并聯式泥水/土壓雙模式盾構施工技術與冷凍刀盤開艙技術的創新與實踐

朱勁鋒， 廖鴻雁， 袁守謙，*， 易 覺， 朱寶石

(1. 廣東華隧建設集團股份有限公司, 廣東 廣州 510800; 2. 廣州地鐵集團有限公司, 廣東 廣州 510220)

0 引言

我國地大物博，地質條件復雜多變，隧道工程建設過程中面臨各種不同的地質情況，特別是在我國城市地鐵大規模建設時期，各種不良地質阻礙了地鐵建設進程，給盾構選型和盾構開艙換刀帶來了很大的困難。為保證盾構施工安全，不同地質情況下各類盾構輔助方法也應運而生。

在雙模式盾構技術方面，凌波等[1-2]研發出并聯式雙模式盾構，該盾構集成了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的設計理念與功能，可根據地層變化快捷地在土壓盾構和泥水盾構2種不同掘進模式之間實現相互切換； 賴理春[3]在并聯式雙模式盾構的使用過程中總結分析了并聯式雙模式盾構掘進模式選取的經驗，歸納了在不同工況選擇對應的掘進模式； 周玉標[4]總結了雙模式盾構在巖溶發育地層中下穿高速公路的相關措施； 管會生等[5]總結了雙模式盾構在礦區斜井隧道的掘進參數，分析計算雙模式盾構在2種掘進模式下的最大切深、土艙壓力以及盾構推力、刀盤轉矩等關鍵掘進參數,確定了在EPB模式和單護盾TBM模式下的最大切深分別為28 r/min和19 r/min,并提出了在6個地質區間下雙模式盾構關鍵掘進參數的配置建議。

在冷凍刀盤盾構技術方面，劉晉斌[6]在盾構始發端頭采用冷凍加固方法，分析了施工過程中遇到的一些難題，總結了冷凍法在始發端頭施工過程中的經驗； 易覺等[7]通過采取盾構刀盤冷凍管路改造、冷凍接口密封改造、冷凍系統設計、增加冷凍設備等手段，研發出搭載冷凍刀盤式的盾構； 程林飛[8]從盾構在冷凍法端頭加固地層中的順利始發,介紹冷凍法端頭加固盾構始發技術的組成、關鍵工序、關鍵技術,以及常見的問題和預防措施； 張曉磊[9]闡述了聯絡通道凍結施工工藝,并通過整理工程實測數據以及工程實際出現的問題,分析了影響凍結帷幕形成的原因,最終在凍結帷幕薄弱區域采用補孔加固凍結等措施解決高水頭高流速全斷面富水砂層凍結難題。

目前，在地鐵隧道施工過程中雙模式盾構的施工案例不多，冷凍刀盤盾構開艙技術應用更少，也沒有相關冷凍刀盤開艙的操作建議。本文以廣州地鐵9號線、廣州地鐵21號線、220 kV石井—環西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程為例，通過現場監測數據與試驗數值模擬對比，總結出并聯式雙模式盾構施工技術與冷凍刀盤開艙技術。

1 并聯式雙模式盾構介紹

1.1 并聯式雙模式盾構關鍵技術原理

并聯式泥水/土壓雙模式盾構能通過系統控制直接切換掘進模式。并聯式雙模式盾構具備泥水平衡模式與土壓平衡模式的2套設備，盾構主體與臺車設備布置空間狹小，為達到不拆裝任何設備直接切換，主體與臺車上設備的布置成為制造難點之一。設備盾體設計總長8.92 m，8節臺車總長7.735 m，包含機構設計與系統設計。機構設計包含刀盤及主驅動、筒體、盾尾密封、鉸接系統、人閘、拼裝機、皮帶輸送機、螺旋機、連接平臺、臺車等設計；系統設計包含刀盤驅動系統、推進系統、測量導向及糾偏系統、氣壓開艙系統、背填注漿系統、密封注脂系統、數據采集系統等設計。

