复合式TBM在重庆地区复合地层的适应性分析

在工作面能够自稳，但节理裂隙发育而地下水不丰富的不均质岩 层中掘进，，如节理裂隙较发育，掘进时刀盘转速宜控制在 1.0～1.5rpm，推力可 达到 800～1000t，掘进扭矩可维持在 400t.m 左右，掘进速度可达到 30～ 40mm/min。
（T）、刀 盘 转 速 （R）以 及 由 此 控 制 的 掘 进 速 度 （V），确 定 满 足 掘 进 速 度 下 的 螺 旋 输 送 机 的 转 速 （r）、 注 浆 速 度 （q） 和 注 浆 压 力 （P） 等 掘 进 参 数 。 在施工期间，对掘进参数进行动态管理，结合地面监测反馈信息及时 进行分析总结，再对掘进参数进行优化。 1.2.3.1 不同掘进模式的掘进参数选择
重庆市轨道交通六号线二期复合式 TBM 试验段工程茶园段工程 地质条件复杂，各种地层相互交错、岩石强度差异大。 隧道所穿越的地 层主要有砂岩、砂质泥岩、泥岩、泥质砂岩、粘性土回填层；围岩强度从 20kPa～76.2MPa 不等，差异极大，因此施工中引进了复合式 TBM，复合 盾构主要是指盾构机的最大特点具有复合性：一是刀盘布置与刀具的 可更换性，使得盾构破岩方式既可采用滚压破岩，又可采用切削破岩， 或者是二者的复合；二是掘进模式的复合性，根据被掘进地层的岩土 特性可分别采用敞开式、半敞开式或土压平衡模式掘进，且各种掘进 模式能够进行快速转换。
土压平衡掘进模式向敞开掘进模式转换的关键是尽快降低渣仓
内的土压力。 主要技术措施为加大螺旋输送机的转速，以加大出渣速 度而降低渣仓内的压力，同时有利于掘进切削下来的渣土能顺利地进 入渣仓。
盾构机切削下来的渣土进入土仓后即被螺旋输送机排出，土仓内 仅有极少量的渣土，土仓基本处于清空状态，掘进中刀盘和螺旋输送 机所受反扭矩较小。 由于土仓内无压力，所以不能支撑开挖面地层和 防止地下水渗入。 该模式适用于能够自稳、地下水少的地层。 1.2.1.2 半敞开式
半敞开式又称为局部气压模式。 掘进中土仓内的渣土未充满土 仓，尚有一定的空间，通过盾构保压系统向土仓内输入压缩空气与渣 土共同支撑开挖面和防止地下水渗入。 该掘进模式适用于具有一定自 稳能力和地下水压力不太高的地层，其防止地下水渗入的效果主要取 决于压缩空气的压力。 1.2.1.3 土压平衡模式
【关键词】复合式 TBM；复合地层；适应性分析
0 前言
随着城市轨道交通事业的快速发展，盾构法施工技术以其较高的 安全性、可靠性及对周边环境适应性强、工程进度快等特点在地铁建 设中得到广泛应用。 盾构法一般适应于比较均一的软土、软岩地层或 砂层及其互层，在比较均一的地层中采用盾构法施工隧道，其掘进方 式及掘进模式相对简单单一、掘进参数相对稳定、因此其技术也比较 简单；但在软硬不均、变化频繁、复合交互，且岩石强度差异大的地层 中应用盾构法修建城市地铁隧道就复杂得多；在软硬互层的地层中进 行盾构法隧道施工，如何判断地层的变化并及时有效的转换到合理的 掘进模式，如何合理的选择掘进模式来满足环境保护的要求等成为迫 切需要解决的问题，而且在此类地层中修建盾构隧道已成一个趋势。
中铁隧道集团有限公司在承建重庆市轨道交通六号线二期复合 式 TBM 试验段工程盾构工程中， 组织科研及工程施工技术人员对此 进行了研究，为盾构机实现快速掘进、高效优质建设该工程创造了条 件。
