雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)探討

張寧川，李 光

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南鄭州 450016)

0 引言

國內(nèi)區(qū)域貿(mào)易的自由化流通，要求建設(shè)快速的流通通道，鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)具有重要的戰(zhàn)略意義，掘進(jìn)機(jī)在全世界的隧道建設(shè)中起到了舉足輕重的作用［1］。國內(nèi)城市化的發(fā)展，要求城市具有快捷、環(huán)保、便利、舒適的公共軌道交通，我國地鐵與輕軌建設(shè)剛進(jìn)入一個(gè)全面發(fā)展的階段，需要大量的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備［2］。在具有世界地質(zhì)博物館之稱的中國，地質(zhì)種類繁多，如何利用高性價(jià)比的配套隧道掘進(jìn)機(jī)完成不同地質(zhì)工程項(xiàng)目建設(shè)的問題隨之產(chǎn)生?，F(xiàn)階段常規(guī)類型的掘進(jìn)機(jī)都是針對特定地質(zhì)條件進(jìn)行相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)，如土壓平衡盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)以及硬巖TBM等，它們都被視為單一模式的掘進(jìn)機(jī)。從整機(jī)的結(jié)構(gòu)形式來看，不同模式的掘進(jìn)機(jī)實(shí)際上多具有相同的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)，如果這些結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)可以很方便地更換，不但能有效解決掘進(jìn)機(jī)的地質(zhì)適應(yīng)性問題，也會(huì)大大節(jié)省設(shè)備成本和社會(huì)資源。通過更換部分系統(tǒng)配置，從而適應(yīng)多種地質(zhì)開挖的掘進(jìn)機(jī)被稱為雙模式掘進(jìn)機(jī)。目前雙模式掘進(jìn)機(jī)研究的主要方向僅是TBM模式(硬巖掘進(jìn)模式)和EPB模式(土壓平衡掘進(jìn)模式)的組合［3］，但實(shí)際應(yīng)用得很少。本文簡述多種雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)理念，并對其主要結(jié)構(gòu)及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 單一模式的掘進(jìn)機(jī)

1.1 土壓平衡盾構(gòu)

城市地下隧道穿越的地層多為陸地表層，由淤積洪積沖積等沉積層及強(qiáng)風(fēng)化的巖層組成，該類地層由于不能自穩(wěn)，且地表多有構(gòu)筑物，不允許有較大的地表沉降，一般多選用土壓平衡盾構(gòu)開挖。開挖下來的土料在土倉中與隧道工作面的壓力保持平衡，起到穩(wěn)定隧道工作面的作用，以避免地表沉降給構(gòu)筑物造成損壞。土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋輸送機(jī)出渣，管片同步襯砌完成永久性支護(hù)并為盾構(gòu)提供反推力［4］。

1.2 泥水平衡盾構(gòu)

江湖海底隧道多采用泥水平衡盾構(gòu)，以泥膜和泥漿壓力平衡地層中的高水壓。泥漿介質(zhì)通過管道被泵入隧道工作面前封閉的開挖倉，與渣土混合后的混合物再被泵送到地面泥漿池中，通過分離設(shè)備將混合物中的泥漿分離出來后再泵入開挖倉，如此循環(huán)達(dá)到出渣的目的［5］。

1.3 硬巖 TBM

山嶺隧道大多為可以自穩(wěn)的基巖，一般采用硬巖TBM掘進(jìn)。TBM推進(jìn)系統(tǒng)給刀盤提供推進(jìn)力，撐靴系統(tǒng)支撐洞壁承受支反力，TBM采用主機(jī)皮帶機(jī)出碴，在掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行安裝錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架和噴射混凝土等支護(hù)作業(yè)［6］。

