TBM-EPB双模盾构优缺点研究及实例分析

肖友柯，雷军，彭斌，罗伟庭，岳强，张树光

（1.中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410007；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266000）

XIAO You-ke,LEI Jun,PENG Bin,LUO Wei-ting,YUE Qiang,ZHANG Shu-guang

深圳目前城市轨道交通工程在建及开通20 余条，深惠、穗莞深等城际铁路也是如雨后春笋般出现。随着隧道越来越长，隧道地层越来越复杂，单一模式盾构将不再满足掘进要求，故双模式盾构应运而生。双模式盾构诞生时间并不长，而盾构的选型对于工程来说十分关键，关系到工程能否优质履约，所以双模式盾构的选型研究尤为重要，而想要选出合适的双模式盾构，就必须要对双模式盾构的优缺点有足够的了解。

1 TBM-EPB双模盾构技术原理

目前国内盾构施工中使用的盾构通常为单一模式，硬岩掘进盾构常用盾构类型为土压平衡盾构（EPB）和TBM，且各自都有较大的局限性。土压盾构在软土地层中掘进效率、适应性方面更具有优势，因TBM盾构和土压平衡盾构各有其限制性。而盾构设备的模式种类与地质一一对应，为了解决不同地质交替出现的情况，双模式盾构应运而生。

所谓“TBM-EPB 双模盾构”即为同时具备TBM 及土压平衡两种掘进模式的盾构，渣土排出配备了螺旋输送机和皮带。技术设计上，是集成了土压平衡盾构和TBM 盾构的设计理念与功能，将土压和TBM 两套系统和设备安装在一台盾构上，可根据不同地质、地层的变化，利用可拆卸的刮料装置和互换型承压隔板，实现土压平衡模式开挖和硬岩敞开模式开挖两种不同掘进模式之间的快捷切换，所有需要转换部件设计均需满足在洞内模式转换过程中拆除、运输、更换功能需求。在转换模式时，只要通过控制系统就可以实现土压平衡盾构和TBM 之间的转换。土压平衡模式如图1 所示，TBM 模式如图2 所示。

图1 土压平衡模式示意图

图2 TBM模式示意图

2 理论分析

1）优点分析 双模盾构设计的初衷就是为了适应复合地层的掘进，以确保在不同地层运用合适的盾构模式进行掘进，确保施工的安全风险可控，所以双模盾构最大的优点就是安全性较高。

2）缺点分析 双模盾构是土压和TBM 的综合体，一方面可以说双模盾构具备两种模式的能力，但是反过来说，双模盾构在任一一种模式掘进时都不如单一模式的盾构，特别还涉及模式转换，所以双模盾构在掘进工效这方面相对单一模式的盾构来说相对较低。

3 实例分析

3.1 工程概况

深圳地铁13 号线留仙洞站～白芒站盾构区间左线全长4 606.2m，右线全长为4 610.9m，设8座联络通道及1 座中间风井，为13 号线最长的盾构区间。区间采用中铁装备4 台TBM-EPB 双模盾构进行施工，分别从留仙洞站和白芒站始发，从中间风井吊出。留白盾构区间概况如图3 所示。

图3 留白盾构区间概况图

留仙洞站～白芒站区间洞身范围内主要表现为强风化黑云母花岗岩-全风化黑云母花岗岩-中等风化黑云母花岗岩-微风化黑云母花岗岩、强风化混合花岗岩-全风化混合花岗岩-中等风化混合花岗岩-微风化混合花岗岩，其中硬岩占比达到80%，上软下硬地层占比达到15%。岩石最高强度177MPa。区间共穿越5 处断层破碎带，靠近西丽水库，地层裂隙水发育。留白盾构区间地质纵断面如图4 所示。

图4 留白盾构区间地质纵断面图

3.2 盾构刀盘

盾构刀盘采用6 主梁+6 副梁结构设计，整体开口率为30%。布置滚刀50 把，中心刀间距90mm，正面刀间距75mm，刀高165mm，提高刀盘破岩能力；滚刀采用18 寸刀圈，采用高合金钢材质，增强滚刀耐磨性、抗冲击性；最外轨迹布置同轨迹滚刀2 把，更有利于保证开挖直径；布置边刮刀12 组，刮刀61 把，刮刀宽200mm；布置双刃滚刀超挖刀1 把，最大超挖量40mm。

