土压/泥水平衡在线双模盾构机模式切换应用研究

刘恺

中国铁建重工集团股份有限公司 湖南 长沙 410100

随着我国经济发展，地铁项目建设如雨后春笋般展开，地铁隧道施工所用到的盾构机也从最初的全部靠进口到现在基本实现国产化，在这个过程中，从盾构设备制造到地铁施工技术，我国都取得了极大的进步。

总结这些年的地铁隧道施工经验，土压平衡盾构机具有掘进速度高、施工效率高、经济性良好、适用性广等优点，但是在面对富水层粉质黏土地层，土压盾构对于地层沉降控制难度大，且易发生喷涌等安全隐患。泥水盾构能很好弥补土压的这些缺点，但是泥水盾构在施工效率和经济性落后于土压盾构。在一些长距离的过江隧道，采用土压/泥水平衡在线双模盾构机进行施工，能兼顾施工安全性、施工效率和经济性[1]。

本文以昆明地铁5号线某区间段所用到的双模式掘进机为研究对象，详细阐述了模式切换的流程，以及在模式切换过程中的掘进参数设定。通过分析实际施工过程中的4次模式切换过程中掘进参数的变化，结果表明本文所设计的模式切换流程及参数设定为今后土压/泥水平衡在线双模盾构机施工中模式切换操作有重要指导意义。

1 工程概况

昆明地铁5号线昆明北站～圆通公园站区间（左、右两线），区间长993m，采用盾构法施工。区间下穿轨道交通2号线盾构区间(已运营) 、北站隧道(侧穿桩基) ，下穿昆北新村铁路小区、省医药公司、环城北路、盘龙江、小菜园村。水平线间距0m～16.0m，左线隧道顶部埋深约9.2m～28.4m，右线隧道顶部埋深约17.3m～30.6m。

本区间隧道（昆～圆区间）以圆砾土层为主，伴以少量粉质粘土、粘质粉土，圆砾土由圆砾和少量黏土组成，其中粒径2～20mm约占60～65%，其余为黏性土填充。

地下水极为丰富，局部存在微承压水，施工风险大。圆砾中的地下水主要为孔隙潜水，水量丰富，渗透系数为5.9m/d（6.82*10-5m/s）。区间稳定水位埋深为2.00～5.80m。地表水有盘龙江、金汁河、宝象河及翠湖。地下水中黏性土，孔隙小，透水性较弱，富水性弱；卵石、圆砾富水性强，透水性强；粉土、砂土富水性中等，透水性较强；盆地区地下水位埋深较浅，一般2～15m，山区地段地下水位变化较大，孔隙水补给主要为大气降水和地表水，地下水位动态变化较大，一般水位雨季抬升、旱季下降，变幅一般1.5～2.0m，总体由西、北、东向滇池方向径流[2]。

根据现场场地及地质情况，盾构机分段选型规划，盾构区间647环，左线设备先始发，采用土压模式掘进至260环，然后切换成泥水模式掘进至409环，再切换成土压模式掘进完剩余区间。盾构机右线后始发，采用土压模式掘进至240环，然后切换成泥水模式掘进至393环，再切换成土压模式掘进完剩余区间。左右线设备距离保持在100环以上，防止相互左右线两台设备相互间的影响。

2 土压/泥水平衡在线双模盾构机

本工程所采用的双模式盾构机是由中国铁建重工集团股份有限公司设计制造的[3]，根据工程特点，盾构机的主要参数见表1。

表1 盾构机主要参数

双模式盾构机的特点是具备土压模式和泥水模式两种出渣方式，结构上体现为配备有螺旋机加皮带机的土压出渣通道，同时配备了泥浆环流出渣的泥水出渣通道。根据工程实际技术交底可选择任意一种出渣通道，另一种出渣通道作为备用，若因地质情况变化需要切换出渣通道，只需要按照预定的操作流程和控制参数即可顺利完成出渣通道的切换[4]。