2 雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)的必要性

由于中國地理環(huán)境的多樣性以及地下工程類型、規(guī)模、數(shù)量的不同，隧道建設(shè)的復(fù)雜程度越來越高，過去單一功能模式的掘進(jìn)機(jī)必然會(huì)向雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)的方向發(fā)展，以滿足隧道工程多樣性的需求。如在重慶地層以完整性良好的泥巖砂巖為主，地鐵隧道可采用TBM施工，但有的區(qū)間隧道同時(shí)會(huì)穿越軟土甚至回填土地段，需要采用盾構(gòu)以平衡模式掘進(jìn)［7］。又如青島地鐵2號線有的區(qū)間隧道反復(fù)穿越基巖和軟土，由于基巖穩(wěn)定性良好，為提高隧道的支護(hù)耐久性和降低成本，可在基巖段采用二次復(fù)合襯砌，在軟土段則需進(jìn)行管片同步襯砌［8］。再如小浪底引水隧道，其中一半里程穿越富水砂卵層，在高壓富水地段可采用泥水平衡功能掘進(jìn)以滿足止水要求，而在無水地段可采用土壓平衡功能掘進(jìn)以降低開挖成本和對環(huán)境的污染［9］。

隨著掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的廣泛推廣應(yīng)用，考慮到地質(zhì)情況、工程成本及工期等要求，利用一臺掘進(jìn)機(jī)設(shè)備挖掘一條地質(zhì)變化較大的隧道的情況不可避免，這就對掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提出了新的要求。目前，山西地鐵招標(biāo)就明確提出了要求掘進(jìn)機(jī)設(shè)備應(yīng)具有土壓泥水雙模式掘進(jìn)的功能。由此可見，對雙模式掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)已刻不容緩。

3 雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)的范例

3.1 硬巖敞開模式與軟巖平衡模式轉(zhuǎn)換的雙模式掘進(jìn)機(jī)

該類型的雙模式掘進(jìn)機(jī)是結(jié)合TBM切削出碴技術(shù)和盾構(gòu)螺旋機(jī)出碴技術(shù)組成的雙模式掘進(jìn)機(jī)。

3.1.1 掘進(jìn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

敞開模式主機(jī)布置如圖1所示。主機(jī)皮帶機(jī)從主驅(qū)動(dòng)中心處伸入土倉，刀盤背面裝有溜碴板，土倉中心處設(shè)有溜碴槽。切削下來的碴土經(jīng)溜碴板、溜碴槽掉落到主機(jī)皮帶機(jī)上，再經(jīng)后配套皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)出去。主驅(qū)動(dòng)中心處設(shè)有噴水裝置，用以降低粉塵。

圖1 敞開模式主機(jī)布置圖Fig.1 Layout of open mode TBM

土壓平衡模式主機(jī)布置如圖2所示。主驅(qū)動(dòng)中心處裝有回轉(zhuǎn)接頭，泡沫及膨潤土通過回轉(zhuǎn)接頭的通道及刀盤上的管路進(jìn)到刀盤前面，對渣土進(jìn)行改良;主機(jī)下部裝有螺旋輸送機(jī)，渣土在螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成土塞效應(yīng)，在螺旋輸送機(jī)軸旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下，渣土通過螺旋輸送機(jī)后倉門掉到皮帶機(jī)上轉(zhuǎn)運(yùn)出去。在土倉隔板和螺旋輸送機(jī)筒體上裝有土壓傳感器，用以檢測土倉和螺旋輸送機(jī)內(nèi)土壓。

圖2 土壓平衡模式主機(jī)布置圖Fig.2 Layout of earth pressure balance mode TBM

3.1.2 區(qū)別于常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)

刀盤具有雙向溜碴板結(jié)構(gòu)，可雙向旋轉(zhuǎn)切削刮碴溜碴，以便回正盾體的滾轉(zhuǎn)，但仍為開放式的支腿結(jié)構(gòu)，以便具有平衡模式時(shí)的功能。主驅(qū)動(dòng)必須采用內(nèi)外密封結(jié)構(gòu)，以便在安裝中心皮帶機(jī)時(shí)，主軸承的中心部位敞開。前盾需設(shè)置穩(wěn)定器，硬巖掘進(jìn)時(shí)伸靴支撐開挖面，約束刀盤的振動(dòng)，減緩盾體的滾轉(zhuǎn)。后配套拖車內(nèi)增設(shè)除塵裝置，硬巖掘進(jìn)時(shí)用于主機(jī)內(nèi)除塵。

模式轉(zhuǎn)換的工裝:配置支撐設(shè)備橋的承載小車，以便支撐設(shè)備橋，在解除管線連接后使設(shè)備橋和后配套拖車后退，讓出螺旋輸送機(jī)或中心皮帶機(jī)拆除和安裝的空間;配置簡易吊裝架，以便吊拆安裝螺旋輸送機(jī)或中心皮帶機(jī)。

