郭俊平, 馬經(jīng)哲, 湯勇茂, 尹富斌, 羅 杰

(1. 中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司, 廣東 深圳 518052; 2. 廣州地鐵集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510335;3. 中鐵(廣州)投資發(fā)展有限公司, 廣東 廣州 510000; 4. 西南交通大學(xué), 四川 成都 610031)

0 引言

當(dāng)隧道穿越地質(zhì)多變、施工情況復(fù)雜的地層時(shí),若考慮用掘進(jìn)機(jī)開挖,首要問題就是確定用何種機(jī)型施工。大量工程經(jīng)驗(yàn)表明,一般先根據(jù)某區(qū)間水文地質(zhì)情況及工程條件,選取不同的掘進(jìn)模式;再根據(jù)工程總體狀況選取單模式或多模式掘進(jìn)機(jī)開挖地鐵隧道。

目前國內(nèi)已有學(xué)者對掘進(jìn)機(jī)施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。李俊偉等[1]、黃新淼等[2]提出了掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性選型及改制的方法,但面對地質(zhì)條件復(fù)雜的隧道區(qū)間,單模式掘進(jìn)機(jī)存在局限性。朱勁鋒等[3]通過冷凍刀盤開艙技術(shù),提高了雙模式掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性,在土壓-泥水雙模轉(zhuǎn)換時(shí)可在不拆裝任何部件的情況下安全、快速地實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)模式的切換。陳凡等[4]根據(jù)雙模式盾構(gòu)不同模式的使用工況,總結(jié)選取不同模式的經(jīng)驗(yàn),歸納了圓礫-泥巖復(fù)合地層下不同工作模式的選取依據(jù)。徐敬賀[5]、何川等[6]研究了一種氣墊式泥水-土壓雙模盾構(gòu),在以復(fù)雜多變的復(fù)合地層為施工背景的條件下,實(shí)現(xiàn)了模式快速轉(zhuǎn)換;但由于泥水-土壓盾構(gòu)缺少在硬巖地層的掘進(jìn)模式,在面對長距離全斷面硬巖地質(zhì)條件時(shí),其經(jīng)濟(jì)性與掘進(jìn)效率均低于土壓-TBM和泥水-TBM雙模掘進(jìn)機(jī)[7]。宋天田等[8-9]、陳偉國[10]、劉東[11]總結(jié)了在上軟下硬等復(fù)合地層中EPB/TBM雙模掘進(jìn)機(jī)模式轉(zhuǎn)換流程以及如何保證模式順利轉(zhuǎn)換的安全措施等。但采用土壓-TBM、泥水-TBM雙模掘進(jìn)機(jī)時(shí),存在模式轉(zhuǎn)換時(shí)間過長、轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)較高等問題[12-13]。凌波等[14]介紹了一種可用于軟土、富水砂層、硬巖、地層裂隙發(fā)育與滲水量大的硬巖等地層的掘進(jìn)機(jī),但未具體說明該掘進(jìn)機(jī)的模式轉(zhuǎn)換難點(diǎn)及轉(zhuǎn)換對策。于澤陽等[15]、Klados等[16]總結(jié)了一種可調(diào)密度盾構(gòu)的工作模式轉(zhuǎn)換方法,即通過加泥注入管路向泥水艙補(bǔ)充高密度泥漿,控制泥水艙密度壓力梯度,在溶洞等特殊地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)掌子面壓力的穩(wěn)定,雖然可調(diào)密度掘進(jìn)機(jī)減少了模式轉(zhuǎn)換時(shí)間,但在硬巖地層中使用敞開式掘進(jìn)模式的可調(diào)密度盾構(gòu)掘進(jìn)效率較低。

