雙模盾構(gòu)機適應(yīng)性及經(jīng)濟性分析研究

劉進友 左龍

1.中鐵交通投資集團 廣西南寧 530023

2.中鐵隧道股份有限公司 廣西南寧 530023

自從雙模盾構(gòu)提出概念到投入工程應(yīng)用，李源輝[1]、凌鐵堅[2]、姚平[3]等分別論述了雙模盾構(gòu)機基本原理，通過合理的模式選擇，雙模盾構(gòu)在適應(yīng)性、施工效率具有優(yōu)勢，同時具有需要更多配套設(shè)備的缺點；凌波等[4-5]研發(fā)出并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)，該盾構(gòu)集成了土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的設(shè)計理念與功能，可根據(jù)地層變化快捷地在土壓盾構(gòu)和泥水盾構(gòu)2種不同掘進模式之間實現(xiàn)相互切換；朱勁鋒[6]等指出并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構(gòu)兼具土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)的功能及施工優(yōu)勢，可根據(jù)隧道沿線地表環(huán)境條件和隧道穿越地層條件，合理劃分采用泥水或土壓模式施工的地段，且盾構(gòu)施工環(huán)境適應(yīng)性強，可在不拆裝任何部件的情況下安全、快速地實現(xiàn)掘進模式的切換。賴理春[7]在并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)的使用過程中總結(jié)分析了并聯(lián)式雙模式盾構(gòu)掘進模式選取的經(jīng)驗，歸納了在不同工況選擇對應(yīng)的掘進模式；陳偉國[8]總結(jié)了模式轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ)及工作原理并說明雙模式盾構(gòu)延伸了盾構(gòu)機的適用范圍。王余良[9]、周玉標(biāo)[10]、鄧旭山[11]等總結(jié)了在巖溶區(qū)在雙模盾構(gòu)下穿危險建筑物工況下通過合理掘進模式選擇及參數(shù)控制實現(xiàn)安全快速掘進。劉東[12]運用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗分析等,對于復(fù)雜地質(zhì)條件下采用雙模式盾構(gòu)施工進行了研究,形成了 TBM&EPB雙模式盾構(gòu)機在復(fù)合地層中的成套施工技術(shù)并總結(jié)了刀具磨損規(guī)律。

鑒于目前雙模式盾構(gòu)機暫時處于技術(shù)探索階段，其在實際工程中的經(jīng)濟性和在復(fù)合地層中的適應(yīng)性還未進行系統(tǒng)研究分析。故此，以南寧地鐵5號線五新區(qū)間為依托，在盾構(gòu)機租賃費用、配套設(shè)施設(shè)備、掘進資源（人材機）消耗、及掘進效果等四個方面進行統(tǒng)計對比，研究在相同地質(zhì)條件下，相較于單一模式泥水盾構(gòu)，雙模盾構(gòu)在施工中的地層適應(yīng)性和經(jīng)濟性。

1 工程背景

南寧市軌道交通5號線一期工程（國凱大道-金橋客運站）五一立交站～新秀公園站區(qū)間位于南寧市江南區(qū)，其中左線采用1臺直控式泥水盾構(gòu)機（中鐵314#）、右線采用1臺泥水/土壓雙模盾構(gòu)機（中鐵685#）施工。

區(qū)間盾構(gòu)自五一立交站大里程端頭始發(fā)，下穿自行車總廠居民樓、新福鞋料市場、五一中路小學(xué)、麗江花園小區(qū)、三元小區(qū)、地寶小區(qū)等居民樓后，到達邕江南岸江灘，穿越邕江后到達中間風(fēng)井，穿越中間風(fēng)井后沿明秀西路向北行進到到達新秀公園站接收吊出，區(qū)間隧道長度約2098.1m，區(qū)間平面位置和下穿邕江段示意圖見圖1和圖2。

