至關(guān)重要?，F(xiàn)階段，土質(zhì)地層施工已廣泛使用盾構(gòu)機(jī) (Shield)，如城市地鐵隧道施工；巖石質(zhì)地層施工已廣泛使用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī) (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，如鐵路公路隧道、煤礦巷道、引輸水隧洞等工程。隨著施工地質(zhì)的復(fù)雜化，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)既要適應(yīng)土質(zhì)地層，又要適應(yīng)巖石質(zhì)地層，亦即能在復(fù)合地層中施工，促使盾構(gòu)機(jī)與 TBM 技術(shù)的逐漸融合，產(chǎn)生了復(fù)合盾構(gòu)機(jī)[1-2]。

關(guān)于 TBM 選型，張軍偉等人以遼寧大伙房輸水工程為例，通過考慮地質(zhì)條件適應(yīng)性，以及對(duì)不良地質(zhì)洞段處理方式、占地和環(huán)境影響因素的比較，得出敞開式 TBM 和雙護(hù)盾式 TBM 的適用條件[3]；毛擁政等人以引紅濟(jì)石工程為例，分析了敞開式 TBM 和雙護(hù)盾 TBM 各自的技術(shù)特點(diǎn)，并根據(jù) TBM 主機(jī)選型原則，對(duì)比了敞開式 TBM 和雙護(hù)盾 TBM 的性能[4]；董安然以高黎貢山隧道工程為例，根據(jù)圍巖軟硬程度和巖石穩(wěn)定性，劃分出敞開式 TBM、單護(hù)盾 TBM 以及雙護(hù)盾 TBM 各自的適用范圍[5]。關(guān)于盾構(gòu)機(jī)選型，江玉生等人以北京地鐵 7 號(hào)線百化區(qū)間施工為例，從工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況，以及施工對(duì)環(huán)境、地層、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)性等實(shí)際情況的影響，總結(jié)出土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水平衡盾構(gòu)機(jī)各自的優(yōu)缺點(diǎn)[6]；楊志強(qiáng)以濟(jì)南泉水排泄區(qū)地鐵區(qū)間為例，綜合考慮滲水性、地層顆粒級(jí)配，以及環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型的影響，最終確定該工程采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)[7]。上述研究對(duì)于 TBM 和盾構(gòu)機(jī)的選型具有一定的參考價(jià)值和借鑒性。然而，對(duì)于復(fù)合地層全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型的研究在公開資料中很少看到?；诖?，筆者提出了斷面復(fù)合地層和軸線復(fù)合地層的概念，并從斷面復(fù)合地層、復(fù)合程度及沿隧道軸線分布長度方面，分別探討了隧道掘進(jìn)機(jī)選型，以期為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的選型提供借鑒。

1 復(fù)合地層施工設(shè)備選型

簡單地層施工，根據(jù)地質(zhì)大類及施工設(shè)備選型的一般性或理論性分析[8]，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)適用范圍如表1 所列。對(duì)于復(fù)合地層全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型則要復(fù)雜得多。

表1 施工隧道地質(zhì)與所用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)Tab.1 Tunnel geology and full face tunnel boring machine used in construction

復(fù)合地層可分為斷面復(fù)合地層和軸線復(fù)合地層，其中斷面復(fù)合地層是指在施工區(qū)間 (L0) 開挖斷面上存在“巖”和“土”的互層 (見圖1)，且在該長度段所有斷面上，“巖”和“土”的復(fù)合程度沒有質(zhì)的變化；軸線復(fù)合地層是指在施工區(qū)間 (L00) 內(nèi)沿隧道軸線一定長度段地層以土質(zhì)為主，一定長度段地層以巖石質(zhì)為主 (見圖2)，且以土質(zhì)為主洞段的各斷面地質(zhì)情況變化不大，同理，以巖石質(zhì)為主洞段的各斷面地質(zhì)情況變化也不大。針對(duì)斷面復(fù)合地層，施工時(shí)一般采用簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，即在普通盾構(gòu)機(jī)刀盤上安裝部分盤形滾刀破碎掘進(jìn)面巖石，就能進(jìn)行正常掘進(jìn)。而對(duì)于軸線復(fù)合地層，進(jìn)行全斷面施工可分為兩類：①土質(zhì)地層段 (地層 1) 和巖石質(zhì)地層段 (地層 2) 都較長，可分別采用盾構(gòu)機(jī)和 TBM 施工，如圖2(a) 所示；②土質(zhì)地層段和巖石質(zhì)地層段的長度不足以分別采用盾構(gòu)機(jī)和 TBM 施工，就應(yīng)采用復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)施工，如圖2(b) 所示。表2 給出了復(fù)合地層施工設(shè)備分類及施工地層特點(diǎn)。

