三模式掘進機全斷面巖層段TBM模式施工技術(shù)研究

謝文達, 梁紅兵, *, 陳喬松, 郭永順, 馬經(jīng)哲

(1. 廣州地鐵工程咨詢有限公司, 廣東 廣州 510010; 2. 廣州地鐵建設(shè)管理有限公司, 廣東 廣州 510330; 3.中鐵隧道集團三處有限公司, 廣東 廣州 510530)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展,地鐵建設(shè)逐漸增加,地鐵隧道向大埋深、長距離、大直徑方向發(fā)展,隧道開挖遇到的地質(zhì)條件越來越復雜。傳統(tǒng)的土壓或者泥水單一模式盾構(gòu)難以適應(yīng)復雜的地質(zhì)條件,因此盾構(gòu)設(shè)備向多模式方向發(fā)展[1-2]。

“多模式盾構(gòu)”指可以進行平衡模式和(或)出渣模式轉(zhuǎn)換的盾構(gòu)[3]。目前的多模式盾構(gòu)主要是各類具有2種掘進模式的雙模式盾構(gòu)[4]。國內(nèi)外學者對雙模式盾構(gòu)的適應(yīng)性選型進行了研究。如: 石明賓等[5]針對青島地鐵6號線的地質(zhì)情況,依據(jù)現(xiàn)場得到的掘進參數(shù)調(diào)整刀盤結(jié)構(gòu),為該工程的雙模盾構(gòu)施工提供了借鑒;深圳地鐵14號線工程驗證了在微、中風化角巖地層中采用土壓/TBM雙模式盾構(gòu)掘進能提高掘進效率[6];陳凡等[7]對不同類型的雙模式掘進機的適應(yīng)地層條件進行歸納整理,提出基于滲透系數(shù)差異程度數(shù)量級等關(guān)鍵地層參數(shù)分析的雙模式掘進機選型方法。

然而,在隧道沿線同時存在長距離穿越硬巖、易發(fā)生“噴涌”和“滯排”的復合地層,在地面環(huán)境復雜、沉降控制要求高的條件下,雙模式盾構(gòu)也難以適應(yīng)工程需求,需要研發(fā)“三模式盾構(gòu)”[8]。目前使用三模式掘進機的案例較少,鮮少有關(guān)于多模式掘進機施工效果的論述[9],關(guān)于提高復雜地層三模式掘進機掘進效率的研究[10]更是寥寥無幾。

本文依托廣州市軌道交通7號線二期工程蘿崗站—水西站三模式掘進機施工,介紹了三模式掘進機的設(shè)計特點和模式轉(zhuǎn)換流程;從出渣方式、掘進參數(shù)控制、刀具管理和穩(wěn)定器應(yīng)用4個方面對三模式掘進機采用TBM模式穿越全斷面硬巖地層時采取的措施進行分析及總結(jié)。

1 依托工程概況

廣州市軌道交通7號線二期工程蘿崗站—水西站盾構(gòu)區(qū)間位于廣州市黃埔區(qū),區(qū)間出蘿崗站后沿香雪三路向北敷設(shè),下穿有軌電車1號線、黃埔區(qū)政務(wù)服務(wù)中心員工食堂、粵港澳大灣區(qū)院士交流中心后到達水西站,如圖1所示。隧道管片外徑6.0 m,寬1.5 m,厚0.3 m。

圖1 蘿崗站—水西站盾構(gòu)區(qū)間平面圖

本區(qū)間隧道埋深19～73 m,地質(zhì)從上往下依次為素填土、粉質(zhì)黏土、中粗砂、砂質(zhì)黏性土、強風化花崗巖、微風化花崗巖,如圖2所示。地下水類型主要為第四系土層孔隙水、基巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。隧道主要穿越地層為砂質(zhì)黏土、全風化花崗巖、強風化花崗巖、中風化花崗巖和微風化花崗巖。其中微風化花崗巖平均飽和單軸抗壓強度為90 MPa。