1.2 并聯式雙模式盾構的優點

通過結構設計優化、設備系統改進及性能提升，以現有的泥水、土壓盾構為基礎，結合盾構的施工環境及對盾構功能的要求，將具有泥水、土壓2種模式的功能有機地融合在1臺盾構上，再進行設備系統改進和性能提升，使新設備在各方面優于現有設備，實現2種功能既可以獨立使用，又可以互相配合使用，最主要的是2種模式要在不拆裝任何部件的情況下安全、快速地實現掘進模式的切換。在土體自穩性強、巖層，采用土壓平衡模式掘進可以減少盾構施工成本； 在軟土、富水性地層、高水壓地層、過重要建筑物、下穿河流等工況下，采用泥水模式掘進可以有效控制地表沉降。雙模式盾構解決了單一盾構的適用性受限問題。并聯式雙模式盾體內環流系統管路布置設計見圖1。

圖1 并聯式雙模式盾體內環流系統管路布置設計圖

2 雙模盾構的工程實踐應用

2.1 巖溶發育地區工程實踐應用

廣州地鐵9號線線路基本位于巖溶發育的花都地區，地質特點主要表現為： 灰巖分布廣泛，砂層直接覆蓋在灰巖面上，灰巖的抗壓強度為60～100 MPa； 巖溶發育(溶溝、溶槽、溶洞、土洞發育)，見洞率約為50%； 地質構造發育； 巖體較破碎； 地下水較為豐富。廣州地鐵9號線沿線地質構造見圖2。車站開挖巖面及巖石情況見圖3。盾構開艙巖石情況見圖4。巖溶地區盾構施工刀具磨損情況見圖5。

圖2 廣州地鐵9號線沿線地質構造圖

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

圖4盾構開艙巖石情況

Fig. 4 Rock Condition in Shield Machine Opening

(a)

(b)

(c)

圖5巖溶地區盾構施工刀具磨損情況

Fig. 5 Wear of Cutter for Shield Tunneling in Karst Area

其中，廣州地鐵9號線2標為花都汽車城站—廣州北站，線路總長約1.68 km，盾構從花都汽車城站始發，向廣州北站掘進。

2.1.1 地面情況

區間線路自西向東下穿風神大道、農新大道、荔紅路下沉隧道、天馬河、農新排水站、廣清高速公路、7.3 m×1.9 m污水渠箱，側穿天馬河西岸樓盤、天馬河1號樓盤、農新大橋、祈福輝煌臺樓盤、布心塘村天然地基居民樓群等。廣州地鐵9號線2標衛星線路圖見圖6。

2.1.2 地質情況

區間隧道洞身范圍內以砂層為主，占57%，黏土地層占32%，灰巖占11%，溶土洞見洞率為46%，裂隙發育。巖面直接過渡到砂層，砂層非常厚，滲透性大。就地層和地表環境而言，對地面沉降控制要求非常嚴格。廣州地鐵9號線2標地質縱斷面見圖7。

圖6 廣州地鐵9號線2標衛星線路圖

圖7 廣州地鐵9號線2標地質縱斷面圖

2.1.3 掘進情況

采用2臺并聯式泥水/土壓雙模式盾構施工，下穿風神大道、天馬河河堤(景觀河，高差8 m)、農新大橋、農新排水站、廣清高速。在風神大道、天馬河、農新排水站、廣清高速公路等對地面沉降要求嚴格的區域，出現上軟下硬地層，故該區域采用以泥水模式為主、土壓模式為輔(排出大粒徑石塊)的形式進行掘進，充分利用了雙模式盾構在地質和地面環境方面的通用性，達到了控制沉降、減少振動的施工效果。廣州地鐵9號線2標并聯式雙模式盾構掘進模式選取圖見圖8。

圖8 廣州地鐵9號線2標并聯式雙模式盾構掘進模式選取圖

Fig. 8 Mode Selection of Parallel Dual-Mode Shield Tunneling for Lot 2 of Guangzhou Metro Line 9

