海域复杂地质双模式TBM设备选型与应用关键技术

刘 泽， 王 勇， 李小锋， 吴志昊

(中铁二局集团有限公司, 四川 成都 610031)

0 引言

随着TBM掘进技术的发展和进步，其适应性越来越广。TBM在硬岩地层采用敞开模式可实现快速掘进，但遇到富水、软弱地层时，掘进风险较高；土压平衡盾构采用螺旋输送机出土，有利于控制软土、软岩地层掘进风险[1]。为解决复杂地质TBM适应性难题，TBM & EPB(土压平衡)双模式掘进机应运而生，但并未能真正在我国海域地层实践应用。文献[2-4]对双模式TBM模式转换进行了研究。2013年南京地铁机场线区间在国内首次采用EPB & TBM双模式掘进机施工，主要穿越中风化安山岩，局部穿越微风化安山岩、强风化安山岩、粉质黏土[5]。文献[6-8]对双模式TBM刀具刀盘进行了仿真分析研究。文献[9]对TBM施工风险进行了研究。文献[10-15]对双模式TBM应用、组合回填、步进、超前地质预报等进行了研究。上述文献主要基于常规地层、煤矿等开展双模式TBM研究。另外，重庆轨道交通环线体育公园站、冉家坝站区间隧道工程采用双模式TBM，但未进行模式转换；深圳地铁13号线拟投入10余台双模式TBM，尚未进行掘进模式转换。

本文基于青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间西侧辅助导洞下穿复杂海域地层的工程实际，针对国内穿越海域地层首次采用双模式TBM掘进并在导洞内进行模式转换的技术难题，开展设备选型与应用研究，优化掘进机刀具与盾尾刷等构造，改进同步注浆等工艺，超前钻探确定掘进机模式转换安全位置，试验调整掘进参数，以实现导洞内受限空间下掘进模式的快速转换和海域复杂地层双模式TBM的安全掘进。

1 工程概况

青岛地铁8号线起自胶州北站，终至五四广场站，正线全长61.4 km，设车站18座，设计时速120 km。其中大洋站—青岛北站区间西侧过海段采用矿山法施工，陆域段长1 332 m，海域段长2 537 m；海域段穿越F5断层带宽约500 m。大—青区间是青岛地铁8号线关键性控制节点工程，采用平行辅助导洞增设横通道的方式，为矿山法正线隧道施工增加工作面。地铁过海域段线路如图1所示。

辅助导洞最大纵坡2.8%，与区间正线线间距约17 m，全长2 110 m。导洞隧道埋深30～60 m，穿越地质以微风化凝灰岩和安山岩为主，凝灰岩岩芯采取率为90%，岩体完整性指数为0.55～0.93，微风化安山岩岩体完整性指数为0.69～0.98，强度基本在30～50 MPa，局部高达70 MPa，总体地质条件较好，但其穿越F5断层破碎带。辅助导洞地质剖面如图2所示。

图1 青岛地铁8号线过海域段线路图

图2 辅助导洞地质剖面图(单位： m)

辅助施工导洞除60 m陆域段外，其余2 050 m均位于海底以下。海底砂性土(泥质含量较高)中等富水，具有弱承压性。以基岩裂隙水为主，基岩裂隙水的动态与第四系孔隙水密切相关，主要以海水和砂土中孔隙水的下渗补给为主。

2 方案选择

通过矿山法、盾构、TBM施工方法比选，综合考虑地质和工期因素，施工导洞选定双模式TBM施工。

1)施工进度因素： 导洞是为增加区间正线工作面而增设的辅助施工通道，施工通道需在8个月内完成，综合月进度应达到300 m以上，才能在阶段时间前为暗挖区间提供作业面，以满足总体工期目标。

2)工程地质因素： 以微风化凝灰岩和安山岩为主，总体地质条件较好；但其在接近终点段穿越F5断层带，面临破碎岩体和突涌水安全风险。导洞岩石饱和抗压强度分布如图3所示。

辅助导洞为直径6.8 m的圆形断面，其中1#竖井起点100 m段采用矿山法施工，为TBM提供洞内拼装空间。穿越海底F5断层破碎带采用土压平衡模式，其余地段采用TBM敞开模式掘进。

图3 辅助导洞岩石饱和抗压强度分布图

Fig. 3 Distribution of rock saturated compressive strength in auxiliary guide tunnel