通過以上文獻(xiàn)分析可知,在掘進(jìn)模式方面,國內(nèi)外主要研究土壓平衡模式、泥水平衡模式、TBM模式,而本文的三模式掘進(jìn)機(jī)(簡稱三模掘進(jìn)機(jī))具有土壓、泥水、敞開式硬巖掘進(jìn)模式。其中,敞開式硬巖掘進(jìn)模式具有“TBM模式”功能,可在硬巖地層掘進(jìn),且有螺旋輸送機(jī)出渣(螺旋輸送機(jī)出渣)與泥漿管道出渣(泥水出渣)2種出渣方式。目前國內(nèi)外研究主要集中在雙模式掘進(jìn)機(jī)選型[1-2]、工況選取[3-5]以及施工安全措施[6-9]等方面,已發(fā)表文獻(xiàn)尚無掘進(jìn)機(jī)在土壓、泥水、敞開式硬巖掘進(jìn)模式三者之間轉(zhuǎn)換技術(shù)的研究,也無關(guān)于三模掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、模式工作原理、模式轉(zhuǎn)換流程和三模掘進(jìn)機(jī)特有的泥水-敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)、土壓-敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)轉(zhuǎn)換要點(diǎn)的相關(guān)研究。因此,本文依托廣州地鐵7號線首臺(tái)三模掘進(jìn)機(jī)的施工應(yīng)用,對三模掘進(jìn)機(jī)選型及模式轉(zhuǎn)換技術(shù)展開研究,以期為國內(nèi)外類似工程提供一定的技術(shù)參考。

1 工程概況

1.1 蘿崗站—水西站區(qū)間地質(zhì)特征

廣州市軌道交通7號線二期工程蘿崗站—水西站區(qū)間(簡稱蘿—水區(qū)間)隧道ZCK40+716.643～ZCK41+802.928全長約1 086.48 m(見圖1)。工程地表有埋深25～39 m、平面最小距離為9～45 m的建筑物(見圖2),區(qū)間沉降控制要求高,且松散巖類孔隙地下水的初見水位埋深為1.2～4.2 m,平均埋深為3.06 m;穩(wěn)定水位埋深為1.6～4.5 m,平均埋深為3.5 m,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。各典型地層的主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。區(qū)間隧道穿越殘積土層,全、強(qiáng)、中、微風(fēng)化花崗巖層,起始段軟土地層存在孤石,孤石揭露率約40.5%,地層長度約為139.08 m (占總長的13%),全斷面硬巖地層長度約為825.26 m(占總長的76%),中間段富水砂層長度約為122.14 m(占總長的11%)。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)

圖1 蘿—水區(qū)間地質(zhì)縱斷面圖

圖2 蘿—水區(qū)間地表建筑物圖

1.2 特殊工程地質(zhì)與相適應(yīng)的掘進(jìn)模式

1.2.1 長距離、高強(qiáng)度硬巖地層

蘿—水區(qū)間主要掘進(jìn)地層為中、微風(fēng)化花崗巖地層,掘進(jìn)距離約824 m,占據(jù)整個(gè)區(qū)間里程的76%,巖石最大單軸抗壓強(qiáng)度分別為56 MPa與124.6 MPa?；◢弾r芯見圖3。地層顆粒呈青灰色,塊狀構(gòu)造,主要礦物為石英、黑云母、長石等。此段地層掘進(jìn)時(shí),要求掘進(jìn)機(jī)具有硬巖開挖能力,如具有高強(qiáng)度、高耐磨性能的刀盤,具有破巖效率高且壽命長的破巖滾刀等。針對部分地段地層裂隙發(fā)育,地層滲水量大,易導(dǎo)致涌水,需要掘進(jìn)機(jī)解決螺旋輸送機(jī)噴涌問題。為提高掘進(jìn)效能,刀盤動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)具備硬巖開挖的高轉(zhuǎn)速模式。因此,該地層適合采用敞開式硬巖掘進(jìn)模式。

(a) 中風(fēng)化花崗巖芯 (b) 微風(fēng)化花崗巖芯

1.2.2 沉降控制要求高的富水砂層

由圖1可知,工程兩段硬巖地層凹槽處為一段富水砂質(zhì)地層。該地層起始下穿重要建筑物(見圖2中院士樓),后接山體(見圖2中盈翠公園山體),地表起伏較大。地層主要為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖與碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等軟土地層,區(qū)間埋深為65～73 m,洞底最大靜水壓力為500 kPa。采用土壓平衡掘進(jìn)機(jī)在該地段施工,面臨地層沉降控制要求高以及高水壓情況下螺旋輸送機(jī)減壓和噴涌等問題,要求掘進(jìn)機(jī)具有嚴(yán)格控制地面沉降、防治隧道內(nèi)噴涌的能力。因此,該地段適合采用泥水平衡模式掘進(jìn)。

