中心螺机式双模盾构洞内模式转换技术

【摘 要】双模式可转换盾构解决了软硬地层交替出现的地段正常掘进问题。本文对某隧道工程中中心螺机式双模盾构洞内转换技术进行研究，分析了双模盾构洞内模式转换方案，为了应对洞内快速作业需求，对拆螺旋机工装进行了优化，最后给出模式转换要注意的问题，严格按照施工进度进度执行、加强安全保证措施以及注意创新优化工装，提高施工效率。

【关键词】双模盾构;模式转换;技术

1、引言

随着我国交通建设工程增多，隧道施工越来越离不开盾构机的使用。盾构设备根据地质条件不同而有不同构造和特点。盾构在软硬地层交替出现的地段中掘进，当掘进过程中出现软岩或者上软下硬的复合地层，或者遇到重要的建筑物时，可以采用EPB模式掘进或者先将硬岩段使用矿山法施工，再使用盾构空推拼装管片通过。但两种方法各有局限，前者虽然可以很好的应对软岩和建筑物，但在硬岩中掘进效率低下;后者工序较为繁杂，成本高，并且爆破振动不利于建筑物保护。而双模式可转换盾构解决了软硬地层交替出现的地段正常掘进问题。

2、工程概况

布吉站～石芽岭站区间自布吉站出发，沿龙岗大道敷设，下穿既有地铁区间5号线、下穿侧穿3号线桥桩、侧穿龙岗大道高架桥，随后往东北方向拐入南门墩村、布吉新村房屋，随后沿中兴路东西主干道敷设，侧穿布龙公路桥，到中间风井，其后侧穿慢城四期高层、下穿石芽岭学校风雨操场及学校教学楼，沿科技园路-盛宝路到达石芽岭站，布吉站～石芽岭站区间左线设计起点里程为ZDK10+249.729，终点里程为ZDK13+478.917，包含长链1.987米，左线长度3231.2m，右线设计起点里程为DK10+249.729，终点里程为DK13+478.834 ，包含短链0.036m，右线长度3229.1m，区间隧道采用双模盾构法施工，管片内径6.0m，外径6.7m，管片厚度350mm。

布吉站至石芽岭站区间左线含有四个圆曲线，曲线半径分别为550、750、750和700m，区间左线出布吉站后先沿向下纵坡0.2%、2.9166%，然后沿向上纵坡2.9%、1.5%、2.9%、1.5%及2.9%，再沿下纵坡2.1%、1.5%，最后沿上纵坡2.9217%至石芽岭站，区间右线出布吉站后先沿下纵坡0.2%、2.9166%，然后沿向上纵坡0.9%、1.5%、2.9%、1.5%及2.9%，再沿下纵坡2.1%、1.5%，最后沿上纵坡2.9217%至石芽岭站，区间隧道埋深20m～86.5m，区间共设7座联络通道，其中5号联络通道兼中间风井，1号与7号联络通道兼废水泵房，中间风井兼盾构始发井与接收井，往中间风井往布吉站为始发，石芽岭站往中间风井为接收，中间风井长32.1m，宽25.2m，深50.49m，布吉站～石芽岭站站区间总平面图见图2.1。

3、双模盾构机介绍

土压盾构为封闭式，出渣方式为螺旋输送机，在全断面硬岩地层中工作效率不高;TBM为敞开式掘进机，出渣方式为螺旋输送，主要缺陷是在遇到局部富水时，很容易发生喷砂、喷涌等现象。因此将土压和TBM组合设计，利用两种模式的优点，可以在不同地层间进行隧道掘进。中心螺机式土压平衡和TBM双模式盾构机主要由主驱动、刀盘、螺旋输送机、盾体、管片拼装机、溜渣槽、中心螺机、中心回转接头、螺旋输送机等构成。当遇到硬岩段时，为使双模盾构在掘进过程中可以随主机进行摆动，中心螺机专门设计了后部支撑和前置关节轴承，通过这两个结构形成稳定结构，可以有效避免主机姿态与螺机由于不協调而卡轴。双模盾构机改良了TBM模式中的出渣方式，降低了TBM可能出现的喷砂和喷涌问题，还可以减少转换时间，降低施工风险和故障率，保障掘进工作顺利进行。

4、双模盾构洞内模式转换方案

中心螺旋式盾构模式转换只需要在洞内进行螺旋机的拆拔与安装，省去了皮带机或螺旋机运入运出隧道的工作内容，TMB转EPB的模式转换流程主要有准备工作、土仓改造、螺旋输送机后撤、螺旋输送机安装、收尾机调试工作。

准备工作。做好人员和材料准备后，为保障模式转换工作顺利进行，清理中前盾泥巴，将管片吊装设备移除洞外，腾出必要空间;施作止水环;底部螺机盖板拆除，将土仓下螺机口处的泥巴清理干净;然后延长隧道内部中轨的铺设至中盾位置，为安装门架和吊装螺旋机做好准备。

