硬巖段雙模盾構(gòu)TBM-EPB施工優(yōu)越性分析

張永義，羅偉庭，陳澤，劉浩，李剛,3，于廣明

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.中國(guó)建筑第五工程局有限公司 華南公司，廣東 廣州 510000；3.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，山東 青島 266109)

復(fù)合地質(zhì)條件下盾構(gòu)施工地層差異性顯著，單一盾構(gòu)模式往往無(wú)法完全適應(yīng)多變的地層條件，而雙模盾構(gòu)不僅為隧道在復(fù)合地層中的施工安全性難題的解決提供契機(jī)，而且相應(yīng)地提高了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率。國(guó)內(nèi)部分學(xué)者依據(jù)工程實(shí)例開(kāi)展了研究，因研究時(shí)間尚短，關(guān)于雙模盾構(gòu)TBM-EPB掘進(jìn)性能的研究處于初步階段，未能對(duì)雙模盾構(gòu)硬巖段TBM模式與EPB模式的掘進(jìn)效率進(jìn)行系統(tǒng)分析，例如：何川等[1]依托南寧市軌道交通5號(hào)線五一立交站—新秀公園站區(qū)間隧道工程，對(duì)比分析不同地質(zhì)段和不同模式段的掘進(jìn)參數(shù)變化。王炳華等[2]分析了富水圓礫和泥巖互層地質(zhì)條件下盾構(gòu)始發(fā)、復(fù)雜多變復(fù)合地層掘進(jìn)、淺埋高水壓水下段盾構(gòu)掘進(jìn)、帶-常壓開(kāi)倉(cāng)和盾構(gòu)接收等重難點(diǎn)工程，并基于現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了左線泥水盾構(gòu)和右線泥水-土壓雙模盾構(gòu)在不同地層中的掘進(jìn)效率。陶冶等[3]依托武漢地鐵4號(hào)線泥水平衡盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，并討論了各個(gè)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)效率的敏感程度。王相東[4]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)的影響因素進(jìn)行分析，重點(diǎn)探討阻礙盾構(gòu)施工效率的因素。管會(huì)生等[5-6]分析計(jì)算雙模式盾構(gòu)在2種掘進(jìn)模式下的最大切深、土艙壓力以及盾構(gòu)推力、刀盤(pán)扭矩等關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)。華夏等[7]初步分析出盾構(gòu)機(jī)在穿越黃河不同地質(zhì)情況和工況下的施工效率。占傳忠[8]以廣州地鐵6號(hào)線盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)為例，對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)以及其相互關(guān)系進(jìn)行了分析。王強(qiáng)[9]建立了復(fù)雜富水地層下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度與刀盤(pán)扭矩的數(shù)學(xué)模型，得出盾構(gòu)機(jī)各個(gè)掘進(jìn)參數(shù)之間具有一定的關(guān)聯(lián)性。鄭剛等[10]通過(guò)研究得出，盾構(gòu)機(jī)各個(gè)掘進(jìn)參數(shù)之間具有一定的相關(guān)性。綜上所述，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)雙模盾構(gòu)的研究?jī)?nèi)容主要為泥水盾構(gòu)和土壓平衡模式下的盾構(gòu)掘進(jìn)性能，未對(duì)硬巖段TBM模式與EPB模式掘進(jìn)性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文將依托深圳地鐵13號(hào)線留風(fēng)區(qū)間雙模盾構(gòu)工程實(shí)例，從硬巖段TBM模式及EPB模式掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比分析該工程硬巖段雙模盾構(gòu)TBM-EPB的掘進(jìn)性能。

