具有三种掘进模式的盾构关键技术研究

2020-06-14陈晴煊

建筑机械化 2020年2期

凌波，李飞，陈晴煊

（中铁华隧联合重型装备有限公司，广东佛山 528308）

现有盾构的掘进方式只能为土压平衡式、泥水平衡式、土压泥水双模式、敞开式TBM 盾构其中一种，因此盾构适应地层变化的工作能力受到极大限制，现阶段我国城市轨道交通、引水隧道、电力隧道大力发展，隧道穿越地区地质变化较大，在大量的复杂地段，现有掘进方式的盾构容易出现掘进困难、施工工期长、增加工程成本等缺陷，对轨道交通建设造成不利影响，特别是对于由硬岩地层与局部含泥沙富水地层或断裂带地层进行掘进时，现有模式掘进困难。具有三种掘进模式的盾构可以解决复杂地形下现有模式掘进困难的问题，尤其是对于岩层突变，如岩层中心“V”形砂槽，该机型能快速从TBM 模式切换到盾构的泥水平衡模式掘进，降低工程危险。

1 工程案例

广州地铁7 号线萝岗站至水西站区间，其城市地表复杂，地质软硬不均，隧道穿越残积土层、全、强、中、微风化花岗岩。全风化花岗岩已基本风化破坏，局部夹有未风化的孤石，遇水易软化、崩解，部分孤石可以通过地上机器先行检测到，并进行破除，可选用土压掘进模式；其他部分孤石不能通过预处理爆破，选用泥水掘进模式。中、微风化花岗岩为硬岩层，土压泥水双模式盾构无法满足硬岩掘进的要求，但现有的敞开式硬岩掘进机也不能满足在强风化花岗岩地层掘进的条件，难以控制地表沉降，由于是敞开式掘进，容易有泥浆、水涌入盾体的危险。

为了保证在硬岩地层与局部含泥沙富水地层或断裂带地层能安全、快速地掘进，本文研究设计一种具有三种掘进模式的盾构，能够根据不同地层条件和施工需要进行多模式快速一键互相切换，且不拆装任何部件，不改变刀盘结构，并且在台车上实现渣浆分离。

2 三模式盾构的优势

三种掘进模式盾构是一种具有土压、泥水和TBM 三种掘进模式，并能同时实现三种模式之间的模式转换一键式切换的盾构，模式转换安全、快速、劳动强度低，适用于城市结构建筑物复杂地层施工。其主要优势有：①刀盘结构进行加强设计，比常规刀盘重10t 左右，刀盘刚度强度足够，适用于各种复杂地层工况需求；②刀盘采用小刀间距（75mm 刀间距）设计，保证TBM 模式下的切削能力；③主驱动驱动功率1 500kW，最大转速5.02rpm，满足TBM 模式下的高转速要求；④泥水平衡模式掘进时的泥膜和压力平衡方式有利于上软下硬地层掌子面稳定，适应该地层缓慢掘进的需求；⑤进浆口分别设置在开挖仓顶部、开挖仓底部和刀盘背部，根据不同地层、不同模式下冲刷需求进行切换使用；⑥TBM 模式下的排渣系统采用快速排渣泥浆循环系统，开挖仓泥浆只有整仓的1/3，开挖的渣块可快速输送出开挖仓；⑦开挖仓内的泥浆可以冷却刀盘刀具，提高刀具使用寿命；⑧开挖仓采用封闭设计，减少粉尘影响隧道环境；⑨刀盘上设计开挖直径测量装置，可在停机时检测实际开挖直径。

3 三种掘进模式的运用情景

1）土压平衡式在孤石预处理（爆破）达到预想效果、孤石预处理（爆破）处理达不到预想效果或预处理时遗留孤石的情况下，使用土压平衡模式掘进：由刀盘切削土层，切削后的泥土进入土舱，土舱内的泥土与开挖面压力取得平衡的同时由土舱内的螺旋输送机出土，螺旋输送机出土口在出土量与推进量取得平衡的状态下，进行连续出土。

2）泥水平衡式在孤石预处理不能实施的情况下，或在上软下硬地层区段，使用泥水平衡模式掘进：在盾构正面与支承环前面装置隔板的密封舱中，注入适当压力的泥浆使其在开挖面形成泥膜，支承正面土体，实现开挖面稳定，并以安装在正面的刀盘切削土体，渣土与泥浆混合后形成高密度泥浆，用排泥泵及管道输送至地面或台车进行渣浆分离处理。

3）泥水式TBM 为了满足盾构也能在全断面硬岩地层的掘进，在其中加入一种泥水TBM掘进模式，颠覆性地改变常规TBM 掘进模式的排渣方式，利用泥浆携带渣土实现了渣土无级连续排出，减少了开挖仓渣土堆积对刀盘的磨损；开挖仓内的泥浆实现快速冷却刀具、减少刀具磨损；开挖仓采用封闭性设计，实现工作区域无粉尘，工作环境优良；地下水丰富地层采用TBM掘进模式即保证正常的开挖又具备排水功能。