三模式盾构所能达到最小断面的设计研究

2022-01-29赖伟龙

建筑机械化 2022年1期

赖伟龙

（中铁华隧联合重型装备有限公司，广东顺德 528300）

在隧道施工中，针对隧道的不同作用及要求，设计盾构的刀盘开挖断面直径。当前盾构的设计，刀盘开挖断面直径在3～18m 区间范围内。

在当前的隧道施工中，双模式盾构的设计已能更好地适应较多地质情况不同的地层。但现如今随着盾构的发展，以及隧道地质情况复杂多变，双模式盾构已不能完全满足一些隧道的施工要求。在实际施工时，在同一施工区间地质情况复杂多变，同时存在上软下硬、卵石、粘土、淤泥、全断面硬岩等复杂多变的地层。当前双模式盾构在多种地质情况隧道区间施工，存在施工风险高、施工效率低下、施工成本高、工人劳动强度大等问题。要解决以上问题，提高盾构的适用范围，有必要开展土压、泥水、TBM 3 种模式集成于一体的研究与设计。

把3 种模式盾构设计集成于一体，首先，我们需要区分3 种模式盾构的主要区别。土压平衡模式盾构以螺旋输送机配合皮带机出渣为直观上的区别；泥水平衡模式盾构以全封闭式管路出渣为直观上的区别；TBM 为面板式刀盘、皮带机出渣、安装有盾体稳定器为直观上的区别。

如何把3 种掘进模式集成于一体，成为1 台全新模式的盾构，首先需要考虑的为盾体内的空间布置问题。在现有盾构设计中，双模式盾构所能达到的最小开挖断面直径为4 级别。此时盾体内整体空间布置已非常紧凑，若在此基础上再集成一种模式，盾体内已无多余的空间布置。因此，现阶段可考虑在开挖断面直径在6m 级别盾构上集成土压、泥水、TBM 3 种模式。

三模式盾构之一的TBM 模式。盾构要适应TBM 模式下的全断面硬岩掘进，刀盘的整体结构强度需加强，常规TBM 刀盘设计为面板式，强度比普通盾构刀盘高，可承受更大的载荷。因此，三模式盾构设计的刀盘，强度不仅需保证在TBM模式下全断面硬岩的高速掘进，同时，还需保留较大的开口率，以适合土压平衡及泥水平衡掘进模式。

此外，6m 级别盾构由于直径较大，在TBM模式掘进时产生的震动亦大。因此，需要在盾体布置稳定器。在TBM 模式下的高速掘进时，稳定器伸出，支撑在洞壁上，以减少盾体的震动。现设计为前盾顶部的左右两侧及中部偏上位置左右两侧共布置4 个稳定器。中盾在顶部左右两侧布置2 个稳定器，以实现在TBM 模式下高速掘进时可减少盾体的震动。

前盾和中盾，共布置6 个盾体稳定器，稳定器整体结构体积较大，在盾体内占用的空间较多。如图1 所示，为盾体稳定器在盾体内的安装位置。

图1 前盾、中盾稳定器安装位置

1 盾体稳定器的设计

常规TBM 出渣方式为采用皮带机直接穿过盾体及主驱动伸到土仓内实现连续出渣。三模式盾构由于空间的局限性，且需综合考虑土压平衡及泥水平衡模式下的掘进。因此，该三模式盾构的TBM 模式出渣改变了传统模式设计的采用连续皮带机出渣方式，设计为与泥水平衡模式共用泥浆管路，采用泥浆循环带出碎岩的出渣方式，以能减少若设计为采用连续皮带机出渣方式所占用较多盾体内的空间。

为能达到TBM 模式下的高速掘进，该三模式盾构主驱动的整体尺寸及驱动电机比同级别的双模式盾构要大，占用盾体内的空间多。主驱动在盾体内安装占用空间如图2 所示。

图2 主驱动安装占用空间示意图

2 主驱动设计

三模式盾构之二的土压平衡模式。土压平衡模式在盾体内的部件安装与同级别单一模式的土压平衡模式盾构相同。与另两种模式相比，主要为出渣方式所采用的螺旋输送机的安装。螺旋输送机整体尺寸长，安装空间从前盾一直延伸至后配套的设备桥处，如图3 所示。

图3 螺旋输送机在盾体内占用空间示意图

3 螺旋输送机设计

土压平衡模式，螺旋输送机安装固定主要通过前端的法兰，采用螺栓与前盾的螺旋输送机座子连接固定。由于螺旋输送机长度较长且重，还需通过在螺旋输送机中部安装两根拉杆连接到主驱动位置进行固定。拉杆的安装，从中盾中线尾部空间至前盾主驱动面，占用了盾体内中心较多的空间位置，给泥水平衡模式的泥浆管路布置设计带来了极大的挑战性。

三模式盾构之三的泥水平衡模式。泥水平衡模式的设计为了能提高操控的稳定性，前盾设计为气垫仓结构。通过气垫仓操作泥水模式掘进，可更好地稳定土仓内压力，提高了施工效率和安全性。但由此盾体内所占用的空间比泥浆直排式占用的要多，相关的进浆、排浆、控制管路错综复杂。

密集布置的管路将盾体内大部分的空间所占用，且需考虑与土压平衡模式的螺旋输送机互不干涉。盾体内泥水平衡模式管路占用空间如图4所示。

图4 泥水平衡模式管路在盾体内占用空间示意图

4 泥浆管路总成

三模式盾构的3 种模式主要结构件占据了盾体内2/3 以上空间。此外，还需安装机械系统、流体系统、液压系统、电气系统其余的零部件以及管路、电缆。各系统所有零部件安装完成后，盾体内空间相当紧凑，特别是盾体下部，管线错综复杂，人员很难进入到盾体内底部进行检查。3种模式盾体内零部件安装完成后如图5 所示，盾体底部空间如图6 所示。