谢作成
中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016）
摘要：目前国内在盾构施工领域中，通常使用单模式的盾构机：土压平衡盾构及、泥水平衡盾构机、护盾/敞开式TBM进行项目施工。在施工的过程中，根据提前做的地勘很难遇到理想的单一地层，降低了常用的单模式盾构机施工效率。现通过结合2种或多种模式盾构机优点，研制并已投产双模/多模盾构机。在已使用的施工项目上，通过施工项目的地勘，制定盾构机施工方案，筹划好盾构机的洞内模式转换，极大程度的提高盾构机安全施工效率，从而降低施工成本，提高盾构机整体施工质量。
关键词：双模/多模盾构机；隧道；工程筹划；洞内换模；施工管理
0引言
随着我国整体建设的高速发展，近年来城市地铁、交通、综合管廊等隧道建设得到了全面铺设，地铁运营里程逐年增加。在各施工项目的工期节点较以往提前，通过优化盾构施工技术，多元化盾构机机型，盾构机上采用新型技术与工艺实用化，能适应的地质条件增加，从而提升工效，保证盾构施工节点工期。
如土压平衡盾构机在遇到全断面硬岩地层时，掘进的效率不及护盾/敞开式TBM；遇到大埋深、高渗透性的水下、软硬不均等情况时，施工效率与可靠性不及泥水盾构机。通过对比盾构机的适应性，结合盾构机整体性能设计，将土压平衡盾构机、泥水平衡盾构机、护盾/敞开式TBM互相进行优势结合，研制出已投入使用的土压-TBM双模盾构机、土压-泥水双模盾构机、泥水-TBM双模盾构机与土压-泥水-TBM多模盾构机。
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图1 土压-泥水-TBM多模盾构机
广州地铁7号线（萝岗站~水西站），区间里程下穿山体为主，最大静水头压力3bar。隧道穿越残积土层、全、强、中、微分化花岗岩等复杂地层，采用已投产的?6.28m土压-泥水-TBM多模盾构机施工。
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图2 土压-TBM双模盾构机（中心皮带共存式）
广佛环线广州南站~大石站区间，隧道主要穿越强风化泥质砂岩、中风化二长花岗岩、强风化二长花岗岩等复杂地层，已采用?9.13m土压-TBM双模盾构机（共存式）进行施工。
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图3 土压-TBM双模盾构机（中心螺旋换装式）
深圳地铁14号线石芽岭站~布吉站区间，隧道主要穿越强、中、微风化角岩层，断裂带，素填土等，地质差异较大，地层变化复杂，已采用?6.98m土压-TBM双模盾构机（换装式）进行施工。
针对复合地层下，双模/多模盾构机的实用性问题， 本文将通过从盾构机不同模式的特点、施工风险分析及控制措施、盾构机使用问题及控制措施，3个方面系统的进行分析，希望能够为后续的双模/多模盾构机施工项目提供参考。
1 盾构机不同模式的特点
1.1 土压-TBM双模盾构机
结合了土压盾构与单护盾TBM的优点，实现在复合地层下的封闭式掘进，一般承压0-3bar；同时通过洞内模式转换后，实现在全断面硬岩地层中可连续性出渣，能较好克服刀盘与刀具二次磨损，从而实现高效安全掘进。
土压-TBM双模盾构机的分类有：换装式与共存式。
1.1.1 换装式
螺旋输送机与中心皮带机不能同时安装在盾构机上，模式转换时需要在洞内换装，耗时相对较长，此类盾构机直径一般＜9m。
换装式双模盾构的形式有中心皮带机与中心螺旋机。
共存式特点：螺旋输送机与中心皮带机可以同时安装在盾构机上，模式转换时只需要少量拆装，耗时相对较少，此类盾构机直径一般＞9m。
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图4 土压-TBM双模盾构机（中心皮带换装式）
对比中心螺旋机与中心皮带机双模盾构，各有优劣势。中心螺旋机相较于中心皮带机的优势：模式转换时间“少”、施工风险“小”、施工环境“净”、故障率“低”、设备成本“省”。劣势：出渣效率“低”、螺旋机磨损加“快”。
转换时间：中心皮带机双模盾构洞内模式转换时间约为12~15天；中心螺旋机则为8~10天。
