氣墊式泥水—土壓雙模盾構快速轉換技術

孟慶軍，陳 凡，周 峰，王士民，賈少東，姚超凡，劉川昆

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031; 2.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西南寧 530029)

目前國內地鐵隧道施工所用的盾構機，主要分為兩種：土壓平衡盾構機和泥水平衡盾構機。土壓平衡盾構機適合于相對穩定的地層，在掘進速度、造價和成本方面有優勢；泥水式平衡盾構機在開挖面穩定性、沉降控制、耐高水壓性能和刀盤阻力方面有優勢[1-4]。隨著我國城市地鐵隧道的大規模興建，盾構隧道將穿越更加復雜多變的地層。單一的盾構機模式將無法適應多變的復合地層，造成工期延長，工程成本增加[5-8]。因此，雙模式盾構施工技術應運而生。雙模盾構施工中，盾構模式的轉換是控制掘進效率的關鍵技術之一[9-12]。

本文以南寧市軌道交通5號線一期工程為背景，介紹一種氣墊式泥水—土壓雙模盾構機的盾構模式快速轉換技術，以期為國內外類似工程提供參考。

1 工程概況

南寧市軌道交通5號線一期工程五—新區間(五一立交站至新秀公園站)，位于南寧市江南區，穿越邕江(圖1)，區間隧道起止里程為CK18+254.848～CK20+352.934，左線長2 091.9 m，右線長2 098.1 m，全長共4 190 m。根據區間地勘報告，區間隧道主要穿越地層為：③1粉土、④1-1粉細砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3粉砂質泥巖及⑦2-3泥質粉砂巖，其中江南段施工地層多為粉土/粉細砂、粉細砂/圓礫、粉土/圓礫、圓礫/泥巖等復合地層，邕江段施工地層為全斷面泥巖地層，江北段施工地層為全斷面圓礫、圓礫/泥巖、粉土/圓礫復合地層(圖1)。

圖1 五—新區間平面和剖面

2 氣墊式泥水—土壓雙模盾構機

本區間穿越復雜多變的復合地層，右線隧道采用1臺氣墊式泥水/土壓雙模盾構機掘進施工，如圖2所示。盾構機除采用直排式泥水盾構技術外，另增設氣墊倉以有效緩沖土倉內壓力波動。盾構機的開挖直徑為6 280 mm，刀盤轉速0～0.35 r/min，刀盤開口率45 %，最大推力3 991 t，額定扭矩6 650 kN·m。

圖2 泥水—土壓雙模盾構機主機布置

本工程采用的氣墊式泥水—土壓雙模盾構機主要有如下技術特點：

(1)主驅動：液壓驅動，總功率945 kW，主驅動傳動效率高，系統具備運行可靠、免維護、噪音低、發熱小、省電等優勢；采用外齒驅動，傳動平穩。

(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1 MPa。

(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：被動鉸接形式。

(5)液壓系統：模塊式+集成式。

(6)注漿系統：采用同步單、雙液注漿系統，可有效控制地面沉降。

(7)環流系統：，設置正送模式，旁通模式，反沖洗模式，設有P0泵內循環系統。

(8)皮帶系統：帶寬800 mm，輸送能力555 m3/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。

3 雙模盾構快速轉換技術

本部分內容主要從雙模盾構的轉換原則、泥水模式轉土壓模式和土壓模式轉泥水模式，三個方面詳細闡述氣墊式泥水—土壓雙模盾構機的快速轉換技術。盾構機的系統如圖3所示。

圖3 系統示意

3.1 模式轉換的原則

雙模式盾構機在模式轉換的過程中，核心的原則是控制掌子面壓力的穩定。轉換過程中掌子面若出現壓力失穩，會造成地面的坍塌或者隆起，帶來極大的施工風險。其次，為滿足快速施工的需要，轉換效率也是轉換技術的評價指標之一。

3.2 泥水模式轉土壓模式

泥水模式轉土壓模式如圖4所示，具體操作步驟如下：

圖4 泥水模式轉土壓模式示意

步驟1：即將到達預定切換點時，降低刀盤轉速至0.5 r/min，降低推進速度(建議不超過20 mm/min)。到達預定切換點時停止掘進，關閉倉內氣壓聯通管、中部氣壓聯通管，泥水循環系統運行機內旁通模式。

步驟2：在機內旁通模式下打開土倉進漿球閥F11，盾構機按照0.5 r/min的轉速，緩慢推進(建議推進速度不超過20 mm/min)，開始進行土倉堆渣。此時，不啟動螺旋輸送機。隨著推進的緩慢進行，渣土不斷堆積，需要排出土倉中原有的泥漿，以避免土倉壓力的升高，打開土倉進漿球閥F11，將主機段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。注意觀察土倉壓力，使掘進速度與排渣速度相匹配，穩定土倉壓力。