圖1 斷面復(fù)合地層示意Fig.1 Diagram of composite strata in cross section

圖2 軸線復(fù)合地層示意Fig.2 Diagram of axial composite strata

表2 復(fù)合地層施工設(shè)備分類及地層適應(yīng)性Tab.2 Classification of construction equipment and strata adaptability in composite strata

2 斷面復(fù)合地層施工設(shè)備選型

斷面復(fù)合地層是在開挖斷面上存在軟硬互層，且沿隧道 (洞) 軸線各斷面地質(zhì)狀況基本不變。在這樣地質(zhì)條件下，如果采用普通盾構(gòu)機(jī)施工，容易導(dǎo)致刀盤和盾構(gòu)機(jī)刀具損傷嚴(yán)重，基于此，一般采用簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，即在相應(yīng)盾構(gòu)機(jī)刀盤上安裝盤形滾刀破巖，就能正常施工的盾構(gòu)機(jī)。

2.1 簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)及施工

簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)可分為簡單復(fù)合 (式) 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和簡單復(fù)合 (式) 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。在適合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工的地層[9]，如地面條件敏感、沉降控制要求高，或土層黏性物質(zhì)含量小、砂性物質(zhì)含量多，但該地層的施工斷面中存在一定巖石質(zhì)地層，宜選用簡單復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工；在適合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工的地層，如土層中黏粒含量多，但在施工斷面中存在一定巖石質(zhì)地層，則宜選用簡單復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。

2.2 工程案例

2.2.1 工程概況

福州地鐵 4 號(hào)線一期工程?hào)|門站至三角池站區(qū)間線路，中途下穿晉安河、東郊河，而后接入三角池站。該區(qū)間分為左右兩線，穿越地層較為復(fù)雜，屬于典型濱海軟硬交替地層，洞身圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級(jí)，地下水主要分為孔隙水和基巖裂隙水，地層滲透性為弱～強(qiáng)，地層分布情況如表3 所列[10]。

表3 東門站至三角池站區(qū)間線路地層分布統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of strata distribution of sections from Dongmen Station to Sanjiaochi Station

2.2.2 盾構(gòu)機(jī)選型及刀盤、刀具配置

根據(jù)表3 所列，盾構(gòu)機(jī)施工區(qū)間無論左線還是右線，巖石質(zhì)地層占比均超過 50%。因此，若在該區(qū)間采用普通盾構(gòu)機(jī)施工，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷刀盤和刀具。所以，應(yīng)考慮選用簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)。又因該區(qū)間穿越的地層主要為粉質(zhì)黏土、風(fēng)化花崗巖、風(fēng)化正長斑巖，地層滲透系數(shù)較小，地下水壓不大，適宜施工的普通盾構(gòu)機(jī)應(yīng)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。綜合考慮施工斷面復(fù)合情況、復(fù)合強(qiáng)度、工程投資和環(huán)境影響等因素，選用復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

