双模盾构机适应性及经济性分析研究

刘进友 左龙

1.中铁交通投资集团 广西南宁 530023

2.中铁隧道股份有限公司 广西南宁 530023

自从双模盾构提出概念到投入工程应用，李源辉[1]、凌铁坚[2]、姚平[3]等分别论述了双模盾构机基本原理，通过合理的模式选择，双模盾构在适应性、施工效率具有优势，同时具有需要更多配套设备的缺点；凌波等[4-5]研发出并联式双模式盾构，该盾构集成了土压平衡盾构和泥水平衡盾构的设计理念与功能，可根据地层变化快捷地在土压盾构和泥水盾构2种不同掘进模式之间实现相互切换；朱劲锋[6]等指出并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势，可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件，合理划分采用泥水或土压模式施工的地段，且盾构施工环境适应性强，可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。赖理春[7]在并联式双模式盾构的使用过程中总结分析了并联式双模式盾构掘进模式选取的经验，归纳了在不同工况选择对应的掘进模式；陈伟国[8]总结了模式转换的基础及工作原理并说明双模式盾构延伸了盾构机的适用范围。王余良[9]、周玉标[10]、邓旭山[11]等总结了在岩溶区在双模盾构下穿危险建筑物工况下通过合理掘进模式选择及参数控制实现安全快速掘进。刘东[12]运用数值模拟及现场试验分析等,对于复杂地质条件下采用双模式盾构施工进行了研究,形成了 TBM&EPB双模式盾构机在复合地层中的成套施工技术并总结了刀具磨损规律。

鉴于目前双模式盾构机暂时处于技术探索阶段，其在实际工程中的经济性和在复合地层中的适应性还未进行系统研究分析。故此，以南宁地铁5号线五新区间为依托，在盾构机租赁费用、配套设施设备、掘进资源（人材机）消耗、及掘进效果等四个方面进行统计对比，研究在相同地质条件下，相较于单一模式泥水盾构，双模盾构在施工中的地层适应性和经济性。

1 工程背景

南宁市轨道交通5号线一期工程（国凯大道-金桥客运站）五一立交站～新秀公园站区间位于南宁市江南区，其中左线采用1台直控式泥水盾构机（中铁314#）、右线采用1台泥水/土压双模盾构机（中铁685#）施工。

区间盾构自五一立交站大里程端头始发，下穿自行车总厂居民楼、新福鞋料市场、五一中路小学、丽江花园小区、三元小区、地宝小区等居民楼后，到达邕江南岸江滩，穿越邕江后到达中间风井，穿越中间风井后沿明秀西路向北行进到到达新秀公园站接收吊出，区间隧道长度约2098.1m，区间平面位置和下穿邕江段示意图见图1和图2。

图1 五-新区间平面示意图

图2 下穿邕江区间段示意图

区间始发段穿越地层为③1粉土、④1-1粉细砂、⑤1-1圆砾、⑦1-3泥岩及⑦2-3粉砂岩，邕江江底段隧道范围为全断面⑦1-3泥岩及⑦2-3粉砂岩地层，其中泥质粉砂岩⑦1-3为局部粉砂质结构，成岩程度较深，呈半岩半土状，遇水易软化，天然状态下单轴抗压强度为1.03～7.39MPa，标准值为2.61Mpa，自由膨胀率26.4%～43.4%，平均值33.7%，属A2类膨胀土；泥质粉砂岩⑦2-3成岩程度较深，局部含泥质。天然状态下单轴抗压强度为0.92～3.56MPa，标准值为1.54MPa。过江段隧道埋深为9.2～33m，隧顶最高水位25.8m，地质情况详见图3区间右线地质断面图。

2 盾构适应性设计及掘进区段划分

2.1 项目重难点分析

（1）始发段地面易沉降。根据区间平纵断面揭示，始发段区间盾构隧道地层主要为粉土、粉细砂、圆砾等，其地层透水性较大，地层自稳性很差，盾构施工过程中易造成周边地层松动，从而引发地表沉降或塌陷、建筑物及地下管线变形、开裂等现象；如盾构机在该地层内出现故障造成长时间停机，可能造成盾构机及盾尾出现卡壳现象；同时圆砾地层掘进易造成刀盘、刀具、出浆泵磨损严重，且大块的圆砾可能造成泥水仓堵塞。

图3 区间右线地质剖面图

（2）过江段施工风险大。区间透水性较小地层为圆砾-泥岩复合地层，不透水地层为全断面泥岩地层。盾构机在该地层中施工中，易出现刀盘结饼、渣土滞排等技术难题，从而引发泥水仓压力波动大、推力增大、扭矩增大、掘进速度慢、泥浆性能指标恶化块等系列问题，且泥水仓压力波动可能导致覆土击穿、泥浆外泄，造成掌子面失稳等现象；同时因地层软硬不均匀，又可能导致掘进姿态不易控制，纠偏难度大，导致成型隧道姿态超限等问题。

2.2 盾构参数设计

盾构是一个具备多种功能于一体的综合性设备，它集合了盾构施工过程中的开挖、排土、支护、注浆、导向等全部的功能。右线双模盾构是以左线直排式泥水盾构为蓝本，中铁装备685#泥水/土压双模盾构机继承中铁装备314#泥水盾构机所有优点外，盾构额定扭矩、脱困扭矩和装机功率均有相应的提高，以满足土压平衡模式下全断面泥岩掘进的掘进要求。左、右线盾构机动盘实物图和盾构机相关参数设计及对比见表1。

图4 左、右线盾构刀盘实物图

2.3 掘进模式选择与对应里程范围

根据南宁地铁多年的施工经验、各地层地质特点、掘进适应性和盾构机适应性，南宁5号线旱新区间，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，故采用泥水模式控制沉降最宜；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，此地层稳定性好，主要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。详见图5双模盾构机切换总体思路示意图。