1.2.3 含有孤石的軟土地層

在工程區(qū)間起始段,上部地表周圍有淺埋建筑物,下部隧道穿越含有大直徑孤石(孤石預(yù)估垂直高度為0.4～3.4 m)的砂質(zhì)黏性土地層。砂質(zhì)黏性土呈硬塑狀,遇水易軟化、崩解。在這種砂質(zhì)黏性土地層掘進(jìn)時(shí),采用泥水平衡模式將面臨刀盤結(jié)泥餅、出渣困難,且在孤石存在的地層容易出現(xiàn)刀具異常損壞和泥漿管路堵塞等問題。因此,綜合考慮施工安全性與掘進(jìn)高效性,該地段需要采用土壓平衡掘進(jìn)模式;對于沉降控制要求高的地段,則考慮配合泥水平衡掘進(jìn)模式,從而獲取最大的施工效益。

2 掘進(jìn)機(jī)選型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 掘進(jìn)機(jī)選型分析

蘿—水區(qū)間全長只有1 086.48 m,但是由于區(qū)間地質(zhì)復(fù)雜,存在軟土、硬巖和沉降控制要求高的復(fù)雜地層,惡劣的掘進(jìn)條件要求掘進(jìn)機(jī)具有土壓、泥水及敞開式硬巖3種掘進(jìn)模式才能完成隧道開挖。通常情況下,選擇除土壓-泥水雙模掘進(jìn)機(jī)外增加1臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī)可以完成該掘進(jìn)區(qū)間的開挖。

針對不同地質(zhì)更換不同機(jī)型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)會(huì)帶來設(shè)備進(jìn)出場地、工期、成本經(jīng)濟(jì)性以及安全的問題。為了解決這些問題,考慮到區(qū)間掘進(jìn)里程較短,可通過對土壓-泥水雙模掘進(jìn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性改造(重點(diǎn)對掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、刀盤結(jié)構(gòu)、刀具耐磨性、盾體、螺旋輸送機(jī)及泥水管道進(jìn)行適應(yīng)性改造),使該設(shè)備做到一般土壓平衡盾構(gòu)在硬巖地層不能夠達(dá)到的刀盤高轉(zhuǎn)速、刀盤刀具高強(qiáng)度及耐磨蝕的要求,使設(shè)備具有硬巖條件下類似于“TBM掘進(jìn)機(jī)”的掘進(jìn)能力,即在硬巖地層中,可使用敞開式硬巖掘進(jìn)模式,使設(shè)備具有硬巖開挖的功能。

三模掘進(jìn)機(jī)不是簡單3種模式的結(jié)構(gòu)組合,實(shí)際上,三模掘進(jìn)機(jī)與TBM掘進(jìn)機(jī)出渣原理是不一樣的,該設(shè)備刀盤沒有溜渣板和中心出土裝置,但是通過改造具備了在軟土、富水砂層、硬巖、地層裂隙發(fā)育與滲水量大的硬巖等地層掘進(jìn)的能力。通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造的三模掘進(jìn)機(jī),3種掘進(jìn)模式能夠在操作室內(nèi)一鍵式切換,無需設(shè)備拆裝,轉(zhuǎn)換過程安全、快速且勞動(dòng)強(qiáng)度更低,避免了長時(shí)間的模式轉(zhuǎn)換作業(yè)帶來的風(fēng)險(xiǎn),保證了人員和設(shè)備安全,也保證了一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)能夠適應(yīng)多種地層掘進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)。

針對工程地質(zhì)特征及風(fēng)險(xiǎn)情況,選取集3種掘進(jìn)模式于一體的三模掘進(jìn)機(jī)具有了一定的必要性。本工程掘進(jìn)區(qū)間左線的模式選取及掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

表2 左線掘進(jìn)模式選取

三模掘進(jìn)機(jī)部分基本參數(shù)見表3。通過對三模掘進(jìn)機(jī)的刀盤破巖開挖、螺旋輸送機(jī)出渣、泥漿管道出渣等能力的提升改造,三模掘進(jìn)機(jī)具有適應(yīng)各種復(fù)雜多變地層掘進(jìn)的能力。

表3 三模掘進(jìn)機(jī)基本參數(shù)