施工风险：采用中心螺旋机出渣时，通过关闭螺旋机后闸门能有效控制土仓突泥突水风险；采用中心皮带机出渣时，当土仓内部失稳时，渣土会直接通过中心区域涌入主机。
施工环境：采用中心螺旋机出渣时，可封闭土仓内部粉尘，保证作业环境的健康；采用中心皮带机出渣时，粉尘会逸出至隧道内部，影响作业环境，目前可通过增设除尘风机进行处理。
故障率：由于中心皮带机为柔性结构，溜渣槽长期掉落的渣土会损坏主机皮带机皮带以及其他支撑机构，皮带机故障率会有所增加。
设备成本：中心螺旋机模式由于土仓是封闭结构，尘土无法扩散至主机区域，因此不需要增加除尘风机及相应拖车，两种模式下可共用螺旋机，降低设备成本。
出渣效率：由于空间限制，中心螺旋机直径一般会偏小，如果有大渣块，会造成螺旋机卡滞，一定程度上影响出渣效率。
螺旋机磨损：中心螺旋机出渣的时候，主要以硬岩干渣为主，当螺旋机高速旋转时会增大磨损量，减少使用寿命。
1.1.2 共存式
螺旋输送机与中心皮带机可以同时安装在盾构机上，模式转换时只需要在洞内进行少量拆装，耗时相对较少，此类盾构机直径一般＞9m。
土压模式下，适用于软土地质，通过主机皮带机回收，由螺旋输送机出渣，中心回转接头通道进行渣土改良， 实现土压平衡模式掘进，保证施工安全；此种模式具有常规土压平衡盾构所有功能及特点。
TBM模式下，适用于硬岩地层，通过主机皮带机前伸出渣，同时螺旋输送机后退。
1.2 土压-泥水双模盾构机
结合了土压盾构与泥水盾构的优点，兼具土压掘进模式和泥水掘进模式，土压掘进模式具备施工效率高的优点，泥水掘进模式具备沉降控制号的优点，该双模盾构时用于地质复杂、地面环境复杂的工程施工。
模式转换无需任何拆装工作，只需要在主控室按照操作规程进行转换即可，当地层变化时，可及时进行模式的且换。
泥水模式掘进，可通过土压模式的螺旋输送机排出大粒径石块。
土压模式掘进，可通过泥水环流系统进行稳定压力、制造泥膜进行气压开仓作业。
刀盘、主驱动、推进系统设计和配置参数均需要考虑到二种模式掘进特点和能力要求。
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图5 土压-泥水双模盾构机
土压模式转泥水模式时，先通过旁通压浆，螺旋机缓慢出渣；然后通过螺旋机关闭前闸门，反循环出渣。
泥水模式转土压模式时，现将刀盘缓慢进度，旁通退浆；然后通过旁通退浆到顶部，转为土压出渣。
1.3 泥水-TBM双模盾构机
泥水-TBM和泥水平衡盾构机，是一种可根据不同地层条件和施工需要，实现一键多模式互相切换，且不拆装任何部件，不改变刀盘结构。在泥水平衡和常压状态下，可以通过泥水环流系统，快速从土仓分离出破碎岩石。
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图6 泥水-TBM双模盾构机
泥水模式，主要包括泥水输送、进排浆口和分离系统。
泥水式TBM模式系统包括泥水输送、进排浆口和渣浆分离装置。
两种模式共用泥浆环流阀组、进排浆口；排浆口经泥浆环流，并联管路渣浆分离装置、泥水输送分离系统间接连通。泥水分离和渣浆分离装置，出口端经泥浆环流阀组分别与进浆口间接连通。
上述渣浆分离装置和泥水输送分离系统二者是并联管路。
1.4 土压-泥水-TBM多模盾构机
土压模式下，通过土压力平衡掌子面水土压力，通过螺旋输送机+皮带机+渣车输送渣土，土压模式适用于黏土地层、复合地层掘进，具备施工工序简单、掘进效率高、耗能少和施工成本低等优点。
泥水模式下，通过开挖仓泥浆压力平衡掌子面水土压力，通过泥浆管道输送渣土（上部进浆口进浆），泥水模式适用于砂层、上软下硬地层、对地表沉降控制高等地层掘进施工，具备工作压力高、地表沉降控制好、刀盘刀具寿命长等优点。
TBM模式下，开挖仓常压，泥浆液位高度为整仓的1/3，通过泥浆管道输送渣土（下部进浆口进浆），TBM模式适用于本区间全断面硬岩地层掘进施工，具备常规TBM掘进效率高，还具有刀具寿命长、工作区域无粉尘（省略除尘系统）等优点。
2 施工风险分析及控制措施
2.1 模式转换选址风险
当盾构机从土压模式转换到敞开模式时，盾构机须进入硬岩段长度为20~25m(盾构长度+安全距离10~15m)时停机进行转换。