針對(duì)工程區(qū)間上軟下硬地層條件，為保證掘進(jìn)穩(wěn)定性、渣土流動(dòng)性，以及刀盤負(fù)荷等因素，對(duì)該復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤和刀具進(jìn)行了如下配置 (見圖3)：刀盤面板增加了耐磨層硬度為 57～ 62HRC 的復(fù)合耐磨板，適用于如風(fēng)化花崗巖等石英含量較高的地層；刀盤開口率不小于 33%，保證粒徑較大的土體進(jìn)入土倉，防止產(chǎn)生“泥餅”；刀盤中心區(qū)齒刀和盤形滾刀可互相替換；刀盤邊緣區(qū)配置了多把盤形滾刀和邊緣刮刀；軟土地層掘進(jìn)時(shí)可將盤形滾刀更換為齒刀；刀座為背裝式設(shè)計(jì)，方便刀盤背后換刀；為減輕刀具磨損，采用較小的刀間距設(shè)計(jì)，盤形滾刀間距為75 mm，同時(shí)增加邊緣滾刀數(shù)量，最多可配置 12 把；盤形滾刀和刮刀高差設(shè)計(jì)為 57.5 mm，切刀和刮刀均使用大塊合金，當(dāng)遇到高強(qiáng)度基巖突起或孤石時(shí)，可更換為重型盤形滾刀進(jìn)行破碎[11]。

圖3 刀盤配置示意Fig.3 Diagram of cutterhead configuration

施工實(shí)踐證明，選用簡單復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，以及對(duì)刀盤上盤形滾刀和切削刀具、刮刀等的設(shè)計(jì)和配置，符合工程施工要求。

3 軸線復(fù)合地層施工設(shè)備選型

軸線復(fù)合地層是指沿隧道 (洞) 軸線一定長度段，開挖斷面“巖”“土”的復(fù)合程度或強(qiáng)度、地質(zhì)狀況基本一致，一旦超過這“一定長度段”，開挖斷面“巖”“土”的復(fù)合程度或強(qiáng)度、地質(zhì)狀況將發(fā)生根本性變化，如土質(zhì)變?yōu)閹r石質(zhì)，或砂質(zhì)地層變?yōu)轲ば酝临|(zhì)地層等。因此，在這種地質(zhì)條件下施工的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)選型相對(duì)復(fù)雜些。

3.1 盾構(gòu)機(jī)與 TBM 分別施工

軸線復(fù)合地層，若沿隧道 (洞) 軸線開挖斷面上地質(zhì)狀況基本一致的長度足夠長，分別采用盾構(gòu)機(jī)和TBM 施工較經(jīng)濟(jì)，則可考慮采用盾構(gòu)機(jī)和 TBM 分別施工。這類情況多出現(xiàn)在大型工程中，如英吉利海峽隧道工程。

3.1.1 工程概況

英吉利海峽隧道工程包括陸地隧道和海底隧道兩部分，表4 所列為英法兩側(cè)主要穿越地層情況[12]。

表4 英法兩側(cè)主要穿越地層情況Tab.4 Conditions of crossing strata on both sides of England and France

3.1.2 施工設(shè)備選型

根據(jù)英法兩側(cè)主要穿越地層情況，英國端隧道施工均采用 TBM；法國端海底隧道施工選用 TBM，而近陸段隧道施工選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。根據(jù)法國側(cè)海床下地質(zhì)條件，將該側(cè)隧道分為 6 段 (T1～ T6)，其中海底段隧道 T1、T2 和 T3 分別采用 3 臺(tái)護(hù)盾式 TBM施工，而近陸段隧道 T4、T5 和 T6 采用 2 臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，其中隧道 T5 和 T6 共用 1 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工[13]。

通過選型分析，法國側(cè)地質(zhì)條件具有非典型性的軸線復(fù)合地層特點(diǎn)，而當(dāng)從海底施工轉(zhuǎn)換到陸地施工，即 T3 到 T4 時(shí)，地層中土質(zhì)地層段和巖石質(zhì)地層段都較長，因此采用 TBM 和盾構(gòu)機(jī)分別施工。

