孟庆军，陈 凡，周 峰，王士民，贾少东，姚超凡，刘川昆

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031; 2.南宁轨道交通集团有限责任公司，广西南宁 530029)

目前国内地铁隧道施工所用的盾构机，主要分为两种：土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机。土压平衡盾构机适合于相对稳定的地层，在掘进速度、造价和成本方面有优势；泥水式平衡盾构机在开挖面稳定性、沉降控制、耐高水压性能和刀盘阻力方面有优势[1-4]。随着我国城市地铁隧道的大规模兴建，盾构隧道将穿越更加复杂多变的地层。单一的盾构机模式将无法适应多变的复合地层，造成工期延长，工程成本增加[5-8]。因此，双模式盾构施工技术应运而生。双模盾构施工中，盾构模式的转换是控制掘进效率的关键技术之一[9-12]。

本文以南宁市轨道交通5号线一期工程为背景，介绍一种气垫式泥水—土压双模盾构机的盾构模式快速转换技术，以期为国内外类似工程提供参考。

1 工程概况

南宁市轨道交通5号线一期工程五—新区间(五一立交站至新秀公园站)，位于南宁市江南区，穿越邕江(图1)，区间隧道起止里程为CK18+254.848～CK20+352.934，左线长2 091.9 m，右线长2 098.1 m，全长共4 190 m。根据区间地勘报告，区间隧道主要穿越地层为：③1粉土、④1-1粉细砂、⑤1-1圆砾、⑦1-3粉砂质泥岩及⑦2-3泥质粉砂岩，其中江南段施工地层多为粉土/粉细砂、粉细砂/圆砾、粉土/圆砾、圆砾/泥岩等复合地层，邕江段施工地层为全断面泥岩地层，江北段施工地层为全断面圆砾、圆砾/泥岩、粉土/圆砾复合地层(图1)。

图1 五—新区间平面和剖面

2 气垫式泥水—土压双模盾构机

本区间穿越复杂多变的复合地层，右线隧道采用1台气垫式泥水/土压双模盾构机掘进施工，如图2所示。盾构机除采用直排式泥水盾构技术外，另增设气垫仓以有效缓冲土仓内压力波动。盾构机的开挖直径为6 280 mm，刀盘转速0～0.35 r/min，刀盘开口率45 %，最大推力3 991 t，额定扭矩6 650 kN·m。

图2 泥水—土压双模盾构机主机布置

本工程采用的气垫式泥水—土压双模盾构机主要有如下技术特点：

(1)主驱动：液压驱动，总功率945 kW，主驱动传动效率高，系统具备运行可靠、免维护、噪音低、发热小、省电等优势；采用外齿驱动，传动平稳。

(2)主密封：主密封形式为多唇型，内外共8道，硬质聚氨酯材料耐压能力高达1 MPa。

(3)刀盘：中心开口率较大，开口率45 %，有效降低刀盘中心结泥饼的风险；主动搅拌棒设计位置靠外，以及土舱隔板中心环带处同刀盘之间有相对移动，有效增加土舱土壤流动性，牛腿内侧设计有具备冲刷功能的被动搅拌棒。

(4)铰接系统：被动铰接形式。

(5)液压系统：模块式+集成式。

(6)注浆系统：采用同步单、双液注浆系统，可有效控制地面沉降。

(7)环流系统：，设置正送模式，旁通模式，反冲洗模式，设有P0泵内循环系统。

(8)皮带系统：带宽800 mm，输送能力555 m3/h。

(9)泥水平衡控制方式：泥浆流量直接控制+进浆管比例泄压阀+气垫包辅助控制。

3 双模盾构快速转换技术

本部分内容主要从双模盾构的转换原则、泥水模式转土压模式和土压模式转泥水模式，三个方面详细阐述气垫式泥水—土压双模盾构机的快速转换技术。盾构机的系统如图3所示。

图3 系统示意

3.1 模式转换的原则

双模式盾构机在模式转换的过程中，核心的原则是控制掌子面压力的稳定。转换过程中掌子面若出现压力失稳，会造成地面的坍塌或者隆起，带来极大的施工风险。其次，为满足快速施工的需要，转换效率也是转换技术的评价指标之一。

3.2 泥水模式转土压模式

泥水模式转土压模式如图4所示，具体操作步骤如下：

图4 泥水模式转土压模式示意

步骤1：即将到达预定切换点时，降低刀盘转速至0.5 r/min，降低推进速度(建议不超过20 mm/min)。到达预定切换点时停止掘进，关闭仓内气压联通管、中部气压联通管，泥水循环系统运行机内旁通模式。