1 深圳地鐵13號(hào)線留仙洞站—中間風(fēng)井工程概況

深圳市地鐵13號(hào)線留仙洞站—中間風(fēng)井區(qū)間盾構(gòu)隧道工程由留仙洞站始發(fā)，采用雙模盾構(gòu)TBM-EPB穿越軟硬復(fù)合地層至中間風(fēng)井接收，其中留—風(fēng)區(qū)間左線隧道TBM-EPB雙模盾構(gòu)掘進(jìn)地層縱向剖面圖如圖1所示。由圖可得，TBM模式穿越地層主要為微風(fēng)化混合花崗巖， EPB模式穿越地層包括微風(fēng)化混合花崗巖、中風(fēng)化混合花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖，掘進(jìn)過(guò)程中各地層穿插分布。綜上所述，TBM模式與EPB模式掘進(jìn)地層均包含微風(fēng)化混合花崗巖即硬巖段，可為本文研究?jī)煞N模式在硬巖段中的掘進(jìn)參數(shù)分析提供數(shù)據(jù)來(lái)源。

圖1 留仙洞站—中間風(fēng)井區(qū)間地質(zhì)剖面圖

2 硬巖段雙模盾構(gòu)TBM-EPB掘進(jìn)參數(shù)分析

由圖1留仙洞站—中間風(fēng)井區(qū)間地質(zhì)剖面圖可知，本工程隧道穿越的地質(zhì)條件為長(zhǎng)距離軟硬復(fù)合地層，考慮到地層的復(fù)雜性及TBM模式、EPB模式的適用范圍，采用雙模盾構(gòu)TBM-EPB來(lái)滿(mǎn)足地層掘進(jìn)安全高效的要求。因此，基于盾構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用物理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)比分析TBM模式、EPB模式在硬巖段的掘進(jìn)參數(shù)，得出TBM模式相較于EPB模式的提升程度，并從盾構(gòu)掘進(jìn)效率方面對(duì)比分析在硬巖段掘進(jìn)時(shí)TBM模式相較于EPB模式施工的優(yōu)越性。

其中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)主要包括出土量V、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩T、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度v、盾構(gòu)機(jī)液壓推力F、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速ω、刀盤(pán)貫入度y以及刀盤(pán)磨損度等，這些參數(shù)直接影響著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率以及能耗，且在盾構(gòu)機(jī)的施工過(guò)程中很難一一調(diào)整并保持其穩(wěn)定[11-15]；因此，根據(jù)現(xiàn)有研究成果以及本工程的施工特點(diǎn)，選取盾構(gòu)機(jī)的出土量V、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩T、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度v、盾構(gòu)機(jī)液壓推力F、盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速ω以及刀盤(pán)貫入度y六個(gè)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)硬巖段TBM模式、EPB模式的掘進(jìn)性能進(jìn)行分析，其中兩種模式的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 TBM模式硬巖段掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 EPB模式硬巖段掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.1 硬巖段TBM模式、EPB模式出土量對(duì)比分析

根據(jù)表1、表2中TBM模式、EPB模式下盾構(gòu)機(jī)出土量的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制兩種模式下的出土量對(duì)比圖，如圖2所示(為更好地比較掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律，假定不同模式的環(huán)數(shù)互不干擾， 即不同模式的環(huán)數(shù)均為從第1環(huán)開(kāi)始)。隧道硬巖段分別采用兩種模式掘進(jìn)時(shí)，渣土的輸出量基本保持穩(wěn)定，TBM模式的渣土輸出量較EPB模式多0.5～0.8 m3左右，這是由于EPB模式下掌子面巖土體破碎后先進(jìn)入土倉(cāng)隨后通過(guò)螺旋輸送機(jī)運(yùn)出，導(dǎo)致少量渣土留置在土倉(cāng)內(nèi)，造成挖掘的巖土體無(wú)法全部排出，故EPB模式的出土量V與TBM模式相差0.5～0.8 m3左右。

