EPB_TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究.pdf

文章编号-0096-08NO.3(Ser.294)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第3 期（总2 94）Mar2023报程学道铁2023年3 月米EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究何川1*黄兴陵陈凡宋天田？晨王士民！（1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都6 10 0 3 1；2.深圳地铁建设集团有限公司，深圳518 0 2 6；3.中交一公局厦门工程有限公司，厦门3 6 10 2 1）摘要：研究目的：为探究EPB/TBM双模盾构在复合地层中的掘进适应性，本文基于深圳地铁12 号线怀德站一福永站及13 号线留仙洞站一中间风井区间的EPB/TBM双模盾构施工案例，对比分析不同掘进模式下的掘进参数和能源消耗情况的变化规律，以期为类似工程提供参考。研究结论：（1）双模盾构在软土地层采用EPB模式保证掌子面稳定，硬岩地层采用TBM模式规避掘进速度低及刀具磨损等风险；（2）掘进参数变化规律在软土段EPB模式下表现为“低转速、高扭矩、高推力”，硬岩段TBM模式表现为“高转速、低扭矩、低推力”；（3）微风化岩层TBM模式的推进速度较EPB模式在中风化岩层提升了3 8%，有效掘进时长占比提升约10 6.7%；（4）双模盾构能源消耗较软土地层EPB模式并未明显增加；（5）本文研究可为双模盾构在复合地层中的掘进适应性提供参考。关键词：EPB/TBM双模盾构；统计分析；复合地层；掘进参数；盾构耗能中图分类号：U455.43;U231.3文献标识码：AResearch on the Tunneling Parameters and Adaptability of EPB/TBM Dual-mode Shield in Composite StrataHE Chuan,HUANG Xing,CHEN Fan,SONG Tiantian?,WU Chen,WANG Shimin(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering of Ministry of Education,Southwest Jiaotong University,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Shenzhen Metro Group Co.Ltd,Shenzhen,Guangdong 518026,China;3.CCCC First Highway Xiamen Engineering Co.Ltd,Xiamen,Fujian 361021,China)Abstract:Research purposes:For the purpose of exploring the excavation adaptability of EPB/TBM dual-mode shieldin composite strata,based on the EPB/TBM dual-mode shield constructions between Huaide station and Fuyong stationof Shenzhen metro line 12 and Liuxiandong station to middle shaft of Shenzhen metro line 13,this paper compared andanalyzed the variation laws of tunneling parameters and energy consumption under different excavation modes,in order toprovide references for similar projects.Research conclusions:(1)The EPB mode is used for soft soil strata to ensure the stability of the tunnel face,whileTBM mode is used for the hard rock strata to avoid the risks of low tunneling speed and unexpected cutter head wear.