我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用及展望

鄭永光， 薛廣記， 陳金波， 龐文卓

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450016)

0　引言

隨著我國(guó)海綿城市、城市立體交通、人防工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入推進(jìn)，隧道斷面呈現(xiàn)多樣化需求。未來(lái)幾年，國(guó)內(nèi)綜合管廊、地下停車場(chǎng)、地鐵、公路和鐵路等建設(shè)領(lǐng)域?qū)⒂写罅慨愋螖嗝?非圓形斷面)空間開發(fā)需求。以往，異形隧道多采用礦山法或明挖法施工，不僅安全性差、施工效率低(僅為盾構(gòu)法的1/3)、施工環(huán)境惡劣，而且嚴(yán)重影響民眾日常生產(chǎn)和生活；另一方面，常規(guī)圓形盾構(gòu)難以滿足狹窄地下空間、淺覆土和高空間利用率的隧道施工要求。為克服傳統(tǒng)異形隧道施工工法與設(shè)備的不足，滿足巨大的市場(chǎng)需求，異形斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，目前已成功應(yīng)用于城市地下綜合管廊、城市過(guò)街通道、地鐵正線、地鐵出入口、地下停車場(chǎng)、山嶺公路、鐵路雙線隧道建設(shè)等領(lǐng)域[1-3]。

異形掘進(jìn)機(jī)源于圓形隧道掘進(jìn)機(jī)，主要包括矩形、馬蹄形、雙圓形等類型，是集機(jī)、電、液、傳感、通訊于一體，涉及多學(xué)科領(lǐng)域的高端智能裝備； 但其又不同于圓形隧道掘進(jìn)機(jī)，隧道斷面由圓形到非圓形的改變，將面臨異形全斷面切削、異形護(hù)盾結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、復(fù)雜位姿測(cè)控、異形管片拼裝、異形掘進(jìn)機(jī)施工等諸多難題[4-7]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)通過(guò)“政產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同科研攻關(guān)，開啟了異形掘進(jìn)機(jī)研發(fā)之路，自1995年國(guó)內(nèi)首臺(tái)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)(網(wǎng)格式，2.5 m×2.5 m)問(wèn)世以來(lái)，到2013年的超大斷面矩形頂管機(jī)(10.12 m×7.27 m)和2015年的類矩形盾構(gòu)(11.83 m×7.27 m)，再到2016年的超大斷面馬蹄形盾構(gòu)(11.90 m×10.95 m)，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)已形成一套全面的技術(shù)體系，并孵化出眾多創(chuàng)新產(chǎn)品。

本文主要回顧我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程和取得的成就，闡述取得的關(guān)鍵技術(shù)突破，介紹異形掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)隧道建設(shè)中的應(yīng)用情況，并對(duì)異形掘進(jìn)機(jī)發(fā)展的局限性及未來(lái)發(fā)展方向提出幾點(diǎn)思考。鑒于雙圓盾構(gòu)已比較成熟，且在我國(guó)近年來(lái)的發(fā)展較為緩慢，故不做介紹。

1　國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)發(fā)展歷程

20多年來(lái)，我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)研發(fā)取得快速發(fā)展，并取得可喜成果。目前國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家主要有中鐵裝備、上海隧道、揚(yáng)州廣鑫等，立項(xiàng)縱向課題和橫向課題20余項(xiàng)。我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。

1.1　第1階段： 模仿跟隨階段

1.1.1“變網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)研制”(1995—1999年)

網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)如圖1所示，通過(guò)前端網(wǎng)格的開閉控制進(jìn)土量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)土艙壓力平衡，并由主頂裝置推動(dòng)機(jī)頭向前運(yùn)動(dòng)。機(jī)頭分成前后2段，中間由糾偏油缸連接，在殼體兩側(cè)裝有糾轉(zhuǎn)裝置。網(wǎng)格中包含4個(gè)可變網(wǎng)格，可以調(diào)整機(jī)頭正面的進(jìn)土量，有利于控制正面土體的穩(wěn)定性。該設(shè)備為矩形頂管的原型機(jī)，應(yīng)用案例見表1，樣機(jī)完成后在上海市南匯縣航頭鎮(zhèn)的原上海隧道試驗(yàn)基地的試驗(yàn)工程中取得成功應(yīng)用，后期成果應(yīng)用在南京地鐵聯(lián)絡(luò)通道中。

圖1　網(wǎng)格式矩形頂管機(jī)

工程項(xiàng)目名稱年份隧道用途掘進(jìn)里程/m地質(zhì)條件頂管機(jī)類型頂管機(jī)尺寸/(m×m)　上海南匯縣航頭試驗(yàn)工程1995試驗(yàn)60　淤泥質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土網(wǎng)格式2.5×2.5