圖2 不同模式下硬巖段出土量對(duì)比圖

2.2 硬巖段TBM模式、EPB模式掘進(jìn)速度分析

根據(jù)兩種模式下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度監(jiān)測(cè)數(shù)值，選取地質(zhì)條件相似的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，取其平均值，見(jiàn)表1、表2。繪制兩種模式下的掘進(jìn)速度對(duì)比圖，如圖3所示。由圖3可知，TBM模式下的掘進(jìn)速度數(shù)值普遍高于EPB模式下的掘進(jìn)速度，由此可說(shuō)明TBM模式掘進(jìn)速度相較于EPB模式有著明顯的提升。TBM模式掘進(jìn)速度基本保持在21～40 mm/min范圍內(nèi)，EPB模式的掘進(jìn)速度則基本保持在8～25 mm/min范圍內(nèi)，TBM模式掘進(jìn)速度最低值與EPB模式的掘進(jìn)速度最高值較為接近，這說(shuō)明在相同推力作用下，TBM模式的能源利用率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于EPB模式。經(jīng)過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)可得，EPB模式、TBM模式同等掘進(jìn)距離下掘進(jìn)速度的平均值分別為18.09 mm/min、28.27 mm/min，TBM模式掘進(jìn)速度相較EPB模式增長(zhǎng)約56.3%。分析認(rèn)為T(mén)BM模式為敞開(kāi)式，渣土不需要經(jīng)過(guò)土倉(cāng)，且TBM模式的出渣方式較EPB模式更適合于硬巖地層，進(jìn)而使得TBM模式硬巖渣土運(yùn)出速度優(yōu)于EPB模式，故TBM模式在硬巖段的掘進(jìn)速度明顯優(yōu)于EPB模式。

圖3 不同模式下硬巖段掘進(jìn)速度對(duì)比圖

2.3 硬巖段TBM模式、EPB模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及貫入度分析

選取與掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)相同環(huán)號(hào)下的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速值，取各環(huán)號(hào)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速平均值，見(jiàn)表1、表2。繪制兩種模式下的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化圖，如圖4所示。通過(guò)對(duì)比可知，EPB模式比TBM模式的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化較為頻繁，且EPB模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化幅度超過(guò)TBM模式，但總體來(lái)說(shuō)，兩種模式下的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算可得，兩種模式下刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的平均值分別為2.5 r/min和1.65 r/min，TBM模式相較于EPB模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速提升51.5%左右，這表明在相同的時(shí)間內(nèi)TBM模式比EPB模式的刀盤(pán)、刀具在巖土體中的旋轉(zhuǎn)周期降低了一半左右， 與掘進(jìn)平均速率的提升程度基本保持一致。由圖5可知，TBM模式、EPB模式的刀盤(pán)貫入度數(shù)值總體來(lái)說(shuō)波動(dòng)較為明顯，在第1～16環(huán)管片范圍內(nèi)，兩種模式下刀盤(pán)貫入度變化規(guī)律呈現(xiàn)出一定的一致性，其變化規(guī)律與掘進(jìn)速度在該段的變化規(guī)律呈正相關(guān)的關(guān)系，且該段貫入度的變化規(guī)律與刀盤(pán)貫入度的定義也基本一致。在15環(huán)～54環(huán)管片范圍內(nèi)，EPB模式的貫入度數(shù)值波動(dòng)程度要明顯高于TBM模式的貫入度，且根據(jù)貫入度的定義可知，在刀盤(pán)轉(zhuǎn)速基本不變的情況下，刀盤(pán)貫入度的變化程度可間接反映盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度的變化程度，間接證明了兩種模式下盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的差異性，從而進(jìn)一步說(shuō)明TBM模式較EPB模式更適應(yīng)硬巖地層，雙模盾構(gòu)的掘進(jìn)性能要明顯優(yōu)于單一的EPB模式。TBM模式、EPB模式的刀盤(pán)貫入度平均值分別為11.4 mm、11.1 mm，兩者僅相差0.3 mm，分析認(rèn)為由于EPB模式推力平均值高于TBM模式63 t，EPB模式刀盤(pán)扭矩普遍高于TBM模式，但由于TBM模式出渣方式由于EPB模式，且二者所用的刀盤(pán)、刀具較為相似，故兩者之間貫入度平均值差距不大。

