1、1TBM/EPB 双模式可转换盾构施工工法中铁二局股份有限公司城通分公司1.前言随着盾构施工技术的不断发展，盾构机的种 类也越来越丰富，盾构机上采用的新技术、新工艺越来越多，其所能适应的地质条件也越来越复 杂。但是在 长距离高 强度岩层兼上软、下硬复合地层中穿越重要建（构）筑物的施工环境下，若采用 EPB&TBM 双模式盾构掘进施工，即能满足在高强度硬岩中掘进效率，又能保证在上软 、下硬复合地 层中穿越建（构）筑物的安全。中铁二局股份有限公司城通公司结合南京地铁机场线 TA01-1 标 1#风井禄口机场站区 间盾构隧道施工实践，开发出了“EPB&TBM 双模式可转换盾构施工工法”， 实现了安全
2、、经济地在复合地层中穿越建（构）筑物。本工法采用全国首创的隧道施工 EPB、TBM 双模式可切换设计，兼具土压平衡盾构机和全断面硬岩掘进机的优点，以适应在软土层、软岩层和全断面岩石层复合区 间的顺利掘进，可广泛应用于地铁隧道施工领域。2.工法特点1.盾构机可以根据不同的掘进地段进行模式转换图 2-1 EPB 模式盾构机 结构剖面图 图 2-2TBM 模式盾构机结构剖面图2.本工法盾构机为适应硬岩地段掘进，在机械性能配置 较 常规复合盾构机（参照盾构机为国内使用广泛的海瑞克）高。主要在刀具配置、刀盘转速和扭矩、盾构机推力等方面 进行加强配置。以确保在高强度硬岩段的掘进效率。下 图为两种刀盘设计平
3、面图对 比及主要加强参数对比表2图 2-3 常规复合盾构盾构机刀 盘平面图 图 2-4 双模式盾构机刀盘平面图盾构机类别 双模盾构 常规盾构总滚刀数（把） 41 36周边滚刀数（把） 13 7面板滚刀数（把） 28 29总刮刀数（把） 44 44周边刮刀（把） 28 36面板刮刀（把） 16 8刀具配置超挖刀（把） 1 1刀盘转 速(转/min) 3.5 2.5刀盘扭矩（kn*m） 7850 5600盾构机推力（t） 4000 3700表 2-1 盾构机设备配置比较参数表3. 在富水、 对地面沉降要求高的地层中掘进，不适应敞开式掘进的 TBM 模式，应换用封闭式掘进的 EPB 模式，本工法提供
4、了掘进摸式转换的具体方法。4盾构机在中盾设有四个脚撑，在换刀过程中，可利用脚撑向外伸出撑住岩壁，利用铰接将前盾及刀盘回拉一定距离，可大幅度降低换刀工作强度、 时间、风险。3.适用范围1.在盾构掘进区间，若硬岩强 度在 30MPA140MPA 的地层中段长有 120m 以上适用 TBM 模式掘进。 120m 以下硬岩段及对施工地面沉降要求高的软土地 层适用 EPB 模式掘进。2.为确保双模盾构在模式转换工况下的施工安全性。3.当盾构机从 EPB 模式转换到 TBM 模式时，盾构机须进入硬岩段长度为 2025m(盾构长度9.95m+安全距离 1015m)时 停机进行转换。图 3-1 EPB 模式转
5、换到 TBM 模式 转换位置示意图、当盾构机从 TBM 模式转换到 EPB 模式时，盾构机须距离硬岩段长度为 2025m(安全距离)时停机进行转换。图 3-2 TBM 模式转换到 EPB 模式 转换位置示意图4.工艺原理1.通过对盾构机刀盘、土仓隔板、拼装机平台等部位进行可切 换设计，实现了刀盘可安装软土刀具、硬岩刀具和刮刀板，土仓 隔板可安装中心回转装置、集土槽，拼装机平台可安装皮带机、螺旋机2025m4出土装置，使得盾构机在碰到不同地段的地层时可进行模式 转换，确保了盾构在不同地 层掘进对安全性和经济性的要求。5.施工工艺流程及操作要点5.1 模式转换工艺流程5图 5.1-1 模式转换流程