(a) 縱斷面圖

按盾構(gòu)選型的原則,在下穿重要建(構(gòu))筑物、穿越砂層、高水壓地段,適合使用泥水盾構(gòu);而在一般的復合地層和全斷面巖層,適合使用土壓盾構(gòu)或TBM掘進。考慮本工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境,盾構(gòu)始發(fā)后第1段為砂質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土和花崗巖復合地層,地表為有軌電車、黃埔區(qū)政府建筑,應(yīng)使用土壓或泥水盾構(gòu);第2、4段穿越地層為微風化花崗巖,應(yīng)使用TBM掘進;第3段穿越花崗巖風化槽,地下水壓力大,應(yīng)使用泥水盾構(gòu)施工。

為解決掘進機對本區(qū)間復雜地質(zhì)和周邊環(huán)境的適應(yīng)性問題,使1臺設(shè)備同時滿足硬巖地層、復合地層掘進要求及較好地控制地層沉降,并盡量節(jié)省模式轉(zhuǎn)換時間,建設(shè)單位聯(lián)合設(shè)備廠家、監(jiān)理、施工單位研發(fā)了三模式掘進機[11]并應(yīng)用于此區(qū)間的隧道建設(shè)。本工程施工中,在隧道穿越砂質(zhì)黏土、全風化花崗巖等細顆粒地層時采用土壓模式,以避免泥水模式易出現(xiàn)的結(jié)泥餅、泥水處理困難等問題;在穿越山體下的微風化花崗巖地層采用TBM模式,提高掘進效率,即本文后續(xù)主要分析的施工段;在穿越砂層和下穿重要建(構(gòu))筑物時采用泥水模式,減少地層沉降。

2 三模式掘進機簡介

本區(qū)間采用1臺新設(shè)計、新制造的三模式掘進機施工。掘進機開挖直徑為6.28 m,具有土壓、泥水、TBM 3種工作模式和3種出渣方式,如圖3所示。其中,土壓模式采用螺旋輸送機出渣;泥水模式采用泥漿管路出渣;TBM模式通過泥漿管或泥漿管與螺旋輸送機協(xié)同出渣。3種掘進模式可在施工過程中一鍵切換。

(a) 盾體結(jié)構(gòu)

2.1 設(shè)計特點

三模式掘進機采用復合式刀盤,刀盤的剛度和強度設(shè)計安全余量較大,總重約760 kN(一般6 m直徑單模式掘進機復合式刀盤總重約650 kN),可滿足TBM模式掘進要求;滾刀采用背裝式,便于拆裝;主驅(qū)動總功率為1 500 kW,刀盤轉(zhuǎn)速為0～5.57 r/min,可滿足TBM模式高轉(zhuǎn)速破巖要求;在前盾設(shè)置有穩(wěn)定器,以增大TBM模式下與圍巖的摩擦力,同時降低震動;在中盾設(shè)置有撐靴,可在換刀時頂緊圍巖,通過鉸接油缸拉回前盾,便于換刀;后配套同時集成有泥漿循環(huán)系統(tǒng)和皮帶機,可滿足3種掘進模式出渣需求。三模式掘進機主要參數(shù)如表1所示。

表1 三模式掘進機主要參數(shù)

與單一模式TBM不同,由于三模式掘進機通過螺旋輸送機和泥漿循環(huán)出渣,其刀盤結(jié)構(gòu)更接近傳統(tǒng)土壓/泥水盾構(gòu),無溜渣槽、集渣環(huán),并在刀盤中心安裝中心回轉(zhuǎn)體以布置膨潤土、泡沫管路;刀盤可雙向旋轉(zhuǎn),因此在正反旋轉(zhuǎn)方向均布置有刮刀。

三模式掘進機刀具配置為: 45.72 cm(18英寸)中心雙聯(lián)滾刀4把,45.72 cm(18英寸)單刃滾刀38把,邊刮刀12把,刮刀47把,如圖4所示。