在9號線2標盾構施工過程中，左、右線盾構共進行了14次模式切換。基本掌握了盾構在全斷面砂層、黏土層、加固體、灰巖地層、上軟下硬復合地層等條件下的切換技術和應對措施管理。真正實現了不需在特定條件下拆裝任何部件，就能安全、快速、連續地切換掘進模式。

2.1.4 完成情況

9號線2標采用雙模式盾構掘進，在整個9號線施工的所有標段里，是唯一一個未出現過地面冒漿、塌陷等現象的標段。對于地層沉降要求嚴格的區域施工，且在巖溶發育區，上軟下硬地層掘進施工對盾構的適應性和施工應急要求較高，因此，采用并聯式雙模式盾構掘進無需在特定條件下進行裝卸任何部件，便可實現掘進模式的切換。實際施工中根據地層環境的變化，快速切換，利用不同的模式有針對性地掘進，以彌補泥水以及土壓單一掘進模式的不足。泥水掘進模式切換成土壓掘進模式操作流程見圖9。土壓掘進模式切換成泥水掘進模式操作流程見圖10。廣州地鐵9號線各類型盾構完成情況對比見表1。廣州地鐵9號線其余標段盾構施工沉降過大、坍塌現場見圖11。

圖9 泥水掘進模式切換成土壓掘進模式操作流程

Fig. 9 Steps for Switchover from Slurry Balanced to EPB Shield Tunneling

圖10 土壓掘進模式切換成泥水掘進模式操作流程

Fig. 10 Steps for Switchover from EPB to Slurry Balanced Shield Tunneling

2.2 并聯式雙模式盾構在球狀風化體地區工程實踐應用

廣州地鐵21號線14標位于蘿崗區九龍鎮九龍大道上，線路基本為東西走向。其中，鎮龍南站—鎮龍站區間、鎮龍車輛段出入段線均為地下段區間。

2.2.1 地面情況

鎮龍南站—鎮龍站間線路出鎮龍南站后，沿著廣汕公路由西往東前行，途經美佳超市綜合市場、擬建廣汕公路跨線橋(廣汕公路與九龍大道路口)、廣州寶麗雅復合材料有限公司、增城市優氏工藝品有限公司，進入鎮龍站。廣州地鐵21號線14標衛星線路圖見圖12。

2.2.2 地質情況

隧道埋深16.5～17.3 m，盾構區間所遇地層中涉及到〈6H〉花崗巖全風化層達到17.13%，〈5N〉花崗巖殘積土(即砂質黏性土)達到49.00%。殘積土及全、強風化巖中常發育球狀風化體(孤石)，其埋藏分布及大小是隨機的。

表1 廣州地鐵9號線各類型盾構完成情況對比

2.2.3 完成情況

通過盾構掘進參數控制及泥水、土壓模式切換，采用螺旋機排石技術，盾構下穿后房屋群沉降均在規范范圍內，成功通過孤石地層，且在遇到鋼板樁后，盾構直接切除并排出。如果采用單一的泥水模式，無法順利排出較大直徑的孤石，只能采用開艙撈石的方法排出； 而采用單一的土壓模式，盾構在下穿房屋群無法更有效地控制地面沉降。根據整個標段的地質考慮采用單一的泥水盾構掘進，遇到孤石地層且意外遇到鋼板樁的情況下，單單靠泥水盾構的排泥管無法把較大的孤石或其他較大障礙物順利排出，導致障礙物堵塞排泥管口，致使切口水壓不穩定、地面沉降過大，甚至由于土艙滯排導致刀具破損脫落等問題的發生，因此在這時候把泥水盾構切換成土壓盾構，直接采用螺旋機解決滯排問題。廣州地鐵21號線14標區間掘進排出孤石如圖13所示，區間掘進切割鋼板樁如圖14所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖11廣州地鐵9號線其余標段盾構施工沉降過大、坍塌現場

