地鐵工程建設中的土壓/TBM雙模式盾構洞內轉換刀盤技術

胡向陽，楊亞培，劉記，李文奇，吳川

（中鐵隧道集團三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 引言

隧道施工現場的地質條件錯綜復雜，加之安全文明施工和高效率施工要求的逐步提高，單一掘進模式在隧道工程中可行性不足的局限性逐步顯現。TBM隧道掘進機是隧道工程中的重要設備，用主機皮帶機出渣，但若施工期間存在局部富水的特殊條件，易由于防控不當而誘發噴涌、噴砂等事故。相比敞開式的TBM隧道掘進機，土壓盾構屬于封閉形式，出渣由螺旋輸送機完成，但現場存在全斷面硬巖地層時，該模式的適用性不足，掘進效率偏低。可見，兩種方式均有各自的應用優劣勢，為適應不同地層條件，可考慮雙模式盾構的方案。

2 多模式盾構概述

縱觀現階段的隧道盾構施工技術，常見的有土壓平衡盾構、硬巖掘進機（TBM）和泥水平衡盾構3類，各自對地層的適用范圍有所不同。隧道掘進期間所遇地層條件普遍復雜，僅采用單一設備可能由于設備在某些地層的適應性不強而出現質量問題乃至安全問題。

為了適應復雜多變的地質條件，可以考慮雙模式乃至多模式盾構的方案，集多項盾構方式的優勢于一體，有效盾構掘進。多模式盾構是一項優質的工程資源整合方案，將土壓和泥水平衡盾構的功能部件集為一體，共同布置在單臺盾構上，其集成了兩種乃至更多的盾構模式，可以根據現場地質條件靈活切換，以安全盾構為基本前提，實現高效率和高效益的盾構目標[1-2]。

3 雙模式土壓/TBM與單護盾TBM的多角度對比分析

1）適應性的對比分析。單護盾TBM在全斷面硬巖地層中具有可行性，雙模式土壓/TBM在敞開模式下運行時，出渣采取和單護盾TBM相同的方法；若現場為軟土地層，在雙模式的方案中采用土壓模式時，可適應軟土地層，相比之下單護盾的盾構效果較差。

2）掘進效率的對比分析。從刀盤轉速來看，雙模式土壓/TBM略低于單護盾TBM，若現場為硬巖地層，前者的掘進效率較低，但相比于單一模式的土壓或TBM盾構，仍具有較高的掘進效率，通常可提升1.2～1.5倍。

3）成本的對比分析。從施工成本的角度來看，兩者均采用敞開模式，成本投入基本一致。進一步考慮設備成本，相比雙模式土壓/TBM的設備成本，單護盾TBM約為該值的1.5倍，因此，認為雙模式土壓/TBM的成本控制效果更佳。

4 項目概況

廣州地鐵軌道交通某區間全長約2 229.3 m，盾構掘進采用的是2臺土壓平衡/TBM雙模盾構。盾構從始發站始發，從接收井吊出。盾構首先采取TBM模式，以便適應微風化混合花崗巖地質條件，在該處掘進285 m；隨后調整為土壓平衡模式，于強風化混合花崗巖中掘進400.6 m；再調整為TBM模式，在微風化混合花崗巖中掘進1 543.7 m，到達接收井。整個區間的地質條件復雜，硬巖和軟巖的地層分界面明顯，在采取雙模式的盾構方案后，可根據現場地質條件及時調整盾構方法，在硬巖層和軟巖層快速切換盾構模式，既保證盾構安全，又提高盾構效率，在指定工期內保質保量完成盾構作業。

5 模式轉換位置的選擇

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

根據前述提及的條件，在施工中加強現場勘察，全面分析，在確認條件適宜時方可轉換盾構模式。其中，區間右線279～281 m隧道拱頂埋深達35.215 m，全斷面微風化混合花崗巖可作為轉換位置。

1）模式轉換位置的掌子面前方為15 m長的全斷面硬巖，刀盤上方為8 m厚的硬巖，該處詳勘點埋深為26.9 m處為微風化混合花崗巖。

2）在279～281 m周邊補勘點埋深27.0 m以下為微風化花崗巖，此項補勘資料與詳勘內容保持一致。

3）加強對地面的觀察，發現在279～281 m處地面周邊并未建設重要的建（構）筑物，且影響范圍內未分布管線。

4）隨著盾構掘進的持續進行，達到279 m時安排進艙檢查，以便更加準確地判斷現場作業條件。結果發現，掌子面為全斷面硬巖，倉內底部有少量積水。經綜合分析，認為右線279 m處具備盾構模式轉換的條件，因此，在該處安排模式轉換。

6 模式轉換的流程及具體技術

6.1 模式轉換流程

TBM模式轉土壓平衡模式以階段性的方式完成：

第一階段：拆除TBM專用設施，包含刀盤刮渣板、格柵板、主機皮帶機等。

第二階段：安裝土壓平衡模式的配套專用設施，包含螺旋輸送機、中心回轉接頭等。

第三階段：調試、檢驗土壓平衡模式的運行狀態，以便在該模式下有效掘進。

6.2 準備工作

1）設備的配套。模式轉換前，根據盾構模式要求做好設備的準備工作，將各項設備配置到位，建立良好的硬件基礎，以便高效掘進。模式轉換涉及的關鍵設備及其數量關系如見表1。

