技术领域
[0001] 本
发明涉及一种EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法。
背景技术
[0002] 盾构是一种应用于地
铁隧道工程施工的大型机械设备，其集开挖、出渣、衬砌、支护等于一体，具有自动化程度高、速度快和安全高效等优点，近年来，在隧道项目上得到了广泛应用。
[0003] 在地铁隧道施工中，通常会涉及到对不同地质情况的地层进行施工，就采用盾构施工而言，需要按照地层的硬度划分为硬岩地层和软岩地层，而盾构机按照地层的硬度划分也相对应的划分为两种掘进模式，一种是适用于硬岩地层的TMB掘进模式，另一种是适用于软岩和土质地层的EPB掘进模式。在盾构掘进施工过程中，通过更换不同模式的盾构机以实现在不同地层中的掘进。但是在施工过程中更换不同模式的盾构机，不仅需要耗费大量的人
力物力，而且还需要较长的更换时间，延误工期，特别是在软硬地层交替出现的地段掘进中，更给施工带来诸多麻烦。为了解决上述问题，TBM-EPB双模式盾构机应运而生，它可以实现在两种模式情况下的正常掘进，即，能够在软硬地层的交界段处进行掘进模式的转换，以此适应与不同地层的要求，这种掘进模式的转换相比传统更换不同掘进模式的盾构机而言，不仅节省了大量的人力物力，而且还极大的缩短了施工工期。虽然这种双模式盾构机能适应不同的地层掘进，但是仍然要根据不同的地层情况选择掘进参数，以保证开挖速度、减少对土体的扰动和控制地层沉降。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服
现有技术的
缺陷而提供一种EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，在软岩或土层中掘进，它能最大限度的减少地面沉降或隆起量，进而确保地表及地面建(构)筑物及地
下管线的安全稳定；在硬岩地层掘进，能够保证设备的稳定可靠及掘进效率。为适应复杂地层而采取的不同掘进方法，有效的保证工程进度，降低施工
风险，节省工程投资。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，针对不同的地层情况结合设备选取以下的掘进模式：
[0006] 针对富
水砂土且埋深18.8～21.4米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡掘进，设定土仓压力值为1.8～2.0bar；刀盘转速为1.2～1.4r/min，刀盘
扭矩为1400～2500KN·m；推进速度为40～60mm/min；推力为1300～1900t；螺旋
输送机转速根据土压调整；注浆量：5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度
泡沫和
膨润土；每环出渣量：41立方米以内；盾后密封：选用优质油脂；
[0007] 针对粉质黏土且埋深21～23.5米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为2.2～2.5bar；刀盘转速为1.3～1.5r/min，刀盘扭矩为1700KN·m以下；推进速度为30～45mm/min；推力为1000～1400t；
螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量：4.5～5立方米；渣土改良：采用添加了分散剂的泡沫；每环出渣量：40.5立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0008] 针对淤泥、淤泥质土且埋深23米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为2.3～2.4bar；刀盘转速为1.1～1.3r/min，刀盘扭矩为1400KN·m以下；推进速度为40～55mm/min；推力为1000～1600t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量：4.8～5.5立方米；渣土改良：采用泡沫；每环出渣量：41立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0009] 针对上软下硬且埋深23米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为2.0～2.3bar；刀盘转速为0.8～1.2r/min，刀盘扭矩为3000KN·m以下；推进速度为10～20mm/min；推力为1300～1500t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量：5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度泡沫、膨润土泥浆或高分子
聚合物；每环出渣量：42立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0010] 针对硬岩地层掘进时，盾构机为TBM模式并采用敞开模式掘进，土仓压力值为