圖4 不同模式下硬巖段刀盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)比圖

圖5 不同模式下硬巖段刀盤(pán)貫入度對(duì)比圖

2.4 硬巖段TBM模式、EPB模式刀盤(pán)扭矩分析

根據(jù)表1、表2中TBM模式、EPB模式刀盤(pán)扭矩?cái)?shù)值繪制兩種模式下的扭矩對(duì)比圖。由圖6可知，硬巖段兩種模式下的刀盤(pán)扭矩變化規(guī)律既有一致性，又有差異性:其一致性表現(xiàn)在兩種模式的刀盤(pán)扭矩大多處于離散狀態(tài)，且扭矩隨著環(huán)數(shù)的變化呈現(xiàn)出上下波動(dòng)的狀態(tài)，無(wú)明顯的變化規(guī)律;其差異性則首先表現(xiàn)在EPB模式的刀盤(pán)扭矩大多高于TBM模式的刀盤(pán)扭矩，這意味著EPB模式的刀盤(pán)、刀具的驅(qū)動(dòng)功率普遍高于TBM模式。由圖4、圖6可知，扭矩的增加未引起刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，這極大程度上造成能源的不必要消耗。EPB模式的刀盤(pán)扭矩的波動(dòng)程度明顯高于TBM模式，不利于隧道掘進(jìn)的安全穩(wěn)定，引起這種現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸谟矌r地層中，EPB模式切削的渣土塊狀不均勻或者渣土改良效果不一致，使刀盤(pán)扭矩更容易產(chǎn)生不均勻變化[1]。EPB模式扭矩最大值和最小值分別為3 015 kN·m和890 kN·m，平均值為2 011.6 kN·m，TBM模式平均值為1 300.7 kN·m，相對(duì)于EPB模式，扭矩平均值降低了約35.5%。綜上所述，TBM模式在硬巖段的刀盤(pán)扭矩明顯低于EPB模式，且能耗也相對(duì)較低。

圖6 不同模式下硬巖段刀盤(pán)扭矩對(duì)比圖

2.5 硬巖段TBM模式、EPB模式盾構(gòu)推力分析

根據(jù)表1、表2中TBM模式、EPB模式的盾構(gòu)推力繪制兩種模式下的推力變化圖，如圖7所示。通過(guò)對(duì)比分析可知，兩種模式下的盾構(gòu)推力變化基本保持上下浮動(dòng)狀態(tài)，且數(shù)值大多介于1 000 ～1 500 t范圍內(nèi)。TBM模式前期推力變化幅度較小，后期變化幅度較大，推測(cè)這可能是由于前期盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)地層單一，后期地層較為復(fù)雜，為適應(yīng)地層變化，盾構(gòu)推力相應(yīng)地調(diào)整，而EPB模式推力自始至終呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)律變化，說(shuō)明該模式掘進(jìn)的地層較TBM模式更加復(fù)雜，引起渣土運(yùn)輸不及時(shí)，造成土倉(cāng)內(nèi)渣土量變化較為復(fù)雜，進(jìn)而導(dǎo)致土倉(cāng)壓力變化復(fù)雜。由圖7中的數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可得，TBM模式、EPB模式推力平均值為1 315.1、1 252.5 t，EPB模式的總推力平均值相較于TBM模式偏高62.6 t，TBM模式、EPB模式的最大推力值分別為2 147 、2 500 t，這可能是由于EPB模式盾體與圍巖摩擦力較大，造成盾構(gòu)推力值為盾體摩擦力等與盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)所需推力值之和。由圖3、圖7綜合分析可得，TBM模式在保持快速掘進(jìn)的同時(shí)所需的推力更小，而EPB模式雖增加了推力卻沒(méi)有達(dá)到提高掘進(jìn)速度的效果，且在較大推力作用力下極易導(dǎo)致刀盤(pán)刀具的磨損程度增加。綜上所述，TBM模式在硬巖段的表現(xiàn)明顯優(yōu)于EPB模式。

