賴(lài)偉龍

（中鐵華隧聯(lián)合重型裝備有限公司，廣東 順德 528300）

在隧道施工中，針對(duì)隧道的不同作用及要求，設(shè)計(jì)盾構(gòu)的刀盤(pán)開(kāi)挖斷面直徑。當(dāng)前盾構(gòu)的設(shè)計(jì)，刀盤(pán)開(kāi)挖斷面直徑在3～18m 區(qū)間范圍內(nèi)。

在當(dāng)前的隧道施工中，雙模式盾構(gòu)的設(shè)計(jì)已能更好地適應(yīng)較多地質(zhì)情況不同的地層。但現(xiàn)如今隨著盾構(gòu)的發(fā)展，以及隧道地質(zhì)情況復(fù)雜多變，雙模式盾構(gòu)已不能完全滿(mǎn)足一些隧道的施工要求。在實(shí)際施工時(shí)，在同一施工區(qū)間地質(zhì)情況復(fù)雜多變，同時(shí)存在上軟下硬、卵石、粘土、淤泥、全斷面硬巖等復(fù)雜多變的地層。當(dāng)前雙模式盾構(gòu)在多種地質(zhì)情況隧道區(qū)間施工，存在施工風(fēng)險(xiǎn)高、施工效率低下、施工成本高、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。要解決以上問(wèn)題，提高盾構(gòu)的適用范圍，有必要開(kāi)展土壓、泥水、TBM 3 種模式集成于一體的研究與設(shè)計(jì)。

把3 種模式盾構(gòu)設(shè)計(jì)集成于一體，首先，我們需要區(qū)分3 種模式盾構(gòu)的主要區(qū)別。土壓平衡模式盾構(gòu)以螺旋輸送機(jī)配合皮帶機(jī)出渣為直觀上的區(qū)別；泥水平衡模式盾構(gòu)以全封閉式管路出渣為直觀上的區(qū)別；TBM 為面板式刀盤(pán)、皮帶機(jī)出渣、安裝有盾體穩(wěn)定器為直觀上的區(qū)別。

如何把3 種掘進(jìn)模式集成于一體，成為1 臺(tái)全新模式的盾構(gòu)，首先需要考慮的為盾體內(nèi)的空間布置問(wèn)題。在現(xiàn)有盾構(gòu)設(shè)計(jì)中，雙模式盾構(gòu)所能達(dá)到的最小開(kāi)挖斷面直徑為4 級(jí)別。此時(shí)盾體內(nèi)整體空間布置已非常緊湊，若在此基礎(chǔ)上再集成一種模式，盾體內(nèi)已無(wú)多余的空間布置。因此，現(xiàn)階段可考慮在開(kāi)挖斷面直徑在6m 級(jí)別盾構(gòu)上集成土壓、泥水、TBM 3 種模式。

三模式盾構(gòu)之一的TBM 模式。盾構(gòu)要適應(yīng)TBM 模式下的全斷面硬巖掘進(jìn)，刀盤(pán)的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需加強(qiáng)，常規(guī)TBM 刀盤(pán)設(shè)計(jì)為面板式，強(qiáng)度比普通盾構(gòu)刀盤(pán)高，可承受更大的載荷。因此，三模式盾構(gòu)設(shè)計(jì)的刀盤(pán)，強(qiáng)度不僅需保證在TBM模式下全斷面硬巖的高速掘進(jìn)，同時(shí)，還需保留較大的開(kāi)口率，以適合土壓平衡及泥水平衡掘進(jìn)模式。

此外，6m 級(jí)別盾構(gòu)由于直徑較大，在TBM模式掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)亦大。因此，需要在盾體布置穩(wěn)定器。在TBM 模式下的高速掘進(jìn)時(shí)，穩(wěn)定器伸出，支撐在洞壁上，以減少盾體的震動(dòng)。現(xiàn)設(shè)計(jì)為前盾頂部的左右兩側(cè)及中部偏上位置左右兩側(cè)共布置4 個(gè)穩(wěn)定器。中盾在頂部左右兩側(cè)布置2 個(gè)穩(wěn)定器，以實(shí)現(xiàn)在TBM 模式下高速掘進(jìn)時(shí)可減少盾體的震動(dòng)。

前盾和中盾，共布置6 個(gè)盾體穩(wěn)定器，穩(wěn)定器整體結(jié)構(gòu)體積較大，在盾體內(nèi)占用的空間較多。如圖1 所示，為盾體穩(wěn)定器在盾體內(nèi)的安裝位置。

