专家视点 | 复杂地质的解决方案——可变密度TBM的最新应用与发展趋势

小编语

可变密度TBM是一种集土压和泥水两种作业模式的特点于一身的多模式TBM，这种TBM可直接在隧道施工现场进行作业模式的转换。名字中的：“可变密度”，是指通过调节石灰岩粉与浆液混合物的稀薄程度（增加黏度）以在穿越多变地层时控制膨润土浆液的密度。

左侧为泥水模式，右侧为土压模式

低密度与高密度浆液之间的转换可以通过地表的注泥管直接注入浆液轻松实现。如果通过螺旋输送机输送变得困难，就将其泵入泥浆箱中，通过使用新制膨润土泥浆稀释后再通过常规方法泵出。

香港沙田-中环线中使用的可变密度TBM

可变密度TBM最大优势，是能够根据需要，在泥水平衡模式和土压平衡模式之间切换；同时，与这两种模式的原始版本相比，可变密度TBM在开挖舱介质的选择上更具灵活性。

目前的可变密度TBM 既可以在泥水模式下使用气压来控制工作面压力，也可以在土压模式下通过土压力计和螺旋输送机的排放量控制。 两种模式之间能够无缝切换，在模式转换期间依旧可以完全控制工作面压力，无需进舱。

可变密度TBM构造

这样的设计使得可变密度TBM面对从粗粒软土、到从松散硬岩、再到坚硬岩层的连续地质转变也能有效应对，并且在施工过程中无需进行机械改造和干预。

完整的可变密度TBM在机器内有两套出土系统(泥水管路和皮带输送机)，以应对泥水和土压两种模式。

两种出渣方式

最近，装备团队还开发了一种仅使用液压泥水管道进行渣土输送的可变密度TBM： 在这种设计下，设备内部配有一台粉碎机，可以直接安装在螺旋输送机后面，将渣土破碎成特定的尺寸，使其通过泥水管道运输。

采用这种配置时，当螺旋输送机闸阀关闭时，可以在常压条件下对粉碎机进行维护。同样，在泥水模式下，也不需要通过带压进舱维护粉碎机。封闭的泥浆箱负责处理液压泥浆管道中不同密度的膨润土，泥浆箱可以与破碎机相连，如果输送物质的密度对于泥水管道来说太高，可以将其稀释到合适的密度，以便在泥水管道中进行加压输送。

可变密度TBM的首次实地应用是在吉隆坡KV地铁1号线，而最具有代表性的工程之一则是于2021年完工的法国的里昂地铁B线延伸段——2.4 km的路线上，包含高渗透性的软土（高达 10m/s-2m/s），非均质砾石层和一段实心花岗岩。非均质的砾石层显示出复杂的力学性质，其中包含部分结晶基岩，其单轴抗压强度 (UCS) 高达 189 MPa。覆土厚度变化也很大，为9m-24m。隧道主要在地下水位以上施工。

里昂地铁B线路线图

项目承包商选择了一台直径为9.68m，设计工作压力在4bar的可变密度TBM，采用了新型“单泥水管道出土设计”，螺旋输送机从挖掘室中运出的出土，会在带有粉碎机的泥水箱被打磨和液化至一个合适的大小，然后通过泥水管道液压运输。粉碎机的位置可以在常压下进行定期维护工作，节约了相应的成本。

支护压力可以由气压控制系统控制，这保证了开挖过程中工作面的稳定性；设备专门为高密度支护介质（HDSM)准备了单独的供应线，可直接输送至开挖舱。

里昂地铁B线延长线TBM

实际施工中，在高渗透性地层和地面有高危建筑的地段，TBM采用高密度模式。在对实心花岗岩层进行开挖时，TBM采用了低密度模式，过程中出土的排出率良好，最大沉降控制在3mm。

团队目前正在构思新型的“紧密型螺旋机”设计，将整个初级输送系统，包括短螺旋机和泥水箱(带破碎机)都安装在前盾区。与长螺旋输送机的设计相比，这种设计更有利于高压环境中的应用。

 此外，团队正在研究更大直径的可变密度TBM。由于可变密度设计可以提供的更大的灵活性，大直径可变密度TBM可以大大提高施工中的人员安全，减少需要在高压条件下进行干预的次数。

小编语