三模掘進(jìn)機(jī)主機(jī)布置如圖4所示。三模掘進(jìn)機(jī)采用合理分段、優(yōu)化連接結(jié)構(gòu)等方法,在主機(jī)內(nèi)有效集成布置泥水出渣與螺旋輸送機(jī)出渣2套出渣系統(tǒng),且其結(jié)構(gòu)、尺寸、分塊均滿足在洞內(nèi)進(jìn)行一鍵切換的要求。

圖4 三模掘進(jìn)機(jī)主機(jī)布置圖

該工程采用首臺(tái)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)制造的直徑為6 280 mm的三模統(tǒng)一式掘進(jìn)機(jī)刀盤,刀盤結(jié)構(gòu)形式為6主梁+6輔梁,采用中心整體厚板設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(見圖5中紅色部分),開口率為30%,如圖5所示。為了適應(yīng)硬巖地層,刀盤外圈梁采用耐磨合金塊全覆蓋板設(shè)計(jì),面板區(qū)域采用耐磨復(fù)合鋼板。刀盤主驅(qū)動(dòng)采用變頻電驅(qū),驅(qū)動(dòng)功率為1 400 kW,電機(jī)設(shè)有液壓轉(zhuǎn)矩限制器,并采用雙排滾柱軸承配以大功率電機(jī)和穩(wěn)定的傳動(dòng)體系,使得刀盤既能以低轉(zhuǎn)矩高轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩2 371 kN·m、轉(zhuǎn)速5.36 r/min)滿足敞開式硬巖掘進(jìn)模式在硬巖地層中正常掘進(jìn),又能切換成高轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)矩5 664 kN·m、轉(zhuǎn)速2.24 r/min)滿足泥水/土壓模式在軟土地層中掘進(jìn)的要求。

圖5 廣州地鐵7號線蘿—水站刀盤

2.2 敞開式硬巖掘進(jìn)模式

敞開式硬巖掘進(jìn)模式(螺旋輸送機(jī)出渣)如圖6所示。在中、微風(fēng)化花崗巖地層中,此模式下刀盤轉(zhuǎn)矩為2 371 kN·m的同時(shí)轉(zhuǎn)速可達(dá)5.36 r/min。掘進(jìn)時(shí)刀盤貫入度為5 mm/r,按最高轉(zhuǎn)速5.36 r/min,開挖量約為50 m3/h,螺旋輸送機(jī)最大出渣能力為348 m3/h(見表3)。實(shí)際掘進(jìn)時(shí)開挖艙內(nèi)巖渣高度不大于螺旋輸送機(jī)口高度,因此在此模式下用螺旋輸送機(jī)出渣能夠滿足要求。

圖6 敞開式硬巖掘進(jìn)模式(螺旋輸送機(jī)出渣)

遇到區(qū)間硬巖地層裂隙水較大、土艙水量大、水位高的情況時(shí),螺旋輸送機(jī)排渣易發(fā)生噴涌,造成隧道內(nèi)積水,人工處理耗時(shí)費(fèi)力,安全性也難以保證。敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)能保證在富水地層正常掘進(jìn),兼具排水功能。敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)如圖7所示。

(a)

敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)通過開挖艙底部2路進(jìn)漿管進(jìn)漿,泥漿沿進(jìn)漿管從兩側(cè)底部沖出,可防止巖渣沉淀;泥漿淹沒出漿口后動(dòng)態(tài)維持泥漿液位高度為整艙的1/3;利用泥漿攜帶渣土從排漿管路連續(xù)出渣,且開挖艙內(nèi)是封閉狀態(tài),保證了施工安全可靠。

2.3 泥水模式

泥水模式如圖8所示。泥水模式利用較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的泥漿,通過上部注漿管路進(jìn)入到盾體內(nèi)的開挖艙;泥漿滲透到刀盤接觸的開挖面,形成一定厚度的泥漿膜,從而起到止水及穩(wěn)定開挖面的效果;開挖艙內(nèi)泥渣通過前閘門與下部排漿管道持續(xù)輸送至地面泥水分離站,處理后的泥漿經(jīng)進(jìn)漿管路輸送至掌子面,再次循環(huán)利用。

(a) 泥水模式上位機(jī)界面參數(shù)