圖1 前盾、中盾穩(wěn)定器安裝位置

1 盾體穩(wěn)定器的設(shè)計(jì)

常規(guī)TBM 出渣方式為采用皮帶機(jī)直接穿過(guò)盾體及主驅(qū)動(dòng)伸到土倉(cāng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)出渣。三模式盾構(gòu)由于空間的局限性，且需綜合考慮土壓平衡及泥水平衡模式下的掘進(jìn)。因此，該三模式盾構(gòu)的TBM 模式出渣改變了傳統(tǒng)模式設(shè)計(jì)的采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式，設(shè)計(jì)為與泥水平衡模式共用泥漿管路，采用泥漿循環(huán)帶出碎巖的出渣方式，以能減少若設(shè)計(jì)為采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式所占用較多盾體內(nèi)的空間。

為能達(dá)到TBM 模式下的高速掘進(jìn)，該三模式盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)的整體尺寸及驅(qū)動(dòng)電機(jī)比同級(jí)別的雙模式盾構(gòu)要大，占用盾體內(nèi)的空間多。主驅(qū)動(dòng)在盾體內(nèi)安裝占用空間如圖2 所示。

圖2 主驅(qū)動(dòng)安裝占用空間示意圖

2 主驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

三模式盾構(gòu)之二的土壓平衡模式。土壓平衡模式在盾體內(nèi)的部件安裝與同級(jí)別單一模式的土壓平衡模式盾構(gòu)相同。與另兩種模式相比，主要為出渣方式所采用的螺旋輸送機(jī)的安裝。螺旋輸送機(jī)整體尺寸長(zhǎng)，安裝空間從前盾一直延伸至后配套的設(shè)備橋處，如圖3 所示。

圖3 螺旋輸送機(jī)在盾體內(nèi)占用空間示意圖

3 螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)

土壓平衡模式，螺旋輸送機(jī)安裝固定主要通過(guò)前端的法蘭，采用螺栓與前盾的螺旋輸送機(jī)座子連接固定。由于螺旋輸送機(jī)長(zhǎng)度較長(zhǎng)且重，還需通過(guò)在螺旋輸送機(jī)中部安裝兩根拉桿連接到主驅(qū)動(dòng)位置進(jìn)行固定。拉桿的安裝，從中盾中線尾部空間至前盾主驅(qū)動(dòng)面，占用了盾體內(nèi)中心較多的空間位置，給泥水平衡模式的泥漿管路布置設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)性。

三模式盾構(gòu)之三的泥水平衡模式。泥水平衡模式的設(shè)計(jì)為了能提高操控的穩(wěn)定性，前盾設(shè)計(jì)為氣墊倉(cāng)結(jié)構(gòu)。通過(guò)氣墊倉(cāng)操作泥水模式掘進(jìn)，可更好地穩(wěn)定土倉(cāng)內(nèi)壓力，提高了施工效率和安全性。但由此盾體內(nèi)所占用的空間比泥漿直排式占用的要多，相關(guān)的進(jìn)漿、排漿、控制管路錯(cuò)綜復(fù)雜。

密集布置的管路將盾體內(nèi)大部分的空間所占用，且需考慮與土壓平衡模式的螺旋輸送機(jī)互不干涉。盾體內(nèi)泥水平衡模式管路占用空間如圖4所示。

圖4 泥水平衡模式管路在盾體內(nèi)占用空間示意圖

4 泥漿管路總成

三模式盾構(gòu)的3 種模式主要結(jié)構(gòu)件占據(jù)了盾體內(nèi)2/3 以上空間。此外，還需安裝機(jī)械系統(tǒng)、流體系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)其余的零部件以及管路、電纜。各系統(tǒng)所有零部件安裝完成后，盾體內(nèi)空間相當(dāng)緊湊，特別是盾體下部，管線錯(cuò)綜復(fù)雜，人員很難進(jìn)入到盾體內(nèi)底部進(jìn)行檢查。3種模式盾體內(nèi)零部件安裝完成后如圖5 所示，盾體底部空間如圖6 所示。

圖5 三模式盾構(gòu)主機(jī)示意圖

圖6 盾體底部空間照片

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，三模式盾構(gòu)設(shè)計(jì)，既要保證三種模式的所有系統(tǒng)部件有安裝位置且互不干擾，同時(shí)需考慮維修保養(yǎng)空間?；诋?dāng)前設(shè)計(jì)能力，三模式盾構(gòu)設(shè)計(jì)所能達(dá)到的最小開(kāi)挖斷面直徑為6m級(jí)別。