1.1.2“大斷面土壓矩形隧道掘進(jìn)機(jī)研究與應(yīng)用”(2003—2012年)

在科研項(xiàng)目“矩形頂管機(jī)及矩形隧道的研究與應(yīng)用”的支持下，1999年國(guó)內(nèi)完成首臺(tái)3.8 m×3.8 m組合刀盤式矩形頂管機(jī)的研制，并成功用于上海地鐵2號(hào)線陸家嘴5號(hào)出入口施工。此后，國(guó)內(nèi)立項(xiàng)多個(gè)“大斷面土壓矩形隧道掘進(jìn)機(jī)及應(yīng)用技術(shù)研究”科研項(xiàng)目，在大斷面(6～7 m級(jí))矩形頂管領(lǐng)域取得眾多成果，并在寧波市藥行街地下通道等項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，如表2所示。

表2中4種大斷面土壓矩形頂管機(jī)具有相似結(jié)構(gòu)，均在盾體系統(tǒng)的支護(hù)下通過(guò)切削系統(tǒng)切削土體，渣土通過(guò)螺旋輸送機(jī)排出隧道，并利用工作井內(nèi)頂推系統(tǒng)推動(dòng)頂管機(jī)和管節(jié)前進(jìn)，從而達(dá)到鋪設(shè)管道的目的。其區(qū)別主要在于切削系統(tǒng)，前3種均可直接通過(guò)刀盤切削實(shí)現(xiàn)全斷面開挖，第4種則通過(guò)多刀盤聯(lián)合切削輔以盾體切刀實(shí)現(xiàn)全斷面開挖。

1.1.3“大斷面泥水平衡式矩形頂管機(jī)研究與應(yīng)用”(2010—2012年)

除土壓平衡頂管機(jī)外，國(guó)內(nèi)在泥水平衡矩形頂管機(jī)領(lǐng)域也取得了一定成果，其區(qū)別主要在于出渣系統(tǒng)由螺旋輸送機(jī)出渣變?yōu)槟嗨h(huán)流出渣。此類設(shè)備較為適應(yīng)我國(guó)南方地下水豐富的地區(qū)[8]，但同時(shí)也需要額外配置泥水分離系統(tǒng)，帶來(lái)施工成本的增加。

目前，泥水平衡矩形頂管機(jī)有廣佛地鐵南桂路站、桂城站地鐵出入口施工的6.04 m×4.34 m矩形頂管機(jī)和深圳地鐵9號(hào)線梅景站北環(huán)過(guò)街通道、深圳華為坂田基地K區(qū)至G區(qū)地下通道項(xiàng)目施工的 7.7 m×4.5 m 矩形頂管機(jī)(見圖2)。

1.2　第2階段： 同步突破階段

1.2.1“超大斷面矩形頂管機(jī)研制”(2012—2013年)

在河南省重大專項(xiàng)“超大斷面矩形盾構(gòu)頂管機(jī)研制”及中鐵裝備企業(yè)自立項(xiàng)“超大型全斷面矩形頂管掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)研究”等課題的引導(dǎo)和資助下，研制出具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、性能優(yōu)良的超大斷面矩形頂管機(jī)，如表3所示。項(xiàng)目突破了超大矩形頂管機(jī)全斷面開挖技術(shù)、超寬矩形薄殼體設(shè)計(jì)、矩形頂管機(jī)位姿測(cè)控技術(shù)、超大矩形斷面土艙渣土改良技術(shù)、超淺覆土超小間距施工適應(yīng)性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)[5]，研制出世界最大斷面矩形頂管機(jī)，解決了超大斷面矩形隧道施工全斷面開挖、矩形隧道高精高效掘進(jìn)、機(jī)頭及管節(jié)“背土”、淺覆土施工沉降等一系列問(wèn)題。

表2　大斷面土壓矩形頂管機(jī)案例

圖2　泥水平衡矩形頂管機(jī)

1.2.2“適用于富水砂卵石層矩形頂管機(jī)的研制”(2015—2016年)

依托該項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)在適應(yīng)砂卵石層的矩形頂管機(jī)的相關(guān)研究方面也有所突破，在矩形斷面小直徑復(fù)合式多刀盤同平面開挖技術(shù)、大粒徑雙帶式螺旋輸送機(jī)出渣技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破，并首次提出基于正交試驗(yàn)的渣土改良工藝方法[9]，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外富水砂卵石層矩形頂管機(jī)技術(shù)的空白。項(xiàng)目成果——6.02 m×4.52 m矩形頂管機(jī)(見圖3)成功應(yīng)用于成都川大停車場(chǎng)下穿人民南路矩形隧道項(xiàng)目，并進(jìn)一步推廣至其他多個(gè)項(xiàng)目。