Fig. 11 Site Photos of Excessive Settlement and Collapse of Shield Tunneling in Other Lots of Guangzhou Metro Line 9

圖12 廣州地鐵21號線14標衛星線路圖

3 冷凍刀盤的創新與實踐

3.1 冷凍刀盤的原理

1)對盾構刀盤進行結構改造，刀盤12個隔艙內在輻條板、刀箱板、大圓環等結構的側面焊接異形冷凍液管路，冷凍機對冷凍液進行降溫，通過循環凍結管路輸送到盾構刀盤內結構區域，并保持溫度，使溫度向外擴散產生凍結效果，土層溫度可降到-28 ～-30 ℃，使整個刀盤結構及周邊土體變成一個大型的“凍結圓盤”。冷凍刀盤的冷凍管路布置見圖15。這個“凍結圓盤”能夠充分隔絕地下水，增加土體強度和穩定性，如同一道凍土屏障，換刀作業就在凍土屏障的保護下進行。冷凍刀盤適用于含水量大于10%的土層和巖層。在軟土地層、含水不穩定土層、流砂，高水頭、高地壓地層開艙實施較為困難，氣壓開艙存在較大風險，使用冷凍刀盤開艙更為安全。

2)為了應對特殊情況，需進行開艙檢查或更換刀具： ①利用刀盤為等溫體的特性，設置冷凍管路和冷凍設備，使盾構刀盤附近土體有效凍結； ②刀盤同時作為承載體，承擔掌子面總荷載，凍結體只承擔開口部位荷載； ③根據刀盤冷凍管路設置及智能控制系統，針對復合地層的復雜性，可進行分區不均勻冷凍。

(a)

(b)

Fig. 13 Photos of Boulders Discharged from Tunneling in the Section of Lot 14 of Guangzhou Metro Line 21

3)盾構在刀盤各輻條上預埋了冷凍管，分區冷凍。主要研究成果有： 主軸承保護、冷凍滾刀、根據土艙壓力變化介質轉換(凍脹內應力、土艙清理、隔熱)、溫度流量PID自動調節控制系統、集成式冷凍機組系統。

(a)

(b)

(c)

Fig. 14 Photos of Steel Sheet Pile Cut Off from Tunneling in the Section of Lot 14 of Guangzhou Metro Line 21

4)采用重新定制的一體化冷凍設備。該設備體積較小，可放置于隧道內盾構配套臺車后方，跟隨盾構掘進前行，避免長距離的冷凍管路連接，便于快速應對冷凍期間的各種情況，提高冷凍施工效率。冷凍設備布置見圖16。

3.2 冷凍刀盤研究歷程

1)本研究最早開始于“廣州市220 kV石井—環西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標段”，工程施工1標段圖見圖17。該項目區間總長度約為2.6 km，采用直徑為4.35 m的泥水盾構掘進。

(a)

(b)

①該盾構直徑小，空間受限。

②隧道斷面范圍內局部有強度較高的灰巖侵入，有較長距離的上軟下硬地段，拱頂主要是以強透水軟弱地層為主，典型的復合地層，且地下水較為豐富，地層對盾構刀具的磨損比較嚴重； 因此，不排除在上軟下硬或全斷面軟弱地層中開艙(換刀)的可能性。

③由于隧道線路基本上是沿著西灣路和西槎路穿行，地面交通十分繁忙，征借地相當困難，基本不具備地面加固換刀的條件。

2)隧道內導洞填埋冷凍試驗方案。即在環西1標始發井端頭內，先行進行導洞施工，然后將盾構安置于導洞內，根據冷凍試驗相關要求進行試驗，導洞及土艙內注入濃泥漿。對注入泥漿取樣檢驗比重及黏度指標，以模擬地下水及水壓環境，檢驗凍結施工后在開艙作業期間的實際效果。

(a)

(b)

(c)

①W01～W08是圍繞在盾構外殼垂直向外的測溫孔，深度1 m，每隔20 cm布設1個測溫點，每個孔累計5個測點。盾構外殼外部累計40個測點，測溫孔最高溫度為-4.8 ℃，可分析計算出凍土向外擴散大于1 m。測溫孔布置如圖18所示。