大气压；刀盘转速为3.0～4.0r/min，刀盘扭矩为1500KN·m以下；推进速度为5～15mm/min；推力为1200t以下；螺旋输送机转速：根据空仓掘进调整；注浆量：先吹填豆砾石2.5～3立方米，后二次填充单液浆2～3立方米；渣土改良：采用泡沫和刀盘喷水；每环出渣量：43立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0011] 针对上软下硬且埋深16米的地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压模式掘进，设定土仓压力值为1.3～1.6bar；刀盘转速为0.9～1.2r/min，刀盘扭矩为3000KN·m以下；推进速度为10～20mm/min；推力为1300～1500t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为
5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度泡沫、膨润土泥浆或高分子聚合物；每环出渣量：42立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0012] 针对软岩且埋深16米地层掘进时，盾构机由TBM模式转换为EPB模式，并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为1.4～1.6bar；刀盘转速为1.0～1.3r/min，刀盘扭矩为2000KN·m以下；推进速度为25～40mm/min；推力为800～1200t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为4.5～5.5立方米；渣土改良：采用泡沫或喷水；每环出渣量：41立方米以内；
盾后密封：采用优质油脂。
[0013] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，采用土压平衡模式掘进时，所述土仓压力值P根据以下公式
选定：
[0014] P＝K×P0，其中：K为土的侧向静止土压力系数；P0为刀盘中心地层静水压力与土压力之和，P0＝γ×h，其中：γ为土体的平均重度，h为刀盘中心至地表的垂直距离；
[0015] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，采用土压平衡模式掘进2
时，所述每环出渣量根据以下公式确定：出土量＝π/4×D×L×1.05～1.15，其中：D为盾构机的刀盘开挖直径；L为每循环掘进距离；1.05～1.15为渣土松散系数。
[0016] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，所述泡沫由90～95％压缩空气和5～10％泡沫溶液混合而成；泡沫溶液由泡沫添加剂3％和水97％混合组成；泡沫3
的注入量按开挖量计算：50～100L/m。
[0017] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，针对软岩且埋深16米地层掘进时，盾构机下部油缸的推力要比上部油缸的推力的大20～40bar。
[0018] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，盾构机由EPB模式转换为TBM模式时，在盾构机的刀盘进入全断面硬岩段15m后进行的，盾构机由TBM模式转换为EPB模式时，是盾构机的刀盘距全断面硬岩段的尾端10m进行的。
[0019] 上述的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，其中，进行盾构机由EPB模式转换为TBM模式时包括以下步骤：
[0020] (1)先将设备断电，再拆除盾构机主机与设备桥连接的水管、泡沫管路、膨润土管路、液压油管路和
电路；
[0021] (2)设备桥和拖车后移二十米；
[0022] (3)拆除螺旋输送机；
[0023] (4)拆除主驱动中心
法兰和回转中心；
[0024] (5)安装主机皮带溜渣槽；
[0025] (6)主机皮带机分段安装；
[0026] (7)安装刀盘溜渣板及盾体溜渣板；
[0027] (8)拆除土压平衡模式下土仓上的搅拌棒；
[0028] (9)后配套前移、管线连接和整机调试；
[0029] 进行盾构机由TBM模式转换为EPB模式时，包括以下步骤：
[0030] (1)将前盾隔板上的除尘口用除尘盖板堵好，安装被动搅拌棒并连接管路，将前盾溜渣板割除，检查螺旋输送机的前闸
门是否安装完备；
[0031] (2)将设备桥与轨道梁之间断开，包括
电缆管路；
[0032] (3)拆除主机皮带机后段和前段；
[0033] (4)拆除刀盘中心液压回转接头；
[0034] (5)在土仓内分解溜渣板和挡渣板；
[0035] (6)连接主驱动中心法兰和变接法兰；
[0036] (7)安装中心回转接头；
[0037] (8)按照刀盘
牛腿上预留的刀盘管路
接口接入刀盘管路，并进行防护；
[0038] (9)安装螺旋输送机；
[0039] (10)后配套整体连接；
[0040] (11)安装并调试液压系统、
流体系统和电气系统。
[0041] 本发明的EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法具有以下特点：根据不同的地层情况选用不用的掘进模式，并优化掘进方式和掘进参数，不仅能延长刀盘及刀具的寿命，还能最大限度的减少地面沉降或隆起量，进而确保地表及地面建(构)筑物及地下管线的安全稳定，并能保证掘进进度，降低施工风险。
具体实施方式
[0042] 本发明的一种EPB-TBM双模式盾构机复合地层的掘进方法，针对不同的地层情况结合设备选取以下的掘进模式：