1.2.3“大斷面矩形盾構(gòu)研制”(2011—2015年)

在矩形頂管機(jī)快速發(fā)展的同時(shí)，國(guó)內(nèi)也開始了在異形盾構(gòu)領(lǐng)域的探索，如上海市科委科技攻關(guān)課題“淺覆土大斷面矩形盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)及掘進(jìn)設(shè)備研制”(2011-12—2013-12)、上海市國(guó)資委企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和能級(jí)提升項(xiàng)目“大斷面矩形隧道盾構(gòu)法施工設(shè)備及施工關(guān)鍵技術(shù)研究”(2013-06—2016-05)。在科研項(xiàng)目支持下，對(duì)矩形斷面開挖、矩形盾構(gòu)管片拼裝設(shè)備和拼裝技術(shù)等方面展開研究[10]，研制出8前+3后平行軸多刀盤切削系統(tǒng)、立柱起重機(jī)式管片拼裝機(jī)，掌握了雙拼裝機(jī)同步拼裝控制技術(shù)[11]。項(xiàng)目成果(見圖4)成功應(yīng)用于上海虹橋臨空區(qū)域地下車庫(kù)連接通道工程。

1.3　第3階段： 創(chuàng)新引領(lǐng)階段

1.3.1“城市軌道交通類矩形盾構(gòu)法隧道裝備技術(shù)研究”(2014—2016年)

該項(xiàng)目為地鐵業(yè)主單位與施工制造單位及科研院所聯(lián)合攻關(guān)的“技術(shù)研發(fā)與試驗(yàn)應(yīng)用一體化重大專項(xiàng)”，開啟了國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)科研開發(fā)新模式。項(xiàng)目在雙X同面+偏心多軸刀盤、回轉(zhuǎn)式單臂雙拼裝機(jī)及其自動(dòng)軌跡拼裝控制、可調(diào)試鉸接密封系統(tǒng)等方面取得創(chuàng)新成果[6,12-13](見圖5)。項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于寧波市軌道交通3號(hào)線1期工程，標(biāo)志著我國(guó)類矩形盾構(gòu)技術(shù)取得重大突破并處于世界領(lǐng)先水平。

表3　超大斷面矩形頂管機(jī)案例

圖3　砂卵石層矩形頂管機(jī)

(a) 矩形盾構(gòu)

(b) 拼裝機(jī)

圖5　類矩形盾構(gòu)

1.3.2“超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)的研制與應(yīng)用”(2015—2016年)

依托該項(xiàng)目，國(guó)內(nèi)自主研制出世界首臺(tái)超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)(見圖6)，采用盾體梭式結(jié)構(gòu)，為雙螺旋輸送機(jī)出土，采取9刀盤“前后交錯(cuò)、左右對(duì)稱”布置方式，在全斷面多刀盤聯(lián)合分步開挖技術(shù)、異形土艙壓力平穩(wěn)性和均衡性控制、超大斷面馬蹄形多曲率管片拼裝技術(shù)、姿態(tài)滾轉(zhuǎn)糾偏控制技術(shù)等方面實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新突破[14]。該項(xiàng)目開創(chuàng)了超大馬蹄形斷面隧道盾構(gòu)施工一次開挖成型的成功先例，為大型山嶺公路、鐵路雙線隧道施工起到了引領(lǐng)示范作用。

圖6　馬蹄形盾構(gòu)

1.3.3“機(jī)械化建造裝配式大型矩形斷面地下工程綜合技術(shù)研究”(2016—2017年)

依托該項(xiàng)目研究了可變截面分體組合式矩形頂管機(jī)及其分步營(yíng)造工法(見圖7)。在設(shè)備方面，實(shí)現(xiàn)了合體限位、拆分密封、管線互通等分體組合結(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)以及分體組合糾偏技術(shù)等方面的突破。項(xiàng)目成果成功應(yīng)用于中鐵裝備鄭州基地地下停車場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)，開創(chuàng)了盾構(gòu)工法施工地下停車場(chǎng)的成功先例，也是新裝備引領(lǐng)新工法進(jìn)行地下空間開發(fā)的一次重要嘗試，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市綠色建造具有重要意義。

1.4　科研成果獲科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)情況

我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展取得了顯著成績(jī)，同時(shí)也得到了政府和行業(yè)協(xié)會(huì)的充分肯定，近年來(lái)異形掘進(jìn)機(jī)所獲省部級(jí)以上政府獎(jiǎng)勵(lì)、社會(huì)力量獎(jiǎng)勵(lì)情況見表4。

(a) 分體組合式頂管機(jī)

