并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

朱劲锋， 廖鸿雁， 袁守谦，*， 易 觉， 朱宝石

(1. 广东华隧建设集团股份有限公司, 广东 广州 510800; 2. 广州地铁集团有限公司, 广东 广州 510220)

0 引言

我国地大物博，地质条件复杂多变，隧道工程建设过程中面临各种不同的地质情况，特别是在我国城市地铁大规模建设时期，各种不良地质阻碍了地铁建设进程，给盾构选型和盾构开舱换刀带来了很大的困难。为保证盾构施工安全，不同地质情况下各类盾构辅助方法也应运而生。

在双模式盾构技术方面，凌波等[1-2]研发出并联式双模式盾构，该盾构集成了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的设计理念与功能，可根据地层变化快捷地在土压盾构和泥水盾构2种不同掘进模式之间实现相互切换； 赖理春[3]在并联式双模式盾构的使用过程中总结分析了并联式双模式盾构掘进模式选取的经验，归纳了在不同工况选择对应的掘进模式； 周玉标[4]总结了双模式盾构在岩溶发育地层中下穿高速公路的相关措施； 管会生等[5]总结了双模式盾构在矿区斜井隧道的掘进参数，分析计算双模式盾构在2种掘进模式下的最大切深、土舱压力以及盾构推力、刀盘转矩等关键掘进参数,确定了在EPB模式和单护盾TBM模式下的最大切深分别为28 r/min和19 r/min,并提出了在6个地质区间下双模式盾构关键掘进参数的配置建议。

在冷冻刀盘盾构技术方面，刘晋斌[6]在盾构始发端头采用冷冻加固方法，分析了施工过程中遇到的一些难题，总结了冷冻法在始发端头施工过程中的经验； 易觉等[7]通过采取盾构刀盘冷冻管路改造、冷冻接口密封改造、冷冻系统设计、增加冷冻设备等手段，研发出搭载冷冻刀盘式的盾构； 程林飞[8]从盾构在冷冻法端头加固地层中的顺利始发,介绍冷冻法端头加固盾构始发技术的组成、关键工序、关键技术,以及常见的问题和预防措施； 张晓磊[9]阐述了联络通道冻结施工工艺,并通过整理工程实测数据以及工程实际出现的问题,分析了影响冻结帷幕形成的原因,最终在冻结帷幕薄弱区域采用补孔加固冻结等措施解决高水头高流速全断面富水砂层冻结难题。

目前，在地铁隧道施工过程中双模式盾构的施工案例不多，冷冻刀盘盾构开舱技术应用更少，也没有相关冷冻刀盘开舱的操作建议。本文以广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程为例，通过现场监测数据与试验数值模拟对比，总结出并联式双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术。

1 并联式双模式盾构介绍

1.1 并联式双模式盾构关键技术原理

并联式泥水/土压双模式盾构能通过系统控制直接切换掘进模式。并联式双模式盾构具备泥水平衡模式与土压平衡模式的2套设备，盾构主体与台车设备布置空间狭小，为达到不拆装任何设备直接切换，主体与台车上设备的布置成为制造难点之一。设备盾体设计总长8.92 m，8节台车总长7.735 m，包含机构设计与系统设计。机构设计包含刀盘及主驱动、筒体、盾尾密封、铰接系统、人闸、拼装机、皮带输送机、螺旋机、连接平台、台车等设计；系统设计包含刀盘驱动系统、推进系统、测量导向及纠偏系统、气压开舱系统、背填注浆系统、密封注脂系统、数据采集系统等设计。

1.2 并联式双模式盾构的优点

通过结构设计优化、设备系统改进及性能提升，以现有的泥水、土压盾构为基础，结合盾构的施工环境及对盾构功能的要求，将具有泥水、土压2种模式的功能有机地融合在1台盾构上，再进行设备系统改进和性能提升，使新设备在各方面优于现有设备，实现2种功能既可以独立使用，又可以互相配合使用，最主要的是2种模式要在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。在土体自稳性强、岩层，采用土压平衡模式掘进可以减少盾构施工成本； 在软土、富水性地层、高水压地层、过重要建筑物、下穿河流等工况下，采用泥水模式掘进可以有效控制地表沉降。双模式盾构解决了单一盾构的适用性受限问题。并联式双模式盾体内环流系统管路布置设计见图1。

