CN104632236B - Tbm‑epb双模式盾构在复合地层中的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构施工领域，具体涉及TBM‑EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法，依次包括下述步骤：（1）、地质勘查；（2）、盾构进场安装调试；（3）、盾构始发掘进；（4）、盾构掘进模式转换；（5）、正常掘进；（6）、依次重复步骤（4）和（5），直至施工完毕，吊出盾构。本申请的发明人，通过长期研究总结，将盾构掘进模式的转换设置在靠近交界面的硬岩地层中，由于硬岩地层本身具有较高的硬度和强度，并且具有良好的自稳性，也就是说，不需要对掘进掌子面进行带压支撑，也不会出去垮塌的问题，所以在进行掘进模式转换时不需要对掘进掌子面进行加固，在保证施工安全的前提下，直接减少人力物力的投入，而且还节约了工期。

Description

TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法

技术领域

本发明涉及盾构施工领域，具体涉及TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法。

背景技术

盾构是一种应用于隧道工程施工的大型机械设备，其集破岩、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。

在隧道施工中，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地层的EPB掘进模式。

在施工过程中，通过更换不同模式的盾构以实现在不同地层中的掘进，但是，由于在施工过程中更换不同模式的盾构，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。

所以，为了解决上述问题，TBM-EPB双模式盾构应运而生，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面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较传统更换不同掘进模式的盾构而言，不仅节省了大量的人力物力，而且还极大的缩短的施工工期。

但是，在目前采用TBM-EPB双模式盾构进行隧道施工中，依然存在着不足，在实际工程中，发明人发现，在TBM-EPB双模式盾构进行模式转换时，转换期间需要拆装输送机、中心回转接头、土压仓内刮泥板等部件，致使在转换期间，不能够对掘进掌子面进行带压支撑，而此处为软硬地层的交界面，其地质条件复杂，自稳性低，极易出现崩塌造成无法进行掘进模式的转换，严重时甚至导致安全事故，所以，目前的施工方法中，在进行掘进模式转换前，都需要对掘进掌子面进行加固，如此，也就延长了工期，增加了施工成本。

所以，目前亟需一种适用于TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前TBM-EPB双模式盾构在复合地层施工中，在进行掘进模式转换时，存在的需要对掘进掌子面进行加固而延长工期，增加施工成本的不足，提供一种能够节约工期，降低施工成本的TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法，包括下述步骤：

（1）、地质勘查：根据设计线路进行地质勘查，并提供软岩地层、硬岩地层及其交界面的位置数据；

（2）、盾构进场安装调试：根据步骤（1）所提供的数据，选择盾构始发掘进时所需要的掘进模式进行盾构的安装和调试；

（3）、盾构始发掘进：盾构由安装位置开始掘进施工；

（4）、盾构掘进模式转换：盾构的刀盘靠近软岩地层和硬岩地层的交界面时，根据不同情况进行如下转换：

（4a）、若此时盾构位于软岩地层内，则盾构继续掘进，直至盾构穿过软岩地层与硬岩地层的交界面，然后盾构再停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式；

（4b）、若盾构位于硬岩地层内，则盾构停机，掘进模式由TBM掘进模式转换为EPB掘进模式；

（5）、正常掘进：待步骤（4）中，盾构掘进模式转换完成后，重新启动盾构，进行正常的掘进工作；

（6）、依次重复步骤（4）和（5），直至施工完毕，吊出盾构。

在双模盾构的结构中，EPB掘进模式和TBM掘进模式转换时，须拆装螺旋输送机、中心回转接头、土压仓内刮泥板等设备，致使在掘进模式转换期间，不能够对掘进掌子面进行带压支撑，所以，必须先确保掘进掌子面有足够的稳定性； 另一方面，在目前的双模盾构施工中，掘进模式转换的位置都选择在理论上的最佳位置，即，位于软岩地层和硬岩地层的交界面处，而在此交界面处，岩层风化程度较大，自稳性极差，所以在目前的掘进模式转换前，必须先对掘进掌子面进行加固，然后再进行掘进模式的转换，所以也会带来施工成本的增加，以及工期的延长；而这一问题在软岩地层和硬岩地层交替出现的复合地层施工中尤为明显。基于上述，本申请的发明人，通过长期研究总结，将盾构掘进模式的转换设置在靠近交界面的硬岩地层中，由于硬岩地层本身具有较高的硬度和强度，并且具有良好的自稳性，也就是说，不需要对掘进掌子面进行带压支撑，也不会出去垮塌的问题，所以在进行掘进模式转换时不需要对掘进掌子面进行加固，在保证施工安全的前提下，直接减少人力物力的投入，而且还节约了工期。