6、图5.2 模式转换操作步骤1.后方皮带机拆除后方皮带机为后方工作平台后方至后续设备车架之间的倾斜段的皮带机结构，拆除其的目的是清出机内皮带机的拆除通道和螺旋输送机的安装通道。后方皮带机结构如下图图 5.2-1 后方皮带机结构剖面图此段皮带机结构长度约 16 米，重量 约 4.8t，拆除时整体拆除。拆除前应先在本段皮带机结构两端各用 2 组 2t 的环链葫芦挂住，葫芦固定端挂在管片上。在确保所有葫芦固定牢固、拉紧后才可进行拆除作业。操作步骤如下：、先割断传送带，并将割断的传送带卷送至 1 号车架顶端；、拆除皮带机从动端（皮带机 进土端）支撑横梁；、从动端 2 只葫芦同时下放，将从动端放至电瓶车上
7、；、拆除倾斜段与车架顶端的水平段皮 带机的连接销轴；、连接端 2 只葫芦同时下放，将皮带机整体放至电瓶车上；后方皮带机台6、拆除的皮带机由电瓶车送出井口，并由行车吊出。拆除作业进行时，皮带机正下放不得有人逗留，葫芦操作人员不得站在皮带机上作业，必须在隧道内电瓶车两侧安全区域内手动操作葫芦。2.后方工作平台清理清理后方工作平台的目的是为保证后续模式转换相关部件的运输及拆除通道的畅通和保证作业人员的安全。后方工作平台结 构如下图：图 5.2-2 后方工作平台结构图操作步骤如下：、拼装平台移除；、拼装机电缆卷盘移除；、机内平台移除；、后方平台上所有管路拆除：后方工作平台的管路干扰机内皮 带机的拆除通
8、道和螺旋输送机的安装通道，因此需先拆除，拆除前必须在所有接口处做好标示，方便模式转换后期的管路恢复。、平台悬臂梁连接横梁移除；、机内电气柜移除。清理后体积较大的部件或结构件必须由电瓶车运至井口再吊出，以保证隧道内运输通道的畅通。后方工作平台73.机内皮带机移除机内皮带机总长约 12 米，重量 约 3.6t，拆除时整体拆除。机内皮带机布置见下图图 5.2-3 机内皮带机拆除前必须在皮带机两端各用 2 只 2t 环链葫芦吊装固定，在确定各吊点牢固后才可进行拆除作业。拆除步骤如下：、拆除后端（出土端）的花篮 螺丝；、拆除前端皮带机底部支撑法 兰的连接螺栓；、后端由 2 只葫芦同时作业 放下至电瓶车上
9、；、电瓶车缓慢移动，前端（进土端）2 只葫芦配合缓慢下放，将皮带机整体从机内抽出并下放至隧道内；、利用管片运输双梁上的电动 葫芦将皮带机整体吊运至 电瓶车上并送出井口。机内皮带机拆除时必须注意葫芦动作平稳缓慢，避免皮 带 机剧烈晃动造成人员伤害及破坏驱动电机水冷外壳。4.导土滑槽移除导土滑槽与土仓隔板为螺栓连接，在土 仓内为悬臂结构，拆除连接螺栓前必须先在土仓内做好固定措施，建议采用环链葫芦吊装固定。机内安装临时作业 平台，并在平台与隧道底部之间安装斜坡平台，方便作业人员进出通道以及 导土滑槽和刮板（后续从土 仓内拆除）的移出通道。拆除导土滑槽需涉及到土仓内作业，应保证舱内的通风，并在仓内设置
10、可靠的临时作业平台。仓内人员不可长时间作业，应每 2 小时换人一次。 导土滑槽布置 见下图机内皮带机8图 5.2-4 导土滑槽结构图5.土仓内刮板移除刮板与刀盘为螺栓连接，拆除螺栓前必 须固定好被拆除的刮板，防止刮板掉落伤人。人员进仓前必须保证仓内通风正常， 应急照明灯亮度足够 。设置的临时作业平台必须牢固可靠，紧急安全出口必须保持畅通。 仓内人员不可长时间作业， 应 每 2 小时换人一次。拆除后的刮板由环链葫芦从隔板中心的出口运出，运出过 程中必须保证葫芦动作平稳缓慢，防止晃动伤人及破坏驱动电机水冷外壳。土 仓内刮板布置见 下图导土滑槽9图 5.2-5 土仓内刮板结构图6.搅拌棒焊接、刀具更
