氣墊式泥水/土壓雙模式盾構選型及快速換模研究

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著近年來我國基礎設施建設的大力發展，地鐵、公路、電力、引水等工程隧道建設快速推進。隧道建設呈現出長距離、地質條件多樣化、建設環境復雜化等發展趨勢。施工地質由單一地層向復雜地層發展，一般地層向不良地層發展，絕大多數隧道需要穿越密集建筑群和城市綜合交通樞紐，為盾構機高效、安全施工提出了更高的挑戰。面對復雜地層及地表環境，單一模式盾構施工過程中容易出現刀盤結泥餅、渣土滯排、刀具損耗快、掘進效率低、管片錯臺、地表大面積沉陷等諸多問題，造成施工進度滯后且存在極大的安全隱患。綜合考慮施工地層及環境條件等因素，采用多模式化掘進設備是解決上述問題的一個有效途徑。

多模式化掘進設備主要在泥水盾構、土壓盾構、硬巖TBM 的基礎上發展而來。到目前為止，已存在泥水/土壓雙模、土壓/TBM 雙模、泥水/TBM 雙模、三模盾構、變密度盾構等[1～2]?；谀嗨軜?、土壓盾構適用地質范圍及特性，泥水/土壓雙模盾構集成了兩者沉降低、效率高、安全性高的優點，受到較多施工單位的青睞，被用于解決單一模式盾構在復雜地層條件下隧道施工中存在的諸多問題。泥水/土壓雙模盾構在國內外已有相關施工案例：凌鐵堅[3]結合廣州市軌道交通9號線2 標花都汽車城站-廣州北站區間隧道工程，總結了泥水/土壓雙模盾構的構成及模式轉換流程，并拓展了泥水/土壓盾構施工中多種特殊功能；朱勁峰等[4]在原有盾構的基礎上研制出搭載冷凍刀盤的并聯式泥水/土壓盾構，并結合廣州地鐵9 號線、21 號線總結了泥水/土壓盾構的功能及施工優勢；馬哲等[5]分析了盾構施工中存在的風險，總結了單模式盾構及雙模式盾構選型規則，從盾構設計階段避免施工風險；何川等[6]通過對比分析不同地質段和不同模式段的掘進參數變化及能源消耗情況，總結了泥水/土壓盾構選型依據及復雜地層條件下的適用性。雖然泥水/土壓雙模盾構已在部分隧道工程中投入使用，但在復雜地層中，如何高效應用各種模式，如何選擇合適的換模點，高效進行模式快速轉化的研究尚不成熟，且在部分施工區間并未實施模式轉換，其關鍵技術仍需進一步研究。

針對目前單一模式的泥水盾構、土壓盾構在施工中出現的問題，依托南寧地鐵5 號線旱-新區間項目，通過分析地質信息及施工重難點，完成了氣墊式泥水/土壓雙模盾構選型、設計、應用等工作。在此基礎上，確定了泥水/土壓雙模盾構換模點選擇依據，提出了泥水/土壓雙模盾構快速換模方法，為復雜地層下泥水/土壓雙模盾構設計及施工提供有效的基礎支持。

1 工程概況

南寧市軌道交通5 號線一期工程（那洪站-金橋客運站）線路長20.38km，建設地下車站17座。其中，旱塘站至新陽路站下穿邕江，站間距2 098m。旱-新區間盾構始發后，下穿自行車總廠居民樓、新福鞋料市場、五一中路小學等重要建筑，穿越邕江后，在新秀公園站接收吊出。施工區間及地質情況如圖1 所示。

圖1 施工區間地質剖面圖

區間隧道主要穿越地層為③2 粉土、④1-2粉細砂層、⑤1-1 圓礫層和⑦1-3 粉砂質泥巖。江中洞身段所在地層主要是⑦1-3 粉砂質泥巖、⑦2-3 泥質粉砂巖，隧頂地層主要為⑤1-1 圓礫層和⑦1-2 粉砂質泥巖。江中段施工長度約600m，下穿邕江水面長度約400m，水深最高25.75m，最大水土壓力約3.5bar。

根據水文勘探結果可知：本區間影響施工的地下水主要為上層滯水、第四系松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水和基巖裂隙水，邕江與區間隧道所穿越的圓礫地層存在水力聯系。

