城市地铁土压-单护盾双模式TBM设计及应用

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

双模式TBM 作为一种新型的隧道掘进机，近年来越来越广泛的用于城市地铁施工项目中，这其中不仅取决于城市地铁单线施工距离的延长、工程地质的复杂变化，更包含盾构施工技术的不断发展与进步。

双模式TBM 不同于传统意义上的土压或泥水平衡盾构机，它既能满足在软弱地层或围岩较差地层中的掘进，同时又兼具有硬岩掘进机（TBM）的功能，在具体地质变化时能快速地转换掘进模式，最大程度地保证施工效益。

目前，国内学者及设备制造厂商已针对双模式TBM 的选型及适应性设计、施工关键技术和施工风险等展开了一系列的研究。张宁川等对全断面双模式掘进机的设计进行了探讨，分析了不同型式双模式TBM 的优缺点，总结了双模式TBM 的地质适用范围和技术发展趋势[1]；闵锐指出双模式TBM 的一系列技术进一步保证了TBM在复杂地层长距离掘进的可靠性[2]；李洪祺指出在全断面岩层掘进，不同掘进模式下的施工参数选择对施工进度的影响[3]；叶蕾等从双模式TBM的结构和设计特点方面，对双模式TBM 的模式转换过程进行了阐述，指出双模式TBM 在地质变化时能否及时、顺利地进行模式转换是双模式TBM 技术设计的关键技术[4]。齐梦学从单护盾的掘进机理方面进行研究，分析了基于单护盾模式的复合式TBM 在重庆铜锣山隧道的应用情况[5]。管会生等以双模式TBM 在新街台格庙矿区斜井隧道的应用为依托，分析了双模式TBM 在不同掘进模式下最大切深、土舱压力、盾构推力和刀盘扭矩等关键参数的计算模型，对未来双模式TBM 的设计提供了理论基础[6]。刘东依托南京地区某项目施工，从理论分析和现场应用等方面对双模式TBM 的模式转换技术、模式转换点和刀具磨损规律进行了研究[7]。

如上分析，双模式TBM 在国内部分项目中已经得到成功应用，积累了一定的模式转换经验，本文从双模式TBM 的功能特点、工程地质方面对双模式TBM 的适应性进行了分析，通过对主要部件的针对性设计，解决双模式TBM 在施工过程中遇到的难题，结合具体的工程使用案例，对双模式TBM 的具体适用范围进行了总结。

1 双模式TBM的特点及要求

1.1 双模式TBM与单护盾TBM的适应性对比

1）地质适应性 单护盾TBM 可以在全断面硬岩地层掘进，双模式TBM 切换至敞开模式掘进时出渣方式和单护盾TBM 完全一样；但是，在软土地层，双模式TBM 可切换至土压模式进行掘进，并进行渣土改良，具有更好的适应性，单护盾TBM 不具备此功能。

2）掘进效率 双模式TBM 刀盘转速会比单护盾TBM 略小，在硬岩地层掘进时掘进效率会低于单护盾TBM，但是相比于单一模式的土压或泥水盾构，掘进效率约有1.2～1.5 倍的提升。

3）使用成本 施工成本：在硬岩地层中，二者都采用敞开模式掘进，主轴承扭矩、总推力、油脂消耗、渣土改良、电力消耗相差不大，施工成本基本一致。设备成本：单护盾TBM 造价约为双模式TBM 的1.5 倍左右；双模式TBM 后期便于改造为单一模式的土压盾构，具有较好的设备通用性。

4）模式转换 双模式TBM 具有主机皮带机/螺旋输送机两种出渣模式，在一个区间如果地质变化过于频繁，需要经常转换模式，模式转换过多一定程度上影响施工效率。

1.2 双模式TBM的地质适应性分析

尽管双模式TBM 有着掘进效率高和地质适应性广的优点，但并不是所有的地质情况都可以采用双模式TBM，双模式TBM 的使用在地质适应性方面需要考虑以下3 个因素。

1.2.1 软硬岩分层的影响

双模式TBM 需要在主机内布置皮带机或螺旋机。当盾构机内部空间足够时可以同时布置皮带机和螺旋机，不需要拆装部件即可满足模式切换需求，一般称这种双模式TBM 为并存式（图1）。当盾构机内部空间狭小时，主机内只能布置中心皮带机或螺旋输送机，当切换模式时需要拆装部件，一般称这种双模式TBM 为换装式。

图1 双模式TBM并存式

目前城市地铁隧道管片外径普遍集中在6～7m，相应的盾构机内部空间比较狭小，采用双模式TBM 时一般只能考虑换装式，即模式切换时需要拆装部件。根据以往洞内模式切换施工案例，在准备工作充分和工序衔接紧凑的前提下，模式切换需要花费20 天左右，一般同一隧道区间如果软硬岩分层过于频繁，会造成双模式TBM 需要经常模式切换，将直接影响双模式TBM 的使用效率。因此，双模式TBM 适用于软硬岩分层较少的隧道区间。