根据在建工程复合式 TBM 施工情况我们从复合式 TBM 掘进、同 步注浆、 渣土改良三个方面对复合式 TBM 在重庆地区的适应性进行 分析。
在节理裂隙发育的岩层中掘进，如果地下水比较丰富，此时应采 用半敞开模式掘进或土压模式掘进。 半敞开模式的掘进参数中，渣仓 内压力依据地下水压而确定。 在隧道上覆岩土层厚度大于 9m、地下水 位 位 于 地 表 以 下 1.0～2.0m 时 ，上 部 压 力 一 般 为 1.2～1.5bar，推 力 调 整 为 1000～1300t，其它掘进 参 数 如 扭 矩 、刀 盘 转 速 、排 渣 速 度 、注 浆 压 力 与此类地层中敞开式掘进一样。
复合盾构的掘进适用于在不同地层中采用复合盾构或土压平衡 盾构机施工的城市地铁、铁路、公路、水工隧道等地下工程。 1.2 施工工艺 1.2.1 工艺原理（见图 1）
图 1 三种掘进模式原理示意图 1.2.1.1 敞开式掘进模式
图 2 施工工艺流程图
1.2.3 施工方法 根 据 不 同 地 段 的 工 程 水 文 地 质 情 况 ，确 定 掘 进 推 力 （P）、 掘 进 扭 矩
1）稳定地层的盾构掘进参数 在稳定地层中盾构掘进可采用敞开式。 为控制因地下水的流失造 成较大的地表沉降，有时要建立局部气压，这时则采用半敞开式模式 掘进。 ①主要掘进参数的选择
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推力的大小决定刀具的贯入度，推力越大，刀具的贯入度越大，刀 刃 间 破 裂 的 岩 块 就 大 。 刀 具 的 贯 入 度 不 宜 大 于 15mm， 推 力 800～ 1200t。
3）软硬交错（互层）地层的盾构掘进参数 在软硬互层地层中施工掘进参数变化较大，必须控制转速、适时 地调整掘进推力。 为了防止刀盘振动和刀具受力的过大波动，一般宜 采用较低的转速 1.0rpm 左右，且贯入度不宜超过 5mm。 1.2.3.2 掘进模式的转换 1）敞开模式与半敞开模式的相互转换 敞开式向半敞开式转换主要要确保渣仓内能够保住气压，确保压 缩空气不会通过渣土沿着螺旋输送机逃逸。 渣仓内的渣土高度应高出 螺旋输送机进料口的上部 2～3m， 即渣土高度应略为低于人仓密闭门 的底部。 掘进中需要不断地向渣仓内补充压缩空气，以稳定土仓压力。 半敞开模式向敞开模式转换主要是要尽快地降低渣仓内的压力， 同时降低渣仓内的渣土高度。 因此，要加大螺旋输送机的转速，并将螺 旋输送机出料口的开启度加大，以利于渣土的排出。 即使是在敞开模 式下掘进，也应在渣仓内保留一些渣土，否则螺旋输送机的出渣效率 极 低 ， 通 常 应 保 持 渣 仓 内 的 渣 土 高 出 螺 旋 输 送 机 进 料 口 约 1m 的 高 度。 2）敞开模式与土压平衡模式的相互转换 敞开掘进模式向土压掘进模式转换的过程主要是要尽快建立所
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复合式 TBM 在重庆地区复合地层的适应性分析
李洪祺 (重庆轨道交通集团公司 中国 重庆 400042)
【摘 要】中铁隧道集团有限公司在承建重庆市轨道交通六号线二期复合式 TBM 试验段工程盾构工程中，组织科研及工程 施 工 技 术 人 员 对此进行了研究，为盾构机实现快速掘进、高效优质建设该工程创造了条件 。 根据在建工程复合式 TBM 施工情况我们从复合式 TBM 掘进、同 步注浆、渣土改良三个方面对复合式 TBM 在重庆地区的适应性进行分析。