(2)The variation law of tunneling parameters of EPB mode in soft soil strata is low speed,high torque,and high thrust,while high speed,low torque,and low thrust of TBM mode in hard rock strata.(3)The propulsion speed of the TBMmode in the slightly weathered stratum is about 38%higher than that of the EPB mode in the intermediary weatheredstratum,and the proportion of effective excavation time increased by approximately 106.7%.(4)The energy consumptionof EPB/TBM dual-mode shield has not increased significantly compared with EPB mode in soft strata.(5)The*收稿日期：2 0 2 2-0 1-2 4基金项目：国家自然科学基金重大项目（519913 94）；住房和城乡建设部研究开发项目（K20200183）*作者简介：何川，196 4年出生，男，教授，博士生导师。何兴川陈凡等：EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究黄第3 期97research in this paper can provide reference for the adaptability of dual-mode shield tunneling in composite strata.Key words:EPB/TBM dual-mode shield;statistical analysis;composite strata;tunneling parameters;shield energyconsumption盾构法在上软下硬、地层纵向强度相差悬殊的复合地层中极易出现刀具偏磨、地表沉降严重等问题 1，掘进参数的合理选取与掘进适应性仍是复合地层盾构施工的难点问题 2 。李增理等 3 对南京软硬不均地层盾构施工掘进参数进行总结，提出了合适的掘进模式及辅助措施；王玉锁等 4 分析了不同围岩条件下双护盾TBM施工的掘进参数变化规律；门燕青等 5 对复合地层盾构掘进效能进行了分析。由于单模式盾构复合地层施工具有局限性，可转换掘进模式的EPB/TBM双模盾构逐渐兴起。刘东 6 通过数值计算和现场试验，提出双模盾构成套施工技术及刀具磨损规律；喻畅英等 7 对EPB/TBM双模盾构的模式转换技术进行介绍。然而，目前针对双模盾构的研究集中在施工技术方面，鲜有关于EPB/TBM双模盾构掘进参数和掘进适应性的研究，掘进效能分析更加缺乏。为此，本文依托深圳地铁12 号线怀德站一福永站区间、13 号线留仙洞站一中间风井区间隧道工程，基于盾构施工实测数据，分析双模盾构在不同地层条件下的掘进参数及能源消耗变化规律，探讨双模盾构在复合地层中的掘进适应性。1工程背景1.1工程概况深圳地铁12 号线怀德站一福永站区间（简称怀福区间）左线长约17 2 3.1m，共1155环，隧道埋深6200m。13 号线留仙洞站一中间风井区间（简称留风区间）右线长约2 2 2 0.6 m，共148 0 环，隧道埋深1315m。两区间隧道穿越的地层类型相似，主要为全、强、中及微风化混合花岗岩构成的复合地层，强、中风化地层占比约3 0%，区间纵面如图1所示。隧址区强、中风化花岗岩单轴抗压强度为15 55MPa，微风化花岗岩最大强度约150 MPa，地层强度变化剧烈，软硬不均特性显著。