泥水模式不僅適用于滲透系數(shù)大的富水砂質(zhì)地層,還可以在地表沉降控制要求高及地層滲透系數(shù)超過10-4m/s但粉粒及黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)未超過40%的軟土地層中使用。

2.4 土壓模式

土壓模式通過改變掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度以及調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)出渣量來控制開挖艙內(nèi)水土壓力,將開挖艙內(nèi)的土壤作為掌子面的穩(wěn)定介質(zhì)來平衡水土壓力,通過控制刀盤旋轉(zhuǎn)以開展掘進(jìn)作業(yè)[17],如圖9所示。

圖9 土壓模式(螺旋輸送機(jī)出渣)

土壓模式多適用于滲透系數(shù)為10-7～10-4m/s、粉粒及黏土質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40%的黏土地層以及一些顆粒較細(xì)的地層。在此地層中掘進(jìn)時(shí),所切削渣土容易形成穩(wěn)定的不透水流塑體結(jié)構(gòu),便于維持掌子面的平衡狀態(tài)。

3 三模掘進(jìn)機(jī)模式轉(zhuǎn)換要點(diǎn)

3.1 模式轉(zhuǎn)換操作流程

三模掘進(jìn)機(jī)有土壓、泥水、敞開式硬巖掘進(jìn)模式。其中,敞開式硬巖掘進(jìn)模式(螺旋輸送機(jī)出渣)轉(zhuǎn)換較為簡單,且由2.2節(jié)分析可知,為滿足高效掘進(jìn)出渣要求,只需保證下部螺旋輸送機(jī)常壓出渣即可。三模掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)換流程如圖10所示。為了節(jié)省篇幅,本節(jié)不再對敞開式硬巖掘進(jìn)模式(螺旋輸送機(jī)出渣)做進(jìn)一步介紹。

(a) 泥水模式轉(zhuǎn)敞開式硬巖模式(泥水出渣) (b) 泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式 (c) 土壓模式轉(zhuǎn)敞開式硬巖模式(泥水出渣)

3.2 模式轉(zhuǎn)換對策研究

圖10(b)已詳細(xì)示出泥水模式轉(zhuǎn)土壓模式關(guān)鍵步驟,且土壓-泥水模式轉(zhuǎn)換已有較多研究,本節(jié)不再介紹。下面針對泥水模式轉(zhuǎn)敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)、土壓模式轉(zhuǎn)敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)過程中的難點(diǎn)進(jìn)行分析,開展2種模式轉(zhuǎn)換過程的對策研究。

3.2.1 泥水模式轉(zhuǎn)敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)

泥水模式轉(zhuǎn)換為敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)的前提條件是將穩(wěn)定、安全的地層作為切換地點(diǎn)。由于泥水模式所在地層不穩(wěn)定,因此掘進(jìn)通過該地層后,在敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)所在地層進(jìn)行轉(zhuǎn)換,若出現(xiàn)富水情況,可采用注漿封堵等措施。步驟為: 慢速掘進(jìn)控制開挖渣土—降低開挖艙壓力和液位—開挖艙沖刷管/液位/壓力等傳感器檢測與調(diào)試—運(yùn)行敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)。轉(zhuǎn)換步驟如圖11所示。

(a) 步驟1: 慢速掘進(jìn)控制開挖渣土

1)慢速掘進(jìn)控制開挖渣土。緩慢啟動(dòng)刀盤,控制刀盤轉(zhuǎn)速在0.7～1 r/min、刀盤轉(zhuǎn)矩在2 200 kN·m以內(nèi),待刀盤能夠平穩(wěn)切削掌子面,開始緩慢掘進(jìn)。過程中控制掘進(jìn)速度為5～10 mm/min,使掘進(jìn)機(jī)能夠連續(xù)平穩(wěn)掘進(jìn),以便控制開挖渣土。

2)開挖艙壓力和液位的降低。上位機(jī)室內(nèi)打開下部排漿球閥F50、F38、F32、F66,開啟下部雙通道排漿管路進(jìn)行出渣(見圖11(b)中紅色線路),并通過打開上部探測管路排出多余壓力以維持開挖艙壓力在60～210 kPa內(nèi)依次減小,同時(shí)將艙內(nèi)液位逐漸降低。

