具有三種掘進(jìn)模式的盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究

凌 波，李 飛，陳晴煊

（中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司，廣東 佛山 528308）

現(xiàn)有盾構(gòu)的掘進(jìn)方式只能為土壓平衡式、泥水平衡式、土壓泥水雙模式、敞開式TBM 盾構(gòu)其中一種，因此盾構(gòu)適應(yīng)地層變化的工作能力受到極大限制，現(xiàn)階段我國城市軌道交通、引水隧道、電力隧道大力發(fā)展，隧道穿越地區(qū)地質(zhì)變化較大，在大量的復(fù)雜地段，現(xiàn)有掘進(jìn)方式的盾構(gòu)容易出現(xiàn)掘進(jìn)困難、施工工期長、增加工程成本等缺陷，對軌道交通建設(shè)造成不利影響，特別是對于由硬巖地層與局部含泥沙富水地層或斷裂帶地層進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，現(xiàn)有模式掘進(jìn)困難。具有三種掘進(jìn)模式的盾構(gòu)可以解決復(fù)雜地形下現(xiàn)有模式掘進(jìn)困難的問題，尤其是對于巖層突變，如巖層中心“V”形砂槽，該機(jī)型能快速從TBM 模式切換到盾構(gòu)的泥水平衡模式掘進(jìn)，降低工程危險(xiǎn)。

1 工程案例

廣州地鐵7 號線蘿崗站至水西站區(qū)間，其城市地表復(fù)雜，地質(zhì)軟硬不均，隧道穿越殘積土層、全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖。全風(fēng)化花崗巖已基本風(fēng)化破壞，局部夾有未風(fēng)化的孤石，遇水易軟化、崩解，部分孤石可以通過地上機(jī)器先行檢測到，并進(jìn)行破除，可選用土壓掘進(jìn)模式；其他部分孤石不能通過預(yù)處理爆破，選用泥水掘進(jìn)模式。中、微風(fēng)化花崗巖為硬巖層，土壓泥水雙模式盾構(gòu)無法滿足硬巖掘進(jìn)的要求，但現(xiàn)有的敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)也不能滿足在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地層掘進(jìn)的條件，難以控制地表沉降，由于是敞開式掘進(jìn)，容易有泥漿、水涌入盾體的危險(xiǎn)。

為了保證在硬巖地層與局部含泥沙富水地層或斷裂帶地層能安全、快速地掘進(jìn)，本文研究設(shè)計(jì)一種具有三種掘進(jìn)模式的盾構(gòu)，能夠根據(jù)不同地層條件和施工需要進(jìn)行多模式快速一鍵互相切換，且不拆裝任何部件，不改變刀盤結(jié)構(gòu)，并且在臺(tái)車上實(shí)現(xiàn)渣漿分離。

2 三模式盾構(gòu)的優(yōu)勢

三種掘進(jìn)模式盾構(gòu)是一種具有土壓、泥水和TBM 三種掘進(jìn)模式，并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)三種模式之間的模式轉(zhuǎn)換一鍵式切換的盾構(gòu)，模式轉(zhuǎn)換安全、快速、勞動(dòng)強(qiáng)度低，適用于城市結(jié)構(gòu)建筑物復(fù)雜地層施工。其主要優(yōu)勢有：①刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，比常規(guī)刀盤重10t 左右，刀盤剛度強(qiáng)度足夠，適用于各種復(fù)雜地層工況需求；②刀盤采用小刀間距（75mm 刀間距）設(shè)計(jì)，保證TBM 模式下的切削能力；③主驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)功率1 500kW，最大轉(zhuǎn)速5.02rpm，滿足TBM 模式下的高轉(zhuǎn)速要求；④泥水平衡模式掘進(jìn)時(shí)的泥膜和壓力平衡方式有利于上軟下硬地層掌子面穩(wěn)定，適應(yīng)該地層緩慢掘進(jìn)的需求；⑤進(jìn)漿口分別設(shè)置在開挖倉頂部、開挖倉底部和刀盤背部，根據(jù)不同地層、不同模式下沖刷需求進(jìn)行切換使用；⑥TBM 模式下的排渣系統(tǒng)采用快速排渣泥漿循環(huán)系統(tǒng)，開挖倉泥漿只有整倉的1/3，開挖的渣塊可快速輸送出開挖倉；⑦開挖倉內(nèi)的泥漿可以冷卻刀盤刀具，提高刀具使用壽命；⑧開挖倉采用封閉設(shè)計(jì)，減少粉塵影響隧道環(huán)境；⑨刀盤上設(shè)計(jì)開挖直徑測量裝置，可在停機(jī)時(shí)檢測實(shí)際開挖直徑。