(b) 裝配式管節(jié)

Fig. 7Pipe jacking machine of split type and its assembly pipe joint

表4　科研成果獲科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)情況

2　異形掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

2.1　異形掘進(jìn)機(jī)全斷面開挖技術(shù)

2.1.1刀盤類型

單一圓刀盤旋轉(zhuǎn)切削無(wú)法實(shí)現(xiàn)非圓形斷面的開挖，異形掘進(jìn)機(jī)多采用組合刀盤聯(lián)合切削實(shí)現(xiàn)異形斷面開挖。目前，異形掘進(jìn)機(jī)的刀盤可分為中心軸驅(qū)動(dòng)刀盤、偏心多軸驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)刀盤、行星輪驅(qū)動(dòng)刀盤[15-16]，其特征對(duì)比如表5和圖8所示。

表5　常用異形掘進(jìn)機(jī)刀盤對(duì)比

(a) 中心軸刀盤　　　　　　　　　　(b) 偏心擺動(dòng)刀盤　　　　　　　　(c) 行星輪驅(qū)動(dòng)刀盤

2.1.2切削系統(tǒng)

通過(guò)上述刀盤的自身組合及相互組合又可構(gòu)成多種異形斷面切削系統(tǒng)，主要包括偏心擺動(dòng)組合刀盤、中心軸刀盤+偏心擺動(dòng)刀盤、中心軸刀盤+行星輪驅(qū)動(dòng)刀盤、平行軸多刀盤形式，其特征對(duì)比和適應(yīng)工況如表6所示。

2.2　異形管片拼裝技術(shù)

隨著綜合管廊、地下交通隧道建設(shè)的加快發(fā)展，對(duì)長(zhǎng)距離異形隧道的需求與日俱增，而異形隧道管片拼裝機(jī)是異形掘進(jìn)機(jī)成套裝備系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。異形隧道管片形狀呈矩形、馬蹄形或其他非圓形，管片拼裝作業(yè)空間隨管片斷面形狀的變化而變化，無(wú)法采用常規(guī)單一圓形拼裝機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)管片拼裝。目前，國(guó)內(nèi)展開研究的異形管片拼裝機(jī)大致可分為回轉(zhuǎn)式拼裝機(jī)、立柱式拼裝機(jī)、上下半管節(jié)式拼裝機(jī)和環(huán)軌式拼裝機(jī)(理論研究階段)4類。

2.2.1回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)

回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)的操作方法與圓形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)基本類似，但是，由于采用回轉(zhuǎn)方式拼裝管片，要求管片的形狀與管片拼裝機(jī)外形相近，應(yīng)為圓形或接近圓形(如馬蹄形、類矩形)，否則在管片拼裝機(jī)抓取管片后旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置拼裝時(shí)，無(wú)法將管片伸長(zhǎng)至設(shè)定位置，導(dǎo)致管片拼裝作業(yè)困難?；剞D(zhuǎn)式拼裝機(jī)根據(jù)單臺(tái)掘進(jìn)機(jī)配置拼裝機(jī)數(shù)量分為回轉(zhuǎn)式單拼裝機(jī)和回轉(zhuǎn)式雙拼裝機(jī)。

表6　常用異形掘進(jìn)機(jī)切削系統(tǒng)對(duì)比

對(duì)于馬蹄形隧道，斷面為三心圓形狀，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側(cè)的弧度較小。其拼裝系統(tǒng)采用雙提升臂單拼裝機(jī)形式，見圖9。管片拼裝機(jī)通過(guò)繞掘進(jìn)軸線的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與雙提升臂的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)管片在隧道斷面內(nèi)的定位。同時(shí)，馬蹄形管片拼裝機(jī)特殊設(shè)計(jì)了自適應(yīng)變曲率管片抓取機(jī)構(gòu)，在常規(guī)六自由度基礎(chǔ)上，增加了機(jī)械雙點(diǎn)抓持的冗余自由度微調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變曲率管片的拼裝。

對(duì)于類矩形斷面，受狹小空間限制，莊欠偉等[12]提出一種單機(jī)械臂管片拼裝機(jī)(見圖10)，采用類似于挖掘機(jī)鏟斗驅(qū)動(dòng)臂的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管片在隧道斷面內(nèi)的定位，具有結(jié)構(gòu)緊湊、管片移送距離長(zhǎng)和管片姿態(tài)調(diào)整靈活的特點(diǎn)。此外，針對(duì)該類拼裝機(jī)拼裝控制方面，陶建峰等[13]通過(guò)對(duì)其運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解計(jì)算，得出拼裝運(yùn)動(dòng)路徑，運(yùn)用PID控制實(shí)現(xiàn)管片拼裝軌跡自動(dòng)控制。寧波地鐵4號(hào)線類矩形盾構(gòu)左右各布置了1臺(tái)上述單臂管片拼裝機(jī)，取得了良好的應(yīng)用效果，但其缺點(diǎn)也比較明顯，由于布置的2臺(tái)回轉(zhuǎn)式管片拼裝機(jī)占用了大量的盾體空間，給盾構(gòu)內(nèi)的管線、管路、螺旋輸送機(jī)和設(shè)備橋的布置帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