步驟3：隨著盾構緩慢推進，土倉中渣土堆積越來越高，預估已經堆積的渣土量已經到達進漿口時，打開上部土倉探測管，如果沒有漿液流出(如果有漿液流出需要現場技術人員判斷是否適合土壓推進)，停止推進，關閉球閥F11，停止運行泥水循環系統。環流系統停止后，可以通過隔板上土倉聯通管、進漿口、排漿口上預留的支口注入盾尾油脂，對上述管路進行填充，減小土壓模式下堵塞的概率。在注入盾尾油脂的同時，注意利用上部探測管進行間歇性的泄壓，穩定土倉壓力。

步驟4：打開螺旋輸送機前后閘門，運行螺旋輸送機、皮帶機，開始運行土壓模式緩慢推進，待運轉穩定后，即可進行正常推進。注意觀察螺旋輸送機出土口渣土狀態，剛置換完成后渣土狀態可能處于流塑狀，會出現短暫的噴涌現象，如果噴涌嚴重需繼續置換，直到適合土壓掘進。

3.3 土壓模式轉泥水模式

土壓模式轉泥水模式如圖5所示，具體操作步驟如下：

步驟1：在土壓模式下掘進，即將到達預定切換點時，降低刀盤轉速至0.5 r/min，降低推進速度(建議不超過20 mm/min)。到達預切換點后，停止掘進，準備模式切換。為增強渣土被泥漿置換過程中土倉氣密性，停機之前，可以適當增加土倉膨潤土注入，一方面增強渣土的流動性，另一方面可以在掌子面形成一層薄泥膜。

步驟2：刀盤原地緩慢攪拌，打開螺旋輸送機前閘門，并啟動螺旋輸送機，轉速2～3 r/min，打開出土閘門，慢慢出土，此時要特別注意觀察土倉壓力變化，土倉壓力保持在P±0.1 bar。在慢慢出土的過程中，可以試運行泥水循環系統機內旁通模式，確保整個泥水循環系統運行正常，狀態穩定。為了維持掌子面的壓力穩定，如果地層穩定或者掌子面建立了良好的泥膜，在螺旋輸送機出土，土倉渣土下降的過程中，可以利用SAMSON系統向氣墊倉內注入壓縮空氣，并通過頂部連通管傳遞到土倉中，以此維持土倉壓力的穩定。另外如果地層不穩定或者處于安全風險的考慮也可以采用膨潤土置換的方式排渣。在螺旋輸送機緩慢出土之前，要對土倉內渣土的方量進行預估。一方面該過程是連續過程，需要安排好渣車運輸方案；另一方面需要預估倉內剩余渣土量，方便進行下一步操作。

圖5 土壓模式轉泥水模式示意

步驟3：在土倉內剩余渣土量約為預估土倉渣土量的1/3時，螺旋輸送機停止轉動，關閉螺旋輸送機出渣門，開始運行泥水循環系統機內旁通模式并打開自動閥門F8向土倉內灌漿，同時利用頂部連通管，將土倉中的壓縮空氣傳遞到氣墊倉中，并用SAMSON系統維持氣壓的穩定。運行旁通時，注意進漿壓力的調整，協調好進漿速度與SAMSON系統的排氣能力，維持土壓壓力穩定。在運行泥水循環系統時，注意上位機上的液位屏蔽，切斷環流系統與液位之間的連鎖關系。在打開F8之前，需要對隔板進漿口進行機械疏通，確保進漿口沒有完全堵塞。

步驟4：隨著灌漿的進行，土倉中的泥漿通過頂部連通管進去氣墊倉中，此時通過拉繩液位傳感器來觀察氣墊倉中的液位變化。液位到達0～+0.8 m之間時，關閉頂部連通管，停止灌漿，環流系統切換到機內旁通模式。切換到機內旁通模式之后需要對倉內氣壓聯通管、倉外中部氣壓聯通管、隔板主排漿口進行機械疏通，確保以上各管路沒有完全堵塞。

步驟5：打開倉內氣壓聯通管、倉外中部氣壓聯通管，在機內旁通模式下，打開土倉進漿管路、排漿管路，觀察氣墊倉液位變化，以此確定氣壓聯通管路、主機段排漿管路是否通暢。

步驟6：在確認氣壓聯通管、進排漿管路均通暢后，開啟氣墊倉進漿管，關閉機內旁通管路，切換到正常掘進模式，加快刀盤轉速至掘進速度，盾構機低速前進，逐步增加進、排漿流量并監測分離站出渣情況。

4 結束語

本文以南寧市軌道交通5號線區間隧道為工程背景，介紹一種氣墊式泥水—土壓雙模盾構機的盾構模式快速轉換技術，詳細闡述了模式轉換的原則、土壓轉泥水模式和泥水轉土壓模式的操作步驟，以期為國內外類似工程提供參考。