圖17 220 kV石井—環西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標段圖

②SQ01～SQ03、EQ01～EQ03、YQ01～YQ03、ZQ01～ZQ03是分布在盾構外殼前方邊緣4個區域隔艙的測溫孔，共84個測點，測溫孔最高溫度為-2.26 ℃，可分析計算出凍土向導洞方向擴散大于1 m。

③土體、鋼管片的初始溫度均取為18 ℃，有限元計算整體模型如圖19所示。圖19中： 面ADEH、EFGH、CDEF為恒溫邊界，溫度為原始地溫；考慮到對稱性，面ABCD、ABGH為絕熱邊界；考慮到盾構刀盤后方會進行保溫處理，且盾構刀盤后方的溫度場發展趨勢不是重點關注區域，面BCFG近似按絕熱邊界處理。凍結管外表面溫度是決定凍結效果的重要因素，計算的凍結管外壁溫度采用3種不同的方案，即經過一定的降溫時間以后(凍結開始1周后鹽水溫度降至0 ℃以下，凍結2周后鹽水溫度降至-20 ℃以下)，鹽水溫度分別穩定在-25、-28、-30 ℃。

圖18 測溫孔布置

圖19 有限元計算整體模型

土體和鋼管片的熱物理參數見表2。

表2土體和鋼管片的熱物理參數

Table 2 Thermophysical Parameters of Soil Mass and Steel Segments

參數土體鋼管片密度/(kg/m3)含水量/%導熱系數λ/(W/(m·K))比熱容/(kJ/(kg·K))1 930251.45(未凍土)1.85(凍土)1.69(未凍土)1.108(凍土)7 800360.47

凍結效果評價： 凍結帷幕向外擴散最小厚度為1 m，即實際凍結帷幕的強度大于設計凍結帷幕的強度，平均溫度-17.8 ℃(設計凍結帷幕的平均溫度為-10 ℃)，實際凍結天數為18 d，即凍土向四周擴散速度為55 mm/d，向前擴散速度最低為44 mm/d，滿足方案設計要求。

④凍結帷幕平均溫度-17.8 ℃低于設計溫度(設計凍結帷幕的平均溫度為-10 ℃)，由此推斷實際凍結帷幕的強度均大于設計凍結帷幕的強度，實際凍結效果可開艙做進一步檢驗。凍結效果見圖20。

(a)

3)第2次試驗在220 kV石井—環西電力隧道(西灣路—石沙路段)工程施工1標第640環位置實施。冷凍試驗前，在停機位置先進行地質補勘，揭示隧道洞身地層為〈3-2〉中砂層2.05 m、〈4N-2〉粉質黏土2.05 m； 隧道覆土厚度為12.2 m，上覆土層為〈4-2B〉淤泥質土層和雜填土層，隧道地質條件為全斷面軟弱地層，含水量較豐富。該位置地質條件對于冷凍試驗來說屬于不利地層。第2次刀盤冷凍試驗如圖21所示。測溫孔位置布置見表3。

圖21 第2次刀盤冷凍試驗(單位： m)

孔編號孔位置用途T1T2T3T4T5T6T7T8盾構左邊 掌子面前方盾構右邊 測溫

注： 地面往下鉆探成孔，在掌子面前方0.5～0.8 m、筒體上方0.8 m至下方0.8 m范圍內布置測溫感應器，布設間距為0.5 m，用以監測凍土發展情況，以實現安全開艙的目的。

4)冷凍刀盤第2次試驗結果。

泥水盾構停止掘進通過泥漿循環洗艙后開始積極凍結，在冷凍膠圈初步形成后采用空氣置換艙內部分泥水，減少艙內凍土量。經過6 d冷凍施工，根據監測，刀盤前方0.5～0.8 m處凍土溫度已達到0 ℃以下，且已保持冷凍5 d，滿足安全開艙冷凍帷幕厚度達到0.5～1 m的要求。對土艙取樣檢測冷凍效果，掌子面已結成具有相當硬度的冰塊，根據數據綜合分析，已達到預設冷凍效果，滿足開艙條件。冷凍刀盤開艙作業現場如圖22所示。