在步骤（4a）中，当盾构位于软岩地层中时，当刀盘接近软岩地层与硬岩地层之间的交界面时，盾构并不停机，继续向前掘进，直至穿过交界面至硬岩地层内，虽然采用EPB模式进行掘进，会增加盾构刀具的磨损，掘进进度较慢，但是并不会出现安全事故，而且，其所增加的施工成本远小于对掘进掌子面进行加固支撑而带来的成本增加。

在步骤（4b）中，当盾构位于硬岩地层中时，当刀盘接近软岩地层与硬岩地层之间的交界面时，盾构停机，进行掘进模式的转换，同时也避免TBM掘进模式在软岩地层中掘进造成塌方等安全事故。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至盾构的整个土压仓完全穿过软岩地层与硬岩地层的交界面，进入到硬岩地层内，然后再停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式。在EPB掘进模式的盾构中，刀盘与承压隔板之间形成土压仓，土压仓圆周方向的边缘为敞开状态，在工作过程中，盾构的千斤顶的推力作用在承压隔板上，通过承压隔板传递到土压仓内的渣土上，在由渣土的压力作用于掌子面，以抵消掌子面处的土压，以此实现稳定状态；而TBM掘进模式的盾构中，由于其无需对掌子面施以压力保证稳定，所以在进行EPB掘进模式转换为TBM掘进模式时，需要将承压隔板拆除，所以，在本发明的方案中，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至盾构的整个土压仓完全穿过软岩地层与硬岩地层的交界面，进入到硬岩地层内，然后再停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式，即，土压仓位于自稳性较好的硬岩地层中，在盾构转换为TBM掘进模式过程中，以及转换后，保证掌子面不会由于压力撤销而出现垮塌，进而保证了实际施工过程中施工安全。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至整个盾构完全进入到硬岩地层内，然后再停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式。首先，在实际工程中，软岩地层与硬岩地层的交界面不会如理论交界面具有明确的界限，实际地层中，在交界面附近区域为软岩地层与硬岩地层的过渡区，在该区域内，地层的自稳性虽然较软岩地层的自稳性要好，但是自稳性依然不够好，所以，在本发明的方案中，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至整个盾构完全进入到硬岩地层内，然后再停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式。通过这样的方式，使盾构的土压仓离开交界面足够距离，首先是保证土压仓处的地层具有较好的自稳性，保证施工安全；另一方面，整个盾构完全穿过交界面，即使在土压仓处的地层的自稳性依然达不到要求，由于此时盾构整体对整个隧道具有足够强度的支撑，所以，即使在掌子面出现局部垮塌的现象，也不会对其他位置造成影响，而且这种局部垮塌也能够得到快速的清理，不会对工期造成耽误，所以，整个盾构完全穿过交界面再进行盾构掘进模式的转换，不仅进一步的保证了施工的安全，而且还能够在复杂地层中进行模式转换，也进一步的提高了施工效率。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至盾构完全进入到硬岩地层内，并且，盾构的后端距离软岩地层和硬岩地层交界面10～15米的距离，盾构再停机，再将盾构的掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式。本发明的发明人，通过长期的现场施工总结和研究，从安全施工角度和经济施工角度出发，创造性的提出10～15米的距离的安全距离，即，盾构的后端距离软岩地层和硬岩地层交界面10～15米，以此保证在进行掘进模式转换过程中，土压仓处的地层具有足够的自稳性，以此避免出现垮塌的危险，进一步保证了施工安全及其施工效率。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4b）中，若盾构位于硬岩地层内，所述盾构的刀盘与软岩地层和硬岩地层交界面之间的距离至少为10～15米。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，当盾构的刀盘穿过软岩地层与硬岩地层的交界面后，适当降低盾构的掘进速度，直至盾构停机进行掘进模式转换。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4b）中，在盾构的掘进模式转换完毕后，采用TBM掘进模式下的掘进速度，直至盾构的刀盘穿过硬岩地层和软岩地层的交界面，再提高其掘进速度。