3 模式切换流程及参数控制

3.1 土压模式转泥水模式

3.1.1 土压转泥水模式步骤

（1）模式转换前需保证泥水站及所有泵、阀组等都能正常运行；需保证隧道管路已延伸至盾构机尾部尾部连接管；泥浆池开始制浆，保证转换时能随时供应新鲜泥浆。

（2）准备工作完成后，盾构机停止掘进，关闭螺旋机闸门，形成内部土塞。

（3）启动泥水处理站，先运行图1所示旁通线路图，再转图2所示土仓循环线路图，保证泥水环流系统管路通畅正常[5]。

图1 旁通线路图

图2 土仓循环线路图

（4）打开盾体隔板泥浆连接管路的各个手动闸阀，往土仓添加泥浆；手动操作主进浆阀开度，同时将盾体隔板顶部处的球阀稍微开启进行排气，联动操作来控制开挖仓的压力平衡。

（5）土仓充满泥浆后，切换到反冲洗模式将土仓渣土进行反复冲洗（切换前需先通过旁通模式稳定流量）；同时启动刀盘低转速运转（转速不大于0.6rpm）进行搅拌渣土；同时开启自动泄压阀来调节土仓压力[6]。

（6）待反冲洗模式能稳定运行10分钟后，再切换至开挖模式进行正常掘进。

3.1.2 土压转泥水模式控制参数

（1）转换前土压模式掘进参数见表2。

表2 （土压转泥水前）土压模式掘进参数表

（2）转换后泥水模式掘进参数交表3。

表3 （土压转泥水后）泥水模式掘进参数表

3.2 泥水模式转换到土压模式

3.2.1 泥水转土压模式步骤

（1）模式转换前需保证电瓶车机组就绪，土压模式相关部件能正常运行。

（2）将刀盘转速降低至0.5rpm以下，推进速度小于15mm/min，关闭进浆泵停止输送泥浆，关闭主排浆控制阀并将隔板处泥浆闸阀关闭，进行排浆；排浆期间通过排浆泵排浆流量和推进速度的配合来平衡土仓压力[7]。

（3）切削下来的渣土进入土仓沉积到底部，渣土慢慢上升；当刀盘扭矩明显增大时，检测隔板处的闸阀是否堵塞，检测位置由低到高，确保该位置闸阀完全堵塞后再检测下一个是否堵塞，直至最高处闸阀也出现完全堵塞现象。

（4）此时刀盘停止旋转，盾构机停止推进；继续按上述线路进行排浆，同时开启自动保压系统平衡土仓压力；直至排浆泵出现负压后，关闭环流系统，将隔板处所有泥浆闸阀关闭。

（5）打开螺旋机闸门，开度不大于20%；启动刀盘，设备重新开始推进，开始土压模式的操作。在此期间需注意闸门喷涌的现象，可改良渣土降低喷涌风险[8]。

3.2.2 泥水转土压模式控制参数

（1）转换前泥水模式掘进参数如表4所示。

表4 （泥水转土压前）泥水模式掘进参数表

（2）转换后土压模式掘进参数如表5所示。

表5 （泥水转土压前）土压模式掘进参数表

4 模式切换过程中掘进参数结果分析

在此项目施工过程中，左右线两台双模式掘进机，总计进行了四次模式切换，记录施工过程中地表沉降如图3所示，每一环的有效掘进时间如图4所示。

图3 地表沉降监测结果

图4 单环有效掘进时间统计

根据地表沉降监测结果可知，泥水模式对于地表沉降控制做的更好，在模式切换过程中，双模式盾构机对于地表沉降的控制过渡平稳，模式切换过程中参数的设定比较合适[9]。

根据单环有效掘进时间的统计结果可知，泥水模式掘进速度稍快，在模式切换前后5环中，基于掘进参数调整，单环有效掘进时长有所增加，这个是符合设计预期。

5 结论与建议

本文针对昆明地铁5号线昆明北站～圆通公园站区间用到的两台土压—泥水在线双模式盾构机在这个区间左右线共计约两千米四次模式切换的掘进过程中，地表沉降和单环有效掘进实际的追踪和统计，得出如下结论和建议：

（1）本文设计的土压/泥水在线双模式掘进机具备很好的在线模式切换功能，模式切换步骤合理，切换参数设置得当。

（2）土压/泥水在线双模式掘进机实现掘进模式在线的一键切换，既保证了设备在良好地层下土压模式高效快速的掘进，又能实现在一些黏土砂土等不良地层泥水模式掘进，高精度控制地表沉降[10]。

（3）尤其对于过江段长距离的复合地层、高水压、卵石等分段明显的地铁隧道，土压/泥水在线双模式掘进机可以针对不同地层切换最适合的掘进模式，是一种综合效率和安全性最高的施工方式。