(a) 管片拼裝機(jī)

(b) 管片拼裝示意圖

(a) 管片拼裝機(jī)

(b) 管片拼裝示意圖

2.2.2立柱式管片拼裝機(jī)

上海虹橋臨空區(qū)域地下連接通道項(xiàng)目的矩形盾構(gòu)采用立柱式管片拼裝機(jī)[10]，見圖11。拼裝機(jī)由立柱基座、上下移動(dòng)機(jī)構(gòu)、橫臂伸縮機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和管片抓取機(jī)構(gòu)等組成。針對(duì)立柱式管片拼裝機(jī)拼裝拱頂塊和拱底塊時(shí)需要同步控制2臺(tái)機(jī)械手的問(wèn)題，卞永明等[11]設(shè)計(jì)了基于CAN總線的同步控制系統(tǒng)，并采用同步PID算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步誤差的控制。該拼裝機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單環(huán)拼裝次數(shù)少的優(yōu)點(diǎn)，但同樣面臨盾體內(nèi)空間占用較大的問(wèn)題，易與設(shè)備內(nèi)其他元?dú)饧l(fā)生干涉。

(a) 管片拼裝機(jī)

(b) 管片拼裝示意圖

2.2.3半管節(jié)式拼裝機(jī)

濟(jì)寧市市北電纜隧道工程采用較小斷面的矩形盾構(gòu)，其管節(jié)形式為上、下分半式，每環(huán)拼裝僅2次，拼裝系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單的油缸伸縮實(shí)現(xiàn)下管片的吊裝和上管片的托舉(見圖12)，并輔以人工旋轉(zhuǎn)，具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有自動(dòng)化程度低的缺點(diǎn)。

(a) 油缸吊裝下管節(jié)　　　　　　　(b) 油缸頂升上管節(jié)

2.2.4環(huán)軌式管片拼裝機(jī)

環(huán)軌式管片拼裝機(jī)包括行走機(jī)構(gòu)和拼裝機(jī)構(gòu)2部分，見圖13。管片拼裝機(jī)安裝在盾構(gòu)盾體的固定環(huán)形軌道上，通過(guò)行走機(jī)構(gòu)可以在軌道上行走，通過(guò)拼裝機(jī)構(gòu)完成管片拼裝，其操作方法與圓形盾構(gòu)管片拼裝機(jī)類似，管片拼裝機(jī)內(nèi)部空間較寬裕，布置管線、管路、螺旋輸送機(jī)等較為方便，并且軌道的形狀可根據(jù)斷面的形狀進(jìn)行加工，具有較強(qiáng)的斷面適應(yīng)性。但是，該類型管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，目前僅日本的技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行過(guò)研制，并應(yīng)用在東京首都圈中央聯(lián)絡(luò)車輛道路相?？v貫川尻隧道工程中，但其所應(yīng)用項(xiàng)目為敞開式矩形盾構(gòu)，盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，對(duì)拼裝機(jī)空間大小要求較低，因而其在封閉式矩形盾構(gòu)中的適用性需進(jìn)一步拓展。國(guó)內(nèi)顧旭瑩[17]和鄭中山等[18]對(duì)該類型拼裝機(jī)進(jìn)行了初步研究，但均未制作樣機(jī)，研究有待深入。

(a) 行走機(jī)構(gòu)

(b) 拼裝機(jī)構(gòu)

2.3　異形掘進(jìn)機(jī)測(cè)控技術(shù)

2.3.1沉降測(cè)控技術(shù)