(a) 設(shè)計圖

刀盤采用六主梁六副梁重型刀盤結(jié)構(gòu)形式,開口率30%,通過增加梁以及大圓環(huán)的高度提升刀盤的整體結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性,中心區(qū)域采用中心板整體鍛件焊接,改善中心區(qū)域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,減小刀盤中心區(qū)域變形概率,刀盤抗偏載能力強。刀盤背面有主動攪拌棒、渣土改良噴口(泡沫、膨潤土)、中心L型噴口,改善渣土的流動性、和易性,有效降低泥餅固結(jié)的概率。其中刀盤背面的主動攪拌棒安裝在刀盤邊緣,可攪動開挖艙底部渣土,有助于減少積渣,確保出渣順暢,如圖5所示。

2.2 模式轉(zhuǎn)換

三模式掘進機的泥水/土壓模式轉(zhuǎn)換與常規(guī)的泥水/土壓雙模盾構(gòu)基本相同,主要區(qū)別在于TBM模式的轉(zhuǎn)換。

2.2.1 泥水模式轉(zhuǎn)換TBM模式

轉(zhuǎn)換步驟: 1)到達模式切換點時停止掘進,泥漿循環(huán)切換至機內(nèi)旁通; 2)開啟開挖艙排漿閥,降低開挖艙液位至1/3滿艙位置,同時氣墊艙內(nèi)的泥漿在氣壓作用下經(jīng)連通管進入開挖艙,排空后氣墊艙、開挖艙內(nèi)控制為常壓; 3)開啟開挖艙下部進漿閥,控制開挖艙泥漿液位在滿艙的1/3; 4)啟動刀盤,開始TBM模式掘進。

2.2.2 土壓模式轉(zhuǎn)換TBM模式

轉(zhuǎn)換步驟: 1)到達模式切換點時停止掘進,通過螺旋輸送機出渣降低開挖艙渣土位置; 2)艙內(nèi)渣土約為滿艙的1/4時停止螺旋輸送機出渣,啟動泥漿循環(huán)向開挖艙注入泥漿,同時緩慢旋轉(zhuǎn)刀盤攪拌; 3)開啟開挖艙排漿管,控制開挖艙泥漿液位在滿艙1/3位置,開始TBM模式掘進。

在TBM模式下,開挖艙可處于常壓狀態(tài),此時可通過螺旋輸送機和泥漿循環(huán)同時出渣。

3 三模式掘進機TBM模式掘進技術(shù)研究

三模式掘進機與一般單模式盾構(gòu)的主要區(qū)別在于TBM模式施工。本工程中,三模式掘進機在穿越2段微風化花崗巖時使用了TBM模式掘進;單一模式土壓平衡或泥水盾構(gòu)在全斷面巖層中掘進,常遇到巖石強度高、掘進效率低、盾體震動大、刀具磨損快等問題[12],本節(jié)從出渣方式、掘進參數(shù)控制、刀具管理、穩(wěn)定器應(yīng)用的角度,介紹三模式掘進機在全斷面巖層中使用TBM模式的施工技術(shù)。

3.1 出渣方式

本區(qū)間使用的三模式掘進機同時配備了螺旋輸送機、皮帶出渣系統(tǒng)及泥漿循環(huán)系統(tǒng)。在硬巖地層條件下,使用TBM模式掘進,掘進機開挖下的巖渣可以使用泥漿循環(huán)系統(tǒng)輸送,也可使用螺旋輸送機進行排渣。泥漿循環(huán)系統(tǒng)排渣和螺旋輸送機排渣的特點對比分析如表2所示。

表2 2種排渣方式特點對比

為研究出渣方式對施工的影響,本區(qū)間在硬巖段施工中,使用TBM模式進行了泥漿循環(huán)排渣和螺旋輸送機雙通道出渣試驗,驗證是否可達到小粒徑巖渣通過泥漿循環(huán)排出、大粒徑巖渣通過螺旋輸送機排出的設(shè)計。試驗對比了在不同刀盤轉(zhuǎn)速下,半艙泥漿液位與1/3艙泥漿液位時雙通道出渣的推進速度、總推力、刀盤轉(zhuǎn)矩等參數(shù),結(jié)果如表3所示。

