多模式盾构机/TBM的应用与发展

     

     

     

     

     

     

一般来说盾构选型与地质条件是相对应的。随着隧道建设快速推进，呈现出长距离、地质条件多样化、建设环境复杂化的特点，特别施工地质由单一地层向复合地层发展，单一掘进模式的盾构机容易出现刀盘结泥饼、渣土滞排、刀具磨损快、掘进效率低、地表沉降大等诸多问题。综合考虑施工地层和环境条件等因素，采用多模式化掘进设备是解决上述问题的一个有效途径。今天，我们就跟随 复合地层盾构施工专家钟长平、竺维彬 ，一起来了解多模式盾构机/TBM的应用与发展。

钟长平

广州轨道交通盾构技术研究所所长，广州地铁集团资深专家

竺维彬

广州地铁原常务副总经理、盾研所首席专家

     

     

     

     

     

双模式盾构机/TBM分类和应用        

顾名思义，单一盾构就是只有一种模式，比如泥水(直排式、气垫式)、土压、TBM(敞开式、护盾式)等；双模盾构机/TBM包括：土压—泥水平衡双模盾构机、单护盾—土压平衡双模盾构机/TBM、单护盾—泥水平衡双模盾构机/TBM。其中，单护盾是单护盾岩石隧道掘进机（TBM）的简称。

01            

土压—泥水平衡双模盾构机            

           

土压—泥水平衡双模式盾构机集成了土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机的设计理念和功能，融合了土压平衡和泥水平衡2种模式。施工中，对自稳性好、水量少的地层，采用土压平衡模式可以提高掘进工效，减少施工成本。地层自稳性差、水压高则采用泥水平衡模式，可以较好地控制地表沉降。        

根据出渣方式不同，土压—泥水平衡双模盾构机又可分为并联式双模盾构机和串联式双模盾构机。而德国海瑞克公司所用的可变密度盾构机（Variable Density Shield Machine（VD））可归属于串联式双模盾构机。           

           

02                

单护盾—土压平衡双模盾构机/TBM                

               

土压平衡盾构机在软岩以及软土地质中施工优势明显，设备造价低廉，但设备在中、硬岩地质中施工磨损较大、效率较低，劣势比较明显。而硬岩掘进机在地质单一的硬岩地层中掘进效率占据优势，但硬岩掘进机在遇到不良地质或软硬交替、极软岩地层时，施工难度及风险急剧增大。针对以上工程难题，研发了一种既能在软弱地层或围岩较差地层中掘进，又兼具硬岩掘进机功能的单护盾—土压平衡双模式盾构机/TBM。

该双模式盾构机/TBM，当开挖面不能自稳时，采用土压平衡模式，盾构机在带压模式下掘进，出渣装置采用底部螺旋输送机；当开挖面能够自稳时，采用单护盾硬岩掘进机模式，盾构机在不带压模式下掘进，出渣采用中心皮带机或者中心螺旋机。        

中心皮带机出渣方式        

03            

单护盾—泥水平衡双模盾构机/TBM            

           

泥水盾构机是在有较高水压的软土地层使用的，它对开挖面水土压力平衡较好，有利于控制地表沉降，往往用于城市和过江隧道。单护盾TBM适用于岩石隧道，隧道开挖面没有水压，围岩有一定的自稳性，一般在山岭隧道中使用。

单护盾—泥水平衡双模式盾构机/TBM集成了泥水平衡盾构和单护盾TBM的功能和特点，可以在泥水平衡和单护盾TBM两种模式下相互转换。泥水平衡模式下，双模式盾构机/TBM采用泥浆管道出渣，用于高水压裂隙地层；单护盾TBM模式下，双模式盾构机/TBM采用皮带输送机出渣，用于无水或少水岩石地层。                  

泥水模式（海瑞克股份公司供图）        

单护盾TBM模式（海瑞克股份公司供图）

     