②螺旋输送机转速 在敞开模式掘进中，螺旋输送机的转速的调节是依据掘进速度和 渣仓内压力传感器显示的压力进行调整，但不得低于 5rpm。 在半敞开模式掘进中，螺旋输送机的转速的调节也是依据掘进速 度和渣仓内压力传感器显示的压力进行调整，主要是要达到与掘进速 度相匹配的出渣速度，同时要保证螺旋输送机出料口处不发生喷涌现 象。 ③同步注浆参数 同步注浆的主要作用是尽早充填管片与围岩间的间隙，确保管片 环获得早期稳定，改善管片环的受力条件，防止管片局部破损，有利于 盾构掘进方向的控制。 在稳定岩层中，盾构施工同步注浆的注浆压力 控制在 2.0～2.5kg/cm2。 为了保证注浆的连续性，每环掘进前期的注浆 压力宜稍低一点，后期注浆压力再提高到设计压力值。 同步注浆的速 度 q（L/min）应与盾构掘进速度相匹配。 如盾构开挖直径为 6.3m，管片 环的外径为 6.0m，在稳定地层的每延米环形间隙注浆量为 3.5m3/m，由 此可根据盾构掘进速度确定同步注浆的速度。 2）不稳定地层的盾构掘进参数 ①主要掘进参数 在不稳定地层中掘进，必须采用土压平衡模式掘进。 该模式的掘 进参数关键是渣仓内土压力值的确定。 掘进推力的确定主要取决于破 岩方式以及为稳定地层所需的土压力。 在越三盾构工程中，不稳定地 层掘进建立的土压力为 1.6～2.2 kg/cm2， 掘进推力约为 1200～1600t 之 间。 不 稳 定 地 层 掘 进 的 扭 矩 约 为 320～412t.m， 刀 盘 的 转 速 为 1.6～ 2.2rpm，在实际施工过程中需要进行不断调整。 在不稳定地层 中 盾 构 掘进的扭矩与转速的关系和在稳定地层中掘进一样，只能通过不断地 调整刀盘转速达到使驱动扭矩满足掘进要求。 ②渣土改良 渣土管理是土压平衡掘进模式的关键管理要素。 在掘进过程中， 必须经常检查掘进速度与螺旋输送机出渣速度是否匹配。 在土压平衡 模式掘进中，渣土的性状（流动性和止水性）对盾构掘进影响很大，掘 进中必须使用泡沫剂进行渣土改良， 防止刀盘前方和渣仓内形成泥 饼。 每延米掘进的泡沫剂消耗量为 24L/m。 其中：在 8、9 号地层掘进时 泡 沫 剂 的 消 耗 量 稍 低 ，约 为 18L/m；在 5、6、7 号 地 层 的 泡 沫 消 耗 量 约 为 28L/m。 渣 土 稠 度 小 于 8cm 时 会 形 成 泥 饼 。 渣 土 稠 度 控 制 在 12～ 20cm 时出渣效率较高，渣土稠度大于 25cm 时容易产生喷涌现象。 ③同步注浆 在不稳定地层中的掘进施工，壁后注浆的质量对盾构隧道的影响 较大。 施工中采用非惰性浆液同步注浆技术，浆液为水泥砂浆，并掺加 了粉煤灰和稳定剂等材料。 浆液初凝时间在 4～8 小时内可调，终凝强 度大于 5MPa。 为了防止过大的注浆压力造成管片局部错台和损坏，非 惰性水泥系砂浆的同步注浆压力不宜大于 5kg/cm2， 注浆压力一般控 制在 2～3kg/cm2。 在管片安装过程中，为保持注浆管路的畅通，可以适 当 地 提 高 注 浆 压 力 ，但 注 浆 压 力 不 得 超 过 4 kg/cm2，由 此 可 以 保 证 注 浆量不低于理论量的 1.3 倍。 施工证明，采用上述参数进 行 非 惰 性 浆 液同步注浆对抑制地层下沉效果明显。