双模盾构复合地层应用技术研究

2020-11-30叶永茂

装备维修技术 2020年14期

叶永茂

摘要：双模盾构机是将土压和泥水双掘进模式整合为一体的新型盾构设备。以某市地铁X号线WX区间为工程背景，双模盾构相较于单一模式泥水盾构在复合地层适应性进行研究。

关键词：双模盾构;复合地层

1、引言

随着城市轨道交通建设发展，国内已有45座城市在建地铁，已开通地铁城市37座。盾构机在地铁建设已经得到广泛使用，而双模盾构更好地满足不同地层又好又快掘进效率。截至目前国内现有小直径双模盾构（开挖直径小于9m）4臺，首次使用于广州市轨道交通9号线2标花都汽车城站-广州北站盾构区间。因采用小直径土压/泥水双模盾构施工项目较少，现阶段国内双模盾构施工技术应用尚不够广泛。

为了让隧道施工更快、更好、更安全，某市轨道交通X号线XX区间拟投入1台双模和1台泥水盾构机用于区间隧道施工。

2、项目重难点分析

根据详勘及补勘的地质报告及XX市轨道交通X号线一期工程X标WX区间隧道的设计文件揭示，区间隧道主要穿越的地层为圆砾、粉砂质泥岩复合地层及全断面的粉砂质泥岩地层，泥水盾构掘进施工中可能存在的风险源如下：

2.1 圆砾、泥岩复合地层中刀盘刀具易磨损。

2.2 全断面粉砂质泥岩地层掘进施工中极易“结泥饼”、堵仓，掘进效率低。

2.3盾构区间始发段下穿建筑物风险高。

2.4盾构下穿过江施工安全风险大。

3、区间模式区段划分及及转换点选择

根据某市地铁施工以来，各地层地质特点，掘进适应性和盾构机适应性，某市X号线XX区间，始发至460环，因隧道埋深浅、地表为复杂建筑物群、穿越地层为软土地层，对沉降控制要求高，泥水模式最宜;460～860环过江期间施工地质为全断面泥岩，泥水掘进易造成渣土土仓滞排，掘进功效低，此地层稳定型好，为不透水层土压模式掘进效率高;861 环至1380环，主要为富水圆砾地层，土压模式易螺机闸门喷涌，泥水模式安全和效率高。

4、设备选型及针对性设计

4.1 总述

为泥水/土压双模盾构机在施工过程中既可以实现泥水模式掘进又可以实现土压模式掘进施工。本双模盾构机主要技术特点有以下9点：

（1）主驱动：电驱，总功率770kw，主驱动传动效率高，系统具备运行可靠、免维护、噪音低、发热小、省电等优势;采用外齿驱动，传动平稳。

（2）主密封：主密封形式为多唇型，内外共8道，硬质聚氨酯材料耐压能力高达10bar。

（3）刀盘：中心开口率较大，开口率45%，有效降低刀盘中心结泥饼的风险;主动搅拌棒设计位置靠外，以及土舱隔板中心环带处同刀盘之间有相对移动，有效增加土舱土壤流动性，牛腿内侧设计有具备冲刷功能的被动搅拌棒。

（4）铰接系统：被动铰接形式。

（5）液压系统：模块式+集成式。

（6）注浆系统：采用同步单、双液注浆系统，可有效控制地面沉降。

（7）环流系统：，设置正送模式，旁通模式，反冲洗模式，设有P0泵内循环系统。

（8）皮带系统：带宽800，输送能力555m3/h。

（9）泥水平衡控制方式：泥浆流量直接控制+进浆管比例泄压阀+气垫包辅助控制。

4.2双模盾构机针对性设计

本双模盾构机采用直排式泥水盾构机技术外，增加气垫仓，优化直排式压力波动大问题。气垫仓设计有效缓冲土仓内压力波动，有利于控制地表沉降。

土仓和气垫仓采用两个连通管，保证土仓内压力传入气垫仓，通过气垫仓保压系统控制压力平衡。土仓和气垫仓能联通循环，又能单独循环，气垫仓单独循环为洗气垫仓过程，此过程循环不进土仓。

4.3 排浆口使用措施

排浆口设计两个，分别布置在螺机的左右两侧，两个排浆口是一用一备关系，当刀盘顺时针掘进时，使用左侧排浆口;当刀盘逆时针掘进时，使用右侧排浆口。要求掘进过程中频繁更换刀盘转向和出渣口，防止长时间不用造成渣土堵塞排浆管口。