2 氣墊式泥水/土壓雙模盾構選型

2.1 盾構選型

盾構選型是盾構法施工的關鍵環節，直接影響盾構隧道的施工安全、質量及成本[7～8]。盾構選型時，需要分析隧道外徑、長度、埋深、地質條件、圍土巖性、土體顆粒級配、土層滲透率及棄土容重等特征，同時考慮掘進區間曲率半徑、沿線地形、地面及地下構筑物等環境條件，并結合掘進及襯砌方式確定施工所用盾構類型。

泥水盾構、土壓盾構及泥水/土壓雙模盾構適應性對照情況如表1 所示，根據盾構特點及實際項目地質情況進行該項目盾構選型。

旱-新區間隧道工程重難點及盾構適應性分析主要如下。

1）穿江前200m 主要是圓礫、粉土、粉細砂復雜地層，該地層透水性強，自穩能力較差，壓力控制要求高；且隧道埋深較淺，穿越密集重要建筑群數量較多，建筑物年代久遠，地表沉降控制難，故適宜選用泥水盾構。

表1 單模、雙模盾構適應性對照表

2）邕江江底段主要為全斷面粉砂質泥巖、泥質粉砂巖地段，基本不透水，江底全斷面泥巖黏性強，采用泥水盾構易發生刀盤結泥餅、堵倉滯排現象，掘進功效低，因此采用土壓盾構較合適。

3）邕江北段主要為富含水圓礫地層，透水性較強，土壓盾構施工易發生噴涌現象，導致開挖倉壓力波動大，故宜選用泥水盾構。

基于以上分析，該標段單一泥水盾構或土壓盾構不能很好滿足工程需要，考慮掘進過程地表沉降控制及泥巖段掘進效率，故選用氣墊式泥水/土壓雙模盾構施工。

2.2 氣墊式泥水/土壓雙模盾構原理及結構

氣墊式泥水/土壓雙模盾構是在繼承泥水盾構、土壓盾構技術的基礎上，通過強化盾構結構、優化刀盤刀具、驅動系統及出渣方式，突破泥水、土壓雙模盾構整機集成技術發展而來，該項目所用氣墊式泥水/土壓雙模盾構主要參數如表2 所示，結構如圖2 所示。盾體采用雙倉結構設計，排漿口和螺旋輸送機排渣口位于開挖倉的后部隔板，進漿口在開挖倉和氣墊倉的后部隔板上均有布置，氣墊倉采用非整環結構，內布置有連通管，氣墊倉的氣墊壓力通過連通管傳遞到開挖倉平衡掌子面水土壓力，通過調節氣墊倉的壓縮空氣壓力來調整開挖倉泥漿壓力，控制開挖倉壓力波動。設備同時具備土壓盾構和泥水盾構功能，施工過程不需要拆除任何部件就能完成土壓模式和泥水模式的切換。

表2 項目所用氣墊式泥水/土壓平衡盾構主要參數

圖2 泥水/土壓雙模盾構結構圖

2.2.1 土壓平衡模式

在水土壓力不超過3bar 的粘土地層、泥巖地層等粘土顆粒豐富的地層，掘進時宜選用土壓平衡模式[9～10]。土壓平衡模式下由開挖渣土量、螺旋輸送機排渣量和推進油缸推力三者產生的土壓平衡掌子面水土壓力，安裝在開挖倉隔板和螺旋輸送機筒體上的土壓傳感器時刻監測開挖倉和螺旋輸送機內土壓，以便準確控制地面沉降。前盾下部裝有螺旋輸送機，渣土在螺旋輸送機內形成土塞效應，通過螺旋輸送機后倉門落入到后配套皮帶機上，后配套皮帶機渣土在后部拖車傾瀉到渣車或隧道皮帶機，直至運送到地面。

2.2.2 泥水平衡模式

在軟弱地層、高水土壓力地層和高巖石強度地層中掘進時宜選用泥水平衡模式[11]。該模式下主機區域采用泥漿管道出渣，設備同樣帶壓掘進，能高精度控制地面沉降。泥水平衡模式下由開挖倉的泥漿壓力平衡掌子面水土壓力，安裝在開挖倉隔板上的土壓傳感器檢測開挖倉壓力，及時控制地表沉降。泥漿循環系統的進漿漿液通過泥漿管進入掌子面，并對各部位進行沖刷，與渣土混合后的泥漿通過開挖倉排渣口進入泥漿循環系統，直至輸送到地面分離站。

