劉進友 左龍

1.中鐵交通投資集團 廣西南寧 530023

2.中鐵隧道股份有限公司 廣西南寧 530023

自從雙模盾構提出概念到投入工程應用，李源輝[1]、凌鐵堅[2]、姚平[3]等分別論述了雙模盾構機基本原理，通過合理的模式選擇，雙模盾構在適應性、施工效率具有優(yōu)勢，同時具有需要更多配套設備的缺點；凌波等[4-5]研發(fā)出并聯(lián)式雙模式盾構，該盾構集成了土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的設計理念與功能，可根據(jù)地層變化快捷地在土壓盾構和泥水盾構2種不同掘進模式之間實現(xiàn)相互切換；朱勁鋒[6]等指出并聯(lián)式泥水/土壓雙模式盾構兼具土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的功能及施工優(yōu)勢，可根據(jù)隧道沿線地表環(huán)境條件和隧道穿越地層條件，合理劃分采用泥水或土壓模式施工的地段，且盾構施工環(huán)境適應性強，可在不拆裝任何部件的情況下安全、快速地實現(xiàn)掘進模式的切換。賴理春[7]在并聯(lián)式雙模式盾構的使用過程中總結分析了并聯(lián)式雙模式盾構掘進模式選取的經驗，歸納了在不同工況選擇對應的掘進模式；陳偉國[8]總結了模式轉換的基礎及工作原理并說明雙模式盾構延伸了盾構機的適用范圍。王余良[9]、周玉標[10]、鄧旭山[11]等總結了在巖溶區(qū)在雙模盾構下穿危險建筑物工況下通過合理掘進模式選擇及參數(shù)控制實現(xiàn)安全快速掘進。劉東[12]運用數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗分析等,對于復雜地質條件下采用雙模式盾構施工進行了研究,形成了 TBM&EPB雙模式盾構機在復合地層中的成套施工技術并總結了刀具磨損規(guī)律。

鑒于目前雙模式盾構機暫時處于技術探索階段，其在實際工程中的經濟性和在復合地層中的適應性還未進行系統(tǒng)研究分析。故此，以南寧地鐵5號線五新區(qū)間為依托，在盾構機租賃費用、配套設施設備、掘進資源（人材機）消耗、及掘進效果等四個方面進行統(tǒng)計對比，研究在相同地質條件下，相較于單一模式泥水盾構，雙模盾構在施工中的地層適應性和經濟性。

1 工程背景

南寧市軌道交通5號線一期工程（國凱大道-金橋客運站）五一立交站～新秀公園站區(qū)間位于南寧市江南區(qū)，其中左線采用1臺直控式泥水盾構機（中鐵314#）、右線采用1臺泥水/土壓雙模盾構機（中鐵685#）施工。

區(qū)間盾構自五一立交站大里程端頭始發(fā)，下穿自行車總廠居民樓、新福鞋料市場、五一中路小學、麗江花園小區(qū)、三元小區(qū)、地寶小區(qū)等居民樓后，到達邕江南岸江灘，穿越邕江后到達中間風井，穿越中間風井后沿明秀西路向北行進到到達新秀公園站接收吊出，區(qū)間隧道長度約2098.1m，區(qū)間平面位置和下穿邕江段示意圖見圖1和圖2。

圖1 五-新區(qū)間平面示意圖

圖2 下穿邕江區(qū)間段示意圖

區(qū)間始發(fā)段穿越地層為③1粉土、④1-1粉細砂、⑤1-1圓礫、⑦1-3泥巖及⑦2-3粉砂巖，邕江江底段隧道范圍為全斷面⑦1-3泥巖及⑦2-3粉砂巖地層，其中泥質粉砂巖⑦1-3為局部粉砂質結構，成巖程度較深，呈半巖半土狀，遇水易軟化，天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為1.03～7.39MPa，標準值為2.61Mpa，自由膨脹率26.4%～43.4%，平均值33.7%，屬A2類膨脹土；泥質粉砂巖⑦2-3成巖程度較深，局部含泥質。天然狀態(tài)下單軸抗壓強度為0.92～3.56MPa，標準值為1.54MPa。過江段隧道埋深為9.2～33m，隧頂最高水位25.8m，地質情況詳見圖3區(qū)間右線地質斷面圖。