[0043] 针对富水砂土且埋深18.8～21.4米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡掘进，设定土仓压力值为1.8～2.0bar；刀盘转速为1.2～1.4r/min，刀盘扭矩为1400～2500KN·m；推进速度为40～60mm/min；推力为1300～1900t；螺旋输送机转速根据土压调整；注浆量为5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度泡沫和膨润土；每环出渣量：41立方米以内；盾后密封：选用优质油脂；
[0044] 此种地层自稳性差，遇水易坍塌，盾构机在掘进的过程中，向土仓内及刀盘注入泡沫、膨润土等添加材料，改善渣土性能，提高渣土的流动性和可塑性，防止涌水流沙和发生喷涌现象，并利用螺旋输送机
排渣，每环掘进结束前要保证土仓内的渣土量，保证土仓的压力值，减少
地下水渗入，让下一环开始掘进时不会因土仓内水太多而发生喷涌。还要严格控制每环出渣量，要加大盾尾油脂的注入量和调整好盾构
姿态(盾尾间隙)，防止水带砂土从盾尾或铰接密封处进入隧道。
[0045] 针对粉质黏土且埋深21～23.5米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为2.2～2.5bar；刀盘转速为1.3～1.5r/min，刀盘扭矩为1700KN·m以下；推进速度为30～45mm/min；推力为1000～1400t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为4.5～5立方米；渣土改良：采用添加了分散剂的泡沫；每环出渣量：40.5立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0046] 针对淤泥、淤泥质土且埋深23米地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为2.3～2.4bar；刀盘转速为1.1～1.3r/min，刀盘扭矩为1400KN·m以下；推进速度为40～55mm/min；推力为1000～1600t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为4.8～5.5立方米；渣土改良：采用泡沫；每环出渣量：41立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0047] 针对上软下硬且埋深16米的地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压模式掘进，设定土仓压力值为1.3～1.6bar；刀盘转速为0.9～1.2r/min，刀盘扭矩为3000KN·m以下；推进速度为10～20mm/min；推力为1300～1500t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为
5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度泡沫、膨润土泥浆或高分子聚合物；每环出渣量：42立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0048] 此种上软下硬地层地质不均匀，掌子面的上中下左右
岩石强度变化大，既有软弱地层的不
稳定性，又有硬岩地层的强度，考虑地表可能发生沉降的因数，因此采用土压平衡模式掘进，并采用低刀盘转速、低推进速度掘进，因为掌子面地质不均匀，掘进时刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过大而不能转动，最终导致偏磨，还有当掘进速度过快时，刀具的贯入度也增大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至造成刀圈崩裂脱落。由于硬岩部分强度高，不易切削，为保护刀具需降低掘进速度，长时间的掘进对软弱地层部分的稳定性很不利，因此需保持较高的土仓压力。
[0049] 针对硬岩地层掘进时，盾构机为TBM模式并采用敞开模式掘进，土仓压力值为大气压；刀盘转速为3.0～4.0r/min，刀盘扭矩为1500KN·m以下；推进速度为5～15mm/min；推力为1200t以下；螺旋输送机转速：根据空仓掘进调整；注浆量：先吹填豆砾石2.5～3立方米，后二次填充单液浆2～3立方米；渣土改良：采用泡沫和刀盘喷水；每环出渣量：43立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0050] 此种硬岩地层掌子面自稳性好，一般为全断面中风化或微风化岩石，不易发生坍塌，掘进时不易引起地表沉降，所以可敞开模式进行掘进，但要保证管片背后填充及灌注浆作业效果。在此地层中应采用高刀盘转速、低推进速度进行掘进，掘进时要向刀盘和螺旋输送机内多加泡沫，刀盘喷适量水，对刀盘、刀具进行冷却和润滑，从而降低刀盘、刀具等盾构机
钢制构件的磨损速度。为防止刀具的超载，不能为了提高掘进速度而盲目的加大油缸的推力。
[0051] 针对上软下硬且埋深16米的地层掘进时，盾构机为EPB模式并采用土压模式掘进，设定土仓压力值为1.3～1.6bar；刀盘转速为0.9～1.2r/min，刀盘扭矩为3000KN·m以下；推进速度为10～20mm/min；推力为1300～1500t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为
5～5.5立方米；渣土改良：采用高浓度泡沫、膨润土泥浆或高分子聚合物；每环出渣量：42立方米以内；盾后密封：采用优质油脂；