表3 掘進參數(shù)對比

試驗時先進行單一泥漿循環(huán)出渣試驗,發(fā)現(xiàn)由于泥漿循環(huán)不足、開挖艙排漿管與排漿泵存在高差等原因,出渣效果差,易堵管;采用雙通道出渣后,基本不出現(xiàn)堵管問題,說明雙通道出渣可有效排出大粒徑巖塊,解決堵管問題。通過TBM模式雙通道出渣掘進參數(shù)及現(xiàn)場情況可以得到以下結(jié)論:

1)雙通道出渣可有效提高出渣效率,解決泥漿循環(huán)出渣堵管問題,出渣效率能夠完全滿足掘進出渣需求,開挖艙底部不出現(xiàn)積渣。

2)由于掘進段為硬巖地層,穩(wěn)定性好,不易超挖,可認為每掘進1環(huán)的出渣總量相同。通過定性分析表3中的出渣量比例(螺旋輸送機∶管道),可得雙通道出渣方式在本工程工況半艙泥漿液位下泥漿管道攜渣能力優(yōu)于1/3艙泥漿液位。

3)其他主要參數(shù)不變的情況下,刀盤轉(zhuǎn)速越快,刀盤切削下來的巖塊尺寸越大,采用雙通道出渣時泥水管道攜渣能力逐漸減弱,增加循環(huán)泥漿相對體積質(zhì)量以及黏度后有較小改善,但不明顯。

4)采用泥漿循環(huán)出渣能有效減小工作區(qū)域灰塵;在地層裂隙發(fā)育、地下水豐富的工況下可以避免皮帶漏渣,節(jié)約隧道內(nèi)清理時間,提高盾構(gòu)整體掘進工作環(huán)境及效率。

3.2 掘進參數(shù)控制

1)刀盤轉(zhuǎn)速。刀盤轉(zhuǎn)速的高低決定盾構(gòu)掘進效率,但轉(zhuǎn)速的選擇由盾構(gòu)性能、掌子面均質(zhì)及平整度光滑、刀具磨損規(guī)律等共同決定。三模式掘進機刀盤轉(zhuǎn)速最高可達5.36 r/min,在施工中發(fā)現(xiàn),盡管有穩(wěn)定器及撐靴支撐圍巖,當?shù)侗P轉(zhuǎn)速達到3.5 r/min以上時,掘進機震動仍明顯增大,因此將刀盤轉(zhuǎn)速限制在3.5 r/min以下。

2)刀盤轉(zhuǎn)矩。由刀具啟動轉(zhuǎn)矩、艙內(nèi)渣位、轉(zhuǎn)矩波動(地層、艙內(nèi)異物)共同決定。本區(qū)間全斷面硬巖段開挖面較平整,刀盤轉(zhuǎn)速3.0 r/min、刀盤轉(zhuǎn)矩1 300 kN·m(空艙狀態(tài))、轉(zhuǎn)矩波動≤300 kN·m。

3)推力和掘進速度。硬巖段推力和掘進速度主要根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)矩來進行調(diào)整,掘進過程中主要控制推力和掘進速度的變化量,如在1環(huán)掘進過程中地層和轉(zhuǎn)矩控制不變的情況下,推力和速度發(fā)生了較快的變化,就要引起重視,根據(jù)實際情況及時開艙檢查[13]。

①地層及其他參數(shù)不變的情況下,速度降低量超過原速度的50%時停機檢查刀具。

②地層及其他參數(shù)不變的情況下,推力持續(xù)增加超過2 000 kN時停機檢查刀具。

③地層變化時降低掘進速度,特別是即將進入地層交界處時,及時降速,謹慎推進。

4)艙內(nèi)渣位及開挖艙壓力。根據(jù)硬巖段裂隙水含量決定是否帶壓掘進。地層基本無水或者水量極小時可采用常壓空艙掘進,二次注漿需及時跟進;當?shù)貙恿严端^大時需帶壓掘進,艙內(nèi)渣位需覆蓋螺旋輸送機,保持1/3艙,保證螺旋輸送機不漏氣,開挖艙壓力不小于地層水壓,可開啟保壓系統(tǒng),進行氣壓輔助掘進。