2 盾構適應性設計及掘進區(qū)段劃分

2.1 項目重難點分析

（1）始發(fā)段地面易沉降。根據(jù)區(qū)間平縱斷面揭示，始發(fā)段區(qū)間盾構隧道地層主要為粉土、粉細砂、圓礫等，其地層透水性較大，地層自穩(wěn)性很差，盾構施工過程中易造成周邊地層松動，從而引發(fā)地表沉降或塌陷、建筑物及地下管線變形、開裂等現(xiàn)象；如盾構機在該地層內出現(xiàn)故障造成長時間停機，可能造成盾構機及盾尾出現(xiàn)卡殼現(xiàn)象；同時圓礫地層掘進易造成刀盤、刀具、出漿泵磨損嚴重，且大塊的圓礫可能造成泥水倉堵塞。

圖3 區(qū)間右線地質剖面圖

（2）過江段施工風險大。區(qū)間透水性較小地層為圓礫-泥巖復合地層，不透水地層為全斷面泥巖地層。盾構機在該地層中施工中，易出現(xiàn)刀盤結餅、渣土滯排等技術難題，從而引發(fā)泥水倉壓力波動大、推力增大、扭矩增大、掘進速度慢、泥漿性能指標惡化塊等系列問題，且泥水倉壓力波動可能導致覆土擊穿、泥漿外泄，造成掌子面失穩(wěn)等現(xiàn)象；同時因地層軟硬不均勻，又可能導致掘進姿態(tài)不易控制，糾偏難度大，導致成型隧道姿態(tài)超限等問題。

2.2 盾構參數(shù)設計

盾構是一個具備多種功能于一體的綜合性設備，它集合了盾構施工過程中的開挖、排土、支護、注漿、導向等全部的功能。右線雙模盾構是以左線直排式泥水盾構為藍本，中鐵裝備685#泥水/土壓雙模盾構機繼承中鐵裝備314#泥水盾構機所有優(yōu)點外，盾構額定扭矩、脫困扭矩和裝機功率均有相應的提高，以滿足土壓平衡模式下全斷面泥巖掘進的掘進要求。左、右線盾構機動盤實物圖和盾構機相關參數(shù)設計及對比見表1。

圖4 左、右線盾構刀盤實物圖

2.3 掘進模式選擇與對應里程范圍

根據(jù)南寧地鐵多年的施工經驗、各地層地質特點、掘進適應性和盾構機適應性，南寧5號線旱新區(qū)間，始發(fā)至460環(huán)，因隧道埋深淺、地表為復雜建筑物群、穿越地層為軟土地層，對沉降控制要求高，故采用泥水模式控制沉降最宜；460～860環(huán)過江期間施工地質為全斷面泥巖，泥水掘進易造成渣土土倉滯排，掘進功效低，此地層穩(wěn)定性好，主要為不透水層土壓模式掘進效率高；861環(huán)至1380環(huán)，主要為富水圓礫地層，土壓模式易螺機閘門噴涌，泥水模式安全和效率高。詳見圖5雙模盾構機切換總體思路示意圖。

3 雙模盾構機適應性評價

適應性是指事物適應客觀條件和內外部各種環(huán)境和需要的能力。在系統(tǒng)科學中，適應性是指系統(tǒng)主體能夠適應外界環(huán)境因素，并與之保持一致、協(xié)調發(fā)展的能力。系統(tǒng)是由若干個相互區(qū)別、相互聯(lián)系，而又相互作用和制約的要素（或部件）所組成，并能實現(xiàn)一定整體功能的有機集合體。系統(tǒng)中某一要素（以及表明其特征的指標）的變化，既受系統(tǒng)中其余要素的影響和制約，又對它們發(fā)生影響和作用，若要保持系統(tǒng)的整體功能，則要求其中各要素之問相互適應。

3.1 穿越建構筑物沉降控制評價

2019年3月16日，雙模盾構自五一立交站大里程端頭始發(fā)。2019年7月4日，掘進至458環(huán)，完成掘進模式轉換，標志雙模式盾構穿越建筑物完成掘進任務。盾構始發(fā)至460環(huán)區(qū)段雙模式盾構機采用泥水平衡模式掘進，以保證在粉土、粉細砂、圓礫組成的復合地層中穿越老舊建筑物安全。

根據(jù)施工監(jiān)測和第三方監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：在區(qū)間左右線盾構完成下穿建筑物后地表和建筑物累計沉降-11mm，平均沉降-5mm，符合施工設計預期，實現(xiàn)了對于地面沉降的精準控制。

3.2 盾構施工進度評價

雙模盾構泥水模式所掘進的始發(fā)段區(qū)間于2019年3月16日始發(fā)至2019年7月4日完成轉換，施工累計110天，共計掘進687m，平均進度6.25m/d。最高單日掘進24m。