图1 并联式双模式盾体内环流系统管路布置设计图

2 双模盾构的工程实践应用

2.1 岩溶发育地区工程实践应用

广州地铁9号线线路基本位于岩溶发育的花都地区，地质特点主要表现为： 灰岩分布广泛，砂层直接覆盖在灰岩面上，灰岩的抗压强度为60～100 MPa； 岩溶发育(溶沟、溶槽、溶洞、土洞发育)，见洞率约为50%； 地质构造发育； 岩体较破碎； 地下水较为丰富。广州地铁9号线沿线地质构造见图2。车站开挖岩面及岩石情况见图3。盾构开舱岩石情况见图4。岩溶地区盾构施工刀具磨损情况见图5。

图2 广州地铁9号线沿线地质构造图

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

图4盾构开舱岩石情况

Fig. 4 Rock Condition in Shield Machine Opening

(a)

(b)

(c)

图5岩溶地区盾构施工刀具磨损情况

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

其中，广州地铁9号线2标为花都汽车城站—广州北站，线路总长约1.68 km，盾构从花都汽车城站始发，向广州北站掘进。

2.1.1 地面情况

区间线路自西向东下穿风神大道、农新大道、荔红路下沉隧道、天马河、农新排水站、广清高速公路、7.3 m×1.9 m污水渠箱，侧穿天马河西岸楼盘、天马河1号楼盘、农新大桥、祈福辉煌台楼盘、布心塘村天然地基居民楼群等。广州地铁9号线2标卫星线路图见图6。

2.1.2 地质情况

区间隧道洞身范围内以砂层为主，占57%，黏土地层占32%，灰岩占11%，溶土洞见洞率为46%，裂隙发育。岩面直接过渡到砂层，砂层非常厚，渗透性大。就地层和地表环境而言，对地面沉降控制要求非常严格。广州地铁9号线2标地质纵断面见图7。

图6 广州地铁9号线2标卫星线路图

图7 广州地铁9号线2标地质纵断面图

2.1.3 掘进情况

采用2台并联式泥水/土压双模式盾构施工，下穿风神大道、天马河河堤(景观河，高差8 m)、农新大桥、农新排水站、广清高速。在风神大道、天马河、农新排水站、广清高速公路等对地面沉降要求严格的区域，出现上软下硬地层，故该区域采用以泥水模式为主、土压模式为辅(排出大粒径石块)的形式进行掘进，充分利用了双模式盾构在地质和地面环境方面的通用性，达到了控制沉降、减少振动的施工效果。广州地铁9号线2标并联式双模式盾构掘进模式选取图见图8。

图8 广州地铁9号线2标并联式双模式盾构掘进模式选取图

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

在9号线2标盾构施工过程中，左、右线盾构共进行了14次模式切换。基本掌握了盾构在全断面砂层、黏土层、加固体、灰岩地层、上软下硬复合地层等条件下的切换技术和应对措施管理。真正实现了不需在特定条件下拆装任何部件，就能安全、快速、连续地切换掘进模式。

2.1.4 完成情况

9号线2标采用双模式盾构掘进，在整个9号线施工的所有标段里，是唯一一个未出现过地面冒浆、塌陷等现象的标段。对于地层沉降要求严格的区域施工，且在岩溶发育区，上软下硬地层掘进施工对盾构的适应性和施工应急要求较高，因此，采用并联式双模式盾构掘进无需在特定条件下进行装卸任何部件，便可实现掘进模式的切换。实际施工中根据地层环境的变化，快速切换，利用不同的模式有针对性地掘进，以弥补泥水以及土压单一掘进模式的不足。泥水掘进模式切换成土压掘进模式操作流程见图9。土压掘进模式切换成泥水掘进模式操作流程见图10。广州地铁9号线各类型盾构完成情况对比见表1。广州地铁9号线其余标段盾构施工沉降过大、坍塌现场见图11。