圖1 五-新區(qū)間平面示意圖

圖2 下穿邕江區(qū)間段示意圖

區(qū)間始發(fā)段穿越地層為③1粉土、④1-1粉細砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3泥巖及⑦2-3粉砂巖，邕江江底段隧道范圍為全斷面⑦1-3泥巖及⑦2-3粉砂巖地層，其中泥質(zhì)粉砂巖⑦1-3為局部粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，成巖程度較深，呈半巖半土狀，遇水易軟化，天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為1.03～7.39MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為2.61Mpa，自由膨脹率26.4%～43.4%，平均值33.7%，屬A2類膨脹土；泥質(zhì)粉砂巖⑦2-3成巖程度較深，局部含泥質(zhì)。天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為0.92～3.56MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為1.54MPa。過江段隧道埋深為9.2～33m，隧頂最高水位25.8m，地質(zhì)情況詳見圖3區(qū)間右線地質(zhì)斷面圖。

2 盾構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計及掘進區(qū)段劃分

2.1 項目重難點分析

（1）始發(fā)段地面易沉降。根據(jù)區(qū)間平縱斷面揭示，始發(fā)段區(qū)間盾構(gòu)隧道地層主要為粉土、粉細砂、圓礫等，其地層透水性較大，地層自穩(wěn)性很差，盾構(gòu)施工過程中易造成周邊地層松動，從而引發(fā)地表沉降或塌陷、建筑物及地下管線變形、開裂等現(xiàn)象；如盾構(gòu)機在該地層內(nèi)出現(xiàn)故障造成長時間停機，可能造成盾構(gòu)機及盾尾出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象；同時圓礫地層掘進易造成刀盤、刀具、出漿泵磨損嚴重，且大塊的圓礫可能造成泥水倉堵塞。

圖3 區(qū)間右線地質(zhì)剖面圖

（2）過江段施工風(fēng)險大。區(qū)間透水性較小地層為圓礫-泥巖復(fù)合地層，不透水地層為全斷面泥巖地層。盾構(gòu)機在該地層中施工中，易出現(xiàn)刀盤結(jié)餅、渣土滯排等技術(shù)難題，從而引發(fā)泥水倉壓力波動大、推力增大、扭矩增大、掘進速度慢、泥漿性能指標(biāo)惡化塊等系列問題，且泥水倉壓力波動可能導(dǎo)致覆土擊穿、泥漿外泄，造成掌子面失穩(wěn)等現(xiàn)象；同時因地層軟硬不均勻，又可能導(dǎo)致掘進姿態(tài)不易控制，糾偏難度大，導(dǎo)致成型隧道姿態(tài)超限等問題。

2.2 盾構(gòu)參數(shù)設(shè)計

盾構(gòu)是一個具備多種功能于一體的綜合性設(shè)備，它集合了盾構(gòu)施工過程中的開挖、排土、支護、注漿、導(dǎo)向等全部的功能。右線雙模盾構(gòu)是以左線直排式泥水盾構(gòu)為藍本，中鐵裝備685#泥水/土壓雙模盾構(gòu)機繼承中鐵裝備314#泥水盾構(gòu)機所有優(yōu)點外，盾構(gòu)額定扭矩、脫困扭矩和裝機功率均有相應(yīng)的提高，以滿足土壓平衡模式下全斷面泥巖掘進的掘進要求。左、右線盾構(gòu)機動盤實物圖和盾構(gòu)機相關(guān)參數(shù)設(shè)計及對比見表1。

圖4 左、右線盾構(gòu)刀盤實物圖

2.3 掘進模式選擇與對應(yīng)里程范圍

根據(jù)南寧地鐵多年的施工經(jīng)驗、各地層地質(zhì)特點、掘進適應(yīng)性和盾構(gòu)機適應(yīng)性，南寧5號線旱新區(qū)間，始發(fā)至460環(huán)，因隧道埋深淺、地表為復(fù)雜建筑物群、穿越地層為軟土地層，對沉降控制要求高，故采用泥水模式控制沉降最宜；460～860環(huán)過江期間施工地質(zhì)為全斷面泥巖，泥水掘進易造成渣土土倉滯排，掘進功效低，此地層穩(wěn)定性好，主要為不透水層土壓模式掘進效率高；861環(huán)至1380環(huán)，主要為富水圓礫地層，土壓模式易螺機閘門噴涌，泥水模式安全和效率高。詳見圖5雙模盾構(gòu)機切換總體思路示意圖。

