（中铁工程装备集团有限公司，河南，郑州 450016）

土压/TBM 双模盾构具备土压、TBM 两种设备的功能特点。从配置上来讲，土压模式下有：刀盘、主驱动、盾体、管片拼装机、螺旋输送机；TBM 模式下有：主机皮带机、溜渣槽、除尘风机、豆砾石等主要部件，主机较常规设备重约50t。从功能上来讲，在TBM 模式下主驱具有高转速、低扭矩的特点，土压模式下主驱具有低转速、大扭矩的功能特点；设备功能强度，地质适应性好。本文通过分析土压/TBM 双模盾构在福州地铁某区间出现的盾构栽头及采取的应对措施；为双模盾构在国内其他地区推广应用提供姿态控制方面的技术参考。

1 地质情况及设备介绍

福州地铁4 号线某区间从大里程至小里程穿越的地质大致可分为3 个段落：软土（粉质黏土、砂层、淤泥）824.5m、凝灰熔岩1 280.8m、软土及残积土80m。区间隧道两段为软土段，覆土较浅，隧道需下穿市政道路、居民房等，地面沉降控制高，适合选用土压平衡盾构；硬岩段下穿山体，主要为微风化熔结凝灰岩，饱和单轴抗压强度113～193.8MPa，对设备破岩能力要求高，适合采用TBM 硬岩掘进机。根据本区间的地质、环境条件及既往的工程经验，采用任何单一掘进模式的掘进机难以较好适应整个区间不同地质的施工要求，为此我司技术团队结合以往隧道掘进装备的设计和使用经验，在福建首创在软硬软地层使用土压/TBM 双模掘进机，用于提高盾构的地质适应性、设备掘进效率，加快施工工期进度。

2 双模盾构栽头原因分析

土压/TBM 双模掘进机在大里程段以土压模式始发，软土段由淤泥地层进入粉质黏土地层掘进至78 环时，尾盾出现上浮现象。项目部采取“勤纠偏、小纠偏”的原则，采取盾构切口向下的方式确保尾盾拟合设计轴线。设备掘进至310环时，隧道底所处的下部地层突变为粉细砂层，如图1、图2 所示。

图1 第310环地质图

图2 粉细砂渣样

通过对粉细砂渣样与粉质黏土的物理特性进行分析，了解粉细砂的地基承载力远小于粉质黏土，且具有液化的特性如表1 所示。

表1 粉细砂与粉质黏土主要物理特特性

因粉细砂的地基承载力较小且具有液化特性，双模盾构在进入该不良底层时呈现向下趋势，即切口-107mm，切口-20mm，尾盾26mm。为避免双模盾构姿态不可控，操作司机采取加大上下推进油缸的行程差等措施来防止盾构姿态进一步向下；但因操作司机经验有限，加上未能准确掌控双模盾构的性能特点，双模盾构向下栽头趋势未能有效遏制。截止至348 环，土压/TBM 双模盾构切口姿态已偏离设计轴线700mm，如图3、图4 所示。

图3 双模盾构上下分区压力差

图4 336～345环双模盾构姿态变化折线图

3 纠偏方案分析

土压/TBM 双模盾构在掘进至第304 环遇地层突变出现栽头现象至第348 环切口垂直姿态偏离设计轴向700mm，期间项目部多次组织召开盾构姿态预警会，采取在前盾底部注厚浆、底部推进油缸压力加大、底部推进油缸数量增加等措施，促使双模盾构姿态尽快恢复正常。从项目部采取的纠偏措施来看，基本上应用了所有纠偏措施，却不见效果。是否因为双模盾构中心靠前造成纠偏困难或者推进油缸纠偏力不能满足要求。经过对现场掘进数据分析，了解到项目现场有以下现象。

现象1：设备掘进过程中双模盾构盾尾间隙顶部30mm，底部123mm，左右均为40mm。

现象2：每环底部推进油缸比上部推进油缸多推进10mm。

现象3：在（346/347/348）三环前半环掘进有纠偏效果，但是后半环状态继续变差。盾构间隙变化如图5 所示。

图5 280～348环尾盾间隙变化情况

首先，从以上的3 个现象可以理清两个疑问。现象1 中的盾尾间隙变化可以反映出尾盾目前处于竖向弹性变形。尾盾顶部间隙为0（尾刷保护环高度约为35mm） 因此该变形为尾盾竖向受拉造成。从图6 的盾构纠偏力传递路径示意图中可以看出，底部推进油缸压力差在纠偏状态下有很大一部分转移至尾盾的下拉。底部推进力能造成尾盾竖向弹性形变，说明推进油缸有足够富裕的压力来“抬头”，完全可以克服前端自重问题。盾构掘进是通过后部推力和掌子面土压来平衡自重，因此，即使在砂层地层掘进，只要保持合适的土压即可规避盾构栽头的情况。

图6 盾构纠偏力传递路径示意图

其次，现象2 和现象3 充分说明当前纠偏措施有效。现象1 说明掘进过程中已经有足够的纠偏力在纠偏，现象2 反馈出底部油缸的超前伸出说明纠偏起到一定的效果。现象3 属于盾尾间隙过小限制了尾盾的下拉，影响盾构抬头。每环刚开始推进时，上部有一定的间隙（管片选型）。纠偏时切口上抬，尾盾下移，上部较小间隙很快消失，一旦间隙消失，尾盾无下移空间，纠偏效果也随之消失。

4 双模盾构纠偏建议

通过近期掘进情况及掘进方案分析，明确要减小盾构栽头趋势，就要解决就纠偏过程中的空间、纠偏力提供等问题，具体措施及建议如下。

1）选择合理的土压力，结合地层埋深计算和掘进情况建议土压力设定在2.3bar 左右为宜。土压过高会造成推进负担，消减纠偏推力。土压过低不能很好平衡盾构自重，造成盾构栽头，也会影响纠偏。掘进过程中开启超挖刀，保持上半部分超挖，为前盾上抬提供空间。

2）锁定主动铰接行程。推进前期调整好铰接角度，保持上下行程差在60～90mm。配合水平转弯，左右行程差可保持在40mm。纠偏过程中不要随意收放铰接，以免改变设备原有受力状态，导致纠偏措施失效。

3）继续保持上部油缸屏蔽，由中下部油缸提供推进，形成较好的纠偏力矩确保上部油缸无推进力。

4）加强管片选型。确保尾盾顶部间隙。如果连续上超造成油缸行程差过大，可通过下部加垫型钢工装等方式来调整。同时管片间可适当垫一定厚度的软木。底部加垫工装一定要可靠，设置防滑装置，避免弹出伤人。

5）纠偏过程中严格控制刀盘转速和推进速度。刀盘转速控制在0.5r/min，推进速度控制在20mm/min 以内。

6）纠偏推进时将管片拼装机移动到最后部，并提升一块标准管片作为配重，有利于设备抬头。

通过对双模盾构的自身特性分析，并坚持应用以上纠偏方案，该区间的双模盾构姿态逐步恢复正常。

5 结语

本文通过分析土压/TBM 双模盾构在福州地铁4 号线某区间掘进过程中遇地层突变出现盾构主机向下偏离设计轴线的现象；并根据土压/TBM 双模盾构的结构布置及功能的特点，对双模盾构在特殊地层纠偏方法的探讨，掌握双模盾构的纠偏方案，为该设备在广州、深圳等国内一线地区推广应用提供技术参考，给我国盾构施工建设带来一定的促进作用。