劉東亮

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著國(guó)內(nèi)外基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采用盾構(gòu)法修建的隧道直徑、埋深更大，水土壓力更高，在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下采用大直徑盾構(gòu)修建隧道，相應(yīng)地也對(duì)盾構(gòu)技術(shù)要求更高，不斷引領(lǐng)隧道修建的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展創(chuàng)新。

1 超大直徑盾構(gòu)發(fā)展概況

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等隧道工程建設(shè)越來(lái)越多，隧道施工技術(shù)不斷發(fā)展，大斷面、跨江越海隧道工程不斷增加，如長(zhǎng)距離供水、水下交通、西氣東輸?shù)裙こ潭忌婕暗酱┰浇拥葟?fù)雜水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，采用盾構(gòu)法能夠更好、更經(jīng)濟(jì)、更安全地進(jìn)行隧道施工，因此盾構(gòu)施工技術(shù)隨著生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用得到了不斷完善和提高。最近的10～20年間，盾構(gòu)隧道直徑以及盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑被不斷刷新，盾構(gòu)隧道朝著超大直徑的方向邁進(jìn)。目前國(guó)內(nèi)將開(kāi)挖直徑超過(guò)13m的盾構(gòu)視為超大直徑盾構(gòu)，超大直徑盾構(gòu)技術(shù)在工程中得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但在穿越復(fù)雜地層掘進(jìn)施工時(shí)，仍面臨諸多難題。

超大直徑盾構(gòu)隧道一般應(yīng)用于公路或軌道交通合建項(xiàng)目，而近10年來(lái)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展及交通需求量的增長(zhǎng)，13m及以上直徑越來(lái)越多。表1是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外直徑13m以上盾構(gòu)施工項(xiàng)目。

2 超大直徑盾構(gòu)新技術(shù)應(yīng)用

2.1 常壓刀盤(pán)換刀技術(shù)

我國(guó)幅員遼闊，隧道穿越的地質(zhì)復(fù)雜多變，典型地質(zhì)如華南地區(qū)，存在上軟下硬、全斷面高強(qiáng)度硬巖、風(fēng)化巖包含孤石或飄石、地下水位高、泥水壓力大等不利于作業(yè)的情況。在進(jìn)行刀盤(pán)刀具的檢查和刀具更換作業(yè)時(shí)，帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)較長(zhǎng)。即使采用飽和潛水作業(yè)，進(jìn)倉(cāng)作業(yè)準(zhǔn)備也需要很長(zhǎng)時(shí)間，而且地面上需要配置大量的輔助設(shè)備。按照GB/T12521-2008《空氣潛水減壓技術(shù)要求》，在潛水36m以上、同樣水下作業(yè)時(shí)間的前提下，隨潛水深度的增加，作業(yè)效率逐步降低。壓縮空氣帶壓方式作業(yè)效率見(jiàn)表2。

圖1 常壓換刀刀盤(pán)

為了控制和減小帶壓進(jìn)倉(cāng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，確保刀具檢查和更換過(guò)程中的安全，減少停機(jī)時(shí)間，提高刀具更換效率，各盾構(gòu)制造商為泥水盾構(gòu)研發(fā)了常壓換刀刀盤(pán)，使刀具的檢查和更換在常壓下進(jìn)行。1997年，海瑞克公司在德國(guó)漢堡易北河第4隧道首次進(jìn)行應(yīng)用嘗試，國(guó)內(nèi)如上海崇明長(zhǎng)江隧道、南京地鐵緯七路、緯三路長(zhǎng)江隧道、武漢地鐵7號(hào)線(xiàn)三陽(yáng)路隧道、武漢地鐵8號(hào)線(xiàn)過(guò)江段、佛莞城際新獅子洋隧道、汕頭蘇埃通道以及國(guó)外土耳其伊斯坦布爾海峽隧道盾構(gòu)，均采用常壓刀盤(pán)換刀。常壓刀盤(pán)是把刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成類(lèi)似人閘的結(jié)構(gòu)形式，工作人員可以在刀盤(pán)內(nèi)常壓下更換滾刀和部分切刀。海瑞克公司在伊斯坦布爾海峽公路隧道項(xiàng)目取得了成功經(jīng)驗(yàn)，每把滾刀可在3～4h內(nèi)完成更換（見(jiàn)圖1）。

表1 近年來(lái)國(guó)內(nèi)外直徑13m以上盾構(gòu)施工項(xiàng)目

表2 壓縮空氣帶壓方式作業(yè)效率

圖2 可更換滾刀結(jié)構(gòu)

可更換滾刀結(jié)構(gòu)如圖2，利用刀座油缸緩慢拉出刀座至安全螺母處，然后關(guān)閉閘門(mén)，打開(kāi)球閥1排出壓力后關(guān)閉，將刀具裝置抽出進(jìn)行刀具更換，然后按作業(yè)程序進(jìn)行安裝。

2.2 刀具檢測(cè)技術(shù)

隨著電子科技的飛速發(fā)展，為了更好的對(duì)刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，海瑞克和中鐵裝備公司已開(kāi)發(fā)出針對(duì)常壓刀盤(pán)刀具磨損自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Φ毒咿D(zhuǎn)動(dòng)、溫度、磨損量進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)安裝在刀箱上的電渦流傳感器和磁開(kāi)關(guān)傳感器分別測(cè)量滾刀實(shí)際磨損量、滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)及溫度。在刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心處放置有傳感器集線(xiàn)器，負(fù)責(zé)向傳感器供電，并將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為通訊信號(hào)，集線(xiàn)器電源及通訊總線(xiàn)通過(guò)電滑環(huán)和盾構(gòu)控制系統(tǒng)相連（見(jiàn)圖3）。