11、换搅拌棒共 5 根，刀盘背面 3 根，土仓壁上 2 根，见下图。图 5.2-6 刀盘背面搅拌棒 图 5.2-7 土 仓壁上搅拌棒、刀盘背面的搅拌棒在安装前需先按安装 图纸切割安装孔，搅拌棒根部插入安装孔后再焊接固定。土仓壁上的搅拌棒安装前需按 图纸找出定位点，然后再焊接固定。焊接时需由熟练焊接工人按图纸要求施焊，以保证焊缝牢固可靠。、搅拌棒在土仓内由葫芦吊运定位 时，作 业人员必须确认 吊点焊接牢固可靠，吊带缠绕稳定可10靠后才可起吊。、搅拌棒焊接完成后，需将刀盘外周刮刀更换为适合土压 平衡模式下掘进的刀具，其它刀具可视磨损状况酌情更换。仓内作业人员不可长时间工作， 应每 2 小时更换人员一次
12、。7.安装中心回转接头中心回转接头安装步骤如下：、拆除土仓内管路分配盘螺栓孔 压条螺栓孔压条的主要作用是在 TBM 模式下保护分配盘安装螺栓孔不被土塞，因此在安装分配盘前需将其拆下。、安装仓内管路分配盘管路分配盘整体结构为圆形盘体，体 积较大，安装前需沿分割面将其拆成两块，再分别吊运至土仓内安装。安装时需保证盘体外周的管路接口与刀 盘扭腿内 预埋的管路接口正确对应。管路分配布置见下图图 5.2-8 管路分配盘、安装分配盘内各类软管；、安装机内螺旋机进口隔板；、安装机内中心回转节；中心回转节下图11图 5.2-9 中心回转装置8.舱内安装蔽塞解除搅拌棒管路分配盘及机内皮带机进口隔板安装后，土 仓
13、中心的人 员出口已完全封闭，作 业人员需从人行闸进入土仓。必须保证土仓 内的通风和人员进出梯子或通道安全可靠。9.安装螺旋输送机螺旋输送机总重约 23t，采用整体安装。隧道管片上不可设置承重吊点，必 须在后方平台悬臂梁上 设置吊装螺旋输送机的承重门架。管片上可设置螺旋机平移辅助吊点或稳定辅助吊点。螺旋机吊装方案如下：、拼装机平移油缸缩到底，提升油缸完全伸出，保证提升臂降至最低点；、安装吊装门架（见图 5.2-10）；中心回转装节蔽塞解除搅拌棒12图 5.2-10 安装吊装门架、螺旋机由电瓶车整体运输 ，前端尽可能多的送至机内（见图 5.2-11）；图 5.2-11 电瓶车运送螺旋输送机、螺旋机
14、起吊，电瓶车移出（见图 5.2 -12）。由起吊 门架上的 4 只 10t 的环链葫芦将螺旋机吊起，螺旋机上的起吊吊耳需按吊耳标准 VDLB198-88 以 10t 起吊能力制作，吊耳与螺旋机的焊接必须牢固可靠，确认所有葫芦可靠后方可起吊。13图 5.2-12 起吊螺旋输送机、安装辅助吊点及辅助葫芦，调整螺旋输送机高度、角度及水平位置（见图 5.2 -13）；图 5.2-13 调整螺旋输送机高度、角度及水平位置、螺旋机位置调整完成，定位准确后，前端螺杆滑入筒体，安装连接螺栓（见图 5.2 -14）；14图 5.2-14 螺旋输送机定位完成、完成螺旋机安装后，安装出土斗，后方拼装平台及机内平台恢
15、复（见图 5.2 -15）。图 5.2-15 安装出土斗，后方拼装平台及机内平台恢复螺旋输送机起吊安装过程中，螺旋机正下放不得有人员逗留，作业人员必须站在平台上操作环链葫芦，应保证动作平稳，防止螺旋机晃动伤人及破坏机内 设备。10.平台恢复螺旋机安装完成后，安装后方工作平台上的适合土压平衡模式下的拼装平台，恢复先前拆除的机内平台，安装后方平台悬臂梁之 间的连接横梁。11.后方皮带机复位15先前拆除的后方皮带机重新由电瓶车运至隧道内，由 2 只 2t 环链葫芦将其与车架顶部水平段皮带机的连接端提升到位后安装连接销轴。连接完成后由 2 只 2t 环链葫芦将从动端提升至螺旋机土斗下方，到位后安装从动