3.2 復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)選型與施工

軸線復(fù)合地層，若沿隧道 (洞) 軸線開挖斷面上的地質(zhì)狀況基本一致的長度不夠長，分別采用盾構(gòu)機(jī)與 TBM 施工并不經(jīng)濟(jì)，則可考慮采用復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)施工。所謂復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)是指其在巖石質(zhì)地層段施工時(shí)具有 TBM 作業(yè)模式，而在土質(zhì)地層段施工時(shí)則具有盾構(gòu)機(jī)作業(yè)模式，具有“一機(jī)多功能”特點(diǎn)。圖4 所示為一臺(tái)具有泥水式、土壓平衡式和 TBM 等3 種工作模式的復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，也可稱為三模式盾構(gòu)機(jī)[14]。而在實(shí)際工程中，雙模式盾構(gòu)機(jī)應(yīng)用比較廣泛。根據(jù)其對(duì)不同地層的適應(yīng)性，可將雙模式盾構(gòu)機(jī)分為三類：土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)、泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)和土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)。

圖4 具有 3 種工作模式的復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)Fig.4 Complex composite shield with three working modes

3.2.1 土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)

土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)實(shí)際上是單護(hù)盾 TBM 與土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的結(jié)合體。該類型雙模盾構(gòu)機(jī)既能在中硬巖地層中高速順利掘進(jìn)，也能夠在不良地層中正常施工[15]。因此，當(dāng)隧道區(qū)間內(nèi)開挖斷面上同時(shí)存在軟土及軟巖、中等堅(jiān)硬、堅(jiān)硬巖地質(zhì)時(shí)，適宜采用土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。

土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)在土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)采用螺旋輸送機(jī)出渣，而在 TBM 模式掘進(jìn)時(shí)采用中心帶式輸送機(jī)或中心螺旋機(jī)出渣，2 種出渣模式特點(diǎn)如表5 所列。基于此，可將土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)分為中心帶式輸送機(jī)土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī) (見圖5)和中心螺旋輸送機(jī)土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)兩類 (見圖6)[16-17]。

圖5 中心帶式輸送機(jī)布置示意Fig.5 Layout of belt conveyor

圖6 中心螺旋機(jī)布置示意Fig.6 Layout of screw machine

表5 中心帶式輸送機(jī)式出渣和中心螺旋機(jī)式出渣模式特點(diǎn)Tab.5 Characteristics of slag discharge modes in belt conveyor type and screw machine type

3.2.1.1 出渣方式對(duì)比

土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī) 2 種出渣方式的選擇需從施工地質(zhì)條件、施工效果及施工成本等多方面考慮，這兩類土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)施工特性的對(duì)比如表6所列[18]。

表6 中心帶式輸送機(jī)式和中心螺旋機(jī)式雙模盾構(gòu)機(jī)施工特性對(duì)比Tab.6 Comparison of construction characteristics between belt conveyor type and screw machine type dual-mode shields

由表6 可以看出：當(dāng)存在富水破碎帶地層時(shí)，中心帶式輸送機(jī)主驅(qū)動(dòng)與帶式輸送機(jī)無法封閉，如遇到突泥突水，易導(dǎo)致主機(jī)積水，因此，不宜采用中心帶式輸送機(jī)土壓/TBM；當(dāng)遇到石英含量高、磨蝕性較強(qiáng)的硬巖時(shí)，會(huì)對(duì)螺旋輸送機(jī)造成較大的磨損，對(duì)于該類地層，可直接采用中心帶式輸送機(jī)土壓/TBM；當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件均適用于這 2 種出渣方式時(shí)，中心螺旋機(jī)土壓/TBM 相較于中心帶式輸送機(jī)土壓/TBM 轉(zhuǎn)換更方便，施工風(fēng)險(xiǎn)小，施工環(huán)境友好，設(shè)備故障少，設(shè)備成本低，宜選用中心螺旋機(jī)土壓/TBM。