本发明的技术方案中，由于掘进模式转换是在硬岩地层中进行的，所以，盾构在EPB掘进模式下都会对部分硬岩地层进行掘进施工，此时，适用于软岩地层的刀具对硬岩地层进行切割，若采用常规掘进速度，那么刀具将受到较大的冲击和磨损，严重时，甚至造成刀具变形或者断裂的危险，所以，适当降低掘进速度，以此减小刀具受到的冲击和磨损，保证施工的效率。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，在进行盾构的掘进模式转换前，先通过工期和施工成本进行核算，核算出硬岩地层的下限长度，再确定是否进行掘进模式的转换。当盾构有软岩地层准备进入硬岩地层时，此时，若不进行掘进模式转换，会导致如上述的问题存在，所以需要降低掘进速度，如此，会增加工期和施工成本；但是，在施工中，盾构掘进模式的转换本身需要一定的工期和一定的施工成本，所以，通过与不进行掘进模式转换的情况下所需的工期和施工成本进行比较，确定是否需要进行掘进模式的转换，以达到最优施工方案。

作为本发明的优选方案，所述步骤（4a）中，进行盾构掘进模式转换的硬岩地层的下限长度为100～150米。

计算如下：

盾构由软岩地层进入硬岩地层，需要先从EPB掘进模式转换到TBM掘进模式，硬岩地层段施工完成后，再从TBM掘进模式转换到EPB掘进模式：

按照实际施工数据：

一、从工期角度：

1、进行掘进模式转换：

平均掘进速度：8环/天，即，V=1.333cm/min；

两次掘进模式转换工期需要30天；

2、不进行掘进模式的转换，而一直使用EPB掘进模式进行掘进：

掘进速度按2.5环/天 ，即，V=0.417cm/min；

通过工期等效计算转换为下限长度X ：

30+X/(8×1.2)=X/(2.5×1.2)；

解得 X=130.91m；

二、从成本角度：

1、进行掘进模式转换：

两次掘进模式转换的成本：600000元；

泡沫：无；

电费：1000元/m；

设备增加：2000元/m

刀具费：0.8958万元/m （按每延米换0.342把刀计算）；

2、不进行掘进模式的转换，而一直使用EPB掘进模式进行掘进：

转换工费：无

泡沫：600元/m

电费：1500元/m

刀具费：1.4930万元（按每延米换0.57把刀计算）

通过费用等效计算转换为下限长度 ：

0.1X+0.2X+0.895X+60=1.4930X+0.15X+0.06X；

解得X=118.30m；

因此分别从工期和成本两个角度分析，得出模式转换中EPB转换到TBM的硬岩下限长度分别为130.91m和118.30m；综合各因素误差情况，转换下限长度取100～150米。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

在进行掘进模式转换时不需要对掘进掌子面进行加固，在保证施工安全的前提下，直接减少人力物力的投入，而且还节约了工期。

附图说明

图1为本发明的施工方案的步骤框图；

图2为盾构在掘进模式转换时的位置示意图；

图3为EPB掘进模式的盾构的结构示意图；

图4为TBM掘进模式的盾构的结构示意图，

图中标记：1-螺旋输送机，2-中心回转接头，3-土压仓，4-内刮泥板，5-承压隔板，6-掘进掌子面。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，盾构的始发掘进处的地层为软岩地层，在软岩地层后有160米长的硬岩地层，在硬岩地层后又为软岩地层，下述实施例为采用本发明的施工方法对其施工，具体方式如下：

（1）、地质勘查：根据设计线路进行地质勘查，得到如图2所示的软岩地层与硬岩地层位置数据，以及软岩地层与硬岩地层的交界面：A面和B面的位置数据，A面与B面之间距离为160米；

（2）、盾构进场安装调试：根据步骤（1）所提供的数据，选择软岩地层作为盾构始发掘进位置，并且在该位置进行盾构的安装和调试；

（3）、盾构始发掘进：盾构由软岩地层开始掘进施工，此时盾构的掘进模式为EPB掘进模式；

（4）、盾构掘进模式转换：先根据进行盾构掘进模式转换的硬岩地层的下限长度要求，决定是否进行从EPB掘进模式转换到TBM掘进模式，由于A面与B面之间距离为160米，大于下限长度要求，所以，决定进行从EPB掘进模式转换到TBM掘进模式；待盾构机完全穿过A面进入硬岩地层中，并且盾构的后端距离A面15米的距离时，盾构停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式；

（5）、正常掘进：待步骤（4）中，盾构掘进模式转换完成后，重新启动盾构，盾构在TBM掘进模式下进行硬岩地层的掘进工作；

（6）、当盾构在硬岩地层中掘进至刀片距离B面15米时，盾构停机进行掘进模式转换工作，盾构由TBM掘进模式转换为EPB掘进模式，然后在EPB掘进模式下进行掘进工作，直至盾构穿过B面，并完全贯通软岩地层，至掘进任务完成，吊出盾构。