当盾构机从敞开模式转换到土压模式时，盾构机须距离软土地层长度为10~15m（安全距离）时停机进行转换。
2.2 地质探测不明风险
由于项目前期所实施的地质探测难以实现深度覆盖，所勘探的信息与实际情况有些许不符，造成盾构机在实际施工时存在风险。目前多数项目采用超前地质预报技术-HSP进行风险预判。
HSP系统则是提出了，通过掘进机刀盘冲击岩石，由此得来的震动信息作为激发震源的不良地质体预报方法。现场采用空间阵列式探测布置方式，对隧道前方工作面前方进行了测试，主要检测空洞、障碍物、孤石、断层、岩性变化等。
同时也可通过设备的钻探相互验证。
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图7 HSP地震波法
2.3 换刀风险
盾构机在使用过程中，由于土仓内刀盘情况难以判断，固采用“土仓可视化”，在土仓顶部安装相关摄像照明系统，实现可视化。
主机采用主动铰接设计，可较好控制盾构姿态；盾体中盾设计有撑靴，通过撑靴支撑围岩为换刀时铰接油缸后拉提供支撑反力。
对刀具的及时更换能够很大程度上降低盾构机的卡盾风险。
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图8 土仓可视化
3 盾构机使用问题及控制措施
3.1 管片成型问题
土压模式下配置同步注浆系统，一般是4用6备；顶部增设同步双液注浆系统；同时配置二次注浆系统，及时回填空腔。
TBM模式下掘进时管片成型不易控制，一般可按照“吹填豆砾石+回填灌浆”施工工艺，保证管片成型质量。
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图9 豆砾石填充流程
3.2 突泥突水问题
3.2.1 三级排水措施
主机排水（常规排水）：在主机尾盾位置布置隔膜泵，将主机底部污水排至拖车尾部的污水箱。
土仓排水：在土仓底部设计一箱体滤网结构，在内部布置抽水泵，进行底部排水。
应急排水：在后配套拖车布置一台扬程约100m（根据始发井深度确定）柴油动力排水泵，将涌水直接排至洞外。
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图10 三级排水
3.2.2 中心螺旋机式双模
采用中心螺旋机双模时，可通过关闭螺旋机后闸门与土仓及时隔绝，从而来应对土仓突泥突水风险。
4 结论与讨论
在盾构隧道施工中，双模/多模盾构机正被大力推广，相关的技术发展也进入一个新的阶段，未来的前景与严峻的挑战共存。在极端复杂地质条件下的盾构隧道施工，对盾构机自身的实效性还需要进一步提升。同步系统的考虑施工因素，在过程中发现并研究新技术讨论如下：
1）双模/多模盾构机施工时，配合连续无间断+深基坑高效出渣，实现快速高效掘进。可根据标段长短来制定连续皮带机+垂直皮带机或者矿车+垂直皮带机出渣方案，达到盾构机掘进与出渣快速衔接。
2）刀盘冷冻换刀技术，针对地面无条件/地下无进仓条件，通过刀盘本体自身预埋的冷冻管实施冷冻掌子面，从而达到换刀条件，为盾构机正常安全掘进保驾护航。
3）冷冻钢管片换尾刷技术，就是在盾尾安装冷冻钢管片，对周边土体进行冷冻加固，从而修复、更换尾刷，该技术能较大限度的降低风险，尤其在含水率高、自稳性差的地层中应用效力显著。
4）智能信息化：盾尾间隙测量及油脂压力检测，注浆效果雷达监测，渣土及注浆计量。
因此，推广双模/多模盾构机时需要根据所使用项目的地质情况，使得不同模式下的盾构机能够扬长避短。既要努力创造条件充分发挥双模/多模盾构机的作用，又要及时准确判断盾构机换模阶段。通过对盾构施工数据库深入分析，并考虑是否可以搭载检测方法或系统，不断完善盾构机自身潜在功能，提高施工控制水平。
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作者简介：谢作成（1987—），性别：男，籍贯：福建厦门，学校：2011年毕业于重庆交通大学，专业：机械设计制造及其自动专业，学历：本科，职称/职位：工程师，现从事隧道掘进机技术研究工作，单位所在省市邮编：河南 郑州 450016，E-mail：513870808@qq.com。