3 工程應用

3.1 施工區間模式選擇及換模點確定

根據地質及盾構適用性分析，始發段至穿江前200m（1～460 環）、邕江北段前段（845～986環）、邕江北段后段（1031～1399 環）宜采用泥水模式掘進；邕江江底（481～844 環）、邕江北段中間段復雜地層（987～1030 環）宜采用土壓模式，各模式所掘進區間分布如圖3 所示。為確保施工安全、熟悉設備操作及換模操作，461～480 環采用土壓模式、泥水模式各掘進10 環，由于該區段地質較為穩定，可在該區段探索較為合適的模式轉換方法并總結經驗，便于后續模式轉換高效進行。

圖3 施工區間模式分布

460～480 環之間首次實現泥水/土壓雙模盾構模式互換，該段洞身處于全斷面泥巖地層，隧頂泥巖層厚4.52m，埋深31.95m，地層自上而下依次為素填土、粉質黏土、粉細沙、圓礫、粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，透水性弱，地層穩定。第844 環、987 環、1030 環再次進行模式轉換。泥水/土壓雙模盾構在該區間換模位置及地質情況如表3 所示。

表3 旱-新區間換模位置地質情況

根據換模點選擇位置可知，為降低換模風險，換模地點選擇在土體自穩性強、透水性差的全斷面泥巖和土體自穩性稍差的泥巖、圓礫復合地層中。該地層模式轉換過程中掌子面穩定性較好，發生塌方、涌水風險小。

3.2 模式應用

在實際施工過程中，1～460 環、471～480環、845～986 環、1031～1399 環采用泥水模式掘進，地表沉降控制在-6～2mm 之間，泥水倉壓力波動控制在0.02～0.05bar 之間，最高日掘進8 環。第470 環完成了土壓模式轉泥水模式，刀盤轉速1.4r/min，扭矩918kN.m，開挖倉壓力2.1bar，進漿流量821.3m3/h，排漿流量840.3m3/h。泥水掘進模式上位機界面如圖4、圖5 所示。

圖4 泥水掘進模式上位機圖

圖5 泥水掘進模式上位機圖

461～470 環、481～844 環、987～1030 環采用土壓模式掘進，掘進效率較高，最高日掘進15環。第461 環采用土壓模式掘進，刀盤轉速0.7r/min，扭矩2 531kNm，開挖倉壓力2.1bar。土壓掘進模式上位機圖如圖6 所示，出渣如圖7 所示。

3.3 泥水模式轉換土壓模式

圖6 土壓掘進模式上位機圖

圖7 土壓掘進模式出渣圖

泥水/土壓雙模盾構在施工過程中不需要拆除任何部件就可以實現模式轉換。在模式轉換過程中，控制核心是維持掌子面壓力穩定，轉換的本質是渣-漿置換、漿-渣置換。泥水/土壓雙模盾構換模示意圖如圖8 所示。

圖8 泥水/土壓雙模盾構換模示意圖

泥水模式轉換為土壓模式的主要流程為：停止掘進→換模準備→隔離氣墊倉→倉內循環→旁通堆渣→漿渣置換→土壓模式平穩運行→換模結束。泥水模式轉換為土壓模式具體流程如圖9 所示。

泥水轉土壓施工要點如下。

1）旁通堆渣到出渣平穩，需要在一環內完成，換模時要統籌好起始位置、堆渣距離等因素。

圖9 泥水模式轉土壓模式流程圖

2）為了降低螺機前閘門無法打開的風險，轉換時可以先打開螺機前閘門，后堆渣。若螺機前閘門穩定性較好，可以先向螺機內注入高密度膨潤土，置換漿液，再打開前閘門，能夠有效降低螺機噴涌程度。

3）螺機后閘門在打開排渣前，需要通過交替小幅度動作測試開關是否正常，排渣時根據噴漿狀態和土倉壓力變化適時調整后閘門開度。

4）漿渣置換過程中，時刻觀察開挖倉壓力，及時調整進排漿流量，避免開挖倉壓力出現劇烈波動。

5）剛打開螺機后閘門排渣時，勢必會存在噴漿現象，需要控制好掘進速度與噴漿程度，避免開挖倉壓力波動較大。

6）在泥水轉土壓切換完成后，若長期不使用泥水模式，需要用盾尾油脂將前隔板所有泥漿口封堵，降低土壓模式下泥漿管口堵塞的風險。

3.4 土壓模式轉換泥水模式

土壓模式轉換為泥水模式主要流程為：停止掘進→換模準備→開挖倉降渣位→土倉灌漿→倉內逆循環→倉內正循環→泥水模式平穩運行→換模結束。土壓模式轉換為泥水模式具體流程如圖10 所示。