3.3 掘进过程中遇到的问题

1）地层裂隙水发育，盾尾清渣时间长。区间地层裂隙水十分发育，盾构推进时，皮带极易漏渣，盾尾积水积渣严重（图5），须清理完成后方能拼装管片，前期清渣时间平均每环6h。

图5 盾尾积水

采取的措施：①对连通水系的断层破碎带进行地面注浆加固；②每间隔五环制作一次止水环，相邻2～3 环并做1 处止水环以增强止水效果，止水环与止水环之间进行二次注浆填充，控制管片背后的裂隙水流动；③使用真空泵及22kW大水泵，快速清理皮带下漏的渣水混合物，减少人工清渣时间；④推进前，使用5.5kW 水泵提前将土仓内水抽排至台车污水箱，减少启推时皮带漏渣量。

2）大埋深高水压上软下硬地层掌子面塌方、螺机喷涌、刀盘结泥饼。区间长距离硬岩居多，双模盾构刀具配置偏TBM，较密集，刀盘中心开口率偏小；隧道埋深大，地下水位高，上软下硬地层掘进过程中土压高（3bar），螺机易喷涌，泡沫剂管路易堵塞，渣土改良效果差；上部土状的强风化花岗岩地层自稳性极差，边推边塌，致使刀盘中心区域渣土改良压力进一步增大。多方面原因导致大埋深高水压上软下硬地层掘进时刀盘中心区域易结泥饼，且高压下的泥饼异常坚硬，带压开仓清理泥饼耗时长，严重影响工效。另外，因超挖停机进行地面和洞内注浆加固，也严重影响工效。刀盘结泥饼如图6 所示。

图6 刀盘结泥饼

采取的措施：①对地面具备加固条件的此类地层进行注浆加固；②掘进过程中加大中心4 路泡沫剂管路流量，发现堵管时，立即停机疏通泡沫管路，确保渣土改良效果；③发现刀盘结泥饼和超排后，立即停机进行洞内和地面注浆加固，带压开仓清理泥饼。

3.4 实际工效分析

包含模式转换、开仓换刀，盾构掘进平均工效如表1 所示。从统计结果来看，双模盾构的掘进工效相对较低。

表1 盾构掘进工效统计

3.5 安全性分析

工程施工期间未发生安全事故，且留白区间盾构管片隆起、地表沉降、管线沉降等监测数据均处于相对稳定状态，未出现异常数据，安全风险可控。地表沉降累计变化曲线详如图7 所示。

图7 地表沉降累计变化曲线图

4 结语

4.1 应用优点

1）地层适用性强。长距离复合地层掘进时，针对不同地层适时采用不同模式，匹配对应的出渣方式、掘进参数等，实现掘进施工中地层与设备的最优匹配，对复合地层有较好的适应性。

2）安全风险低。不同地层对应相应盾构模式，能有效规避TBM 长距离在软岩或上软下硬地层中掘进的安全风险。

4.2 应用缺点

1）EPB 模式刀盘开口率偏小，TBM 模式刀盘开口率偏大。留白区间含长距离硬岩，双模盾构刀具布置较密集，刀盘开口率偏向于TBM，尤其中心区域刀盘开口率偏小。EPB 模式通过软岩或上软下硬地层时，刀盘中心区域易结泥饼。TBM 模式掘进RQD 值较低地层时，易产生大石块，砸坏主机输送皮带。

2）TBM 模式刀盘转速偏小。TBM-EPB 双模盾构主驱动功率介于单一土压平衡盾构与单一TBM 盾构之间。因此，双模盾构最大刀盘转速也介于单一土压平衡盾构与单一TBM 盾构之间，单一TBM 盾构刀盘转速一般为8～10r/min，而双模盾构TBM 模式刀盘转速一般为3.5r/min，导致TBM 模式掘进效率远低于单一TBM 盾构。

总之，TBM-EPB 双模盾构既有其优点也有其缺点，盾构选型时需综合多方面的因素来选择盾构的种类，本文论述的TBM-EPB 双模盾构的优缺点，可供各地铁工程盾构选型时提供参考。O