異形掘進(jìn)機(jī)沉降主要是由于土艙壓力波動(dòng)和背土，與圓形掘進(jìn)機(jī)類似，但又存在其特異性。

2.3.1.1土艙壓力控制

針對(duì)異形斷面土艙渣土流動(dòng)性差、滯排造成的土壓分布不均衡、易波動(dòng)等問(wèn)題，異形掘進(jìn)機(jī)通過(guò)土壓傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量的同時(shí)，多采用雙螺旋輸送機(jī)聯(lián)合出渣，通過(guò)雙螺旋輸送機(jī)耦動(dòng)互饋出渣控制，實(shí)現(xiàn)左右土艙壓力均勻性控制。另一方面，為確保土艙壓力與掌子面壓力的時(shí)刻平衡，國(guó)內(nèi)開發(fā)了基于參數(shù)在線自調(diào)整的PID閉環(huán)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異形掘進(jìn)機(jī)頂推載荷順應(yīng)性控制[6]； 同時(shí)，部分異形掘進(jìn)機(jī)在土艙隔板處還設(shè)計(jì)有油缸驅(qū)動(dòng)的土壓調(diào)節(jié)裝置，以輔助穩(wěn)壓。通過(guò)上述技術(shù)措施的綜合利用可有效提高土艙壓力的控制精度，解決由土艙壓力波動(dòng)引起的沉降問(wèn)題。

2.3.1.2防背土控制

在理論方面，榮亮等[19]通過(guò)分析異形掘進(jìn)機(jī)施工背土產(chǎn)生的原因，提出背土產(chǎn)生的邊界條件和防背土措施，并初步形成異形掘進(jìn)機(jī)沉降控制理論。在設(shè)備針對(duì)性設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)也完成了多項(xiàng)防背土創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如盾體前大后小錐形殼體設(shè)計(jì)、新型帽檐減摩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壓力流量雙控自動(dòng)減磨控制等。

2.3.2位姿測(cè)控技術(shù)

圓形隧道施工只需確保軸線控制精度，但異形隧道對(duì)掘進(jìn)機(jī)軸線偏離、滾轉(zhuǎn)偏離等提出了更高要求。對(duì)于軸線偏差，同常規(guī)圓形盾構(gòu)類似，利用糾偏油缸實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備的上、下、左、右糾偏； 對(duì)于異形掘進(jìn)機(jī)存在的滾轉(zhuǎn)問(wèn)題，張春草等[20]提出了多傳感器信息融合的位姿實(shí)時(shí)測(cè)量方法。防滾、糾滾技術(shù)措施主要包括： 1)多刀盤位置合理布置和多刀盤轉(zhuǎn)向協(xié)同控制，通過(guò)刀盤支反力作用，達(dá)到穩(wěn)態(tài)、糾態(tài)的作用； 2)掘進(jìn)機(jī)周向多點(diǎn)黏土加壓控制； 3)盾體內(nèi)設(shè)備合理布置，盡量保證左右質(zhì)量相當(dāng)，也可通過(guò)配重方式，做到不偏重； 4)盾體設(shè)置防滾限位裝置。

2.4　異形掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)

隨著國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)施工案例也逐步增多，施工技術(shù)不斷提升。除注漿減磨、渣土改良、始發(fā)接收、沉降檢測(cè)、導(dǎo)向糾偏、出渣、異形管片拼裝等常規(guī)掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)外，對(duì)異形掘進(jìn)機(jī)的特殊工況施工技術(shù)也有諸多探索，例如： 超淺覆土、超小間距、超小空間等復(fù)雜工況施工技術(shù)，洞內(nèi)接收、壓力接收等接收技術(shù)，分步施工地下空間技術(shù)等，如表7所示。

3　異形掘進(jìn)機(jī)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用

3.1　矩形頂管機(jī)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用

依據(jù)國(guó)內(nèi)公開報(bào)道的57個(gè)項(xiàng)目、76條矩形頂管隧道工程進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

在矩形頂管機(jī)設(shè)備方面，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家仍然較少，主要有中鐵裝備、揚(yáng)州廣鑫、上海隧道等。除中鐵裝備砂卵石層矩形頂管機(jī)2016年在成都下穿人民南路人行通道中成功應(yīng)用外，其他設(shè)備適用工況均為粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土等軟土地層；而在硬巖地層矩形頂管機(jī)施工尚無(wú)工程案例，但國(guó)內(nèi)已開展相關(guān)研究，并取得一定突破，如中鐵裝備和揚(yáng)州廣鑫對(duì)行星齒輪驅(qū)動(dòng)勒洛三角形刀盤切削正方形斷面試驗(yàn)裝置的研究已取得突破性進(jìn)展，為硬巖矩形頂管機(jī)的研發(fā)提供了技術(shù)儲(chǔ)備。

表7　異形隧道特殊工況施工技術(shù)匯總

通過(guò)對(duì)矩形頂管機(jī)歷年施工項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖14)，可以看出： 矩形頂管機(jī)自1999年在上海地鐵2號(hào)線陸家嘴站5號(hào)出入口首次運(yùn)用以來(lái)，1999—2015年為平穩(wěn)發(fā)展期，頂管機(jī)產(chǎn)品及施工技術(shù)逐步成熟，其社會(huì)了解度得到逐步提高；進(jìn)入2016年以來(lái)，隨著矩形頂管機(jī)市場(chǎng)保有量的提升，矩形隧道機(jī)械化施工進(jìn)入快速發(fā)展期。截至2017年底，國(guó)內(nèi)已完成76條矩形頂管隧道工程建設(shè)，總里程超過(guò)2 500 m。