16、端的支撑横梁。起吊前必须确认葫芦吊点安全可靠后才可起吊，连接销轴 和支撑横梁确认安装完成后才可撤去起吊葫芦。起吊过程中葫芦操作人 员必须站在隧道内电瓶 车两侧的安全控件内作业，皮 带机上和皮带机正下方不得有人员逗留。后方皮带机主结构安装完成后将之前割断的传送带重新粘接复位，皮带机驱动通电调试。12.管路电路恢复、已经拆除的管路按事先做好的 标示重新连接；、中心回转接头上的所有管路配管 连接；、土仓壁上的所有加泥加水及泡沫管路 连接；、螺旋输送机所有液压管路 连接；、螺旋输送机加泥加泡管路 连接；、已拆除的机内电气柜恢复。13.调试、螺旋输送机动作及液压系 统调试；、中心回转接头所有管路调试 ；
17、、土仓壁上所有加泥加水及泡沫管路 调试。5.2 劳动力组织表 5.2-1 劳动力组织情况表序号 类别 人数 负责内容1 机械工程师 4 负责机械设备安装2 土木工程师 2 负责观察掌子面情况3 电气工程师 4 负责电气设备安装4 机修工 6 机械、电气 设备安装5 拼装班长 2 辅助机械、电 气设备安装6 辅助工 6 机械、电气 设备安装7 电机车司机 2 隧道内外做好水平运输8 门吊司机 2 井口垂直运输9 井上司索 2 井上协助门吊做好垂直运输10 井下司索 2 井下协助门吊做好垂直运输166.材料与设备本工法主要材料及设备见下表6.1 机械设备及材料表表 6.1-1 机械设备计划表序号
18、设备名称 单位 数量 备 注1 2t 手拉葫芦 台 8 2 1t 手拉葫芦 台 6 3 12mm 钢丝绳 根 现场定 4 12mm 钢丝绳 根 现场定 5 16mm 钢丝绳 根 现场定 6 直流弧焊机 台 2 配接 20m 龙头线；10m 搭地线7 氧气 瓶 现场定 配经标定的调节阀8 乙炔 瓶 现场定 配经标定的调节阀9 焊接龙头 把 2 400A 用10 炭弧气刨龙头 把 1 400A 用11 割炬 把 2 配 8、20m 长氧气；乙炔软管12 空压机 台 1 可能的话，使用盾 构用空压机13 风动扳手 台 1 5600Nm 用，配50；套筒14 风动扳手 台 1 1800Nm 用，配41
19、；36；30 套筒15 手动工具 套 2 扳手 类、螺丝批、钳类 、套装工具等16 电工胶带 若干 17 塑料袋 个 若干 18 电焊条 kg 现场定 4、519 脚手板 块 现场定 长 1500宽 300高 40）20 捆扎 钢丝 10 kg 20 21 液压软 管及接头 用栓、盖 个 现场定 实数22 捆扎塑料护套钢丝 卷 1 线 径 1.0mm223 脚手架角钢 6m 3 656524 脚手架扶手钢管 6m 6 11/2 英寸25 砂轮切割机 台 1 7.质量控制177.1 设备撤除质量保证措施1.对连接部分进行标识，防止再次装配 时出现误差。2.对电器部分线号、控制屏、电柜、电阻器等进
20、行标记，以免误装。3.吊装必须按规范。4.控制线路、电柜及电器元件注意防水、防潮保护。5.拆卸皮带机、螺旋机、符合要求，以免吊装变形。6.在拆卸中捆扎牢固，以免在吊卸中损坏设备部件。7.2 设备安装质量保证措施1.机械构件和电器线路、元件必 须按照设计图纸和撤除时标记 安装，以免 误装。2.螺栓连接构件必须按要求实行多次复紧。3.控制线路、电柜及电器元件安装前必 须检查防水、防潮情况，以免元件的 损坏。4.皮带机、螺旋机安装必须符合要求，要检查是否变形和损 坏。5.所有机械螺栓联接部位是否螺栓全部带上，必 须全部检查 到位。7.3 设备调试质量保证措施1.是否符合设计图样和有关技术文件的规定。