[0052] 此种上软下硬地层地质不均匀，掌子面的上中下左右岩石强度变化大，既有软弱地层的不稳定性，又有硬岩地层的强度，考虑地表可能发生沉降的因数，因此采用土压平衡模式掘进，并采用低刀盘转速、低推进速度掘进，因为掌子面地质不均匀，掘进时刀盘各部位会受力不均，容易使部分刀具受力过大而不能转动，最终导致偏磨，还有当掘进速度过快时，刀具的贯入度也增大，容易使刀盘扭矩突然上升超过设定值而卡死，甚至造成刀圈崩裂脱落。由于硬岩部分强度高，不易切削，为保护刀具需降低掘进速度，长时间的掘进对软弱地层部分的稳定性很不利，因此需保持较高的土仓压力。
[0053] 针对软岩且埋深16米地层掘进时，盾构机由TBM模式转换为EPB模式，并采用土压平衡模式掘进，设定土仓压力值为1.4～1.6bar；刀盘转速为1.0～1.3r/min，刀盘扭矩为2000KN·m以下；推进速度为25～40mm/min；推力为800～1200t；螺旋输送机转速：根据土压调整；注浆量为4.5～5.5立方米；渣土改良：采用泡沫或喷水；每环出渣量：41立方米以内；
盾后密封：采用优质油脂。
[0054] 此种地层掌子面自稳性较差，需要在土仓内堆积足够的渣土，使土仓压力与掌子面压力平衡，避免在掘进时由于掌子面压力过大造成坍塌致使地表沉降，此种地层中掘进时应向刀盘多加泡沫及开启刀盘中心冲水，多搅拌，以改善渣土的流塑性，防止在刀盘上形成泥饼；掘进中随时注意刀盘扭矩和掘进速度的变化，当掘进速度明显降低，而刀盘扭矩却增加时，很有可能是刀盘上形成泥饼，应立即采取措施处理，即对刀盘加泡沫加水旋转搅拌洗去泥饼，在地质条件允许的情况下，可进仓用水冲洗刀盘，快速去除泥饼，或更换切刀。还要控制好土仓压力和每环出渣量，防止地表下沉；掘进速度应保证同步注浆量；掘进时下部油缸推力要比上部的大20～40bar，控制好盾构姿态。
[0055] 采用土压平衡模式掘进时，土仓压力值P根据以下公式选定：
[0056] P＝K×P0，其中：K为土的侧向静止土压力系数；P0为刀盘中心地层静水压力与土压力之和，P0＝γ×h，其中：γ为土体的平均重度，h为刀盘中心至地表的垂直距离；
[0057] 每环出渣量根据以下公式确定：出土量＝π/4×D2×L×1.05～1.15，其中：D为盾构机的刀盘开挖直径；L为每循环掘进距离；1.05～1.15为渣土松散系数。
[0058] 泡沫由90～95％压缩空气和5～10％泡沫溶液混合而成；泡沫溶液由泡沫添加剂3％和水97％混合组成；泡沫的注入量按开挖量计算：50～100L/m3。
[0059] 盾构机由EPB模式转换为TBM模式时，在盾构机的刀盘进入全断面硬岩段15m后进行的，包括以下步骤：
[0060] (1)先将设备断电，再拆除盾构机主机与设备桥连接的水管、泡沫管路、膨润土管路、液压油管路和电路；
[0061] (2)设备桥和拖车后移二十米，将设备桥的前部与管片运输车
焊接固定，使用拖车将设备桥和管片运输车整体拖拉后移二十米；
[0062] (3)拆除螺旋输送机，先在拼装机的主梁和
轨枕上焊接螺旋输送机的吊装工装(门型吊梁)，接着拆除螺旋输送机的前端法兰
螺栓，利用吊装工装上的吊点依次变换螺旋输送机的吊
耳位置，使用盾尾上的辅助吊点起吊螺旋输送机，保持螺旋输送机的
角度，将螺旋输送机缓慢倾斜至水平状态并后移；
[0063] (4)拆除主驱动中心法兰和回转中心；管片运输车准备到位；结合盾尾上的辅助吊点拆除回转中心；将主驱动中心法兰和变接法兰拆除；运出；
[0064] (5)安装主机皮带溜渣槽，利用盾体顶部的吊点吊装溜渣槽，分三
块安装从回转中心区域安装到位；
[0065] (6)主机皮带机分段安装，在设备桥和轨枕上焊接工装；利用工装上的吊点和盾体上的吊点，安装前端皮带机；
[0066] (7)安装刀盘溜渣板及盾体溜渣板；
[0067] (8)拆除土压平衡模式下土仓上的搅拌棒；
[0068] (9)后配套前移、管线连接和整机调试。
[0069] 盾构机由TBM模式转换为EPB模式时，是盾构机的刀盘距全断面硬岩段的尾端10m进行的，包括以下步骤：
[0070] (1)将前盾隔板上的除尘口用除尘盖板堵好，安装被动搅拌棒并连接管路，将前盾溜渣板割除，检查螺旋输送机的前闸门是否安装完备、动作是否正常。；
[0071] (2)将设备桥与轨道梁之间断开，包括电缆管路，设备桥前端
支撑在管片运输车上，电瓶车带动后配套整体后退20米后，将设备桥前端支撑于外
导轨上，同时将管片运输车前移，保证运输通道顺畅；
[0072] (3)拆除主机皮带机后段和前段，分别用管片运输车运出；
[0073] (4)拆除刀盘中心液压回转接头；
[0074] (5)在土仓内分解溜渣板和挡渣板，通过主驱动中心或螺旋输送机筒运出；
[0075] (6)主驱动中心连接法兰和变接法兰运送至洞内，通过螺栓连接驱动中心连接法兰和变接法兰；
[0076] (7)安装中心回转接头；
[0077] (8)按照刀盘牛腿上预留的刀盘管路接口接入刀盘管路，并进行防护；
[0078] (9)先将吊装工装(门型吊梁)运到洞内并安装，接着通过管片运输车将螺旋输送机运到洞内，并通过吊装工装将螺旋输送机吊装到位，再安装螺旋输送机的固定螺栓及拉杆，然后拆除吊装工装，连接螺旋输送机的管线；
[0079] (10)将后配套整体前拉，与轨道梁连接，断开的管路及电缆重新连接，螺旋输送机的轴伸出；
[0080] (11)安装并调试液压系统、流体系统和电气系统。
[0081] 以上
实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各
权利要求所限定。