是否有必要采用双模式TBM，软硬岩分层数量是参考依据之一，具体数量可参考以下公式。

式中x——软硬岩分层数量，个；

a——硬岩地层敞开模式日进尺，m；

b——硬岩地层土压模式日进尺，m；

d——软土地层土压模式日进尺，m。

1.2.2 全断面硬岩地层距离的影响

虽然双模式TBM 敞开模式掘进在全断面硬岩地层效率比较高，但是如果全断面硬岩地层距离过短，当敞开模式的掘进节约时间小于模式切换花费的时间时，可考虑采用双模式TBM 的土压模式直接掘进，不再进行模式转换。

当采用双模式TBM 时，判断某段硬岩地层是否有必要由土压模式转换为敞开模式，硬岩地层距离是参考依据之一，具体硬岩地层距离可参考以下公式。

式中y——全断面硬岩地层距离，m；

a——硬岩地层敞开模式日进尺，m；

b——硬岩地层土压模式日进尺，m；

c——模式转换时间，天。

1.2.3 硬岩地层完整性的影响

由于双模式TBM 敞开模式为常压状态掘进，当硬岩地层存在断裂带、破碎带或承压水时存在突泥、突砂等地质灾害，敞开模式无法及时封闭土仓隔板，会大大增加设备的使用风险，因此需要设备使用方对地层风险点进行详勘并评估，重新考虑硬岩段是否采用敞开模式掘进。

2 针对性设计

双模式TBM 首先要解决的就是破岩问题，特别是岩层硬度高于100MPa 时，刀盘的破岩效率就尤为重要，通过对本项目刀盘刀具的破岩效率研究，得出适合刀盘刀具的设计理论，并且估算实际的掘进指标，对双模式TBM 的刀盘设计提供理论基础。

2.1 刀盘破岩试验研究

1）选取该标段155MPa 凝灰熔岩式样若干组，选取126MPa 微风化花岗岩若干组。

2）分别用滚刀硬度测试仪测得凝灰熔岩和微风化花岗岩不同压力下岩样的压痕深度，并记录数据，如表1 所示。

3）根据以往的施工案例，在70～140MPa 强度的花岗岩地层，滚刀贯入度平均值为3～5mm，将两组实验数据进行类比，进而得到155MPa 凝灰熔岩的贯入度。

4）通过压入试验得出本标段的掘进速度指标预测，如图2 所示。

图2 掘进指标曲线

根据图2 提供的数据可知

即：相同刀具配置的情况下，126MPa 花岗岩地层的贯入度为155MPa 凝灰熔岩地层贯入度的1.283 倍：即根据以往在花岗岩地层相同刀盘配置的施工经验，贯入度可达到3～5mm，即可知该种配置的刀盘在凝灰熔岩地层的贯入度h凝为

设刀盘实际转速4r/min，贯入度4mm，每分钟掘进进度为16mm，每掘进一环管片（环宽1 200mm）共需1.25h，考虑管片拼装0.5h，完成每个施工循环约2h。按照每天有效掘进10h，每月有效工天20 天计算，每月的实际掘进指标可达120m（通过本文最后一章节的工程应用进行了实际验证）。

表1 两种地层不同压力下滚刀压痕深度数据

2.2 刀盘高效破岩针对性设计

2.2.1 刀盘结构设计

当岩层硬度大于100MPa 时，刀盘的破岩效率直接影响了设备的地质适应性，通过上文对凝灰岩地层刀盘破岩的理论研究指出，刀盘的高效破岩能力首先取决于刀盘本体结构能否适应高强度下的复杂工况要求。提高刀盘的本体结构强度包括以下几个方面。

1）高强度的刀盘盘体设计 ①目前双模式TBM 刀盘在合适开口率的基础上，通过增加大圆环的厚度，增强各主梁间外围的结构连接性；②主梁结构的调整，通过加大主梁的厚度和高度，提升刀盘的刚度；③刀盘中心区域采用锻件，锻件可保证零件具有较好的力学性能和较长的使用寿命，减小刀盘中心区域发生变形的概率。通过优化后刀盘的最大应力值和变形量和常规土压盾构刀盘相比，性能指数有了显著提升，大大提高了刀盘的结构强度，使双模式TBM 的刀盘具有良好的结构基础，以应对全断面高强度硬岩的掘进要求。刀盘的最大应力及应变分析图如图3 所示。