微风化花岗岩中风化花岗岩掘进方向强/全风化花岗岩粉质、砂质黏土怀德素填土素填土福永站粉质、砂质黏土、站中风化花岗岩微风化花岗岩强/全风化花岗岩隧道EPB模式TBM模式EPB模式(a）怀福左线微风化花岗岩微风化黑云母花岗岩中风化花岗岩中风化黑云母花岗岩掘进方向掘进方向强/全风化花岗岩强/全风化黑云母花岗岩1#2#白艺留仙砂质黏土风井素填土站洞站素填土砂质黏土砂质黏土强/全风化天母花岗岩强/全风化花岗岩微风化微风化照云姆花岗岩新层TBM模式EPB模式TBM模式TBM模式EPB模式（b）留风右线图1区间隧道地质剖面图1.2掘进设备为克服单模式盾构在软硬不均复合地层中的局限性，怀福、留风区间选用中心皮带式EPB/TBM双模盾构施工。软弱地层采用EPB模式掘进，保证掌子面稳定，减小地表沉降；全断面硬岩地层采用单护盾TBM模式开挖，规避EPB模式硬岩地层掘进速度慢、刀具二次磨损严重等风险。两区间使用的EPB/TBM双模盾构机主要参数如表1所示，两台双模盾构设备的刀盘结构和性能配置相当。2023年3 月报程学道铁98表1EPB/TBM双模盾构力学参数开挖直径开口率最大推力最大扭矩脱困扭矩刀盘转速最大推进最大设计隧道区间/mm/%/(kN m)/(kN m)/(r:min-)速度/mm压力/bar12号线怀福区间6.470284 0866686802302.5580513号线留风区间6 980305 0606 08072960 2.55.68052掘进参数分析与地层相匹配的掘进参数是实现盾构快速掘进的基础。本文参考已有研究成果，选取推进速度、刀盘扭矩、总推力、刀盘转速4个关键参数为分析对象。剔除非掘进时的数据，以各环平均值为代表，分析怀福区间左线1 8 8 2 环、留风区间右线150 58 5环掘进参数变化规律，探究EPB/TBM双模盾构在复合地层中的掘进适应性。不同地层对应的环数如表2 所示。表2不同地层对应的环数怀福左线留风右线地层类型风化程度区间环数地层类型风化程度区间环数混合花岗岩强一全风化1 33混合花岗岩微风化150 200混合花岗岩I中风化34 65混合花岗岩强风化201 330混合花岗岩强风化66 192混合花岗岩微风化331 400混合花岗岩I中风化193 215混合花岗岩微-中风化401 475混合花岗岩微风化216882混合花岗岩微风化476 5852.1推进速度盾构的推进速度主要取决于地层条件和盾构机的设计性能。双模盾构在不同地层的推进速度如图2 所示。由图2 可知，怀福、留风区间强风化地层EPB模式的推进速度均值为46.8 1mm/min、3 7.7 8 m m/m i n，微风化地层中TBM模式的推进速度均值为2 1.3 7 mm/min、2 9.6 0 m m/m i n，可见EPB/TBM双模盾构在软、硬复合地层中推进速度均较快，兼具传统EPB盾构适宜软土地层掘进、TBM适宜硬岩地层掘进的优点。相较强风化地层EPB模式掘进，怀福、留风区间微风化地层TBM模式的推进速度较低，均值比为45.6 5%、7 8.3 4%，一方面，地层强度增加提高了滚刀破岩难度；另一方面，由于TBM模式不具备集水能力，裂隙水发育地段适当减缓推进速度可降低皮带机出渣难度，减少泥水飞溅，EPB模式TBM模式80强全中风(uru/uu)/单70强风化混合中风化混合微风化混合注：一推进速度；风化化混！花岗岩花岗岩II花岗岩混合洽花一一平均推进速度60花岗岗岩50岩！4046.8130LA2023.441013.2617.3600100200300400500600700800900环号(a）怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式80微风化混合微-中风化微风化混合注：(uru/u)/单微风化混合强风化混合17011花岗岩花岗岩1花岗岩混合花岗岩1花岗岩推进速度：160一平均推进速度50403029.6020100150200250300350400450500550600环号(b）留风右线图2双模盾构推进速度曲线兴何陈凡等：EPB/TBM双模盾构复合地层掘进参数及适应性研究川黄第3 期99EPB模式在中、微风化地层的推进速度：怀福区间两段中风化地层的均值为15.40 mm/min，留风区间微风化地层的均值为2 1.2 2 mm/min。与之相比，怀福、留风区间微风化地层TBM模式的推进速度分别提升38.77%、3 9.49%，可见TBM模式更适宜硬岩地层掘进，也说明在纵向软硬不均地层中，采用EPB/TBM双模盾构施工能提升推进速度、缩短工程建设周期。