5)冷凍刀盤技術拓展及創新。

冷凍刀盤與雙模式盾構的融合，提升了盾構施工技術。目前常見的盾構開艙方式有以下3種，這3種開艙方法都存在著各自的弊端。

(a)

(b)

(c)

①地面預加固常壓開艙。預加固常壓開艙工法，地面加固位置無法按實際需要預先精確選位，且加固及齡期時間長，對周邊環境影響大，成本費用高，甚至地面無法提供條件進行土層加固等。

②氣壓開艙。氣壓開艙在氣密性差的地層環境下難以實施，施工人員進入氣壓土艙施工時間不能過長，工作效率低。

③常壓開艙。常壓刀盤換刀對刀盤制造工藝要求高，費用高，刀盤質量大，多次使用可能帶來密封失效的風險； 且常壓刀盤最大的缺點在于刀具布置不合理，切削效率低。刀盤超厚，排土效率低，與土壓模式不匹配，特別是降低了刀盤中心開口率，導致開口率不足，容易造成切削的渣土不能及時進入開挖艙而積聚于刀盤中心面板形成泥餅，泥餅又反過來造成刀具磨損，掘進困難，兼容性較差。

針對以上3種開艙換刀弊端的對比和條件的局限性，將冷凍法加固與盾構刀盤結合在一起，自帶冷凍功能的盾構刀盤，使盾構刀盤具備凍結地層的功能，通過冷凍刀盤在隧道內對土艙外土層凍結加固，使其達到常壓開艙的要求，與雙模式盾構相結合，兼容性好，不存在功能上的沖突。冷凍刀盤雙模式盾構照片如圖23所示。

圖23 冷凍刀盤雙模式盾構照片

4 結語

1)并聯式泥水/土壓雙模式盾構的研發與應用，具有兼具土壓平衡盾構、泥水平衡盾構的功能； 能夠通過置換各種不同配置的刀具來適合2種模式下盾構在復合地層、砂層及巖層的施工要求，包括硬巖刀具配置和軟土刀具配置；設備系統改進、功能提升與結構優化；設備融合土壓平衡盾構及泥水平衡盾構的施工優勢，可根據盾構隧道沿線地表環境條件和隧道穿越的地層條件，合理劃分隧道采用泥水或土壓模式施工的地段，確定隧道區間的最優施工方案； 盾構施工環境適應性強； 對今后盾構制造和盾構在復雜地層施工有良好的促進作用，其強大的適應性，安全快速的切換，保證了施工工期及施工安全。

2)冷凍刀盤首次將盾構施工技術與冷凍技術相結合。 整個刀盤結構及周邊土體變成一個大型的“凍結圓盤”，如同一道屏障，充分地隔絕地下水，增加土體強度和穩定性，確保在不良地質下盾構開艙作業安全。冷凍刀盤目前處于試驗成果階段，尚未有大量項目論證，尚需考慮更復雜的建設環境，如特殊地層(沿海含鹽、含氣、地下水與海水相通地層，西南地區的高地熱地層)是否適用冷凍刀盤問題。深埋隧道、高水壓冷凍效果尚待驗證及研究等。

3)冷凍刀盤與并聯式雙模式盾構高度匹配，階段性地擴大了盾構的適應范圍和提高了盾構的掘進效率，解決了大埋深、高水壓、大直徑帶來的盾構技術發展的瓶頸，填補了在軟弱地層、高水壓、大埋深、地面無預加固條件下實施常壓開艙換刀的空白。通過不斷開發這2項技術的適用性及優化完善其施工工藝和施工方法，將這2項技術在華南地區甚至全國范圍內推廣應用。