图9 泥水掘进模式切换成土压掘进模式操作流程

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

图10 土压掘进模式切换成泥水掘进模式操作流程

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

2.2 并联式双模式盾构在球状风化体地区工程实践应用

广州地铁21号线14标位于萝岗区九龙镇九龙大道上，线路基本为东西走向。其中，镇龙南站—镇龙站区间、镇龙车辆段出入段线均为地下段区间。

2.2.1 地面情况

镇龙南站—镇龙站间线路出镇龙南站后，沿着广汕公路由西往东前行，途经美佳超市综合市场、拟建广汕公路跨线桥(广汕公路与九龙大道路口)、广州宝丽雅复合材料有限公司、增城市优氏工艺品有限公司，进入镇龙站。广州地铁21号线14标卫星线路图见图12。

2.2.2 地质情况

隧道埋深16.5～17.3 m，盾构区间所遇地层中涉及到〈6H〉花岗岩全风化层达到17.13%，〈5N〉花岗岩残积土(即砂质黏性土)达到49.00%。残积土及全、强风化岩中常发育球状风化体(孤石)，其埋藏分布及大小是随机的。

表1 广州地铁9号线各类型盾构完成情况对比

2.2.3 完成情况

通过盾构掘进参数控制及泥水、土压模式切换，采用螺旋机排石技术，盾构下穿后房屋群沉降均在规范范围内，成功通过孤石地层，且在遇到钢板桩后，盾构直接切除并排出。如果采用单一的泥水模式，无法顺利排出较大直径的孤石，只能采用开舱捞石的方法排出； 而采用单一的土压模式，盾构在下穿房屋群无法更有效地控制地面沉降。根据整个标段的地质考虑采用单一的泥水盾构掘进，遇到孤石地层且意外遇到钢板桩的情况下，单单靠泥水盾构的排泥管无法把较大的孤石或其他较大障碍物顺利排出，导致障碍物堵塞排泥管口，致使切口水压不稳定、地面沉降过大，甚至由于土舱滞排导致刀具破损脱落等问题的发生，因此在这时候把泥水盾构切换成土压盾构，直接采用螺旋机解决滞排问题。广州地铁21号线14标区间掘进排出孤石如图13所示，区间掘进切割钢板桩如图14所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

图11广州地铁9号线其余标段盾构施工沉降过大、坍塌现场

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

图12 广州地铁21号线14标卫星线路图

3 冷冻刀盘的创新与实践

3.1 冷冻刀盘的原理

1)对盾构刀盘进行结构改造，刀盘12个隔舱内在辐条板、刀箱板、大圆环等结构的侧面焊接异形冷冻液管路，冷冻机对冷冻液进行降温，通过循环冻结管路输送到盾构刀盘内结构区域，并保持温度，使温度向外扩散产生冻结效果，土层温度可降到-28 ～-30 ℃，使整个刀盘结构及周边土体变成一个大型的“冻结圆盘”。冷冻刀盘的冷冻管路布置见图15。这个“冻结圆盘”能够充分隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，如同一道冻土屏障，换刀作业就在冻土屏障的保护下进行。冷冻刀盘适用于含水量大于10%的土层和岩层。在软土地层、含水不稳定土层、流砂，高水头、高地压地层开舱实施较为困难，气压开舱存在较大风险，使用冷冻刀盘开舱更为安全。

2)为了应对特殊情况，需进行开舱检查或更换刀具： ①利用刀盘为等温体的特性，设置冷冻管路和冷冻设备，使盾构刀盘附近土体有效冻结； ②刀盘同时作为承载体，承担掌子面总荷载，冻结体只承担开口部位荷载； ③根据刀盘冷冻管路设置及智能控制系统，针对复合地层的复杂性，可进行分区不均匀冷冻。

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

3)盾构在刀盘各辐条上预埋了冷冻管，分区冷冻。主要研究成果有： 主轴承保护、冷冻滚刀、根据土舱压力变化介质转换(冻胀内应力、土舱清理、隔热)、温度流量PID自动调节控制系统、集成式冷冻机组系统。

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

4)采用重新定制的一体化冷冻设备。该设备体积较小，可放置于隧道内盾构配套台车后方，跟随盾构掘进前行，避免长距离的冷冻管路连接，便于快速应对冷冻期间的各种情况，提高冷冻施工效率。冷冻设备布置见图16。

3.2 冷冻刀盘研究历程

1)本研究最早开始于“广州市220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程施工1标段”，工程施工1标段图见图17。该项目区间总长度约为2.6 km，采用直径为4.35 m的泥水盾构掘进。