3.2.1.2 應(yīng)用案例

(1) 工程概況 深圳地鐵十四號(hào)線布吉至石芽嶺區(qū)間隧道長 3 230 m，主要穿越強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化角巖層，并且區(qū)間還存在 2 條斷層破碎帶，屬于典型的復(fù)雜復(fù)合地層。分類統(tǒng)計(jì)各區(qū)段工程地質(zhì)參數(shù)與水文地質(zhì)參數(shù)，可將隧道劃分為9個(gè)區(qū)段，如圖7所示。各區(qū)段地質(zhì)條件參數(shù)如表7 所列[19]。

圖7 布吉至石芽嶺區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖Fig.7 Geological vertical sections from Buji Station to Shiyaling Station

表7 各區(qū)段地層參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.7 Statistics of strata parameters in each section

(2) 設(shè)備選型及施工特點(diǎn) 根據(jù)該區(qū)間各區(qū)段穿越地質(zhì)地層特點(diǎn)，施工設(shè)備選用 2 臺(tái)中心螺旋機(jī)土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)參數(shù)如表8 所列[17]。

表8 中心螺旋機(jī)土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)Tab.8 Main parameters of screw machine type shield with dual-mode of earth pressure/TBM

鑒于深圳地鐵 14 號(hào)線布吉站到石芽嶺站區(qū)間隧道全線巖層的風(fēng)化程度不一，單軸抗壓強(qiáng)度差異達(dá) 60 MPa 以上，因此，確定該區(qū)間隧道區(qū)段 1、區(qū)段 3、區(qū)段 5、區(qū)段 8、區(qū)段 9 采用土壓模式施工，區(qū)段 2、區(qū)段 4、區(qū)段 6、區(qū)段 7 采用 TBM 模式施工。中間風(fēng)井至布吉站隧道掘進(jìn)進(jìn)度如表9 所列。統(tǒng)計(jì)分析顯示，在 TBM 模式下平均日進(jìn)度為 3.0～ 4.2 環(huán)，土壓平衡模式下平均日進(jìn)度約為 4.5 環(huán)[20]。

表9 掘進(jìn)情況統(tǒng)計(jì)Tab.9 Statistics of tunneling

3.2.2 土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)

當(dāng)某段區(qū)間內(nèi)不存在硬巖地質(zhì)，但開挖斷面上軟土和軟巖地層自穩(wěn)性、水壓等分布不均勻時(shí)，一般采用土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)。土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、操作便捷、適應(yīng)性強(qiáng)、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。若施工土體自穩(wěn)性好，采用土壓模式可降低施工成本；當(dāng)土體自穩(wěn)性差，采用泥水模式可有效控制掘進(jìn)面穩(wěn)定，且對(duì)地表沉降控制要求高、高水壓下滲透較強(qiáng)及不穩(wěn)定地層中的隧道施工也具有較好的地質(zhì)適應(yīng)性[21]。

3.2.2.1 土壓/泥水盾構(gòu)機(jī)施工模式選擇

應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件的適應(yīng)性選擇土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)的施工模式，如表10 所列。

表10 土壓/泥水兩種模式下地層適應(yīng)性Tab.10 Strata adaptability under two modes of earth pressure/mud-water

由表10 可以看出，穿越城市居民區(qū)、周邊環(huán)境復(fù)雜及重要建筑物等對(duì)地表沉降要求較為嚴(yán)格的隧道 (洞)，且地層滲透系數(shù)≥10-4m/s、粉粒和黏粒含量 ≤40%、水壓 ≥0.3 MPa 的地質(zhì)，一般宜選用泥水平衡模式施工；而穿越以全斷面泥巖為主、地層細(xì)粒含量高的地層隧道，且地層滲透系數(shù)≤10-7m/s、粉粒和黏粒含量 ≥40%、水壓≤0.3 MPa 的地質(zhì)地層，宜選用土壓平衡模式施工；在不考慮其他因素的條件下，當(dāng)?shù)貙訚B透系數(shù)為 10-7～ 10-4m/s 時(shí)，采用土壓平衡或泥水平衡兩種掘進(jìn)模式均可[22]。