3.1.3 優(yōu)缺點(diǎn)

在硬巖掘進(jìn)時(shí)，地層穩(wěn)定，采用中心皮帶機(jī)方式出碴，土倉存留的碴土很少，極大減小刀盤的攪拌阻力，刀盤可在較小的驅(qū)動(dòng)扭矩下高速旋轉(zhuǎn)切削以獲得較高的掘進(jìn)速度，主驅(qū)的電力消耗少;滾刀在相對干凈的條件下工作，被刀箱內(nèi)碴土卡住導(dǎo)致弦磨的風(fēng)險(xiǎn)小，碴土對其的二次磨損小。在軟巖掘進(jìn)，地層不能自穩(wěn)，采用螺旋輸送機(jī)方式出渣，保持土倉壓力，避免軟土地表發(fā)生沉降。

更換掘進(jìn)模式時(shí)，由于需要拆裝和更換大量結(jié)構(gòu)件，模式轉(zhuǎn)換工作量大，周期較長;而且因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)和空間的限制，以至部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理，還需要做大量的改進(jìn)工作。

3.2 管片拼裝模式和混凝土襯砌模式轉(zhuǎn)換的雙模式掘進(jìn)機(jī)

該類型的雙模式掘進(jìn)機(jī)是結(jié)合礦山法襯砌技術(shù)和盾構(gòu)法管片襯砌技術(shù)組成的雙模式掘進(jìn)機(jī)。

3.2.1 掘進(jìn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

采用二次襯砌的掘進(jìn)機(jī)工作原理如圖3所示。該類型雙模式掘進(jìn)機(jī)是硬巖敞開模式與軟巖平衡模式的雙模式掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)一步擴(kuò)展型，即在巖石不良地層配置螺旋輸送機(jī)以平衡模式掘進(jìn)，拼裝管片;在硬巖地層配置中心皮帶機(jī)以敞開模式掘進(jìn)，但不拼裝管片，在隧道貫通后在硬巖地段施作混凝土襯砌。在硬巖地段由于缺少管片提供掘進(jìn)機(jī)的反推力，故增配拼裝式的環(huán)形靴板裝置，由數(shù)組油缸靴板支撐在開挖面上，為掘進(jìn)機(jī)提供反推力。除此外，掘進(jìn)機(jī)不需要作其他改動(dòng)。轉(zhuǎn)換為平衡模式掘進(jìn)時(shí)，需要將環(huán)形靴板裝置拆除。

圖3 采用二次襯砌的掘進(jìn)機(jī)工作原理圖Fig.3 Working principle of TBM with secondary lining system

3.2.2 優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

在不良地層以平衡模式掘進(jìn)，拼裝同步管片襯砌，增加了隧道掘進(jìn)的安全性和可靠性。在硬巖段隧道貫通后再實(shí)施二次復(fù)合襯砌，施工的總工期雖然相對延長，但復(fù)合襯砌支護(hù)的防水性及耐久性優(yōu)于管片環(huán)，支護(hù)成本也低于同步管片襯砌。這種雙模式掘進(jìn)機(jī)適用于隧道較長、存在不良地質(zhì)的地層。

3.3 土壓平衡模式與泥水平衡模式轉(zhuǎn)換的雙模式掘進(jìn)機(jī)

該類型雙模式掘進(jìn)機(jī)是結(jié)合土壓平衡技術(shù)和泥水平衡技術(shù)組成的雙模式掘進(jìn)機(jī)。

3.3.1 掘進(jìn)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

土壓平衡與泥水盾構(gòu)主機(jī)布置如圖4所示。該型雙模式掘進(jìn)機(jī)用于土壓平衡模式時(shí)，基本配置與常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)完全相同。用于泥水平衡模式時(shí)，需要拆除后配套皮帶機(jī)，保留螺旋輸送機(jī)，并將其作為排漿管的一部分，通過調(diào)節(jié)進(jìn)漿或排漿流量來維持泥水倉壓力穩(wěn)定。混合渣土后的泥漿從螺旋輸送機(jī)內(nèi)排出，其中攜帶的大粒徑的卵石經(jīng)過螺旋輸送機(jī)口下方的破碎機(jī)破碎后再經(jīng)排漿泵輸出。