(a)

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①该盾构直径小，空间受限。

②隧道断面范围内局部有强度较高的灰岩侵入，有较长距离的上软下硬地段，拱顶主要是以强透水软弱地层为主，典型的复合地层，且地下水较为丰富，地层对盾构刀具的磨损比较严重； 因此，不排除在上软下硬或全断面软弱地层中开舱(换刀)的可能性。

③由于隧道线路基本上是沿着西湾路和西槎路穿行，地面交通十分繁忙，征借地相当困难，基本不具备地面加固换刀的条件。

2)隧道内导洞填埋冷冻试验方案。即在环西1标始发井端头内，先行进行导洞施工，然后将盾构安置于导洞内，根据冷冻试验相关要求进行试验，导洞及土舱内注入浓泥浆。对注入泥浆取样检验比重及黏度指标，以模拟地下水及水压环境，检验冻结施工后在开舱作业期间的实际效果。

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①W01～W08是围绕在盾构外壳垂直向外的测温孔，深度1 m，每隔20 cm布设1个测温点，每个孔累计5个测点。盾构外壳外部累计40个测点，测温孔最高温度为-4.8 ℃，可分析计算出冻土向外扩散大于1 m。测温孔布置如图18所示。

图17 220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程施工1标段图

②SQ01～SQ03、EQ01～EQ03、YQ01～YQ03、ZQ01～ZQ03是分布在盾构外壳前方边缘4个区域隔舱的测温孔，共84个测点，测温孔最高温度为-2.26 ℃，可分析计算出冻土向导洞方向扩散大于1 m。

③土体、钢管片的初始温度均取为18 ℃，有限元计算整体模型如图19所示。图19中： 面ADEH、EFGH、CDEF为恒温边界，温度为原始地温；考虑到对称性，面ABCD、ABGH为绝热边界；考虑到盾构刀盘后方会进行保温处理，且盾构刀盘后方的温度场发展趋势不是重点关注区域，面BCFG近似按绝热边界处理。冻结管外表面温度是决定冻结效果的重要因素，计算的冻结管外壁温度采用3种不同的方案，即经过一定的降温时间以后(冻结开始1周后盐水温度降至0 ℃以下，冻结2周后盐水温度降至-20 ℃以下)，盐水温度分别稳定在-25、-28、-30 ℃。

图18 测温孔布置

图19 有限元计算整体模型

土体和钢管片的热物理参数见表2。

表2土体和钢管片的热物理参数

Table 2 Thermophysical Parameters of Soil Mass and Steel Segments

参数土体钢管片密度/(kg/m3)含水量/%导热系数λ/(W/(m·K))比热容/(kJ/(kg·K))1 930251.45(未冻土)1.85(冻土)1.69(未冻土)1.108(冻土)7 800360.47

冻结效果评价： 冻结帷幕向外扩散最小厚度为1 m，即实际冻结帷幕的强度大于设计冻结帷幕的强度，平均温度-17.8 ℃(设计冻结帷幕的平均温度为-10 ℃)，实际冻结天数为18 d，即冻土向四周扩散速度为55 mm/d，向前扩散速度最低为44 mm/d，满足方案设计要求。

④冻结帷幕平均温度-17.8 ℃低于设计温度(设计冻结帷幕的平均温度为-10 ℃)，由此推断实际冻结帷幕的强度均大于设计冻结帷幕的强度，实际冻结效果可开舱做进一步检验。冻结效果见图20。

(a)

3)第2次试验在220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程施工1标第640环位置实施。冷冻试验前，在停机位置先进行地质补勘，揭示隧道洞身地层为〈3-2〉中砂层2.05 m、〈4N-2〉粉质黏土2.05 m； 隧道覆土厚度为12.2 m，上覆土层为〈4-2B〉淤泥质土层和杂填土层，隧道地质条件为全断面软弱地层，含水量较丰富。该位置地质条件对于冷冻试验来说属于不利地层。第2次刀盘冷冻试验如图21所示。测温孔位置布置见表3。

图21 第2次刀盘冷冻试验(单位： m)