21、2.电气线路安装是否正确，操作件 动作是否正常。3.金属结构件的铆、焊接质量是否良好，结构件是否有足够 的强度和刚度。4.各安全装置是否按要求可靠工作，动作灵敏和准确。5.各机构中的机械传动件是否工作平稳和声音正常。6.电气设备在工作中的温升情况。7.各轴承处的温升是否正常。8.润滑的油路是否畅通。8.安全措施1.施工现场设置责任牌和警示牌，加 强各级责任性和安全意 识。施工人 员要提高安全意识，坚持“安全第一，预 防为主”的方针。2.加强安全生产责任制，贯彻 “谁为主， 谁负责”的原则，做到人人注意安全生产，保证生产节点的安全。3.各特种作业人员要持有效操作证上岗。184.在施工区域必须正确
22、戴好安全帽。二米以上登高作业，必须佩戴安全带正确使用。多人操作时，注意相互配合，统一指挥，做到“三不伤害”。吊运工作：严格遵守“十不吊”。、被吊物重量超过机械性能允 许范围；、信号不明；、吊物下方有人；、吊物上站人；、吊索具不符合规定；、斜拉、斜牵、斜吊；、散物捆扎不牢；、零散小物件无容器；、吊物重量不明；、现场环境不不符合规定。5.吊装前对需要吊索全面检查并涂色标。吊装 时注意观察施工 环境，注意避 让。不在“下风”操作。6.地下明火作业前需项目部安全主管审批二级动火证，地面动火需项目安环部审批三级动火证方能施作。施作前要清理场地，清除易燃易爆物品，设置消防器材。明火作业时应设有专人监管，特
23、别注意严防木质脚手板被切割火花碳化。明火作业后， 专人 检查施工工地，消除隐患。7.电气作业要根据相关规定，采用五 线制，第二 级增设防触 电开关，严禁无证操作。电工操作时，实行双人监护制。临时拖接高 压电缆，必 须通知安全员，采取保护措施。8.狭小部位要双人监护和交替操作。照明要用低 压或手电 筒。9.施工场地要做到工完料清、文明整 洁。9.环保措施9.1 环境保护目标在施工过程是全面运行 ISO4001 环境保护体系标准，系统地采用和实施一系列环境保护管理手段，预防和消除施工造成环境 污染，做到控制排 污、控制扬尘、降低噪音、减少大气污染，保护植被、保护水源、保护文物，创环境保护达标工地。
24、9.2 成立环境保护小组项目部将按照 ISO14001 环境管理体系标准要求建立以项目经理任组长的环境保护领导小组，19总工、安全总监及副经理为副 组长，相关部 门负责人为组员 的环保领导小组。施工作业队对应成立环境保护、水土保持实施小组，配备必要的环保设施和环保专业 人员。9.3 环保工作制度1、积极全面开展工作，加强施工现场环保工作的组织领导 ，成立以项目经理为首的，由技术、生产、材料、机械等部门组成的 环保工作领导小组， 设立兼职环保员一人。环境保护体系启动、运行。2、对上岗的施工人员实行环保达 标上岗前培训制度，做到凡是上岗人员均通过环保培训。3、现场建立环保义务监督岗制度，保证及时反
25、馈信息，对环保做得不周之处及时提出整正改方案，积极改进并完善环保措施。4、制定防止大气污染，防止水污染和防止施工噪声污染的具体制度。5、不定期组织工地的业务人员 学习国家及地方政府部门有关 环保的法令、法 规、条例，使每个人都了解文明工地的要求和内容。6、施工现场要经常采取多种形式的 环保宣传教育活动，施工队进场集体进行环保教育，不断提高职工的环保意识和法制观念，未通 过环保考核者，不得上岗。7、场建立环保义务监督岗制度，保证及时反馈信息，对环保做得不周之处及时提出整正改方案，积极改进并完善环保措施。8、实行奖罚、曝光制度。10.效益分析本工法因双模式盾构机代替了传统土压平衡盾构机，从而避免了