隨著國(guó)內(nèi)矩形頂管機(jī)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日漸增多，除最常見的地鐵出入口、人行過(guò)街通道外，已逐步拓展到了新領(lǐng)域，如中鐵裝備2017年在地下停車場(chǎng)、綜合管廊施工中的嘗試，均取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。矩形頂管機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)見表8。

圖14　矩形頂管機(jī)施工項(xiàng)目歷年統(tǒng)計(jì)

Fig. 14Statistics of construction projects of rectangular pipe jacking machine

表8矩形頂管機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域統(tǒng)計(jì)

Table 8Application field statistics of rectangular pipe jacking machine

隧道用途工程數(shù)量典型案例地鐵出入口26　武漢地鐵7號(hào)線小東門站地鐵出入口項(xiàng)目人行過(guò)街通道13鄭州市紅專路下穿中州大道項(xiàng)目綜合管廊6杭州市下穿杭甬高速綜合管廊項(xiàng)目機(jī)動(dòng)車道4鄭州市紅專路下穿中州大道項(xiàng)目聯(lián)絡(luò)通道2　南京地鐵1號(hào)線中山路(長(zhǎng)江路、華僑路交匯以北20m處)聯(lián)絡(luò)通道項(xiàng)目地鐵正線1　廣州地鐵3號(hào)線北延段機(jī)場(chǎng)南—機(jī)場(chǎng)北區(qū)間地下商場(chǎng)+機(jī)動(dòng)車道1　佛山南海區(qū)星匯云錦下穿南海大道商業(yè)空間項(xiàng)目地下停車場(chǎng)1　中鐵裝備鄭州基地裝配式地下停車場(chǎng)項(xiàng)目總計(jì)54

矩形頂管機(jī)施工隧道尺寸和臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)如表9所示?？梢钥闯?，矩形頂管機(jī)施工隧道尺寸大小不一，但多集中在6～8 m，該區(qū)間隧道用途多為人行通道；其次，尺寸多分布在10 m左右，其用途多為車行通道(2車道)。尺寸大小的多樣造成了頂管機(jī)設(shè)備的通用性減弱，其原因主要是由于各地區(qū)、各隧道設(shè)計(jì)院之間無(wú)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，造成管節(jié)各異；其次，各矩形頂管機(jī)設(shè)計(jì)制造單位也無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，致使在管節(jié)一致的情況下設(shè)備尺寸也不盡相同。

表9矩形頂管機(jī)施工隧道尺寸(外徑)和臺(tái)數(shù)統(tǒng)計(jì)

Table 9Statistics of tunnel size (outer diameter) bored by rectangular pipe jacking machine and machine number necded

長(zhǎng)邊尺寸/m≤11～22～33～44～55～66～77～88～99～10>10臺(tái)數(shù)2022112811243

3.2　矩形盾構(gòu)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用

在矩形盾構(gòu)方面，較日本自1994年以來(lái)接近20臺(tái)的矩形盾構(gòu)數(shù)量而言，國(guó)內(nèi)矩形盾構(gòu)發(fā)展較慢，截至目前僅有4臺(tái)(見表10)，施工總距離為5 037 m，適應(yīng)地層和矩形頂管機(jī)類似，均為軟土地質(zhì)；除新疆辰野名品廣場(chǎng)2期地下商場(chǎng)施工用矩形盾構(gòu)為開敞式外，其余3臺(tái)均為封閉式土壓平衡盾構(gòu)。表10中案例1矩形盾構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但也僅適應(yīng)較為穩(wěn)定的地質(zhì)工況，其開挖系統(tǒng)采用挖機(jī)形式，支護(hù)系統(tǒng)采用鋼模板現(xiàn)澆襯砌形式； 案例2為國(guó)內(nèi)首臺(tái)土壓平衡矩形盾構(gòu)；案例3為國(guó)內(nèi)首臺(tái)半管節(jié)矩形盾構(gòu)；案例4為國(guó)內(nèi)首臺(tái)運(yùn)用在雙線地鐵建設(shè)中的類矩形盾構(gòu)。

表10　矩形盾構(gòu)案例統(tǒng)計(jì)

3.3　馬蹄形盾構(gòu)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用

國(guó)內(nèi)自主研制的世界首臺(tái)超大斷面馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)(見圖6和表11)于2016年11月11日在蒙華鐵路白城隧道工程始發(fā)，至2018年1月26日完成整條隧道3 345 m的掘進(jìn)任務(wù)，開啟了山嶺公路、鐵路隧道開挖的新模式。