三模盾构机/TBM的原理与应用        

三模掘进机技术孕育于广州地铁建设过程中遇到的以花岗岩为基础的复合地层，针对单一模式盾构机较难适应花岗岩分布区复杂多变的地质条件，提出兼具土压平衡、泥水平衡、TBM三种掘进模式的掘进机，打破单一模式掘进机的局限性，以提高其对多变地质条件、复杂周边环境等工况的适应性。        

与常规盾构机相比，三模掘进机同时设置了土压模式出土设备（螺旋输送机和皮带输送机）、泥水模式的泥浆循环系统和满足TBM掘进模式的刀盘及驱动系统，其工作原理如下。        

（1） 土压模式： 当开挖面地质为黏性土层和岩层组合而成的复合地层，且地面环境比较简单时，可采用土压模式掘进。通过密封舱内土体压力来平衡开挖面水土压力，切削下来的渣土通过螺旋输送机+皮带机排出；此时泥浆循环系统停止工作，刀具可根据地层情况采用切削刀和滚刀相配的形式，刀盘采用小转速模式开挖。                  

土压模式工作原理图

（2） 泥水模式： 当开挖面地质为砂性地层、地下水比较丰富或上砂下岩复合地层及地面沉降控制要求高或极高地段（过高铁线路、运营地铁线及浅基础建构筑物等情况），可采用泥水模式掘进。通过进浆管道往密封舱内输入泥浆来平衡开挖面水土压力，待压力取得平衡后，采用进浆管道与底部排浆管道循环输送泥浆的方式来输送渣土；此时螺旋输送机+皮带机排渣通道停止作业，关闭螺旋输送机出渣闸门；同样刀具可根据地层情况采用切削刀和滚刀相配的形式，刀盘采用小转速开挖。                  

泥水模式工作原理图

（3）TBM模式： 当地层为全断面硬岩时，采用TBM模式掘进。全断面硬岩时，开挖面稳定，密封舱内无需建立压力来平衡开挖面，刀具全部更换为滚刀，刀盘采用高转速模式开挖。                  

TBM模式工作原理图

广州地铁7号线二期萝岗站—水西站左线区间首次使用了三模盾构，盾构机2021年5月18日自萝岗站始发，历经235d，安全平稳穿越软土层、上软下硬地层、全断面硬岩地层（平均强度90MPa，最大强度140MPa）和有轨电车1号线、区政府办事大厅、院士楼等敏感建（构）筑物，于2022年1月8日顺利到达水西站接收，管片安装质量良好，无安全、质量事故。据统计，该台三模盾构机/TBM软土段平均进度每天4.2环，全断面硬岩段平均每天6.2环，最高掘进进度为每天11环，取得了很好的成绩。                  

         

多模式盾构机/TBM研发历程            

                    多模式掘进机的发明是针对复合地层，理论基础是“复合地层盾构施工理论和技术体系”。有“地质博物馆”之称的广州在早期建设地铁时施工困难，因此较早开始了多模式盾构的研发之路。                          

2000年，               广州地铁2号线首期段建设过程中就遭遇了复合地层的挑战，为克服这一难题，针对性地提出盾构改进的措施，形成“双模盾构”的概念雏形，明确了今后努力的方向。            

2004～2005年， 广州地铁3号线日产泥水盾构穿越宽500m的珠江时，因“滞排”掘进困难，江底塌方、刀盘损坏，研制“双模盾构”迫在眉睫。华隧与三菱、铁建重工合作，历时8年，终于在2012年研制出全球第1台“泥水和土压并联式”双模盾构机，并成功应用于地铁9号线。            

2016年， 准备上马广州地铁7号线北延段有一段长距离过硬岩的山体，而两端又是易发生“喷涌”和“滞排”的复合地层，为此2018年成功研发出“三模盾构机/TBM”，并获得发明专利。                          

           

               

国内多模式盾构机/TBM使用情况表

（截至2021年10月）

               

                         

                         

                         

                         

                         

                         

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