26、在复 杂地层特别是局部有较长距离硬岩段传统盾构机推进功率低、盾构机 损耗大、刀具 损 坏严重，施工成本高等缺点。但是在一个盾构区间里面如果硬岩段过短而采用此工法， 则体现不出本工法的效益，所以需要综合计算硬岩掘进长度最短距离。本工法施工同常规盾构掘进工序、配套 设套相同，基于此考虑，主要从工期角度和成本角度分析综合经济效益，确定本工程模式 转换中 EPB 转换到 TBM 的硬岩下限长度。（1）从工期角度分析以微风化岩层为例：如果使用 TBM 模式掘进（需要先从 EPB 转换到 TBM，再从 TBM 转换到 EPB）：掘进速度按 8 环/天计，即 ；cm/in3.120模式转换工期需要 30 天
27、（两次）；如果一直使用 EPB 掘进（不转换模式）：掘进速度按 2.5 环/天计，即 ；min/c417.0无模式转换工期。通过工期等效计算转换下限长度 ：2.15302.18解得 m91.30（2）从成本角度分析以微风化岩层为例：如果使用 TBM 模式掘进（需要先从 EPB 转换到 TBM，再从 TBM 转换到 EPB）： 转换工费：60 万（两次） 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）如果一直使用 EPB 掘进（不转换模式）： 转换工费：无 泡沫：600 元/m 电费：1500 元/m 刀具费：
28、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长度 ：06.15.493.60895.201. 解得 m3.18因此分别从工期效益和成本效益两个角度分析，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。21综合建议当盾构区间存在硬岩段长度在 150m 以上。推荐采用本工法进行施工。11.应用实例南京地铁机场线 TA01-1 标 1#风井禄口机场站区间隧道11.1 工程概况1#风井禄口机场站区间长 1999m，线路纵坡设计为“W”型坡，最大 纵坡 7.5，坡长 913m，最小竖曲线半径 R=3000m，隧道拱顶覆土 5
29、.6m19.4m。区间沿线地层复杂，软硬不均。在硬岩段有 173m 的微风化安山岩地层 ，强度在 141mpa 左右，中等强度岩层有 364m 的中风化安山岩地层，强度在 3082mpa 之间。此外 还需穿越禄口机场停机坪、滑行道处涉及的 370m 长距离复合地层。图 11.1-1 区间地质纵剖面图11.2 施工情况及实际效果（1）、1#工作井禄口机场站区 间 2 台 EPB&TBM 双模式盾构均以 TBM 模式始发，掘进长度100m,考虑继掘地层上方有大水塘，对盾构机进行了模式转换 。图 11.1-1 TBM 模式下掘进图 11.1-2 TBM 模式土仓刮板22图 11.1-3 TBM 模式机内皮带拆除 图 11.1-4 TBM 模式滑槽拆除图 11.1-5 EPB 模式中心回转配管 图 11.1-6 EPB 模式中心回转（2）、在中风化安山岩地层中，TBM 模式推进速度可达到 40mm。但 为了保护刀具，将速度控制在 25mm 左右。平均每天掘进 78 环（1.2m）图 11.2-1 TBM 模式下推进参数23图 11.2-2 盾构掘进刀盘掌子面 图 图 11.2-3 后期 联络通道施工时的岩层图