2.2刀盘扭矩刀盘扭矩是指示刀具磨损、盾构主轴工作状态的重要参数。双模盾构在不同地层的刀盘扭矩如图3 所示。EPB模式TBM模式4000强全风化混强风化混合中风化混合微风化混合3500(.N)/x合花岗岩注：一刀盘扭矩；花岗岩花岗岩花岗岩3 0001一一平均刀盘扭矩12.5002.464.5112.0001084.511500895.51000500中风化混0合花岗岩0100200300400500600700800900环号(a)怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式40001微风化混合强风化混合微风化混合微-中风化微风化混合13500注：(.N)/花岗岩1花岗岩花岗岩花岗岩混合花岗岩一刀盘扭矩；13 0001一一平均刀盘扭矩2.5002 00015002.401.110009850010-150200250300350400450500550600环号(b）留风右线图3双模盾构刀盘扭矩曲线对于软硬不均地层而言，怀福区间0 6 5环（强全中风化地层）的刀盘扭矩均值为2 18 0.0 kNm；留风区间40 0 47 5环（微中风化地层）的刀盘扭矩均值为2 40 1.1kNm，约为同区间均匀地层的2 倍，主要因为上软下硬地层滚刀极易偏磨，刀盘带动偏磨刀具转动需要更大的扭矩。怀福、留风区间强风化地层EPB模式的刀盘扭矩大小相近,均值为10 11.2 kNm、10 3 6.3 k Nm，强风化围岩完整性差，刀盘贯人度大，适当降低刀盘扭矩能减少对围岩的扰动，便于控制盾构姿态及地表沉降。两区间TBM模式下的刀盘扭矩：怀福区间TBM模式的刀盘扭矩分布在50 150 0 kNm的带状区域内，均值为10 8 4.5kNm；留风区间TBM模式的刀盘扭矩均值为10 18.7 kNm。与同区间EPB模式掘进中、微风化地层相比，TBM模式下的刀盘扭矩下降明显，原因是TBM模式刀盘转动无需克服土仓渣土阻力，刀盘所受的反扭矩更小。留风区间3 3 0 40 0 环采用EPB模式掘进微风化硬岩地层，由于EPB盾构在硬岩地层的掘进效率低下，需提升刀盘转速加快掘进速度，该段刀盘扭矩大致维持在1419.5kNm，与同区间强风化地层相比提升3 6.9%2.3总推进力主驱动总推力与仓压控制、刀盘扭矩及推进速度关系密切。不同地层总推力变化如图4所示。怀福、留风区间双模盾构EPB模式的总推力均值分布在12585.416789.3kN、12 157.0 19 8 2 4.4k N范围内，高于同区间TBM模式掘进段，主要是渣土人仓导致土仓仓压增大，使盾构向前的总推力增大，强风化地层的掘进速率快、土仓内渣位高，总推力上升更加明显。在软硬不均复合地层中，怀福区间0 6 5环、留风区间3 3 0 47 5环的总推力仅为同区间强风化地层EPB模式总推力的7 6.6%、7 0.8%，软硬不均地层中适当降低总推力能保证刀具受力不超载，盾构姿态偏转不超限。值得注意的是，软硬地层交界处（怀福区2023年3 月报程学道铁100间193 环、留风区间3 3 0 环）的盾构总推力出现攀升，总推力上升至3 0 0 0 0 kN左右，地层软硬交界处摩擦系数增大及盾构姿态偏转是造成总推力上升的重要原因。怀福、留风区间TBM模式掘进微风化硬岩地层时，总推力分别保持在10 18 6.3 kN、10 90 6.4k N附近，与同区间强风化地层EPB模式相比分别下降3 9.3%、44.9%，硬岩地层降低总推力能防止刀圈受力过大，规避刀圈断裂，也表明TBM模式在微风化地层快速掘进的同时所需的总推力更小。EPB模式TBM模式30000强全中风强风化混合微风化混合注：一总推进力；风化化混125 000花岗岩花岗岩混合合花1一一平均总推进力20000花岗岗岩1岩16789.315 00015829.610186.313154.910000A12.585.411150001中风化混合111花岗岩11010100200300400500600700800900环号（a）怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式30000微风化混合强风化混合微风化混合微-中风化微风化混合-注：25 000花岗岩花岗岩花岗岩混合花岗岩花岗岩总推进力；11-19824.4一平均总推进力2000015950.515 000112157.0295.211000010517.511500011111110150200250300350400450500550600环号(b）留风右线图4双模盾构总推力曲线2.4刀盘转速刀盘转速由施工人员设定，同一地层基本保持一致，不同地层则作出相应调整。