3 技术难点

1)穿越海底断层破碎带： 穿越F5断层破碎带长度约500 m，勘察显示断层上盘较下盘破碎，上盘破碎围岩影响140 m长度，地下水压达到0.5 MPa，突涌水安全风险高。

2)双模式TBM模式转换： 双模式TBM在复杂海域地层未能够真正实践应用，面临复杂海域地质双模式TBM模式转换最佳位置的确定、导洞内受限空间环境掘进机模式转换、断层破碎带掘进参数优化、粉尘控制等技术难题。

4 设备选型与优化

4.1 设备选型

确定双模式TBM施工后，掘进机的选型以及主要技术参数的确定就至关重要。设备选型主要考虑以下因素： 1)安全性、可靠性、实用性、先进性、经济性； 2)隧道开挖断面、长度、埋深、地质及环境条件； 3)安全、质量、工期、造价及环保要求； 4)设备配套，后配套设备与主机配套，生产能力与主机掘进速度相匹配，施工安全性、布置合理性、维护保养。

综合比选后确定选用中铁装备φ6 850 mm单护盾双模式TBM，开挖直径6 906 mm。

4.2 设备优化

针对海域段水文地质特点，对设备进行优化改造： 1)掘进机下井时更换掘进机铰接密封，原设备盾尾刷为2道钢丝刷、1道钢板刷，可承受0.4 MPa水压；为确保盾尾密封良好，改造为3道钢丝刷、1道钢板刷，可承受约0.6 MPa水压；并采用优质盾尾油脂、刀盘油脂、盾尾刷，提高掘进机密封效果，防渗漏水，有利于提高掘进速度。盾尾钢丝刷如图4所示。2)为确保TBM模式掘进壁后注浆效果，在盾尾增设1道止浆板，防止浆液流失，有利于保证壁后注浆饱满。3)配备TBM超前地质钻机和双液注浆设备，可进行超前钻探和注浆加固，提高TBM实施超前钻孔探测的便捷性，同时可利用超前地质钻机钻孔，配套注浆设备进行超前注浆加固。4)针对地质特点，TBM采用60 cm庞万力重型合金刀，提高耐磨性能，减少换刀频率，适当增大开挖尺寸，降低设备卡机风险。5)在TBM的刀盘开口位置增设钢格栅，防止大块石头进入土舱破坏刀具。6)在TBM的承压钢板上增设8个预留孔，用于无压模式TBM正面超前钻探及注浆加固，提高超前注浆加固断层破碎带施工效率。承压钢板增设预留孔如图5所示。

图4 盾尾钢丝刷

图5 承压钢板预留孔

5 应用关键技术

5.1 双模式TBM始发

利用矿山法施工1#竖井口部100 m长度导洞，在导洞内施工导台，安装始发托架；吊装TBM主机，采用液压泵站顶推至矿山法已施工导洞99 m处，复测TBM零位姿态，然后安装反力架；依次吊装连接桥、后配套拖车，电瓶车牵引就位，与TBM主机连接，TBM整机始发；将前85 m作为试验段，确定掘进参数。

5.2 单护盾TBM掘进

基于TBM海底掘进的特殊性，采取以下加强措施： 1)采用HSP和地钻钻探相结合进行超前地质预报； 2)通过F6断层带(长度20 m)时，采取超前注浆加固，注浆长度30 m，注浆范围为隧道开挖轮廓线外3 m； 3)在微风化凝灰岩和安山岩地层中掘进时，辅以土舱内喷射高压水降低刀具温度，辅助降尘； 4)同步注水泥-水玻璃双液浆。由于同步注浆位置与土舱存在高差且为下坡掘进，地下水汇聚冲刷，可能导致同步砂浆涌入土舱，造成管片与围岩之间填充不饱满，需采用双液浆加强同步注浆。通过安装在盾尾内的4个内置式注浆管向管片与地层间的环形空间注浆填充，注浆压力控制在0.2～0.4 MPa，确保填充密实。

统计敞开模式在围岩完整的微风化凝灰岩第80—140环掘进参数，掘进机总推力主要集中在6 000～11 000 kN；刀盘转矩集中在1 400～1 750 kN·m；掘进速度最小值为21 mm/min，最大值为49 mm/min，平均掘进速度为36 mm/min；最快月进度505 m，管片拱顶沉降和净空收敛值较小，沉降均值为7 mm，掘进参数基本合理。