雙模式盾構所在右線全段隧道自2019年3月16日始發(fā)至2019年12月22日區(qū)間隧道貫通耗時281天，累計掘進2100m，綜合平均進度7.47m/d。

圖5 雙模盾構機切換總體思路示意圖

表1 盾構機相關參數(shù)

右線采用雙模式盾構在使用泥水模式-土壓模式-泥水模式三個區(qū)間（序號分別為2.1，2.2，2.3）掘進過程和左線泥水盾構在掘進過程中的參數(shù)對比詳見表2，可見右線雙模式盾構掘進速率明顯提升，顯著縮短了施工工期。

表2 左、右線掘進參數(shù)均值對比

3.3 雙模盾構掘進模式轉換評價

兩種平衡模式的相互轉換流程如圖6所示。在過江段區(qū)間內掘進模式轉換共計完成14次，其中包含12次試驗性轉換。泥水平衡模式轉換為土壓平衡模式或土壓平衡模式轉換為泥水平衡模式在當環(huán)均能完成全部轉換事宜，轉換效率較快且安全可靠。

圖6 雙模盾構模式轉換過程

3.4 總體適應性評價

雙模式盾構機選用泥水平衡模式穿越建筑物沉降控制方面具有優(yōu)勢，通過雙模式轉換加快掘進效率，單日掘進進度均滿足工期計劃，且有效避免了泥巖地層結泥餅的風險；故此，雙模盾構機在本隧道工程復合地層的掘進適應性優(yōu)于左線泥水盾構。

4 雙模盾構機經濟性評價

4.1 人員配置

相較于泥水平衡盾構機，雙模式盾構機需要增加2名門吊司機垂直提升渣土，其他人員配置相同。

4.2 設備配置

因雙模盾構機具備土壓平衡模式與泥水平衡模式兩種掘進模式，故相較于泥水平衡盾構機，雙模盾構機土壓模式需要增加出渣礦車和45t門吊，負責土壓渣土水平、垂直運輸，同時需要增加土壓渣坑負責臨時存儲土壓平衡模式的渣土。故此在泥水盾構基礎上需要增加土壓出渣配套的設備、設施所帶來的一定投入，具體費用如下表2盾構機費用對比表。

通過本項目掘進情況分析，雙模盾構針對適應性良好，設備運行狀態(tài)良好，雙模盾構實現(xiàn)了在各種地層進行快速模式轉換，總體掘進效率較高。但雙模盾構相較于泥水盾構增加螺機、皮帶機等土壓出土設備導致租賃費用增加2000元/m，增加45t門吊租賃安拆費用30萬元及土壓渣坑修筑及拆除費用30萬元。綜合費用右線雙模盾構相較于左線泥水盾構整體增加282.2萬元。

表3 盾構機費用對比表

4.3 材料消耗

截止到目前五新區(qū)間左線泥水盾構機已經完成掘進任務，雙模式盾構機累計掘進1085環(huán)（其中泥水平衡模式822環(huán)，土壓平衡模式263環(huán)），左右線的兩臺盾構在物資、能源消耗方面的對比詳見表4?？梢娖溆椭八?、電消耗相較于左線泥水盾構機均有明顯下降，具有良好的節(jié)能效果。

表4 盾構掘進物資能源消耗統(tǒng)計表

5 結論及建議

依托南寧市軌道交通5號線五～新區(qū)間盾構隧道工程，從掘進效果、盾構機租賃費用、配套設施設備、掘進資源（人材機）消耗等方面進行統(tǒng)計對比，研究雙模盾構的經濟性和復合地層適應性，并與左線泥水盾構進行對比，主要得出以下結論：（1）雙模盾構在復合地層適應性良好，在始發(fā)段由粉土、粉細砂、圓礫組成的復合地層中穿越老舊建筑物，泥水平衡模式成功控制了地面沉降。（2）在過江段泥巖復合地層實現(xiàn)快速模式轉換，土壓模式的使用顯著提高了掘進效率，有利于保證施工工期，同時避免了泥水模式易結泥餅的風險。（3）由于雙模盾構增加螺機、皮帶機等土壓出土設備，同時地面配套設施設備增加門吊及渣土坑等，導致綜合費用右線雙模盾構相較于左線泥水盾構整體增加282.2萬元，故設備方面經濟性能相較于單一模式略差。（4）通過南寧5號線雙模式盾構機應用實踐總結，雙模式盾構機功能更加集成。面對復雜多變地質情況施工方法也更加靈活，是對盾構施工技術領域的拓展。但是因為雙模式盾構機未市場存量較少及導致設備成本較高也限制了雙模式盾構的發(fā)展。