3.2.2.2 土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)出渣方式選擇

在施工過程中，根據(jù)出渣方式不同，土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)可分為并聯(lián)式土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī) (見圖8) 和串聯(lián)式土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī) (見圖9)，相應(yīng)的出渣方式及特點(diǎn)如表11 所列[23-25]。

圖8 并聯(lián)式出渣Fig.8 Slag discharge in parallel mode

圖9 串聯(lián)式出渣Fig.9 Slag discharge in series mode

表11 并聯(lián)式和串聯(lián)式土壓/泥水盾構(gòu)機(jī)出渣特點(diǎn)Tab.11 Characteristics of slag discharge in parallel mode and series mode for earth pressure/mud-water shield

土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)的 2 種出渣方式，主要體現(xiàn)在泥水平衡模式下渣土的排出方式，相對(duì)于串聯(lián)式出渣，并聯(lián)式出渣具有模式切換時(shí)無需拆裝部件，耗時(shí)短，以及泥水模式下大粒徑石塊可直接排出，無需使用破碎機(jī)或采石箱等優(yōu)點(diǎn)，因此，在進(jìn)行兩類盾構(gòu)機(jī)選型時(shí)，并聯(lián)式土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。

3.2.2.3 應(yīng)用案例

(1) 工程概況 南寧地鐵 5 號(hào)線五一立交站至新秀公園站區(qū)間 (以下簡稱五新區(qū)間)，盾構(gòu)機(jī)隧道全長2 098.086 m (YDK18+254.848～ YDK20+352.934)，區(qū)間平面如圖10 所示。區(qū)間沿線上有建筑物 22 棟，房屋建筑年代為 21 世紀(jì) 80—90 年代，基礎(chǔ)為磚混結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深為 1～ 2 m。遂道穿越地層多為粉細(xì)砂、圓礫等強(qiáng)透水地層，地層自穩(wěn)能力差，對(duì)地層敏感性較高。

圖10 五新區(qū)間平面位置示意圖Fig.10 Plan position diagram of sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

(2) 施工模式選擇及施工特點(diǎn) 根據(jù)五新區(qū)間地質(zhì)條件、地面建筑物特點(diǎn)，采用并聯(lián)式土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)。其中，地面有老舊建筑物，下穿粉細(xì)砂地層區(qū)間，須要精準(zhǔn)控制沉降，采用泥水平衡模式施工；穿越邕江段為全斷面泥巖地層，采用土壓平衡模式施工。該區(qū)間掘進(jìn)模式劃分如表12 所列[26]。

表12 五新區(qū)間掘進(jìn)模式劃分表Tab.12 Division of tunneling modes during sections from WUYI Overpass Station to XINXIU Park Station

根據(jù)以上分析，該雙模盾構(gòu)機(jī)分別在 YDK18 +896.849、YDK19+490.848 處進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。經(jīng)過一段時(shí)間的掘進(jìn)，該雙模盾構(gòu)機(jī)順利完成了泥水模式粉細(xì)砂地層穿越老舊建筑物群及土壓模式穿越邕江泥巖段掘進(jìn)任務(wù)。

3.2.3 泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)

當(dāng)某段區(qū)間內(nèi)開挖斷面上同時(shí)存在軟土以及軟巖地質(zhì)、中等堅(jiān)硬、堅(jiān)硬巖地質(zhì)，其中軟土和軟巖地層中水壓高且地層敏感性較強(qiáng)、自穩(wěn)能力差且軟硬巖分布不均勻時(shí)，宜采用泥水/TBM 雙模式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)集成了泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和單護(hù)盾 TBM 的功能和特性，融合了泥水平衡和單護(hù)盾 TBM 2 種開挖模式。在高水壓裂隙地層段，采用泥水平衡模式施工 (見圖11)，泥漿管道出渣；在無水或少水巖石地層段[23]，采用單護(hù)盾 TBM 模式施工 (見圖12)，帶式輸送機(jī)出渣。