本发明的施工方法：

在双模盾构的结构中，如图3和图4所示，EPB掘进模式和TBM掘进模式转换时，须拆装螺旋输送机1、中心回转接头2、土压仓3内刮泥板4和承压隔板5等装置，致使在掘进模式转换期间，不能够对掘进掌子面6进行带压支撑，所以，必须先确保掘进掌子面6有足够的稳定性； 另一方面，在目前的双模盾构施工中，掘进模式转换的位置都选择在理论上的最佳位置，即，位于软岩地层和硬岩地层的交界面处，而在此交界面处，岩层风化程度较大，自稳性极差，所以在目前的掘进模式转换前，必须先对掘进掌子面6进行加固，然后再进行掘进模式的转换，所以也会带来施工成本的增加，以及工期的延长；而这一问题在软岩地层和硬岩地层交替出现的复合地层施工中尤为明显。基于上述，本申请的发明人，通过长期研究总结，将盾构掘进模式的转换设置在硬岩地层中，即，至少土压仓3位于硬岩地层中，由于硬岩地层本身具有较高的硬度和强度，并且具有良好的自稳性，也就是说，不需要对掘进掌子面6进行带压支撑，也不会出去垮塌的问题，所以在进行掘进模式转换时不需要对掘进掌子面6进行加固，在保证施工安全的前提下，直接减少人力物力的投入，而且还节约了工期。

凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.TBM-EPB双模式盾构在复合地层中的施工方法，其特征在于，依次包括下述步骤：

（1）、地质勘查：根据设计线路进行地质勘查，并提供软岩地层、硬岩地层及其交界面的位置数据；

（2）、盾构进场安装调试：根据步骤（1）所提供的数据，选择盾构始发掘进时所需要的掘进模式进行盾构的安装和调试；

（3）、盾构始发掘进：盾构由安装位置开始掘进施工；

（4）、盾构掘进模式转换：盾构的刀盘靠近软岩地层和硬岩地层的交界面时，根据不同情况进行如下（4a）或者（4b）进行掘进模式的转换：

（4a）、若此时盾构位于软岩地层内，则盾构继续掘进，直至盾构的整个土压仓完全进入到硬岩地层内，然后盾构停机，掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式；

或者，若此时盾构位于软岩地层内，盾构继续掘进，直至盾构完全进入到硬岩地层内，并且，盾构的后端距离软岩地层和硬岩地层交界面10～15米的距离，盾构再停机，再将盾构的掘进模式由EPB掘进模式转换为TBM掘进模式；

在EPB掘进模式的盾构中，刀盘与承压隔板之间形成土压仓，土压仓圆周方向的边缘为敞开状态，在工作过程中，盾构的千斤顶的推力作用在承压隔板上，通过承压隔板传递到土压仓内的渣土上；

所述步骤（4a）中，当盾构的刀盘穿过软岩地层与硬岩地层的交界面后，适当降低盾构的掘进速度，直至盾构停机进行掘进模式转换；

（4b）、若此时盾构位于硬岩地层内，则盾构停机，掘进模式由TBM掘进模式转换为EPB掘进模式；

（5）、正常掘进：待步骤（4）中，盾构掘进模式转换完成后，重新启动盾构，进行正常的掘进工作；

（6）、依次重复步骤（4）和（5），直至施工完毕，吊出盾构。

2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于，所述步骤（4b）中，若盾构位于硬岩地层内，所述盾构的刀盘与软岩地层和硬岩地层交界面之间的距离至少为10～15米。

3.根据权利要求1或2任意一项所述的施工方法，其特征在于，所述步骤（4b）中，在盾构的掘进模式转换完毕后，采用TBM掘进模式下的掘进速度，直至盾构的刀盘穿过硬岩地层和软岩地层的交界面，再提高其掘进速度。

4.根据权利要求1或2任意一项所述的施工方法，其特征在于，所述步骤（4a）中，在进行盾构的掘进模式转换前，先通过工期和施工成本进行核算，核算出硬岩地层的下限长度，再确定是否进行掘进模式的转换。

5.根据权利要求4所述的施工方法，其特征在于，所述步骤（4a）中，进行盾构掘进模式转换的硬岩地层的下限长度为100～150米。