5)其他參數(shù)控制

①盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)垂直姿態(tài)盡量控制在0～-50 mm,抵消管片上浮量。

②糾偏量控制。每環(huán)糾偏量控制在5 mm以內(nèi),嚴禁蛇形糾偏,蛇形糾偏在硬巖地層容易造成卡殼。糾偏原則為: 勤監(jiān)測、勤糾偏、緩糾偏。

③鉸接伸出量控制。硬巖段地層換刀較為頻繁,刀具因磨損會導致開挖面在該刀的軌跡上形成1圈凸臺,刀盤偏磨時凸臺則更高,凸臺導致新刀裝不上,人工鑿除凸臺極其困難。在掘進過程中將鉸接伸長量控制在80 mm以上,刀具磨損形成凸臺時可通過回收鉸接退刀盤,減少人工鑿除凸臺工作量。

本區(qū)間掘進機穿越全斷面硬巖段掘進參數(shù)控制如表4所示。

表4 全斷面硬巖段掘進參數(shù)

3.3 刀具管理

3.3.1 滾刀安裝方式優(yōu)化

全斷面硬巖段邊緣滾刀磨損量控制不精準或者不合理,極易造成盾構(gòu)開挖直徑縮小[14],導致盾構(gòu)出現(xiàn)“卡殼”。本區(qū)間施工過程中,原邊緣滾刀磨損量控制在10 mm,施工方通過對保徑刀L型塊增高后增大了開挖直徑,可以將邊緣滾刀磨損量控制在20 mm,降低了邊緣滾刀更換頻率[13]。

3.3.2 滾刀種類優(yōu)化

本區(qū)間隧道穿越2段全斷面硬巖,均為微風化花崗巖,分別位于第146～370環(huán)、479～710環(huán)。穿越第1段硬巖時采用光面滾刀,穿越第2段硬巖時采用光面滾刀和鑲齒刀,并對2種滾刀的使用效果進行了對比。

統(tǒng)計掘進機穿越第1段硬巖地層的換刀情況,如圖6所示。從換刀次數(shù)看,穿越過程中共換刀131把,其中,中心刀更換8把,正面滾刀更換58把,邊緣滾刀更換65把,滾刀安裝半徑越大更換次數(shù)越多。

圖6 光面滾刀換刀次數(shù)與安裝半徑的關(guān)系

穿越第2段硬巖時,施工方在546～688環(huán)掘進過程中將正面滾刀由光面刀更換為鑲齒刀,鑲齒刀更換情況如圖7所示。可見,正面滾刀更換為鑲齒刀后,仍符合安裝半徑越大換刀次數(shù)越多的規(guī)律。但鑲齒刀換刀次數(shù)相對光面刀大大減少,在546～688環(huán)掘進過程中僅更換23次。

對比第1段硬巖使用光面滾刀與第2段硬巖使用鑲齒滾刀的掘進參數(shù),如圖8所示。2段硬巖掘進過程中刀盤轉(zhuǎn)速均控制在3.0 r/min,平均貫入度基本相同,光面刀為4.6 mm/r,鑲齒刀為4.3 mm/r。1)從推進速度看,使用光面刀平均為15.3 mm/min,使用鑲齒刀平均為11.9 mm/min; 2)從總推力看,使用光面刀平均為16 037.2 kN,使用鑲齒刀平均為14 696.5 kN; 3)從刀盤轉(zhuǎn)矩看,使用光面刀平均為1 484.2 kN·m,使用鑲齒刀平均為1 212.1 kN·m。由圖8可見,在基本相同的貫入度下,使用鑲齒刀的總推力及刀盤轉(zhuǎn)矩更小,而使用光面刀期間由于刀盤轉(zhuǎn)速較大,因此推進速度較大。總體來看,使用鑲齒刀的刀具消耗少,可節(jié)約進艙換刀時間,同時總推力和刀盤轉(zhuǎn)矩也較小,本區(qū)間施工采用鑲齒刀更具有優(yōu)勢。