3)開挖艙沖刷管/液位/壓力等傳感器檢測與調(diào)試。通過主機(jī)室觀察液位及壓力等傳感器的數(shù)值變化,隨著開挖艙內(nèi)液面的降低,其對應(yīng)的液位及壓力傳感器數(shù)值也會(huì)歸零,表明傳感器正常工作。同時(shí)打開對應(yīng)閥門檢測沖刷管等是否有清水、泡沫混合液等流出。

將軟管連接到盾體中部泥水艙液位檢測管,利用液位傳感器來觀察開挖艙內(nèi)的泥漿高度,當(dāng)開挖艙液位高度快要降到整艙的1/3時(shí),上位機(jī)室內(nèi)依次打開進(jìn)漿球閥F51、F30、F17、F18,利用下部進(jìn)漿管道(見圖11(c)中藍(lán)色線路)進(jìn)漿(漿液密度控制在1 100 kg/m3)。利用液位傳感器來觀察開挖艙內(nèi)的泥漿高度并根據(jù)需求調(diào)節(jié)進(jìn)漿泵P1.1與排漿泵P2.1轉(zhuǎn)速,直到排出的泥渣大塊變多。

4)運(yùn)行敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)。通過泡沫孔注入泡沫劑、膨潤土孔注入進(jìn)漿漿液(初步設(shè)定流量為35 L/min)來改善渣土性狀。待渣土排出平穩(wěn)后,緩慢提升掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度至20～50 mm/min,開始采用敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)掘進(jìn)。施工參數(shù)設(shè)定見表4。

表4 敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)施工參數(shù)設(shè)定值

3.2.2 敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)轉(zhuǎn)土壓模式

敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)轉(zhuǎn)土壓模式大致可以分為切換地層選取、開挖艙渣土堆積、渣土改良、螺旋輸送機(jī)出渣調(diào)試和土壓模式轉(zhuǎn)換5個(gè)步驟。各線路及開挖艙內(nèi)漿液情況如圖12所示。其中渣土置換過程為該模式轉(zhuǎn)換的難點(diǎn)。開挖艙內(nèi)渣土置換對策如下:

(a) 步驟1: 切換地層選取

1)地層切換選取。由于敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)地層相對穩(wěn)定,因此在進(jìn)入軟土地層前進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。若出現(xiàn)富水情況,可進(jìn)行注漿封堵。

觀察排出的渣土中是否有大直徑巖石。若有,先用螺旋輸送機(jī)將大直徑巖石排出,防止堵塞管路,控制刀盤轉(zhuǎn)速在1.2～1.6 r/min、刀盤轉(zhuǎn)矩在3 000 kN·m以內(nèi),待刀盤能夠平穩(wěn)切削掌子面,控制掘進(jìn)速度為10～20 mm/min,開始緩慢掘進(jìn)并打開螺旋輸送機(jī)前閘門,防止開挖艙渣土堆滿后不易打開。

2)渣土堆積。掘進(jìn)機(jī)泥水管路運(yùn)行環(huán)流常規(guī)旁通模式,控制掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度為20 mm/min,利用液位傳感器觀察渣土高度。當(dāng)要快到達(dá)上部進(jìn)漿口時(shí)(見圖12(b)中球閥F11),緩慢降低掘進(jìn)機(jī)速度至5～10 mm/min,將盾尾油脂通過排漿口、進(jìn)漿口和開挖艙聯(lián)通管的支口注入管路,進(jìn)行填充,防止渣土流入管路堵塞。

3)渣土改良。主控室內(nèi)依次打開球閥F11、F30,開啟上部管路(見圖12(c)中紅色線路)排出巖土與泥漿混合液。利用泡沫孔與膨潤土孔注入泡沫劑與清水(初步設(shè)定流量為35 L/min),改良開挖艙內(nèi)渣土密度為1 200 kg/m3,維持上部土壓力不低于60 kPa。

4)螺旋輸送機(jī)出渣調(diào)試。控制刀盤轉(zhuǎn)速在1～1.3 r/min、刀盤轉(zhuǎn)矩在2 200 kN·m以內(nèi),掘進(jìn)速度為15～25 mm/min。關(guān)閉上部閥門,掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn),開挖艙壓力穩(wěn)定在180～240 kPa,由于置換完成的渣土有一定的流塑性,為安全可靠地伸出螺旋輸送機(jī),防止泥水噴涌過于嚴(yán)重,打開螺旋輸送機(jī)出口處的下閘門15%開口幅度(根據(jù)泥水噴涌實(shí)際情況調(diào)整下閘門的打開幅度),通過控制下閘門的開啟幅度以及掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度來穩(wěn)定開挖艙的水土壓力,等泥漿噴涌結(jié)束后,準(zhǔn)備下一步操作。