3 雙模盾構(gòu)機適應(yīng)性評價

適應(yīng)性是指事物適應(yīng)客觀條件和內(nèi)外部各種環(huán)境和需要的能力。在系統(tǒng)科學(xué)中，適應(yīng)性是指系統(tǒng)主體能夠適應(yīng)外界環(huán)境因素，并與之保持一致、協(xié)調(diào)發(fā)展的能力。系統(tǒng)是由若干個相互區(qū)別、相互聯(lián)系，而又相互作用和制約的要素（或部件）所組成，并能實現(xiàn)一定整體功能的有機集合體。系統(tǒng)中某一要素（以及表明其特征的指標(biāo)）的變化，既受系統(tǒng)中其余要素的影響和制約，又對它們發(fā)生影響和作用，若要保持系統(tǒng)的整體功能，則要求其中各要素之問相互適應(yīng)。

3.1 穿越建構(gòu)筑物沉降控制評價

2019年3月16日，雙模盾構(gòu)自五一立交站大里程端頭始發(fā)。2019年7月4日，掘進至458環(huán)，完成掘進模式轉(zhuǎn)換，標(biāo)志雙模式盾構(gòu)穿越建筑物完成掘進任務(wù)。盾構(gòu)始發(fā)至460環(huán)區(qū)段雙模式盾構(gòu)機采用泥水平衡模式掘進，以保證在粉土、粉細砂、圓礫組成的復(fù)合地層中穿越老舊建筑物安全。

根據(jù)施工監(jiān)測和第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：在區(qū)間左右線盾構(gòu)完成下穿建筑物后地表和建筑物累計沉降-11mm，平均沉降-5mm，符合施工設(shè)計預(yù)期，實現(xiàn)了對于地面沉降的精準(zhǔn)控制。

3.2 盾構(gòu)施工進度評價

雙模盾構(gòu)泥水模式所掘進的始發(fā)段區(qū)間于2019年3月16日始發(fā)至2019年7月4日完成轉(zhuǎn)換，施工累計110天，共計掘進687m，平均進度6.25m/d。最高單日掘進24m。

雙模式盾構(gòu)所在右線全段隧道自2019年3月16日始發(fā)至2019年12月22日區(qū)間隧道貫通耗時281天，累計掘進2100m，綜合平均進度7.47m/d。

圖5 雙模盾構(gòu)機切換總體思路示意圖

表1 盾構(gòu)機相關(guān)參數(shù)

右線采用雙模式盾構(gòu)在使用泥水模式-土壓模式-泥水模式三個區(qū)間（序號分別為2.1，2.2，2.3）掘進過程和左線泥水盾構(gòu)在掘進過程中的參數(shù)對比詳見表2，可見右線雙模式盾構(gòu)掘進速率明顯提升，顯著縮短了施工工期。

表2 左、右線掘進參數(shù)均值對比

3.3 雙模盾構(gòu)掘進模式轉(zhuǎn)換評價

兩種平衡模式的相互轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。在過江段區(qū)間內(nèi)掘進模式轉(zhuǎn)換共計完成14次，其中包含12次試驗性轉(zhuǎn)換。泥水平衡模式轉(zhuǎn)換為土壓平衡模式或土壓平衡模式轉(zhuǎn)換為泥水平衡模式在當(dāng)環(huán)均能完成全部轉(zhuǎn)換事宜，轉(zhuǎn)換效率較快且安全可靠。

圖6 雙模盾構(gòu)模式轉(zhuǎn)換過程

3.4 總體適應(yīng)性評價

雙模式盾構(gòu)機選用泥水平衡模式穿越建筑物沉降控制方面具有優(yōu)勢，通過雙模式轉(zhuǎn)換加快掘進效率，單日掘進進度均滿足工期計劃，且有效避免了泥巖地層結(jié)泥餅的風(fēng)險；故此，雙模盾構(gòu)機在本隧道工程復(fù)合地層的掘進適應(yīng)性優(yōu)于左線泥水盾構(gòu)。