土仓改造。土仓改造目的是将TMB的出渣模式改造为EPB模式，首先割除TBM模式中使用的格栅板，然后移出刮渣板，割除流渣槽，清理土仓泥巴;主驱动电机断电，电缆拆除，拼装机、螺机电缆线断电拆除，安装EPB模式中使用的搅拌棒;在盾体两侧搭设平台。

螺旋输送机后撤。重新安装螺旋机，首先拆解回转中心，将回转中心、搅拌棒、拉杆、筒节运送进洞存放;为给螺旋机后撤腾出空间，将盾构内的设备拖车后移17m左右，然后安装门架和螺旋机吊点，进行吊装工装焊接等作业，最后将螺旋机拆除吊装并后移约9m。

螺旋输送机安装。进行螺旋机安装时，注意先将拆除后的螺旋机叶片进行碳刨打磨，如果有损坏的叶片及时进行更换;将拆除的回转中心安装至底部螺旋机口位置，操作吊点处的葫芦将螺旋机下放，并进行螺旋机插入安装;

收尾机调试工作。螺旋机安装完成后，就可以对吊装工装进行拆除，安装土压相应的拼装平台，清理盾构，将之前被拆除的机内平台恢复原状，安装后方平台悬梁臂连接横梁;连接各类连接线，如螺机电缆线、主驱动电机电缆线等;连接设备桥两侧拖拉油缸、循环水管、泡沫管、油管，刀盘满足启动条件;清理倒运盾体内材料;清理设备桥、拼装机底部淤泥，拆除轨道，开始调试盾构机。调试内容包括中心回转接头所有管路调试、螺旋机动作及液压系统调试、土仓壁上泡沫管路调试等。

5、拆螺旋机工装优化

螺旋机是土压平衡盾构的重要组成部分，本工程中使用的螺旋机自重32t，尺寸为12000mmm*1640mm*1150mm，螺旋机护筒约10t，其他配件约5t。由于洞内施工空间有限，焊接工艺要求高，模式转换过程中仓内焊接耗时较长，为了适应快速转换需求，本工程对拆螺旋机工装进行了优化，减少了部分焊点，改良工作主要有：双轨梁行走梁少拆除两根，直接在双轨梁上进行焊接;底部斜撑减少一根，相应减少顶部斜撑。为了确保优化后的拆螺旋机工装安全可靠，使用ANSYS软件进行了安全性模拟验证。优化后的拆螺旋机工装虽然结构有部分变化，但并没有改变吊点位置。根据螺旋机拆除吊装过程中的受力特征，使用工字钢截面作为模拟截面，底部采用固结约束，对吊点施加相应吊装荷载，分别进行工装前和优化工装模拟试验，结果表明优化的拆螺旋机工装可以满足安全性要求。

6、模式转换要点分析

由于洞内空间狭小，作业环境差，施工有难度，因此安全风险较高，尤其在洞内进行吊装、动火等作业，很容易发生火灾、机械伤害等事故。因此在进行洞内模式转换过程中，要注意以下问题：

按照施工工序严格执行。各类人员明确职责和工作内容，做好操作规程学习和安全技术交底工作;提前制定严格工序，施工按照工序稳步进行;做好施工前各项检查工作，施工过程由总调度统一指挥，遵守各项规范;设备使用严格遵照施工要求，做好检查和检修工作，在负荷承受范围内运行。

加强安全保证措施。执行持证上岗制度和定期学习制度;进入施工现场各项操作都要按规程执行;电气设备由专人负责，总分配电箱要有漏电保护装置电箱，做到防水防雨，门锁齐全;凡移动开关箱，外壳要有可靠的保护接零，内设一机一闸一漏，箱内研究动力、照明混用;工作平台干净，无油或油脂残留;所有需要的平台和负载运送工具必须固定到防水墙和暗墙;注意通向闸的逃生通道不能存放任何工具，始终保持畅通。

创新优化工装，提高施工安全和工作效率。优化模式转换过程中的临时工装，缩短工期，减少二次焊接，使工装更加高效，适应洞内快速作业的要求。

7、总结

双模盾构机既有土压平衡盾构机的所有功能，又有传统敞开式TBM的功能，在施工中充分发挥了其适应性强、掘进速度快的优势，为施工单位处理复杂地质条件下的施工难题提供了解决方案。尤其是对于复合地质、软土段和硬岩段，如果施工过程中没有更换盾构的条件，使用双模式盾构机掘进模式可以保证顺利通过困难地段，达到工期目标。

参考文献：

[1]姚平，付飞达等，双模式盾构机的设计研究与应用[J]，机械工程师，2014.6.

[2]陈珊东，双模式盾构机应用研究[J]，技术探讨，2015，3

[3]凌铁坚，盾构法施工新技术——泥水-土压双模式盾构施工[J]，建设科技，2017（13）.

作者简介：

邓德禄，男，1996年1月6日，四川广汉，本科，双模盾构模式转换，助理工程师。

（作者单位：中铁隧道集团二处有限公司）