圖7 不同模式下硬巖段盾構(gòu)機(jī)推力對(duì)比圖

根據(jù)圖3、圖4并結(jié)合相關(guān)學(xué)者[13-15]的研究，定義掘進(jìn)速度v和刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度ω的乘積作為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率η的評(píng)價(jià)指標(biāo)，見(jiàn)式(1)：

(1)

式中E表示盾構(gòu)機(jī)能耗。假定兩種模式下的能耗E相等，將不同模式下的v、ω平均值分別代入可得，EPB模式的平均掘進(jìn)效率比TBM模式降低了至少230%左右。由此可以看出，在硬巖段采用盾構(gòu)法施工時(shí)，相比于EPB模式而言，TBM模式施工掘進(jìn)效率有著明顯的提升。

綜上所述，統(tǒng)計(jì)對(duì)比硬巖段不同模式下的掘進(jìn)參數(shù)，具體統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1、圖2—圖7可知，在硬巖段施工時(shí)，TBM模式掘進(jìn)效率明顯高于EPB模式，刀盤(pán)的扭矩較EPB模式有著明顯的降低，且TBM模式刀盤(pán)貫入度穩(wěn)定性明顯優(yōu)于EPB模式，故針對(duì)本工程遇到的硬巖地層，采用TBM模式施工時(shí)的掘進(jìn)性能明顯優(yōu)于EPB模式的掘進(jìn)性能。

表3 硬巖段不同模式掘進(jìn)參數(shù)均值對(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)硬巖段TBM模式、EPB模式的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行定性分析，得出如下結(jié)論：

1)TBM模式、EPB模式的出土量差值范圍在0.5～0.8 m3左右，分析認(rèn)為這是由于EPB模式掌子面巖土體破碎后進(jìn)入土倉(cāng)，從土倉(cāng)運(yùn)出的過(guò)程中，少量渣土由于施工不當(dāng)留在土倉(cāng)內(nèi)，故兩種模式下的出土量有一定的差值，但差值不大。

2)硬巖段TBM模式下的掘進(jìn)速度相較于EPB模式有著明顯的提升，TBM模式掘進(jìn)平均速度相較EPB模式增長(zhǎng)約56.3%。

3)TBM模式、EPB模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律較為一致，基本保持平穩(wěn)狀態(tài)，但TBM模式相較于EPB模式刀盤(pán)轉(zhuǎn)速提升51.5%左右，說(shuō)明TBM模式刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)周期較EPB模式縮短一半左右。

4)TBM模式、EPB模式的刀盤(pán)貫入度數(shù)值波動(dòng)較為明顯，在1～16環(huán)管片范圍內(nèi)，兩種模式下刀盤(pán)貫入度變化規(guī)律呈現(xiàn)出一定的一致性，其變化規(guī)律與掘進(jìn)速度在該段的變化規(guī)律呈正相關(guān)，在15環(huán)～54環(huán)管片范圍內(nèi)，EPB模式的貫入度數(shù)值波動(dòng)程度要明顯高于TBM模式的貫入度，但TBM模式、EPB模式的刀盤(pán)貫入度平均值僅相差0.3 mm左右。

5)與EPB模式相比，TBM模式刀盤(pán)扭矩平均值降低了約35.5%左右，不僅減少了刀盤(pán)、刀具與掌子面巖土體的摩擦程度，而且在一定程度上降低了盾構(gòu)機(jī)能耗。

綜上所述，EPB模式的掘進(jìn)效率比TBM模式降低了至少230%。經(jīng)過(guò)綜合考慮，針對(duì)本工程前期遇到的硬巖地層，采用TBM模式施工時(shí)的掘進(jìn)性能要明顯優(yōu)于EPB模式的掘進(jìn)性能。