表1 模式轉換的主要設備

2）系統的全方位檢查。檢查冷卻水系統、泡沫系統、膨潤土系統，判斷是否可正常運行；檢查遞進分配閥，判斷其是否可正常使用，并檢查伸縮手動潤滑點；檢查各土壓傳感器，要求其正常運行且有足夠的精度；檢查螺旋機前閘門系統，要求其正常運行；檢查是否存在主機供電問題、后退管線斷開問題，若有則予以處理，并判斷現場是否有必要進行管線延伸。

3）現場準備。盾構TBM向土壓平衡模式轉換前，做好如下幾項準備工作，以便轉換順利進行：（1）最后一環推進后拼裝下半環，回收正上方油缸；（2）完成對頂部盾尾外10環位置螺栓的更換作業；（3）開倉門，清理土艙和中前盾殘留渣土；（4）分解中心回轉體；（5）拆除螺旋輸送機蓋板；（6）停機前盾尾注膨潤土，適量補充注漿以便建立穩定的封閉環，用此結構阻隔地下水，以免其進入土艙內。

6.3 模式轉換的第一階段

拆除后配套皮帶機尾部總成，將拆除后的各類構件用管片運輸車裝載、運出；拆除主機皮帶機上的除塵風管，適當向后移動主機皮帶機，完成該裝置前段和后段的拆除作業，用管片運輸車將拆除后的管片運出，避免堆放在現場；主機皮帶機軌道也需拆除。

分離溜渣結構與刀盤主體結構（此項操作在土艙內完成），分解溜渣結構，在經過“化整為零”的處理后，將分解產生的小構件有序移出土艙；拆除溜渣槽，用螺機筒運出。

經前述流程后，拆除溜渣槽和刮渣板，安排盾體被動攪拌棒的安裝作業，再連接管路，保證管路的完整性和嚴密性；割除螺旋輸送機口的格柵板，此階段產生的構件統一由螺機筒運出；詳細檢查螺旋機前閘門的安裝情況，要求其位置準確、動作順暢。

6.4 模式轉換的第二階段

1）刮渣板被割除后，將設置在配套臺車與主機間的設施斷開，即兩者間的管路、結構件均要被斷開，在此基礎上進一步斷開管路。此環節的基本流程為：（1）斷開設置在拼裝機與后配套間的電纜和管線；（2）準備好設備橋移動工裝，以焊接的方法將其設置到位；（3）聯合應用2輛電瓶車，在兩者的協同下帶動后配套前移約15 m；（4）組織設備橋的焊接作業，并將工裝安裝至指定位置固定，使其精準到位且維持穩定。

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

3）安裝中心回轉接頭，質量約1 100 kg。驅動中心連接法蘭和變接法蘭均被運送至洞內后，用螺栓連接；準備D30×120 mm的圓柱銷（8個）和M30×110 mm的內六角螺釘（48個），通過兩類零件的應用連接法蘭和驅動盤。

4）扭腿兩側的管路上配套了堵頭和保護塊，為順利實現模式轉換，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，連接刀盤管路后做保壓試驗，及時發現管路泄漏問題；待保壓試驗結果合格后，在扭腿兩側管路塊處安裝原保護塊螺栓，以便封堵螺紋孔，使該處有嚴密性。安裝作業規范進行，加強對刀盤管路的防護，并用螺栓將該管路安裝至主驅動隔板上。考慮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，使其穩定。刀盤管路保護采取的是“周邊4塊+中間1塊”的組合方案，單塊重量為150 kg，共計5塊。

5）安裝拉桿，以焊接的方法在拼裝機上穩定設置門字架；準備后續盾構掘進所需的螺旋輸送機，用管片運輸車運送至洞內。從現場作業情況來看，現場空間有限，螺旋輸送機質量達到32 t，在此條件下安裝工裝屬于高風險作業，對安全防控水平提出較高的要求。原計劃采取固定吊點吊裝螺栓輸送機的方法，但礙于現場作業條件的特殊性，螺機前移難度較大，完成安裝所需耗費的時間達到4 d。針對此問題，除了在人倉底部、盾尾上部、拼裝機門字架處設置吊點外，在平板車上焊接門字架，增加1處吊點，在該優化方式下，突破現場條件對螺旋輸送機安裝的制約作用，安裝耗時僅為1 d，效率明顯提高。

6）螺機安裝后，將螺機工裝拆除。

6.5 模式轉換的第三階段

前移后配套臺車，待其準確就位后，完成主機與5#臺車及6#臺車管線、設備橋管線的連接，具體連接對象包含注漿管、泡沫管、油脂管路、流體管路、膨潤土管、液壓及電氣管路，要求各處連接均準確，連接部位均嚴密。

經過管線連接作業后，進入空載調試環節，此階段的重點調試系統包含配電系統、潤滑系統、冷卻系統、注漿系統、液壓系統、控制系統，要求各系統均可穩定運行。此外，校正各儀表，保證各儀表具有足夠的精度。

待各項空載調試工作均結束后，安排盾構的負載調試。全方位檢查管線及密封設備的負載能力，準確判斷各部分的實際工作狀態，對不足之處做出調整，確保盾構各工作系統及其配套的輔助系統均可正常運行，以便后續盾構掘進順利進行。

7 結語

在盾構地質條件錯綜復雜的工程環境中，單一的盾構方式缺乏足夠的適應性，易由于現場地質條件的特殊性而難以順利盾構，此時土壓/TBM雙模式盾構成為重要的解決方案，集多項盾構模式的優勢于一體，根據現場地質條件靈活調整盾構模式，有效盾構。本文分析了提出常見的幾種盾構模式，并重點研究土壓/TBM雙模式盾構轉換刀盤的施工技術，提出在模式轉換前需做好的準備工作和正式轉換時的操作要點，希望對類似工程有參考價值。