如何选择经济适配的隧道掘进机

隧道作为交通网络的重要节点，在交通领域发挥着巨大作用。然而，隧道的建设和施工又极易受多重因素影响，尤其在地质环境方面。地质环境的优劣对隧道工程的施工来说十分重要。在挖掘和施工过程中，工程师们必须对地质构成有足够了解。从施工角度而言，装备的选择和掘进的工法是制定整体方案的关键所在。

地质条件是选择TBM的关键因素

项目的类型、对地质条件的了解，决定了隧道掘进机（TBM）的最佳施工方案。有时，为了能最小化混合地质和困难地质，以及不同地质类型之间过渡所带来的影响，施工方案会根据实地情况有所调整。但是，隧道的功能性往往决定了它的横截剖面和水平线形。由于在混合地质条件下进行隧道施工往往是不可避免的，因此需要采取一定的缓冲措施，例如将隧道线形细分，把相对一致地质条件的隧道段划分在一起，方便在一段隧道节段内能够使用相同的施工工法。

相比于交通类隧道而言，混合污水溢流（CSO）储水隧道或输水管道，在线形和剖面深度上都具有更大的灵活性。混合污水溢流（CSO）储水隧道的水，会从隧道内部或储水仓内流入污水处理站。为了能更好地适应地质条件，混合污水溢流(CSO)储水隧道断面可在排放点处进行调整。受固定控制点限制的隧道，如高速公路、运输类隧道或依赖重力流动的排水/下水管廊，在横截面轮廓调节方面便不如混合污水溢流（CSO）隧道灵活。为了调节隧道线形坡度，使其不至于高差过大，运输类隧道通常由若干入口和中转站相互连接而成。截流系统、污水隧道须在固定位置拦截水流，使其沿着重力方向输送到排水口或泵站。

复合地质条件是指在隧道开挖面同时存在两种或两种以上的地质材料，且材料性质存在显著差异(最弱材料的强度是最强材料的1/10，甚至更小)。这将对TBM的规格、操作方法、安装在TBM上的隧道支护系统设计有重大影响。

复合地层包含所有地质类型，如冰川沉积土、冲积土、含或不含岩石的残余土壤、腐岩或高度风化的岩石，还可能由性质差别很大的砾土基质或层状条带状混合地层组成。一旦遇到这种情况，隧道掘进的难度会增大，特别是在软土地层和硬岩石之间的过渡地带。比如图1（地质剖面的示例），显示了位于俄亥俄州哥伦布市的Blacklick Creek 污水管廊项目（BCIS）所遇到的各种地质类型。

图1 Blacklick隧道项目贯穿区域工程地质剖面图

如何选择经济适配的TBM

由于TBM在一条线路中会遇到不同的地质条件，因此需要考虑多种地质条件下的处理方法，其优缺点取决于实际的地质条件和设计规范要求。同时，复合地质的缓冲措施也将被纳入TBM规范。

隧道掘进机的选择：通常情况下，TBM是单模态，类型分为敞开或封闭型土压平衡式（EPB）或泥水式盾构机，该盾构机适用于整条隧道内地质条件相似的节段。目前已开发出的双模或混合式隧道掘进机应用在土壤与岩石混合地层条件下的隧道掘进，内部支护通常由预制混凝土节段衬砌提供。双模态TBM也分敞开和封闭两种类型，同时还可选用土压式TBM和泥水式可以相互切换。在土壤松软的地层和过渡地带作业时，TBM选用封闭模式；在地质较为稳定的地层和岩石区作业时，TBM选用敞开模式。采用敞开型TBM对岩石和过渡地带进行开挖时，为了防止地下水流入，通常采用探测和注浆的方法来控制潜在的不稳定地层。

泥水式TBM也可采用双模态，但目前大约有80%-90%的开挖面加压TBM是EPB类型。相比于同等尺寸的泥水式TBM，EPB TBM具有更低投入和低运营成本的经济性。主要原因是EPB TBM不需单独的泥浆处理站，从而减少了额外投入。随着EPB TBM设计和操作技术的进步，这种类型的盾构机可以应用在更多的地质类型中。相比于双模泥水式TBM，EPB TBM在封闭和敞开模式的螺旋输送机都很容易进行调整；而运行双模泥水式TBM的敞开模式时，除了需要额外浆料系统外，还需一个单独的螺旋出渣系统。但是，泥水式TBM更适合在高度不稳定承压流砂、碎石和淤泥地层中作业，而EPB TBM在大量未经处理的地层中却无法进行安全作业，不仅成本高而且容易出现问题。对于Blacklick Creek污水管廊项目，AECOM选择了双模式EPB TBM（参见图2）。

图2 Blacklick Creek污水管廊项目使用的双模式EPB TBM

随着新一代多模式TBM的出现，为了保持对开挖面压力的全面控制，工程师需要根据地质条件的变化对盾构机工作模式进行平稳切换（EPB和泥水式两种模式）。这种新一代掘进机被称为可变密度多模式（VDMM）TBM，它能提供四种操作模式的无缝切换——敞开模式、土压平衡式（EPB）和两种泥水式（敞开和封闭）。这种TBM能够提供最大的灵活性和安全性，在地质条件和地下水环境变化较大情况下，从一种模式切换到另一种模式不会有明显的延迟。图3为VDMM TBM示例，图4为香港沙田-中环地铁项目使用的VDMM TBM。