3 双模盾构机适应性评价

适应性是指事物适应客观条件和内外部各种环境和需要的能力。在系统科学中，适应性是指系统主体能够适应外界环境因素，并与之保持一致、协调发展的能力。系统是由若干个相互区别、相互联系，而又相互作用和制约的要素（或部件）所组成，并能实现一定整体功能的有机集合体。系统中某一要素（以及表明其特征的指标）的变化，既受系统中其余要素的影响和制约，又对它们发生影响和作用，若要保持系统的整体功能，则要求其中各要素之问相互适应。

3.1 穿越建构筑物沉降控制评价

2019年3月16日，双模盾构自五一立交站大里程端头始发。2019年7月4日，掘进至458环，完成掘进模式转换，标志双模式盾构穿越建筑物完成掘进任务。盾构始发至460环区段双模式盾构机采用泥水平衡模式掘进，以保证在粉土、粉细砂、圆砾组成的复合地层中穿越老旧建筑物安全。

根据施工监测和第三方监测数据显示：在区间左右线盾构完成下穿建筑物后地表和建筑物累计沉降-11mm，平均沉降-5mm，符合施工设计预期，实现了对于地面沉降的精准控制。

3.2 盾构施工进度评价

双模盾构泥水模式所掘进的始发段区间于2019年3月16日始发至2019年7月4日完成转换，施工累计110天，共计掘进687m，平均进度6.25m/d。最高单日掘进24m。

双模式盾构所在右线全段隧道自2019年3月16日始发至2019年12月22日区间隧道贯通耗时281天，累计掘进2100m，综合平均进度7.47m/d。

图5 双模盾构机切换总体思路示意图

表1 盾构机相关参数

右线采用双模式盾构在使用泥水模式-土压模式-泥水模式三个区间（序号分别为2.1，2.2，2.3）掘进过程和左线泥水盾构在掘进过程中的参数对比详见表2，可见右线双模式盾构掘进速率明显提升，显著缩短了施工工期。

表2 左、右线掘进参数均值对比

3.3 双模盾构掘进模式转换评价

两种平衡模式的相互转换流程如图6所示。在过江段区间内掘进模式转换共计完成14次，其中包含12次试验性转换。泥水平衡模式转换为土压平衡模式或土压平衡模式转换为泥水平衡模式在当环均能完成全部转换事宜，转换效率较快且安全可靠。

图6 双模盾构模式转换过程

3.4 总体适应性评价

双模式盾构机选用泥水平衡模式穿越建筑物沉降控制方面具有优势，通过双模式转换加快掘进效率，单日掘进进度均满足工期计划，且有效避免了泥岩地层结泥饼的风险；故此，双模盾构机在本隧道工程复合地层的掘进适应性优于左线泥水盾构。

4 双模盾构机经济性评价

4.1 人员配置

相较于泥水平衡盾构机，双模式盾构机需要增加2名门吊司机垂直提升渣土，其他人员配置相同。

4.2 设备配置

因双模盾构机具备土压平衡模式与泥水平衡模式两种掘进模式，故相较于泥水平衡盾构机，双模盾构机土压模式需要增加出渣矿车和45t门吊，负责土压渣土水平、垂直运输，同时需要增加土压渣坑负责临时存储土压平衡模式的渣土。故此在泥水盾构基础上需要增加土压出渣配套的设备、设施所带来的一定投入，具体费用如下表2盾构机费用对比表。

通过本项目掘进情况分析，双模盾构针对适应性良好，设备运行状态良好，双模盾构实现了在各种地层进行快速模式转换，总体掘进效率较高。但双模盾构相较于泥水盾构增加螺机、皮带机等土压出土设备导致租赁费用增加2000元/m，增加45t门吊租赁安拆费用30万元及土压渣坑修筑及拆除费用30万元。综合费用右线双模盾构相较于左线泥水盾构整体增加282.2万元。

表3 盾构机费用对比表

4.3 材料消耗

截止到目前五新区间左线泥水盾构机已经完成掘进任务，双模式盾构机累计掘进1085环（其中泥水平衡模式822环，土压平衡模式263环），左右线的两台盾构在物资、能源消耗方面的对比详见表4。可见其油脂及水、电消耗相较于左线泥水盾构机均有明显下降，具有良好的节能效果。

表4 盾构掘进物资能源消耗统计表

5 结论及建议

依托南宁市轨道交通5号线五～新区间盾构隧道工程，从掘进效果、盾构机租赁费用、配套设施设备、掘进资源（人材机）消耗等方面进行统计对比，研究双模盾构的经济性和复合地层适应性，并与左线泥水盾构进行对比，主要得出以下结论：（1）双模盾构在复合地层适应性良好，在始发段由粉土、粉细砂、圆砾组成的复合地层中穿越老旧建筑物，泥水平衡模式成功控制了地面沉降。（2）在过江段泥岩复合地层实现快速模式转换，土压模式的使用显著提高了掘进效率，有利于保证施工工期，同时避免了泥水模式易结泥饼的风险。（3）由于双模盾构增加螺机、皮带机等土压出土设备，同时地面配套设施设备增加门吊及渣土坑等，导致综合费用右线双模盾构相较于左线泥水盾构整体增加282.2万元，故设备方面经济性能相较于单一模式略差。（4）通过南宁5号线双模式盾构机应用实践总结，双模式盾构机功能更加集成。面对复杂多变地质情况施工方法也更加灵活，是对盾构施工技术领域的拓展。但是因为双模式盾构机未市场存量较少及导致设备成本较高也限制了双模式盾构的发展。