怀福、留风区间不同地层的刀盘转速曲线如图5所示。怀福、留风区间强风化地层EPB模式的刀盘转速均值为1.2 2 r/min、1.63r/min,与之相比,EPB模式在中、微风化地层的刀盘转速有所提升，怀福区间两段中风化地层的刀盘转速均值为1.53 r/min，增幅2 5.4%；留风区间3 0 0 400环微风化地层中，刀盘转速为2.19r/min，增幅34.4%，这是因为中、微风化地层中需提升刀盘转速加快掘进速度。TBM模式施工时刀盘转速普遍较高，怀福、留风区间分别维持在2.97 r/min、2.53 r/m i n 附近，为同区间EPB模式的2.1倍、1.55倍，这是因为微风化地层刀盘贯人度较小，增大刀盘转速可充分掘削掌子面岩体，提高掘进速度。结合前述，双模盾构的掘进参数变化规律在软土地层EPB模式下表现为“低转速、高扭矩、高推力”，较大的推力能提升刀盘贯人度，同时盾体能迅速为扰动松散的土体提供支撑，但也导致刀盘扭矩的增加，适当降低刀盘转速能减少刀盘对地层的冲击和扰动，减少超挖量；在硬岩地层TBM模式下表现为“高转速、低扭矩、低推力”，较高的转速能保证正常的掘进速度，较低的推力和扭矩有利于保护刀盘刀具。3有效掘进时间盾构施工不可避免地存在更换刀具、维修养护等工序，用于掘进施工的有效时间更能反映设备的掘进适应性。图6 统计了怀福区间不同地层盾构施工总耗时和有效掘进时长。可见，EPB模式在强一全风化花岗岩始发段的掘进效果不佳，总耗时2 6.8 d，有效掘进时长占比仅为2 3.1%，主要是始发期间盾构设备尚处于磨合期，推进速度较为缓慢，后期强风化地层中EPB模式施工逐渐平稳，有效掘进时长占比提升至54.7%，掘进效果良好。何陈兴凡等：EPB/TBM双模盾构复掘进参数及适应性研究川黄第3 期101EPB模式TBM模式4.0强全中风强风化混合中风化混合微风化混合注：一刀盘转速；风化化混花岗岩花岗岩(r-uu.1)/单转舞3.5花岗岩一平均刀盘转速混合冷花3.0花岗岗岩岩12.972.5112.0111.51.33:1.38NFi1.68201.011110.5111111010100200300400500600700800900环号（a）怀福左线TBM模式EPB模式TBM模式4.01微风化混合微-中风化微风化混合微风化混合强风化混合注：11刀盘转速；(r-u.1)/单转花岗岩花岗岩混合花岗岩113.5花岗岩花岗岩1一-平均刀盘转速13.0112.512.19厂2.562.01.51.01110.5111110150200250300350400450500550600环号(b)留风右线图5双模盾构刀盘转速曲线EPB模式在中风化地层总耗时40.9d,有效掘进时长占比2 2.5%；TBM模式掘进微风化地层总耗时141.3d，有效掘进时长占比47.1%，同中风化地层EPB模式相比,TBM模式在微风化地层的有效掘进时长占比提高10 6.7%，设备利用率高，EPB/TBM双模盾构通过转换掘进模式可满足软硬不均复合地层快速掘进的需求。模式转换地层中有效掘进时间占比骤降至14.8%，原因是模式转换需要长时间停机。100%141.3d80%60%40%20%中凤化混合花岗岩19.8dP6E8图6有效掘进时长占比4能耗参数对比分析施工能耗情况间接反映设备掘进适应性，本节以怀福左线不同地层、不同掘进模式下的能耗参数为例，对双模设备的施工能耗情况进行分析。4.1润滑油脂消耗EP2润滑油脂主要在主轴承、螺旋输送机、主密封和铰接系统等部位使用，是盾构施工中的主要耗材之一。双模盾构润滑油脂消耗情况如图7 所示。除中风化模式转换地层中EP2油脂消耗波动范围较大外，其余地层每环消耗润滑油脂0 2 0 0 L，波动性较小。图7（b）显示，强一全风化始发地层中润滑油脂消耗量较大，平均8 5L/环；盾构掘进较平稳的中风化I、强风化地层中润滑油脂平均消耗量下降为48 L/环、33L/环。TBM施工时,润滑油脂消耗明显减少，平均消耗量下降至9L/环，同EPB模式相比减小约7 3%89%，润滑油脂节能效果可观，可能是TBM模式不采用螺旋输送机，降低了润滑油脂消耗。