3 三種掘進(jìn)模式的運(yùn)用情景

1）土壓平衡式 在孤石預(yù)處理（爆破）達(dá)到預(yù)想效果、孤石預(yù)處理（爆破）處理達(dá)不到預(yù)想效果或預(yù)處理時(shí)遺留孤石的情況下，使用土壓平衡模式掘進(jìn)：由刀盤切削土層，切削后的泥土進(jìn)入土艙，土艙內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時(shí)由土艙內(nèi)的螺旋輸送機(jī)出土，螺旋輸送機(jī)出土口在出土量與推進(jìn)量取得平衡的狀態(tài)下，進(jìn)行連續(xù)出土。

2）泥水平衡式 在孤石預(yù)處理不能實(shí)施的情況下，或在上軟下硬地層區(qū)段，使用泥水平衡模式掘進(jìn)：在盾構(gòu)正面與支承環(huán)前面裝置隔板的密封艙中，注入適當(dāng)壓力的泥漿使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，實(shí)現(xiàn)開挖面穩(wěn)定，并以安裝在正面的刀盤切削土體，渣土與泥漿混合后形成高密度泥漿，用排泥泵及管道輸送至地面或臺(tái)車進(jìn)行渣漿分離處理。

3）泥水式TBM 為了滿足盾構(gòu)也能在全斷面硬巖地層的掘進(jìn)，在其中加入一種泥水TBM掘進(jìn)模式，顛覆性地改變常規(guī)TBM 掘進(jìn)模式的排渣方式，利用泥漿攜帶渣土實(shí)現(xiàn)了渣土無級連續(xù)排出，減少了開挖倉渣土堆積對刀盤的磨損；開挖倉內(nèi)的泥漿實(shí)現(xiàn)快速冷卻刀具、減少刀具磨損；開挖倉采用封閉性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工作區(qū)域無粉塵，工作環(huán)境優(yōu)良；地下水豐富地層采用TBM掘進(jìn)模式即保證正常的開挖又具備排水功能。

4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

如圖1、圖2 所示，泥水模式下，通過開挖倉泥漿壓力平衡掌子面水土壓力，通過泥漿管道輸送渣土（上部進(jìn)漿口進(jìn)漿），使用大循環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)（地面泥漿循環(huán)系統(tǒng)）。

如圖3 所示，在全斷面硬巖中，使用TBM模式，通過掌子面及圍巖自身穩(wěn)定性掘進(jìn)，通過泥漿管道輸送渣土（下部進(jìn)漿口進(jìn)漿），保證土倉不積渣，保證連續(xù)沖刷效果，并且在后配套六七八號拖車設(shè)置一個(gè)小體積篩分設(shè)備，使用小循環(huán)進(jìn)行掘進(jìn)（后配套泥漿循環(huán)系統(tǒng)），這樣能更好地縮短循環(huán)距離，提高掘進(jìn)效率。

圖1 泥水模式下泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖2 泥水掘進(jìn)模式工藝流程圖

圖3 TBM模式下泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

三種掘進(jìn)模式盾構(gòu)在主驅(qū)動(dòng)、刀盤刀具、主機(jī)結(jié)構(gòu)和泥漿循環(huán)系統(tǒng)等方面進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，效率高、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、經(jīng)濟(jì)性好，能適應(yīng)各種復(fù)雜地質(zhì)條件，滿足不同模式一鍵切換的需求。