图3 刀盘的最大应力及应变分析图

2）刀具设计 刀盘的破岩能力取决于滚刀的规格和刀间距布置。①滚刀尺寸：如拿17 寸滚刀和19 寸滚刀相比，19 寸滚刀的刃口接触面积仅增加5%，但轴承承载力却由25t 增加到31t，增加了24%，因此19 寸刀刃口的比压大于17 寸，贯入的能力大于17 寸滚刀，因此，不考虑结构空间的前提下，刀具轴承尺寸越大，破岩能力越强；②刀间距布置：根据刀具的破岩机理及工程应用实践，刀间距越小，裂纹贯通越容易，破岩的能力越好，一般盾构刀盘的刀间距为90～100mm，TBM 刀间距为70～85mm，目前双模式TBM 刀盘的刀间距可做到75mm，与TBM的刀间距基本相同，较小的刀间距也保证了刀盘的破岩能力（图4）；③刀具安装方式：盾构机在硬岩地层掘进时，刀盘高转速使用会造成整体结构的频繁震荡，增加中心区域滚刀掉落的风险，为了保证刀盘中心滚刀连接性能的稳定可靠，双模式TBM 的中心滚刀采用TBM 的安装方式，可有效防止中心滚刀异常损坏或掉落，提高刀具的使用寿命。

图4 福州地铁双模式TBM滚刀刀间距示意图

2.2.2 主驱动设计

全断面硬岩地层掘进刀盘在贯入度相同的前提下，掘进进尺取决于刀盘的最大转速。由于双模式TBM 需要考虑在土压模式掘进下对扭矩的需求，为了不使主驱动功率过大，只能通过降低刀盘转速来换取刀盘的扭矩。

一般管片外径为6.2m 的设备，TBM 的刀盘额定转速为8～12rpm，土压盾构的刀盘额定转速为2～3.7rpm，双模式TBM 通过特殊设计刀盘的额定转速可达到5～7rpm，约为TBM 的60%，但比土压盾构的刀盘使用转速提高了3 倍，因此，可以初步估算双模式TBM 的掘进速度约为TBM 的60%，约为土压盾构的300%。

2.3 控制管片上浮针对性设计

全断面硬岩地层掘进，浆液来不及凝固或是填充不及时容易造成成型管片的上浮，双模式TBM 的注浆系统在以下几个方面进行了针对性设计。

1）同步注浆采用单、双液注浆系统，根据施工需要可及时有效的选择注浆方式控制管片上浮。

2）采用豆砾石注入系统。双模式TBM 系统配置了豆砾石填充系统，在刀盘与管片的间隙内填充豆砾石，可达到设计的承载强度，同时起到堵水和防渗透效果，实现衬砌和围岩的紧密结合。

2.4 模式转换研究

双模式TBM 从敞开模式转化到土压模式时，盾构除选取稳定的地质条件外，如果需要还需进行必要的加固措施，同时准备模式转换时需要的工装和工具，进行模式转换作业，本文从双模式TBM 的设计特点出发，结合施工现场的实际转换过程，提出了图5 所示操作流程。

图5 双模式TBM模式转换过程

3 双模式TBM应用案例

3.1 工程概况

福州地铁4 号线3 标10 工区林浦站-城门站区间，左线全长约为2 174m，右线全长约2 185.3m。隧道中段洞身处淤泥质土、中细砂、粉质粘土和微风化凝灰熔岩。区间的地质分为三大部分，如图6 所示，其中微风化熔结凝灰岩<9-2>：灰色，块状构造，岩芯以长柱状为主，部分短柱状，长度一般为15～40cm，RQD=60～90，岩芯采取率TCR 为90%～100%。饱和单轴抗压强度为126.1～193.1MPa，平均值143MPa，最高强度则达到201MPa。

图6 区间纵断面填充示意图

3.2 双模式TBM技术参数及掘进情况

主要技术参数如表2 所示。

表2 双模式TBM主要技术参数

双模式TBM 于2019 年8 月6 日始发，现场采用始发竖井+龙门吊的方式进行材料和渣土的垂直提升，现场如图7～图9 所示。

图7 设备始发照片

图8 填充豆砾石泵照片

图9 成型隧道照片

双模式TBM 始发以来，累计掘进至1 297.2m，掘进速度为10～20mm/min，推力为13 595kN 左右，最高日进尺8.4m，最高月进尺120m。

4 结论与建议

通过科学的选型及合理的针对性设计，在城市地铁单区间硬岩长度比例占到本区间的70%，且硬岩区间围岩以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级为主的情况下，选用双模式TBM 是合适的，既满足了全断面硬岩地层的高效破岩要求，也满足在软弱地层下对沉降或施工风险较大时保压掘进的要求，通过模式转换工具及经验的积累，双模式TBM 的模式转换时间可进一步缩短。