圖11 泥水模式Fig.11 Mud-water balance model

圖12 單護(hù)盾 TBM 模式Fig.12 Single-shield TBM mode

(1) 工程概況 瑞士聯(lián)邦某鐵路隧道工程項(xiàng)目穿越地質(zhì)基本情況：隧道兩端洞口區(qū)段主要由富含地下水的松散沉積物構(gòu)成，中央段則為穩(wěn)定的巖層。包括兩端開口凹槽在內(nèi)，該隧洞的總長為 6 294 m，最陡坡度為 0.5%，隧洞最大埋深為 120 m。地質(zhì)概況如圖13 所示。

圖13 隧道工程地質(zhì)概況Fig.13 General geology of tunnel engineering

(2) 施工方案與設(shè)備選型 早期招標(biāo)時(shí)曾有建議，先降低含水層水位，然后用 2 臺(tái)敞開式 TBM 從東、西 2 個(gè)入口同時(shí)掘進(jìn)。但是要降低水位投資巨大，而且十分困難。由于土層和砂礫顆粒尺寸的高滲水性，在一開始就排除了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工方法。由于冰磧層的高磨耗，使用簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)會(huì)造成刀盤及刀具嚴(yán)重磨損。因此，中標(biāo)方案根據(jù)隧洞穿越 2種完全不同的地層情況，建議整條隧洞用 1 臺(tái)泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)施工。該復(fù)合盾構(gòu)機(jī)可在洞內(nèi)實(shí)現(xiàn)泥水系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成帶式運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)泥水循環(huán)到帶式輸送機(jī)出渣的模式轉(zhuǎn)換 (見圖14)。即在松散沉積土、淺埋深的巖石及混合地層中，采用泥水式盾構(gòu)機(jī)開挖，用泥水壓力平衡水和土的壓力，支撐開挖面；而在巖石區(qū)段，則采用敞開式 TBM 掘進(jìn)。隧洞從東邊開始掘進(jìn)，泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)開始以泥水方式運(yùn)行，到中心巖石區(qū)段時(shí)轉(zhuǎn)換成敞開式；中心巖石區(qū)段掘進(jìn)完成后，再轉(zhuǎn)換回到泥水工作方式[14]。

圖14 泥水/TBM 雙模盾構(gòu)Fig.14 Shield with dual-mode of mud-water/TBM

該復(fù)合盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際掘進(jìn)速度從 2 cm/min 至 5 cm/min，最高達(dá) 30 m/d，每星期平均掘進(jìn) 80 m。從一種工作模式轉(zhuǎn)換到另一種工作模式，只需 1 個(gè)工作日就可以完成。經(jīng)過施工實(shí)踐，證明選擇的機(jī)型正確。

4 結(jié)語

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工地質(zhì)可分為斷面復(fù)合地層和軸線復(fù)合地層兩類。其中斷面復(fù)合地層是指在開挖斷面上存在“巖”“土”的互層；軸線復(fù)合地層是指沿隧道軸線一定長度段地層以土質(zhì)為主，一定長度段地層以巖石質(zhì)為主。

用于斷面復(fù)合地層施工的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)稱為簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，簡單復(fù)合盾構(gòu)機(jī)分為簡單復(fù)合泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和簡單復(fù)合土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。對(duì)于軸線復(fù)合地層，當(dāng)軸線上土質(zhì)地層段和巖石質(zhì)地層段都較長時(shí)，可采用盾構(gòu)機(jī)和 TBM 分別施工；土質(zhì)地層段和巖石質(zhì)地層段的長度不足以分別采用盾構(gòu)機(jī)和 TBM施工時(shí)，宜采用復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)施工。

復(fù)雜復(fù)合盾構(gòu)機(jī)分為多模盾構(gòu)機(jī)和雙模盾構(gòu)機(jī)，其中多模盾構(gòu)機(jī)一般是指土壓/泥水/TBM 多模盾構(gòu)機(jī)，雙模盾構(gòu)機(jī)分別為土壓/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)、土壓/泥水雙模盾構(gòu)機(jī)和泥水/TBM 雙模盾構(gòu)機(jī)等 3 種類型。