表11　馬蹄形盾構(gòu)案例統(tǒng)計(jì)

4　討論

隨著我國(guó)掘進(jìn)機(jī)裝備整體水平的提升，國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)已朝著需求引領(lǐng)裝備的方向發(fā)展，雖然目前國(guó)內(nèi)有了一定的技術(shù)儲(chǔ)備，基本可以滿足各種工程設(shè)備制造需求，但異形掘進(jìn)機(jī)仍然存在一定的局限性，尚需廣大科研工作者繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)和深入研究。

1)目前國(guó)內(nèi)異形掘進(jìn)機(jī)多適應(yīng)于軟土地層或砂卵石、軟巖(30 MPa以內(nèi))地層，適應(yīng)全斷面硬巖或軟硬不均復(fù)合地層的異形掘進(jìn)機(jī)尚待研制。針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)開拓思維，利用跨行業(yè)新技術(shù)，如高壓水射流、化學(xué)腐蝕、激光、超聲波等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)硬巖隧道開挖技術(shù)展開探索。

2)目前頂管推進(jìn)增加管節(jié)時(shí)存在重復(fù)拆裝管線工序，且無(wú)法做到連續(xù)出渣掘進(jìn)，造成頂管施工效率較低。針對(duì)此問(wèn)題，應(yīng)轉(zhuǎn)變思維，探索如“管線外置+增加管節(jié)時(shí)利用糾偏油缸輔助推進(jìn)”等連續(xù)施工新方法。

3)異形隧道截面形狀各異，異形掘進(jìn)機(jī)通用性不好。目前在異形掘進(jìn)機(jī)領(lǐng)域，矩形頂管機(jī)發(fā)展較快，但其截面大小各異，造成設(shè)備的通用性不好以及大量的設(shè)計(jì)資源浪費(fèi)。包括綜合管廊在內(nèi)的各種功用的隧道標(biāo)準(zhǔn)化將是土建設(shè)計(jì)院、設(shè)備制造商和政府相關(guān)部門的重要研究方向。

4)異形掘進(jìn)機(jī)造價(jià)較高，給施工單位帶來(lái)較大的成本負(fù)擔(dān)，降本增效、發(fā)展再制造、提高設(shè)備重復(fù)利用率等是研發(fā)人員需要進(jìn)一步考慮的問(wèn)題。

5　展望

異形掘進(jìn)機(jī)以其特殊的優(yōu)勢(shì)在越來(lái)越多的隧道施工領(lǐng)域得到應(yīng)用，新裝備引領(lǐng)新工法已成為地下空間創(chuàng)新開發(fā)的新途徑，針對(duì)異形掘進(jìn)機(jī)在新領(lǐng)域的應(yīng)用探索，筆者有如下思考。

1)地鐵車站過(guò)路段非開挖施工。首先采用大斷面矩形頂管機(jī)并行施工，再采用小矩形頂管機(jī)施工聯(lián)絡(luò)通道，在不阻斷地面交通情況下實(shí)現(xiàn)道路下方車站快速建造，如圖15所示。

圖15　矩形隧道段車站示意圖

2)地鐵車站需要設(shè)置存車線或折返線，參考中鐵裝備鄭州基地裝配式地下停車場(chǎng)施工工法，首先采用分體組合式頂管機(jī)并行施工4條隧道，然后分步營(yíng)造梁柱支撐結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)地鐵3車道的非開挖施工，如圖16所示。

圖16　分步營(yíng)造工法修建3線地鐵示意圖

Fig. 16Sketch of constructing three-track metro by stepped construction method

3)超大斷面馬蹄形盾構(gòu)在地下站場(chǎng)機(jī)械化施工中的應(yīng)用，如圖17所示。采用多刀盤組合開挖，三圓仿形盾體支護(hù)，以及環(huán)軌式拼裝機(jī)進(jìn)行鋼箱管片拼裝支撐，利用輔助模板臺(tái)車襯砌現(xiàn)澆成型。

(a) 馬蹄形盾構(gòu)　　　　　　　　(b) 地下站場(chǎng)

Fig. 17Sketch of underground station constructed by horseshoe-shaped shield

綜合來(lái)看，20多年來(lái)我國(guó)異形掘進(jìn)機(jī)已得到長(zhǎng)足發(fā)展，部分領(lǐng)域已經(jīng)走在了世界前列，而在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)字化、制造模塊化、感知智能化、控制無(wú)人化、管理網(wǎng)絡(luò)化和結(jié)構(gòu)多樣化等方面還需要進(jìn)一步開拓創(chuàng)新。