圖4 土壓平衡與泥水盾構(gòu)主機(jī)布置圖Fig.4 Layout of earth pressure balance mode TBM and slurry mode TBM

3.3.2 特殊設(shè)計(jì)

由于泥水盾構(gòu)需要穿越江河湖海，故雙模式掘進(jìn)機(jī)的密封系統(tǒng)及盾體結(jié)構(gòu)承壓能力應(yīng)按泥水盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，還需要增設(shè)后配套拖車，以便可同時(shí)安裝2種模式所需專用設(shè)備。

3.3.3 優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍

該型雙模式掘進(jìn)機(jī)既可用于土壓模式也可用于泥水模式，使現(xiàn)有設(shè)備資源得以充分利用。但由于需要同時(shí)配置土壓和泥水平衡的專用系統(tǒng)，致使整機(jī)成本高于常規(guī)盾構(gòu)。這種雙模式掘進(jìn)機(jī)適用于存在無水和高壓富水地層相間的地層。

4 結(jié)論與討論

雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)具有以下特點(diǎn):1)適用范圍廣，能夠適應(yīng)多種不同地質(zhì)的開挖作業(yè)，特別是掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)地質(zhì)變化較大的場合;2)設(shè)備使用率高，成本雖較單模式掘進(jìn)機(jī)要高，但相比2臺設(shè)備要低很多;3)節(jié)省施工成本，減少設(shè)備損耗，提高成洞質(zhì)量;4)模式轉(zhuǎn)換工作量大，周期較長。如何盡可能地發(fā)揮雙模式掘進(jìn)機(jī)的長處，改進(jìn)其不足，正是以后隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)。隨著目前社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和自然資源的矛盾越來越突出，一機(jī)多用，充分節(jié)省設(shè)備投資成本實(shí)現(xiàn)快速、經(jīng)濟(jì)建造地下工程的目的，滿足現(xiàn)代社會(huì)低碳環(huán)保要求的雙模式全斷面掘進(jìn)機(jī)技術(shù)，必然是隧道掘進(jìn)設(shè)備技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

［1］吳學(xué)松.國產(chǎn)盾構(gòu)為隧道建設(shè)提速［J］.建筑機(jī)械化，2011(6):33 － 35，7.(WU Xuesong.Domestic shield machine accelerate the tunnel construction［J］.Construction Mechanization，2011(6):33 －35，7.(in Chinese))

［2］ 郭陜云.對盾構(gòu)(TBM)技術(shù)運(yùn)用及開發(fā)的幾點(diǎn)認(rèn)識［J］.隧道建設(shè)，2008，28(6):631 －637.(GUO Shanyun.Comments on application and development of TBM/shield tunneling technology［J］.Tunnel Construction，2008，28(6):631 －637.(in Chinese))

［3］姚平，付飛達(dá)，張嵐，等.雙模式盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2012(8):185 －186.

［4］ 曹銘，王文莉.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主體部分介紹［J］.中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011(17):103－104.

［5］ 胡炳武.泥水式盾構(gòu)機(jī)分類及施工方法探討［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012(6):86 －87.

［6］ 李建斌.雙護(hù)盾TBM的地質(zhì)適應(yīng)性及相關(guān)計(jì)算［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):76 － 78，86.(LI Jianbing.Geology adaptability of double-shielded TBMs and relevant calculations［J］.Tunnel Construction，2006，26(2):76 － 78，86.(in Chinese))

［7］ 黃明利，伍志勇，徐飛.城市環(huán)境下TBM施工對周邊環(huán)境影響的監(jiān)測與分析［J］.隧道建設(shè)，2011，31(S2):1 －11.(HUANG Mingli，WU Zhiyong，XU Fei.Monitoring and analysis on influence of TBM tunnelling at urban area［J］.Tunnel Construction，2011，31(S2):1 －11.(in Chinese))

［8］ 王群.不良地質(zhì)地段TBM施工的研究［J］.科協(xié)論壇:下半月，2010(7):17.

［9］馬莎，郝仕龍，丹建軍，等.小浪底南岸引水隧道斷層破碎帶超前支護(hù)技術(shù)［J］.鐵道建筑，2006(6):22－24.