4 雙模盾構(gòu)機經(jīng)濟性評價

4.1 人員配置

相較于泥水平衡盾構(gòu)機，雙模式盾構(gòu)機需要增加2名門吊司機垂直提升渣土，其他人員配置相同。

4.2 設(shè)備配置

因雙模盾構(gòu)機具備土壓平衡模式與泥水平衡模式兩種掘進模式，故相較于泥水平衡盾構(gòu)機，雙模盾構(gòu)機土壓模式需要增加出渣礦車和45t門吊，負責(zé)土壓渣土水平、垂直運輸，同時需要增加土壓渣坑負責(zé)臨時存儲土壓平衡模式的渣土。故此在泥水盾構(gòu)基礎(chǔ)上需要增加土壓出渣配套的設(shè)備、設(shè)施所帶來的一定投入，具體費用如下表2盾構(gòu)機費用對比表。

通過本項目掘進情況分析，雙模盾構(gòu)針對適應(yīng)性良好，設(shè)備運行狀態(tài)良好，雙模盾構(gòu)實現(xiàn)了在各種地層進行快速模式轉(zhuǎn)換，總體掘進效率較高。但雙模盾構(gòu)相較于泥水盾構(gòu)增加螺機、皮帶機等土壓出土設(shè)備導(dǎo)致租賃費用增加2000元/m，增加45t門吊租賃安拆費用30萬元及土壓渣坑修筑及拆除費用30萬元。綜合費用右線雙模盾構(gòu)相較于左線泥水盾構(gòu)整體增加282.2萬元。

表3 盾構(gòu)機費用對比表

4.3 材料消耗

截止到目前五新區(qū)間左線泥水盾構(gòu)機已經(jīng)完成掘進任務(wù)，雙模式盾構(gòu)機累計掘進1085環(huán)（其中泥水平衡模式822環(huán)，土壓平衡模式263環(huán)），左右線的兩臺盾構(gòu)在物資、能源消耗方面的對比詳見表4。可見其油脂及水、電消耗相較于左線泥水盾構(gòu)機均有明顯下降，具有良好的節(jié)能效果。

表4 盾構(gòu)掘進物資能源消耗統(tǒng)計表

5 結(jié)論及建議

依托南寧市軌道交通5號線五～新區(qū)間盾構(gòu)隧道工程，從掘進效果、盾構(gòu)機租賃費用、配套設(shè)施設(shè)備、掘進資源（人材機）消耗等方面進行統(tǒng)計對比，研究雙模盾構(gòu)的經(jīng)濟性和復(fù)合地層適應(yīng)性，并與左線泥水盾構(gòu)進行對比，主要得出以下結(jié)論：（1）雙模盾構(gòu)在復(fù)合地層適應(yīng)性良好，在始發(fā)段由粉土、粉細砂、圓礫組成的復(fù)合地層中穿越老舊建筑物，泥水平衡模式成功控制了地面沉降。（2）在過江段泥巖復(fù)合地層實現(xiàn)快速模式轉(zhuǎn)換，土壓模式的使用顯著提高了掘進效率，有利于保證施工工期，同時避免了泥水模式易結(jié)泥餅的風(fēng)險。（3）由于雙模盾構(gòu)增加螺機、皮帶機等土壓出土設(shè)備，同時地面配套設(shè)施設(shè)備增加門吊及渣土坑等，導(dǎo)致綜合費用右線雙模盾構(gòu)相較于左線泥水盾構(gòu)整體增加282.2萬元，故設(shè)備方面經(jīng)濟性能相較于單一模式略差。（4）通過南寧5號線雙模式盾構(gòu)機應(yīng)用實踐總結(jié)，雙模式盾構(gòu)機功能更加集成。面對復(fù)雜多變地質(zhì)情況施工方法也更加靈活，是對盾構(gòu)施工技術(shù)領(lǐng)域的拓展。但是因為雙模式盾構(gòu)機未市場存量較少及導(dǎo)致設(shè)備成本較高也限制了雙模式盾構(gòu)的發(fā)展。