圖3 刀具檢測(cè)傳感器布置圖

圖4 上位機(jī)軟件界面示意圖

圖5 刀盤(pán)伸縮和擺動(dòng)示意圖

傳感器信號(hào)通過(guò)位于刀筒端蓋上的高承壓電連接器傳輸至固定在刀筒外部的節(jié)點(diǎn)模塊，該節(jié)點(diǎn)模塊將實(shí)現(xiàn)傳感器供電、信號(hào)的采集和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸。針對(duì)滾刀狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，能夠與中繼路由模塊實(shí)時(shí)通信，獲得每把被測(cè)滾刀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便盾構(gòu)司機(jī)隨時(shí)查看。同時(shí)，可以通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置例如數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔等（見(jiàn)圖4）。

2.3 刀盤(pán)擺動(dòng)和伸縮擺動(dòng)技術(shù)

為有效解決刀盤(pán)刀具尤其是邊緣滾刀的更換，以及解決刀盤(pán)卡死脫困問(wèn)題，刀盤(pán)主驅(qū)動(dòng)軸承采用球鉸結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)前后伸縮和上下左右擺動(dòng)，一方面實(shí)現(xiàn)超挖滿(mǎn)足新刀具更換時(shí)的更換空間，大幅縮短刀具更換時(shí)間；另一方面可以在刀盤(pán)卡死時(shí)，通過(guò)縮回來(lái)脫離卡死的困境，遇孤石或刀盤(pán)卡住時(shí)可縮回，解決了突遇刀盤(pán)卡住時(shí)的難題。在南京緯三路工程在283環(huán)起穿越近百米的枯木施工時(shí)，有效地解決了樹(shù)木區(qū)域、泥巖區(qū)域刀盤(pán)卡住無(wú)法施工的難題（見(jiàn)圖5）。

圖6 刀盤(pán)冷凍系統(tǒng)原理示意圖

圖7 SSP系統(tǒng)測(cè)量原理

2.4 冷凍刀盤(pán)

盾構(gòu)在沙層、淤泥層、斷層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)，一旦挖掘到建筑物下面進(jìn)行刀盤(pán)維護(hù)和掘進(jìn)時(shí)，需要采取特殊的加固措施，否則很可能出現(xiàn)地面坍塌，發(fā)生重大事故。盾構(gòu)機(jī)上搭載的冷凍刀盤(pán)技術(shù)將冷凍工法與盾構(gòu)設(shè)備融為一體，中鐵華隧創(chuàng)新研制的世界首臺(tái)具有冷凍刀盤(pán)的盾構(gòu)于2017年10月成功下線(xiàn)。

冷凍刀盤(pán)技術(shù)將冷凍工法與盾構(gòu)設(shè)備融為一體，在刀盤(pán)周?chē)纬伞皟鼋Y(jié)圓盤(pán)”，充分隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，如同創(chuàng)造一道凍土屏障。盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)在凍土屏障的保護(hù)下進(jìn)行，提高了盾構(gòu)施工的安全可靠性。該技術(shù)能有效解決盾構(gòu)下穿建筑物、鐵路、管線(xiàn)、江河湖海等特殊地段沉降控制的施工難題，擴(kuò)展了盾構(gòu)的使用范圍。刀盤(pán)冷凍系統(tǒng)原理見(jiàn)圖6。

2.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，對(duì)于孤石的探測(cè)和處理一直都是盾構(gòu)施工的難題。為了有效探測(cè)孤石等障礙物，在泥水盾構(gòu)上采用軟土聲波探測(cè)和隧道三維地震波法超前探測(cè)。其中海瑞克公司采用SSP軟土聲波探測(cè)器進(jìn)行超前探測(cè)，可實(shí)現(xiàn)探測(cè)距離40m范圍內(nèi)，不同地質(zhì)密度形成反差界面來(lái)判斷地質(zhì)變化，尤其是地層中存在的孤石。該系統(tǒng)在德國(guó)萊比錫城市隧道、科隆地鐵西線(xiàn)泥水盾構(gòu)等項(xiàng)目上使用。

SSP探測(cè)是一種物質(zhì)探測(cè)方法，發(fā)射單元和接收單元直接安裝在刀盤(pán)上，特殊編碼的聲波傳輸信號(hào)在掘進(jìn)過(guò)程中由SSP發(fā)射器自刀盤(pán)通過(guò)支撐介質(zhì)發(fā)射至前方土體，通過(guò)連續(xù)、快速地分析測(cè)得聲波傳輸時(shí)間，換算出反射區(qū)域的幾何位置（見(jiàn)圖7）。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)14m以上超大直徑盾構(gòu)數(shù)量越來(lái)越多，超大規(guī)模隧道工程的建設(shè)推動(dòng)了新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的引進(jìn)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道在大直徑、大深度、長(zhǎng)距離和復(fù)雜地層掘進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。多條超大直徑隧道工程的成功建成，標(biāo)志著我國(guó)在超大直徑隧道建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，超大直徑的城市道路隧道采用雙層結(jié)構(gòu)因斷面利用率高而成為發(fā)展方向。因此，盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)從施工、研發(fā)、設(shè)計(jì)一體化道路上協(xié)作推進(jìn)，總結(jié)國(guó)內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)技術(shù)，引領(lǐng)隧道施工重大裝備的技術(shù)發(fā)展。

［1］ 郭衛(wèi)社, 梁奎生, 游永鋒. 越海盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2015.

［2］ 郭陜?cè)? 萬(wàn)姜林. 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在我國(guó)隧道及地下工程中的應(yīng)用與發(fā)展——中鐵隧道集團(tuán)2004年科技大會(huì)論文集[C].2004.

［3］ 洪開(kāi)榮. 高速鐵路特長(zhǎng)水下鐵路盾構(gòu)隧道施工技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社, 2013.