孔编号孔位置用途T1T2T3T4T5T6T7T8盾构左边 掌子面前方盾构右边 测温

注： 地面往下钻探成孔，在掌子面前方0.5～0.8 m、筒体上方0.8 m至下方0.8 m范围内布置测温感应器，布设间距为0.5 m，用以监测冻土发展情况，以实现安全开舱的目的。

4)冷冻刀盘第2次试验结果。

泥水盾构停止掘进通过泥浆循环洗舱后开始积极冻结，在冷冻胶圈初步形成后采用空气置换舱内部分泥水，减少舱内冻土量。经过6 d冷冻施工，根据监测，刀盘前方0.5～0.8 m处冻土温度已达到0 ℃以下，且已保持冷冻5 d，满足安全开舱冷冻帷幕厚度达到0.5～1 m的要求。对土舱取样检测冷冻效果，掌子面已结成具有相当硬度的冰块，根据数据综合分析，已达到预设冷冻效果，满足开舱条件。冷冻刀盘开舱作业现场如图22所示。

5)冷冻刀盘技术拓展及创新。

冷冻刀盘与双模式盾构的融合，提升了盾构施工技术。目前常见的盾构开舱方式有以下3种，这3种开舱方法都存在着各自的弊端。

(a)

(b)

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①地面预加固常压开舱。预加固常压开舱工法，地面加固位置无法按实际需要预先精确选位，且加固及龄期时间长，对周边环境影响大，成本费用高，甚至地面无法提供条件进行土层加固等。

②气压开舱。气压开舱在气密性差的地层环境下难以实施，施工人员进入气压土舱施工时间不能过长，工作效率低。

③常压开舱。常压刀盘换刀对刀盘制造工艺要求高，费用高，刀盘质量大，多次使用可能带来密封失效的风险； 且常压刀盘最大的缺点在于刀具布置不合理，切削效率低。刀盘超厚，排土效率低，与土压模式不匹配，特别是降低了刀盘中心开口率，导致开口率不足，容易造成切削的渣土不能及时进入开挖舱而积聚于刀盘中心面板形成泥饼，泥饼又反过来造成刀具磨损，掘进困难，兼容性较差。

针对以上3种开舱换刀弊端的对比和条件的局限性，将冷冻法加固与盾构刀盘结合在一起，自带冷冻功能的盾构刀盘，使盾构刀盘具备冻结地层的功能，通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固，使其达到常压开舱的要求，与双模式盾构相结合，兼容性好，不存在功能上的冲突。冷冻刀盘双模式盾构照片如图23所示。

图23 冷冻刀盘双模式盾构照片

4 结语

1)并联式泥水/土压双模式盾构的研发与应用，具有兼具土压平衡盾构、泥水平衡盾构的功能； 能够通过置换各种不同配置的刀具来适合2种模式下盾构在复合地层、砂层及岩层的施工要求，包括硬岩刀具配置和软土刀具配置；设备系统改进、功能提升与结构优化；设备融合土压平衡盾构及泥水平衡盾构的施工优势，可根据盾构隧道沿线地表环境条件和隧道穿越的地层条件，合理划分隧道采用泥水或土压模式施工的地段，确定隧道区间的最优施工方案； 盾构施工环境适应性强； 对今后盾构制造和盾构在复杂地层施工有良好的促进作用，其强大的适应性，安全快速的切换，保证了施工工期及施工安全。

2)冷冻刀盘首次将盾构施工技术与冷冻技术相结合。 整个刀盘结构及周边土体变成一个大型的“冻结圆盘”，如同一道屏障，充分地隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，确保在不良地质下盾构开舱作业安全。冷冻刀盘目前处于试验成果阶段，尚未有大量项目论证，尚需考虑更复杂的建设环境，如特殊地层(沿海含盐、含气、地下水与海水相通地层，西南地区的高地热地层)是否适用冷冻刀盘问题。深埋隧道、高水压冷冻效果尚待验证及研究等。

3)冷冻刀盘与并联式双模式盾构高度匹配，阶段性地扩大了盾构的适应范围和提高了盾构的掘进效率，解决了大埋深、高水压、大直径带来的盾构技术发展的瓶颈，填补了在软弱地层、高水压、大埋深、地面无预加固条件下实施常压开舱换刀的空白。通过不断开发这2项技术的适用性及优化完善其施工工艺和施工方法，将这2项技术在华南地区甚至全国范围内推广应用。