值得注意的是，在模式转换地层中，润滑油脂消耗量急剧提升，平均每环消耗2 0 6 L，是EPB模式在非转换地层中的2.4 6.2 倍，因为模式转换前需对设备组件进行润滑保养，对主驱动密封状况进行检查和油脂补注、按质换油，导致模式转换地层润滑油脂用量剧增。图9电能消耗分布（b）耗电量代表值耗电量/(kWh）0700600500400300200100469.23244.32微风化30.17563.73420.04中风化I117.26最大值296.41平均值；强风化20.3933.96最小值；240.60注：485.13中风化I114.34522.71360.98强-全风化140.732023年3 月报程学道铁1026005004003002001000强全风化中风化I强风化中风化II微风化（a）每环润滑油脂消耗量注：最小值：强-全风化85274平均值：中风化I48最大值160强风化33486中风化21206554微风化2260100200300400500600EP2润滑油脂消耗量/L(b）润滑油脂消耗代表值图7EP2润滑油脂消耗分布4.2刀盘水消耗刀盘水消耗分布如图8 所示。双模盾构采用EPB模式施工时，刀盘水消耗较多，每环消耗水约0 10 m，用于吸附扬尘、降低渣土温度、防止渣土结块。图8(b)显示中风化I地层中水消耗最大，掘进每环平均耗水2.12 m；强风化地层刀盘水消耗基本在0 4m3范围波动，均值1.6 1m/环，同中风化I地层相比下降2 4%，在掘进施工效果良好的地层中，刀盘水消耗也相应减少。因双模盾构在EPB转TBM模式期间将土仓隔板上的刀盘喷水口封堵，TBM模式施工时不再消耗水。4.3电能消耗双模盾构在不同地层中掘进每环消耗的电量如图9所示。强风化地层每环耗电量较低，为3 0 3 0 0 kWh，其余地层掘进每环消耗电量大致分布在3 0 6 0 0 kWh之间。其中,EPB模式掘进中风化I地层的耗电均值为2 40.6 kWh，较强风化地层平均耗电量高出3.46 倍，其原因是强风化地层中刀盘贯入度大，破岩难度小，掘进耗电量随之减少，可见EPB模式耗电量与地层强度关系密切，地层强度越高，掘进耗电量越高。此外，始发地层及模式转换地层耗电量均大幅上升，这与每环的有效掘进耗时较长有关。TBM模式掘进微风化地层时，平均耗电量2 44.3 2 kWh/环,为EPB模式在中风化地层耗电量的10 2%，在地层强度明显提升的情况下，TBM模式仍能在耗电基本不变的前提下实现硬岩地层快速掘进施工，经济效益1086?420强-全风化中风化I强风化中风化I微风化（a）每环水消耗量0强全风化0.616.920中风化12.1219.020强风化1.618.580中风化II0.03注：最小值；0.44平均值；微风化0最大值012345678910刀盘喷水量/m(b）水消耗代表值图8水消耗分布600(4M)/鲁申5004003002001000强-全风化中风化I强风化中风化II微风化(a）每环耗电量较为显著。5结论（1)EPB/T BM 双模盾构在软土地层采用EPB模式掘进，保证掌子面稳定，减小地表沉降；长距离硬岩地层采用TBM模式掘进，提升掘进效率，降低刀具二次磨耗。（2）双模盾构在软土地层采用EPB模式施工时，何陈兴川凡等：EPB/TBM双模盾构复层掘进参数及适应性研究黄第3 期103掘进参数的变化规律为“低转速、高扭矩、高推力”；采取TBM模式掘进长距离硬岩地层时，掘进参数呈现“高转速、低扭矩、低推力”的规律。（3）双模盾构TBM模式在硬岩地层的推进速度较EPB模式提升3 8%以上，单环有效掘进时长占比提升约10 6.7%，验证了双模设备在软土硬岩复合地层的良好适应性。（4同软土地层EPB模式相比,采用TBM模式掘进硬岩时的水消耗及润滑油脂消耗相对较少、电能消耗大致持平，双模盾构在提升硬岩掘进速度的同时，能耗较软土地层EPB模式并未明显增加。参考文献：1张玉龙，曹玉新，孟庆明，等.含水地层盾构隧道开挖面稳定系数研究 J铁道工程学报，2 0 2 1（3）：10 2 10 6.Zhang Yulong,Cao Yuxin,Meng Qingming,etc.Research on the Stability Coefficient for ShieldTunneling in Water-bearing Strata J.Journal ofRailway 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