圖8 光面刀和鑲齒刀掘進參數(shù)對比

3.3.3 換刀措施及標準

1)換刀措施

為保證施工過程中刀具更換作業(yè)安全、高效,制定以下措施。

①正常磨損(無偏磨、無解體、無變形)的單刃刀,每把刀40 min以內(nèi)完成拆除和安裝。

②刀具安裝時,要求安裝工人對螺栓法蘭、卡槽等敏感位置清理干凈后再進行安裝,同時每次更換刀具后應(yīng)將開挖艙內(nèi)異物清理干凈。

③刀具更換完成后復推200～500 mm進艙二次復緊刀具螺栓。

2)刀具維修管理

硬巖段掘進刀具磨損快,換刀多,舊刀要進行更換新刀圈,刀具維修質(zhì)量至關(guān)重要[15]。

①建立刀具臺賬,對每把刀進行編號登記,確保隨時可以查詢到每把刀的使用情況、維修情況。

②每把維修過的刀在再次使用前,對密封進行打壓試驗,確保密封完好,不漏油。

③刀具維修使用2次后,更換密封,刀具維修使用5次后報廢。

3)刀具更換標準

①邊緣滾刀(43#、44#、45-1#、45-2#)磨損控制標準為10 mm(優(yōu)化安裝方式后控制到20 mm)。

②正面、中心滾刀磨損控制標準為20 mm。

③相鄰刀高度差盡量控制在10 mm以內(nèi)。

3.4 穩(wěn)定器的應(yīng)用

三模式掘進機在全斷面硬巖地層中施工,由于地層穩(wěn)定性好,對盾殼的摩阻力低。為防止施工過程中盾體滾動,掘進機設(shè)計了可伸縮穩(wěn)定器和撐靴,用于頂緊圍巖,增大盾殼與地層之間的摩擦力,降低掘進時盾體震動,如圖9所示。在換刀期間可通過撐靴頂緊圍巖并收回主動鉸接,實現(xiàn)后退刀盤的目的。掘進機共設(shè)置前盾4個穩(wěn)定器和中盾2個撐靴,每個可提供最大684 kN的頂力。

圖9 三模式掘進機穩(wěn)定器及撐靴

4 結(jié)論與討論

本區(qū)間采用的三模式掘進機已在2022年9月完成左右線掘進,隧道順利貫通。總結(jié)三模式掘進機在全斷面硬巖段的施工措施,可得到以下結(jié)論。

1)在地層復雜多變,同時包含全斷面巖層、上軟下硬地層且地表情況復雜,地層變形控制要求高的隧道施工,使用三模式掘進機可有效保證施工安全、順利進行。

2)三模式掘進機TBM模式采用泥漿循環(huán)和螺旋輸送機雙通道出渣,可顯著降低泥漿管堵塞的概率,提高出渣效率;同時解決了泥漿循環(huán)出渣易在開挖艙底部積渣問題。

3)本區(qū)間使用鑲刀時刀具消耗減少,可節(jié)約進艙換刀時間,同時掘進參數(shù)改善,總推力和刀盤轉(zhuǎn)矩較小,因此施工中采用鑲齒刀更具有優(yōu)勢。

4)三模式掘進機在前盾、中盾安裝穩(wěn)定器和撐靴,可保證全斷面硬巖地層中掘進盾體不發(fā)生滾動,同時增強盾體穩(wěn)定,從而保證施工的連續(xù)性和穩(wěn)定性。當?shù)侗P轉(zhuǎn)速達到3.5 r/min以上時,盾體震動明顯增大,可見穩(wěn)定器及撐靴設(shè)計仍需優(yōu)化。