5.3 双模式TBM模式转换

根据超前地质钻孔准确探测断层破碎带位置，确定距离F5断层带20 m时提前停机，进行掘进模式转换。主要原理是通过拆除TBM主皮带机及相关设备，封堵承压墙上的孔洞，安装螺旋输送机及泡沫系统，使得掘进机土舱内空间能够封闭，具备保压的条件；实现敞开模式转换为土压平衡模式，提高双模式TBM穿越断层破碎带的安全性；针对导洞受限空间设计专用吊架，22 d完成模式转换。具体步骤如下。

1)准备工作： 检查掌子面围岩，确保掌子面稳定。在盾尾后4、5、6环采用水泥-水玻璃双液浆注浆形成止水环箍，隔断管片背后渗水通道。模式转换前向盾体周围压注高体积分数膨润土浆液填充，防止TBM长时间停机卡壳。2)拆除相关设备： 断开除尘设备，封堵盾体隔板上的除尘口，拆除防溜车装置；断开后配套皮带与TBM主机皮带之间的拖拉油缸及各种管线，后配套台车整体后退约10 m，提供模式转换操作空间。拆除盾尾管片喂料机、主机皮带机后段和前段；分块拆除土舱内溜槽结构。3)安装螺旋输送机及相关设备： 拆除螺旋输送机筒体盖，按照刀盘搅拌棒(焊接式)—盾体被动搅拌棒(可拆式)—泡沫管路保护结构—主驱动中心压力隔板—泡沫管路—回转接头顺序安装到既定位置；管片机轨道梁前部横梁安装就位；安装螺旋输送机吊装门架，吊装螺旋输送机；后配套整体前移，管线重新连接，整机系统调试，按照土压平衡模式向前掘进。在地面拼装螺旋输送机吊装门架，分块运输至洞内拼装就位。吊装螺旋输送机如图6所示。

图6 吊装螺旋输送机

5.4 断层带土压平衡模式掘进

双模式TBM敞开模式转换为土压平衡模式掘进，保持土舱进渣量与螺旋输送机出渣量平衡。通过改良渣土建立较好的土压平衡，降低F5断层中的破碎围岩泥糊的黏附性，防止刀盘结泥饼，降低刀盘转矩，提高掘进效率；防止渣水分离、螺旋输送机喷涌。采用泡沫改良渣土，通过渣土和易性判断渣土改良效果，保证渣土具有较好的流动性，在螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。富水地段，向土舱中加入膨润土液，或采取辅助气压掘进，适当保压，阻挡部分地下水进入土舱。

统计EPB模式在断层带凝灰岩破碎围岩地层第1221—1280环掘进参数，掘进机总推力主要集中在6 500～11 000 kN，刀盘转矩为1 700～2 000 kN·m，掘进速度最小值为26 mm/min，最大值为36 mm/min，平均掘进速度为30 mm/min，刀盘转速为2 r/min，贯入度和掘进速度曲线基本保持一致，最快月进度247 m。根据隧道内管片拱顶沉降和净空收敛监测数据，结合刀具磨损分析，掘进参数总体合理有效。土压平衡模式掘进的推力和转矩参数曲线如图7所示。

(a) 推力曲线

(b) 转矩曲线

6 结论与建议

基于复杂海域地层比选确定TBM & EPB双模式掘进机施工，提出增强掘进机盾尾密封，提高刀具耐磨性能，加强双液同步注浆回填，距离断层破碎带20 m进行掘进模式转换，成功实现了双模式TBM在复杂海底地质地铁建设中的工程化应用，取得了良好的经济社会效益，并提出以下建议：

1)双模式TBM宜增设可变速齿轮箱实现双级变速，满足敞开模式下高转速需要，又兼顾土压平衡模式下大转矩掘进需求。

2)宜配备豆砾石吹填系统和水泥储存料舱，有利于敞开模式掘进工况下管片的快速稳定，防止管片错台。

3)双模式TBM敞开模式掘进遇到局部突涌水的处治等问题仍难以解决，建议对TBM敞开模式下的防突涌水、噪音与粉尘控制等开展深入研究，进一步提高其水文地质的适应性。

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