步骤2：在机内旁通模式下打开土仓进浆球阀F11，盾构机按照0.5 r/min的转速，缓慢推进(建议推进速度不超过20 mm/min)，开始进行土仓堆渣。此时，不启动螺旋输送机。随着推进的缓慢进行，渣土不断堆积，需要排出土仓中原有的泥浆，以避免土仓压力的升高，打开土仓进浆球阀F11，将主机段进浆管当做排浆管进行土仓排浆，利用旁通模式将泥浆带出。注意观察土仓压力，使掘进速度与排渣速度相匹配，稳定土仓压力。

步骤3：随着盾构缓慢推进，土仓中渣土堆积越来越高，预估已经堆积的渣土量已经到达进浆口时，打开上部土仓探测管，如果没有浆液流出(如果有浆液流出需要现场技术人员判断是否适合土压推进)，停止推进，关闭球阀F11，停止运行泥水循环系统。环流系统停止后，可以通过隔板上土仓联通管、进浆口、排浆口上预留的支口注入盾尾油脂，对上述管路进行填充，减小土压模式下堵塞的概率。在注入盾尾油脂的同时，注意利用上部探测管进行间歇性的泄压，稳定土仓压力。

步骤4：打开螺旋输送机前后闸门，运行螺旋输送机、皮带机，开始运行土压模式缓慢推进，待运转稳定后，即可进行正常推进。注意观察螺旋输送机出土口渣土状态，刚置换完成后渣土状态可能处于流塑状，会出现短暂的喷涌现象，如果喷涌严重需继续置换，直到适合土压掘进。

3.3 土压模式转泥水模式

土压模式转泥水模式如图5所示，具体操作步骤如下：

步骤1：在土压模式下掘进，即将到达预定切换点时，降低刀盘转速至0.5 r/min，降低推进速度(建议不超过20 mm/min)。到达预切换点后，停止掘进，准备模式切换。为增强渣土被泥浆置换过程中土仓气密性，停机之前，可以适当增加土仓膨润土注入，一方面增强渣土的流动性，另一方面可以在掌子面形成一层薄泥膜。

步骤2：刀盘原地缓慢搅拌，打开螺旋输送机前闸门，并启动螺旋输送机，转速2～3 r/min，打开出土闸门，慢慢出土，此时要特别注意观察土仓压力变化，土仓压力保持在P±0.1 bar。在慢慢出土的过程中，可以试运行泥水循环系统机内旁通模式，确保整个泥水循环系统运行正常，状态稳定。为了维持掌子面的压力稳定，如果地层稳定或者掌子面建立了良好的泥膜，在螺旋输送机出土，土仓渣土下降的过程中，可以利用SAMSON系统向气垫仓内注入压缩空气，并通过顶部连通管传递到土仓中，以此维持土仓压力的稳定。另外如果地层不稳定或者处于安全风险的考虑也可以采用膨润土置换的方式排渣。在螺旋输送机缓慢出土之前，要对土仓内渣土的方量进行预估。一方面该过程是连续过程，需要安排好渣车运输方案；另一方面需要预估仓内剩余渣土量，方便进行下一步操作。

图5 土压模式转泥水模式示意

步骤3：在土仓内剩余渣土量约为预估土仓渣土量的1/3时，螺旋输送机停止转动，关闭螺旋输送机出渣门，开始运行泥水循环系统机内旁通模式并打开自动阀门F8向土仓内灌浆，同时利用顶部连通管，将土仓中的压缩空气传递到气垫仓中，并用SAMSON系统维持气压的稳定。运行旁通时，注意进浆压力的调整，协调好进浆速度与SAMSON系统的排气能力，维持土压压力稳定。在运行泥水循环系统时，注意上位机上的液位屏蔽，切断环流系统与液位之间的连锁关系。在打开F8之前，需要对隔板进浆口进行机械疏通，确保进浆口没有完全堵塞。

步骤4：随着灌浆的进行，土仓中的泥浆通过顶部连通管进去气垫仓中，此时通过拉绳液位传感器来观察气垫仓中的液位变化。液位到达0～+0.8 m之间时，关闭顶部连通管，停止灌浆，环流系统切换到机内旁通模式。切换到机内旁通模式之后需要对仓内气压联通管、仓外中部气压联通管、隔板主排浆口进行机械疏通，确保以上各管路没有完全堵塞。

步骤5：打开仓内气压联通管、仓外中部气压联通管，在机内旁通模式下，打开土仓进浆管路、排浆管路，观察气垫仓液位变化，以此确定气压联通管路、主机段排浆管路是否通畅。

步骤6：在确认气压联通管、进排浆管路均通畅后，开启气垫仓进浆管，关闭机内旁通管路，切换到正常掘进模式，加快刀盘转速至掘进速度，盾构机低速前进，逐步增加进、排浆流量并监测分离站出渣情况。

4 结束语

本文以南宁市轨道交通5号线区间隧道为工程背景，介绍一种气垫式泥水—土压双模盾构机的盾构模式快速转换技术，详细阐述了模式转换的原则、土压转泥水模式和泥水转土压模式的操作步骤，以期为国内外类似工程提供参考。