土壓平衡與TBM雙模式盾構施工技術

（廈門廈工中鐵重型機械有限公司，福建 廈門 361023）

隨著國內對安全文明施工及掘進效率的要求逐漸提高，隧道掘進機的施工應用也越來越廣泛。常規單一掘進模式，掘進機局限在各自優缺點的地層中。TBM 隧道掘進機是敞開式的，采用主機皮帶機出渣，在突遇局部富水時容易發生噴涌、噴砂等問題。土壓盾構是封閉的，采用螺旋輸送機出渣，在全斷面硬巖地層中其掘進效率低。因此，設計一款兼有兩種優勢適應不同地層的雙模式盾構成為必然的選擇。

1 工程概況

福州地鐵軌道交通4 號線林-城區間全長約為2km，區間為軟硬軟地質，即軟土主要地質為淤泥、中細砂824.5m+凝灰熔巖1 299.8m（硬度120～190MPa）+軟土80m，其中硬巖段凝灰熔巖平均硬度達到190MPa，在國內并無類似的施工案例，掘進過程中面臨軟硬交接段水頭壓力大、淤泥段易栽頭，極硬巖段刀具損耗大、管片易上浮，洞內模式轉換空間狹小，軟硬交接處刀具破巖等諸多技術難點，施工難度大，單一模式盾構無法滿足工程復雜的施工需求。因此，結合以往隧道掘進裝備的設計和使用經驗，在福建軟硬地層中首創使用小直徑EPB/TBM 雙模掘進機，解決單一模式的盾構在極端硬巖地層掘進效率低以及單護盾或雙護盾TBM 無法在復合地層中掘進等技術難題，區間地質概況如圖1 所示。

圖1 福州地鐵軌道交通4號線林-城區間地質概況

2 設備方案比選

2.1 常規土壓平衡與TBM雙模式盾構

主要組成：刀盤、主驅動、盾體、管片拼裝機、螺旋輸送機、主機皮帶機和溜渣槽后配套等。

常規土壓平衡與TBM 雙模式盾構兩種模式采用不同的出渣方式，在TBM 模式掘進時，中心區域為敞開模式，突遇局部富水軟土的情況下易發生噴涌、噴砂等現象，導致設備無法正常掘進，增加施工風險，圖2 為常規土壓平衡與TBM雙模盾構。

2.2 中心螺機土壓平衡與TBM雙模式盾構

主要組成：刀盤、溜渣槽、主驅動、人艙、盾體、管片拼裝機、中心螺機、螺旋輸送機和中心回轉接頭等，其中中心螺機還設計有前置關節軸承和后部支撐，通過前置關節軸承設計與后部支撐構成穩定結構，保證雙模盾構在硬巖段掘進過程中可隨主機進行擺動，避開螺機與主機姿態不協調而卡軸。

圖2 常規土壓平衡與TBM雙模盾構

圖3 中心螺機土壓平衡與TBM雙模盾構

中心螺機土壓平衡與TBM雙模式盾構（圖3），通過改良TBM 模式下的出渣方式，有效降低盾構在掘進過程中突遇富水層的噴涌和噴砂問題，保證設備正常施工掘進。前置關節軸承設計如圖4 所示。

圖4 前置關節軸承設計

中心螺機土壓平衡與TBM 雙模式盾構在TBM 模式下具有轉換時間少、施工文明、施工風險小和故障率低等優點。

3 掘進效率分析

雙模盾構的掘進效率可分為軟土掘進效率、模式轉換效率和硬巖掘進效率的影響。軟土掘進效率常常受地表建筑與施工進度控制等外界因素影響。模式轉換效率受設備結構形式及操作隊伍的熟練程度等內外界因素的影響。硬巖掘進效率更多是受設備的能力影響，如刀間距、刀盤轉速和貫入度等。本文主要針對換模效率和硬巖掘進效率等進行分析。

3.1 中心螺機出渣與皮帶機出渣換模效率對比

對比同規格的皮帶機雙模盾構的換模時間如表1 所示。

通過對比發現，采用中心螺機的轉換流程上比采用中心皮帶機的流程少，在關鍵轉換流程上其工藝難度較小，整體效率比皮帶機的節省接近50%。

3.2 硬巖掘進效率

硬巖掘進效率最主要的核心是設備自身的能力，包含了刀具布局，整機設計性能、整機設計等。以下針對影響掘進效率較大的因素刀間距、貫入度和刀盤轉速等進行分析。

1）刀間距 刀盤的破巖能力主要取決于刀間距，如圖5 所示，刀間距越小，裂紋貫通越容易，破巖的能力越好。但刀間距過小，將會影響刀盤結構的強度，根據破巖效果及使用效果，在硬巖刀間距設計中，設計距離為70～80mm，可滿足設備掘進需求。

表1 模式轉換時間詳細對比表

圖5 刀間距與破巖之間關系圖

2）貫入度預測 結合施工現場的地質采用不同的貫入度尺寸，目前國內凝灰熔巖掘進案例較少，為了更接近本次施工需求，提升掘進效率，根據項目提供的凝灰熔巖巖樣，通過試驗確定了凝灰熔巖貫入度，圖6 所示為刀具貫入度試驗現場及數據情況。

圖6 刀具試驗及貫入度

3）刀盤轉速 刀盤轉速同為掘進效率的一個關鍵因素。TBM 模式的掘進效率高取決于刀盤的轉速，因此在貫入度相同的情況下，盾構掘進效率以刀盤轉速為主。常規土壓平衡盾構為了保證螺機出渣，其渣土上面線需高于螺旋機面，土倉內的渣土需要半倉，因此刀盤需要克服土倉渣土旋轉，刀盤轉速深受影響。本文設計的中心螺機雙模盾構，在TBM 模式下，通過溜渣將渣土集中到中心位置，形成中心集渣，土艙內部渣土量即可保證刀盤快速旋轉，又能維持螺機出渣的能力。如圖7 所示。

圖7 土壓模式及TBM模式出渣示意圖

3.3 工程掘進預測

本標段1.2km 硬巖段主要為凝灰熔巖，巖石強度190MPa，國內罕見。通過取樣試驗情況，18 寸滾刀軸承額定載荷為25t，試驗貫入度為3mm。可得出本標段的微風化凝灰質熔巖的雙模盾構理論掘進進尺為216m/月。

由于在全斷面硬巖中掘進中，旋轉速度較高，且全斷面硬巖地層巖土自穩性好，土壓平衡與TBM 雙模盾構在該類地層中高速掘進時會出現滾轉及振動的現象，通過在前盾上對稱布置兩組穩定器，在伸縮油缸撐靴撐緊巖壁過程中有效吸收主機傳來力，從而防止該現象的發生。

4 結語

土壓平衡與TBM 雙模盾構在福州地鐵軌道交通4 號線軟硬交替地層中施工技術延伸到凝灰熔巖地層的適用范圍，為盾構在高硬度地層的應用提供了一個新的案例，為今后類似工程提供參考。

中心螺機出渣對雙模盾構TBM 模式出渣進行了改良和優化，該設備已由福建、廣州、深圳等地區逐漸向全國范圍推廣，解決了傳統的盾構施工所不能解決的諸多問題，對我國盾構施工建設起到促進作用。