5)土壓平衡模式轉(zhuǎn)換。通過泡沫孔、膨潤土孔注入泡沫劑、膨潤土(初步設(shè)定流量為20 L/min)來改善渣土性狀。待渣土排出平穩(wěn)后,緩慢提升掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度至25～45 mm/min,并開始運(yùn)行土壓模式掘進(jìn)。各施工參數(shù)設(shè)定如表5所示。

表5 土壓模式施工參數(shù)設(shè)定值

4 施工應(yīng)用

廣州市軌道交通7號線二期工程蘿—水盾構(gòu)區(qū)間采用1臺(tái)中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的三模掘進(jìn)機(jī),線路依次下穿及側(cè)穿主要建(構(gòu))筑物為區(qū)政府辦事大廳、區(qū)政府凱月樓(食堂)、盈翠公園等(見圖2)。2022年7月30日,在蘿—水盾構(gòu)區(qū)間右線掘進(jìn)第594環(huán)應(yīng)用該工法首次成功完成敞開式硬巖掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)泥水模式。蘿—水區(qū)間左線掘進(jìn)模式及模式轉(zhuǎn)換見表2。

掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度集成,具有3種掘進(jìn)模式。重型刀盤開挖技術(shù)解決了硬巖掘進(jìn)主工況多模刀盤可靠性提升難題;新型合金刀箱解決了硬巖沖擊荷載主工況刀箱及刀具緊固可靠性不足難題;城市復(fù)合地層閉式多模掘進(jìn)技術(shù)降低了大埋深隧道突泥突水及高水壓掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)控制難題;不停機(jī)低風(fēng)險(xiǎn)模式轉(zhuǎn)換技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)雙模盾構(gòu)換模過程復(fù)雜、模式轉(zhuǎn)換效率低的難題;雙通道協(xié)同排渣技術(shù)有效解決了富水復(fù)合地層排渣、大粒徑石塊排放難題。現(xiàn)場應(yīng)用如圖13所示。

(a) 三模掘進(jìn)機(jī)

通過三模掘進(jìn)機(jī)模式轉(zhuǎn)換施工工法的實(shí)施,使每次模式轉(zhuǎn)換施工工期縮短了27 d,本工程模式轉(zhuǎn)換共計(jì)5次,施工工期共計(jì)縮短了135 d。轉(zhuǎn)換方法有效減少了地面沉積量,轉(zhuǎn)換過程不占用路面,對周邊居民和區(qū)域交通基本無影響。

5 結(jié)論與討論

本文依托廣州地鐵7號線三模掘進(jìn)機(jī)的施工應(yīng)用,對三模掘進(jìn)機(jī)選型及模式轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究,得出結(jié)論如下:

1)集3種模式于一體的三模掘進(jìn)機(jī)能有效解決地鐵盾構(gòu)區(qū)間穿越多種復(fù)雜地層(軟土地層、沉降控制要求高的地層以及硬巖地層)盾構(gòu)的選型和地層適應(yīng)性問題,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)多模式一體,一鍵切換,一機(jī)多用。

2)通過掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換流程、工藝的工程應(yīng)用,形成了一套掘進(jìn)模式快速、安全轉(zhuǎn)換技術(shù)。

3)硬巖掘進(jìn)的雙排渣方案有效解決了一般硬巖條件下的高效排渣(硬巖掘進(jìn)螺旋輸送機(jī)出渣模式)和硬巖富水條件下的防噴涌(硬巖掘進(jìn)泥水出渣模式)問題。

在敞開式硬巖掘進(jìn)模式(泥水出渣)中由于地層粒徑分配、涌水量等條件的變化,需要對管道泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓力及流量有精準(zhǔn)的把控,否則可能發(fā)生管道排渣效率不高的問題,下一步需要根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)或研究數(shù)據(jù)完善施工參數(shù)。