凌 波，李 飛，陳晴煊

（中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司，廣東 佛山 528308）

現(xiàn)有盾構的掘進方式只能為土壓平衡式、泥水平衡式、土壓泥水雙模式、敞開式TBM 盾構其中一種，因此盾構適應地層變化的工作能力受到極大限制，現(xiàn)階段我國城市軌道交通、引水隧道、電力隧道大力發(fā)展，隧道穿越地區(qū)地質變化較大，在大量的復雜地段，現(xiàn)有掘進方式的盾構容易出現(xiàn)掘進困難、施工工期長、增加工程成本等缺陷，對軌道交通建設造成不利影響，特別是對于由硬巖地層與局部含泥沙富水地層或斷裂帶地層進行掘進時，現(xiàn)有模式掘進困難。具有三種掘進模式的盾構可以解決復雜地形下現(xiàn)有模式掘進困難的問題，尤其是對于巖層突變，如巖層中心“V”形砂槽，該機型能快速從TBM 模式切換到盾構的泥水平衡模式掘進，降低工程危險。

1 工程案例

廣州地鐵7 號線蘿崗站至水西站區(qū)間，其城市地表復雜，地質軟硬不均，隧道穿越殘積土層、全、強、中、微風化花崗巖。全風化花崗巖已基本風化破壞，局部夾有未風化的孤石，遇水易軟化、崩解，部分孤石可以通過地上機器先行檢測到，并進行破除，可選用土壓掘進模式；其他部分孤石不能通過預處理爆破，選用泥水掘進模式。中、微風化花崗巖為硬巖層，土壓泥水雙模式盾構無法滿足硬巖掘進的要求，但現(xiàn)有的敞開式硬巖掘進機也不能滿足在強風化花崗巖地層掘進的條件，難以控制地表沉降，由于是敞開式掘進，容易有泥漿、水涌入盾體的危險。

為了保證在硬巖地層與局部含泥沙富水地層或斷裂帶地層能安全、快速地掘進，本文研究設計一種具有三種掘進模式的盾構，能夠根據(jù)不同地層條件和施工需要進行多模式快速一鍵互相切換，且不拆裝任何部件，不改變刀盤結構，并且在臺車上實現(xiàn)渣漿分離。

2 三模式盾構的優(yōu)勢

三種掘進模式盾構是一種具有土壓、泥水和TBM 三種掘進模式，并能同時實現(xiàn)三種模式之間的模式轉換一鍵式切換的盾構，模式轉換安全、快速、勞動強度低，適用于城市結構建筑物復雜地層施工。其主要優(yōu)勢有：①刀盤結構進行加強設計，比常規(guī)刀盤重10t 左右，刀盤剛度強度足夠，適用于各種復雜地層工況需求；②刀盤采用小刀間距（75mm 刀間距）設計，保證TBM 模式下的切削能力；③主驅動驅動功率1 500kW，最大轉速5.02rpm，滿足TBM 模式下的高轉速要求；④泥水平衡模式掘進時的泥膜和壓力平衡方式有利于上軟下硬地層掌子面穩(wěn)定，適應該地層緩慢掘進的需求；⑤進漿口分別設置在開挖倉頂部、開挖倉底部和刀盤背部，根據(jù)不同地層、不同模式下沖刷需求進行切換使用；⑥TBM 模式下的排渣系統(tǒng)采用快速排渣泥漿循環(huán)系統(tǒng)，開挖倉泥漿只有整倉的1/3，開挖的渣塊可快速輸送出開挖倉；⑦開挖倉內的泥漿可以冷卻刀盤刀具，提高刀具使用壽命；⑧開挖倉采用封閉設計，減少粉塵影響隧道環(huán)境；⑨刀盤上設計開挖直徑測量裝置，可在停機時檢測實際開挖直徑。

3 三種掘進模式的運用情景

1）土壓平衡式 在孤石預處理（爆破）達到預想效果、孤石預處理（爆破）處理達不到預想效果或預處理時遺留孤石的情況下，使用土壓平衡模式掘進：由刀盤切削土層，切削后的泥土進入土艙，土艙內的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時由土艙內的螺旋輸送機出土，螺旋輸送機出土口在出土量與推進量取得平衡的狀態(tài)下，進行連續(xù)出土。

2）泥水平衡式 在孤石預處理不能實施的情況下，或在上軟下硬地層區(qū)段，使用泥水平衡模式掘進：在盾構正面與支承環(huán)前面裝置隔板的密封艙中，注入適當壓力的泥漿使其在開挖面形成泥膜，支承正面土體，實現(xiàn)開挖面穩(wěn)定，并以安裝在正面的刀盤切削土體，渣土與泥漿混合后形成高密度泥漿，用排泥泵及管道輸送至地面或臺車進行渣漿分離處理。

3）泥水式TBM 為了滿足盾構也能在全斷面硬巖地層的掘進，在其中加入一種泥水TBM掘進模式，顛覆性地改變常規(guī)TBM 掘進模式的排渣方式，利用泥漿攜帶渣土實現(xiàn)了渣土無級連續(xù)排出，減少了開挖倉渣土堆積對刀盤的磨損；開挖倉內的泥漿實現(xiàn)快速冷卻刀具、減少刀具磨損；開挖倉采用封閉性設計，實現(xiàn)工作區(qū)域無粉塵，工作環(huán)境優(yōu)良；地下水豐富地層采用TBM掘進模式即保證正常的開挖又具備排水功能。

4 泥漿循環(huán)系統(tǒng)

如圖1、圖2 所示，泥水模式下，通過開挖倉泥漿壓力平衡掌子面水土壓力，通過泥漿管道輸送渣土（上部進漿口進漿），使用大循環(huán)進行掘進（地面泥漿循環(huán)系統(tǒng)）。

如圖3 所示，在全斷面硬巖中，使用TBM模式，通過掌子面及圍巖自身穩(wěn)定性掘進，通過泥漿管道輸送渣土（下部進漿口進漿），保證土倉不積渣，保證連續(xù)沖刷效果，并且在后配套六七八號拖車設置一個小體積篩分設備，使用小循環(huán)進行掘進（后配套泥漿循環(huán)系統(tǒng)），這樣能更好地縮短循環(huán)距離，提高掘進效率。

圖1 泥水模式下泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

圖2 泥水掘進模式工藝流程圖

圖3 TBM模式下泥漿循環(huán)系統(tǒng)示意圖

5 結論

三種掘進模式盾構在主驅動、刀盤刀具、主機結構和泥漿循環(huán)系統(tǒng)等方面進行針對性設計，效率高、適應性強、安全性高、經(jīng)濟性好，能適應各種復雜地質條件，滿足不同模式一鍵切換的需求。