5、双模盾构技术管理

5.1 掘进模式转换原理

掘进模式转换原理在于通过掘进过程中改变盾构土仓内渣土性状实现渣土改良和出渣方式的改变。双模式盾构切换流程详见图2所示。

5.2泥水模式转换为土压模式

施工准备：

膨润土罐内加入制好指标膨润土备用，泡沫罐内调整好泡沫，皮带机调试运转正常，渣车编组准备到位，泡沫和膨润土管路要提前疏通完成。

施工方案：

（1）当掘进里程达到泥水转换土压模式位置时停止掘进，用低比重泥浆清洗土仓内部渣土，保证排浆管内（特别是旁通阀之前、F38、F39～F32之间）将来无渣土沉淀。土仓渣土清理完成后，通过气垫仓仓内循环，清洗气垫仓。土仓和气垫仓清洗完毕后，泥水模式切换至旁通模式，清洗泥浆管管路渣土，待泥水分离设备二级旋流器筛板无渣土排出。旁通模式环流见图3。

（2）螺旋机预留了膨润土、聚合物等注入接口，泥水转土压模式时可向螺旋机内注入惰性砂浆，以缓解螺旋机的喷渣压力。

（3）管路清洗完毕后，关闭环流系统，关闭气垫仓内联通管液压闸阀，保证气垫仓和土仓完全隔离，关闭保压系统，观察土仓和气垫仓压力变化1小时。土仓压力保持P±0.2bar，当1小时内压力变化不大于0.2bar。

（4）开启泥水循环旁通模式，检查螺旋输送机后闸门密封情况，确定密封良好后，打开土仓内螺机前闸门。在旁通模式下，盾构机按照0.9～1.0rpm/min 的转速缓慢推进（推进速度不超过 15mm/min），伸出螺机轴，开始进行土仓堆渣。为避免土仓压力的升高，需排出土仓中原有的泥浆，因此打开土仓进浆球阀 F11，将进浆管当做排浆管进行土仓排浆，利用旁通模式将泥浆带出，使掘进速度与排浆速度相匹配，稳定土仓压力。

（5）预估渣土量已经到达进浆口时，打开上部液位探测管，如果没有浆液流出，停止推进，关闭球阀 F11，停止运行泥水循环系统。

（6）打开螺旋输送机后闸门，运行螺旋输送机、皮带机，开始运行土压模式缓慢出渣推进，待运转稳定后，即可进行正常推进。

5.3 土压模式转换为泥水模式

施工准備：泥浆池内部保证有满足掘进指标足够的浆液，并能投入使用。盾构掘进施工配套设施均达到良好条件。隧道内泥浆管路连接良好，并畅通。

施工方案：

（1）当掘进里程达到土压转换泥水模式位置时，停止掘进，准备模式切换。

（2）通过正反循环疏通进土仓内进出浆管、土仓和气垫仓联通管，检查气垫仓液位传感器，并向气垫仓内加水检查液位传感器准确度。启动螺旋输送机，打开螺旋输送机下闸门，慢慢出土，为防止喷涌可通过螺旋预留口向螺机内注入惰性砂浆，此时要特别注意观察土仓压力变化，土仓压力保持P±0.2bar。土仓渣土下降的过程中，可通过打开进浆管F11向土仓加入泥浆，可保证仓压稳定。在土仓内剩余渣土量约为预估量的 1/3 时（根据刀盘扭矩及出渣量判断），螺旋输送机停止转动，关闭螺旋输送机后闸门，收回螺机，并检查后闸门密封情况，具体渣土及泥浆流程详见图4。

（3）转动刀盘使仓内底部渣土与泥浆充分混合，关闭螺机前闸门（此时底部使泥浆容易关闭闸门），利用逆洗模式，完成渣浆置换，逆洗模式详见图5。观察气垫仓液位变化，确保气压联通管路通畅。

（4）根据土仓压力设置气垫仓内SAMSON系统气压。泥水循环切换至正常掘进模式掘进。

5.4泥浆管理

针对某市轨道交通X号线WX盾构区间的地质情况，本区间左右线采取一台泥水盾构与一台双模盾构施工。盾构粉细砂地层老旧建筑物下穿及富水圆砾地层掘进过程中对泥浆性能要求较高。通过转化双模盾构机掘进模式调整泥浆。

（1）左线泥水盾构进入全断面泥岩造浆量大，泥浆粘度较高。高性能泥浆为右线双模盾构粉细砂、圆砾地层穿越老旧建筑物沉降控制提供保证;

（2）左线泥水盾构进入全断面富水圆砾地层泥浆性能要求高，右线双模盾构进入全断面泥岩段，依据泥浆情况调整为泥水模式掘进保证泥浆质量。

6、盾构适应性分析

6.1 双模盾构机特点

（1）适应性：盾构采用的泥水、土压两种模式可以快速转换，对地层的整体适应性较好。

（2）先进性：配有自动导向系统和PLC控制系统，环流操作系统采用自动化控制。

（3）经济性：通过对盾构机刀具最优配置，取得了较好的经济性。

（4）可靠性：本盾构机的刀盘主轴承是一个两重式轴向径向滚柱的组合体，刀具采用镶嵌春保合金刀片，提高了整机工作的可靠性。