图3 变密度多模（VDMM）TBM

图4 香港沙田-中环地铁项目使用的VDMM TBM

刀盘设计：除了TBM模式类型外，刀盘设计对于在混合地质条件下的开挖作业至关重要。为了挖掘从软土、硬岩等各种地层，混合作业面刀盘通常使用软土刀具组合，如刮刀、凿、撕裂刀和钻头。除此之外，挖掘岩石和坚硬材料时会用到的滚刀。为了能够确保刀盘在混合地质条件下的磨损环境中能够延长服役寿命，刀具、刀盘磨损面和螺旋输送机通常都采用硬质金属强化，如镀碳化铬、表面硬化和镀钨硬质合金钻头。这也最大限度地减少了在需要高压供氧的困难地质环境中对刀盘的维修管养。磨损检测设备内置在刀盘中，可以自动检测圆盘刀具的磨损程度和是否需要更换。

为了能够在复杂地质和高水压环境下更便捷、更安全地更换刀具，大直径TBM的反向加载盘型刀具和挖掘工具正在逐渐标准化。直径超过30英尺的大直径TBM也可以在不需要通过机器人进入切削隔仓系统情况下，进行部分刀具的更换。混合地质条件下刀盘设计的其他重要因素还包括：坚固结构最佳开口度和足够的刀具数量以及分布之间的平衡。在EPB TBM中，螺旋输送机的设计还必须考虑可能遇到的巨石尺寸、最大表面压力，以免堵塞螺旋钻头。

过渡区施工：对于掘进机来说，过渡区的施工通常需面对的诸多困难，包括刀具磨损过高、刀具打滑、掌子面失稳和失压、地层接触面大量加压导致的地下水流入，以及高压环境下更换刀具等。这些困难可能造成挖掘工期延误，同时也可能影响隧道的安全和稳定性。当刀具在混合地层作业，从软土层掘进到硬岩时，会产生非常高的动荷载或冲击荷载，在某些情况下，荷载可能超过了法兰的承载能力。另外，圆盘轴承还将承受高侧向荷载和倾覆力矩，导致刀环异常和滚刀轴承失效。不仅如此，刀环还可能会出现切屑或径向裂纹、平面或多平面磨损，动荷载还可能会影响TBM主轴承，使其承受不应有的额外应力。刀盘故障会直接导致刀盘和主轴承负载的异常增加，增加轴承磨损，如果处理不当，可能导致主轴承故障。

在混合地层作业中，软土刀具往往不能产生保持刀具旋转的足够滚动力，因此容易造成刀具打滑，频繁停止工作，进而造成平坦点。在研磨性土壤中，土壤和地层岩石的废浆会加速刀环和刀具磨损，从而进一步阻碍硬质岩石中的刀具旋转，加重磨损，造成刀盘失效。如果刀座和顶板间隙中塞满了废浆，刀具磨损问题也会进一步加剧。夹在岩石表面和刀盘间的废渣产生的压力将进一步增加端面、斗齿前沿以及钻头和底座磨损率。为了解决这些问题，保持掘进速度和最佳使用寿命，切削面刀盘和钻头的设计、布局、间距、尺寸、类型选择至关重要。

在带有颗粒材料的混合作业面掘进过程中，较高的静水压力会导致工作面条件不稳定，在刀盘隔仓中形成几乎是流体的土壤，可能导致失压，从而致使掌子面无法接触地层。同时，这种情况也可能造成刀盘仓内压缩空气损失，给高压干预带来问题。如果因过度开挖，造成硬质地层上方软土层淤泥除渣量超过其贯入速度，混合面掘进可能会出现较大的地面沉降，这将导致作业面不稳定，并可能导致地下水渗入。

TBM的转向困难经常发生在混合地层，在某些情况下是由于TBM更倾向于在坚硬岩石表面作业。在可能的情况下，TBM施工应尽量从较硬地层进入软质地层。此外，在混合地层中，如果在水平方向上有相对的灵活性，应尽量避免在过渡区施工，这些地区上方的结构物对沉降比较敏感。如果一定要在这些地区施工，必须严格控制和监控TBM的性能参数和开挖量。

为了减轻上述风险，不仅要选择适合地质条件的掘进方法和TBM设计，有时为了适应这种掘进方法，还需要对地层进行适当的平整，使其更稳定和更不透水。例如，通过引入添加剂使淤泥能够顺滑地通过刀盘，从而保持均匀、平衡的土压力。添加剂由水、聚合物、泡沫和膨润土泥浆组成，具体的组合和配比要根据不同的地质情况而定。

随着TBM性能的不断提升，在混合地面条件下掘进的能力大大提高，风险也大大降低。然而，真正的问题不是TBM在复杂或混合地层中的适用性和其自身性能，而是如何选择正确、适合的TBM装备。而这往往取决于可靠的岩土勘察、准确的岩土基线剖面和岩土参数获取、适配的TBM标准、不同地质条件下的TBM适配设计，以及在掘进过程中TBM装备的优化操作。这些因素将决定复杂和困难地质条件下的隧道能否成功贯穿。最重要的是，要认识到TBM在混合地质条件下发生破损可能带来严重后果，包括透水、沉降，甚至是坍塌事故。正确的岩土评估、适配的TBM机型，以及操作人员对地质条件变化的警惕才是项目成功的关键。

本文刊载 / 《桥隧产业》杂志

2021年 10月刊 总第46期

作者 / Irwan Halim

作者单位 / 美国AECOM公司

翻译 / 赵帝

编辑 / 周洋

美编 / 赵雯

责编 / 裴小吟

审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲

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