圖10 土壓模式轉泥水模式流程圖

土壓轉泥水施工要點如下。

1）長時間未運行泥漿循環系統，泥漿口存在堵塞風險，根據情況可提前對泥漿口進行機械疏通。

2）降渣位過程中需要通過調節膨潤土、泡沫、壓縮空氣注入量保證開挖倉壓力穩定，根據不同高度壓力傳感器讀數、出渣量、扭矩等因素綜合判斷開挖倉渣位。

3）關閉螺機后閘門后，需要緩慢轉動螺機，使螺機內渣土向上部堆積形成土塞，作為螺機出渣口的密封。

4）在切換到逆循環模式時，需要根據開挖倉壓力變化不斷開關逆洗閥門，若開挖倉壓力降低，則說明排漿口堵塞無法進漿，此時需要打開逆洗閥門形成旁通模式，采用機械疏通排漿口。

5）在換模完成后需要進行氣墊倉灌漿、壓力傳遞管狀態檢測等工作。

3.5 泥水/土壓雙模盾構轉換過程性能分析

泥水模式轉換為土壓模式耗時約3.6h，0～30min 處于換模準備階段，30～140min 處于堆渣階段（漿渣置換），140～180min 處于清渣、降渣位階段，180～220min 處于渣漿混合階段。土壓模式轉換為泥水模式耗時約2.3h，0～30min處于換模準備階段，30～80min 處于降渣位階段，80～140min 處于開挖倉灌漿階段（渣漿置換）。

圖11 為泥水/土壓換模過程中刀盤扭矩變化曲線。由圖可知，泥水模式轉換為土壓模式時，堆渣階段刀盤扭矩持續上升，降渣階段刀盤扭矩呈線性降低，隨后趨于平穩；土壓模式轉換為泥水模式時，開挖倉降渣位階段刀盤扭矩線性下降，倉內灌漿階段刀盤扭矩緩慢上升，直至灌漿結束，刀盤扭矩趨于平穩。圖12 為泥水/土壓換模過程中開挖倉壓力變化。由圖可知，泥水模式轉換為土壓模式時，開挖倉壓力波動較大，波動范圍在±0.3bar；土壓模式轉換為泥水模式時，開挖倉壓力波動較小，波動范圍在±0.1bar。

圖11 泥水/土壓換模過程中刀盤扭矩曲線

圖12 泥水/土壓換模過程中開挖倉壓力曲線

4 結論與討論

基于泥水盾構、土壓盾構應用于復雜地層施工的局限性，依托實際工程項目，研究了復雜地層盾構選型、設計、應用及換模等關鍵技術。主要結論如下。

1）針對泥水或土壓單一盾構不能滿足旱-新區間施工需求的問題，完成了該區間盾構選型、設計、應用等工作，選用氣墊式泥水/土壓雙模盾構施工，氣墊式泥水/土壓雙模盾構能夠適應復雜多變地層，為其它復雜地層盾構選型及設計提供參考。

2）探索了泥水/土壓雙模盾構換模點的選擇依據，驗證了在土體自穩性強、透水性差的全斷面泥巖和土體自穩性稍差的泥巖、圓礫復合地層能夠進行安全、高效的換模操作。

3）提出了氣墊式泥水/土壓雙模盾構快速轉化方法，實現了泥水轉土壓、土壓轉泥水的高效轉換，且換模時間可控制在4h 以內。泥水模式轉換為土壓模式時，開挖倉壓力波動可控制在±0.3bar；土壓模式轉換為泥水模式時，開挖倉壓力波動可控制在±0.1bar。

為適應更廣泛的復雜地層，多模式盾構有望引領未來隧道施工方向。泥水/土壓雙模盾構、泥水/TBM 雙模盾構、土壓/TBM 雙模盾構、泥水/土壓/TBM 三模盾構的需求日益強烈。其選型標準、地質適應性判定方法、模式點選擇、高效排渣模式、施工過程安全控制技術等，有待進一步深入研究。