馬蹄形盾構(gòu)的工程應(yīng)用解析

董艷萍, 賈連輝, 薛廣記， 謝 飛

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016; 2. 中鐵工程服務(wù)有限公司， 四川 成都 610000)

0 引言

目前國(guó)內(nèi)、外大斷面馬蹄形隧道多采用礦山法施工，尚無(wú)全斷面閉胸式掘進(jìn)機(jī)施工案例，但礦山法施工速度慢、安全度較低。城市地鐵隧道采用以盾構(gòu)法為主的施工方法，圓形盾構(gòu)以其自動(dòng)化程度高、施工安全度高、施工進(jìn)度快、污染小、成本低等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用[1]。由于開(kāi)挖斷面為圓形，需要對(duì)管片襯砌的隧道底部進(jìn)行回填處理，以滿(mǎn)足行車(chē)要求，此過(guò)程是對(duì)開(kāi)挖空間利用率的浪費(fèi)[2]。與圓形隧道相比，相同納置率的馬蹄形隧道可減少開(kāi)挖量15%左右,為此，浩吉鐵路白城隧道在國(guó)內(nèi)首次采用了馬蹄形土壓平衡盾構(gòu)施工。國(guó)內(nèi)有多個(gè)對(duì)該工程案例的論述， 申志軍等[3-4]對(duì)黃土隧道馬蹄形盾構(gòu)工法的選擇和隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的檢測(cè)做了探討；劉嬌[5]對(duì)馬蹄形隧道多刀盤(pán)開(kāi)挖的設(shè)計(jì)做了深入分析；薛廣記等[6]對(duì)馬蹄形盾體梭形結(jié)構(gòu)做了研究以減少盾構(gòu)前進(jìn)的阻力；韓賀庚等[7]對(duì)蒙華白城隧道工程造價(jià)做了探討；賈連輝等[8]對(duì)盾構(gòu)多刀盤(pán)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算、姿態(tài)控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了針對(duì)性探討。以上文獻(xiàn)均未從整機(jī)性能角度深入剖析設(shè)備的改進(jìn)方向,本文以隧道全程施工數(shù)據(jù)和施工難點(diǎn)為依托，以盾構(gòu)主參數(shù)和各系統(tǒng)的應(yīng)用效果為研究對(duì)象，剖析各系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為設(shè)備后期改進(jìn)提出意見(jiàn)，同時(shí)為馬蹄形盾構(gòu)未來(lái)的研究方向提出建議。

1 工程概況

1.1 隧道概況及地質(zhì)

圖1 白城隧道地質(zhì)狀況

1.2 隧道設(shè)計(jì)

白城隧道支護(hù)為預(yù)制鋼筋混凝土管片(見(jiàn)圖2)，管片外輪廓為三心圓，寬度與高度比值約為1.1，厚0.5 m,環(huán)寬1.6 m。隧道施工安裝管片總計(jì)為1 910環(huán)(長(zhǎng)度為3 056 m)，其中，使用盾構(gòu)法推進(jìn)1 882環(huán)，其余為明洞段，第1～20環(huán)為進(jìn)口處明洞段，盾構(gòu)以明洞結(jié)構(gòu)為反力架實(shí)施空推作業(yè),并開(kāi)展負(fù)環(huán)拼裝[9]，第1 903～1 910環(huán)為出口處明洞。

圖2 隧道斷面和管片分塊(R環(huán))(單位： mm)

1.3 施工概況

馬蹄形盾構(gòu)主要由開(kāi)挖系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、盾體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)及后配套系統(tǒng)等組成， 可實(shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖、出渣、支護(hù)一次成型，高效便捷。

馬蹄形盾構(gòu)于2016年11月11日完成現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試并始發(fā)， 2018年1月26日隧道貫通，如圖3所示。施工工期15個(gè)月(439 d)，平均月進(jìn)尺203 m，最高月進(jìn)尺308.8 m[8]，如圖4所示。

圖3 馬蹄形盾構(gòu)出洞場(chǎng)景

圖4 施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

施工過(guò)程中，遇到了設(shè)計(jì)能力或關(guān)鍵部件維護(hù)與施工實(shí)際需求存在差異的情況：例如試掘進(jìn)段刀盤(pán)攪碎原礦山法施工的管棚、螺旋葉片軸斷裂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)和更換、突遇含姜石的硬黃土地質(zhì)進(jìn)行刀盤(pán)結(jié)構(gòu)改造和分渣器改造[3]、冬季連續(xù)皮帶機(jī)防凍臨時(shí)施作、管片榫槽連接部位局部開(kāi)裂等， 排除上述因素影響，白城隧道實(shí)際掘進(jìn)凈時(shí)間13個(gè)月(372 d)，實(shí)際施工凈效率值為235 m/月。

2 開(kāi)挖系統(tǒng)應(yīng)用分析

2.1 刀盤(pán)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

開(kāi)挖系統(tǒng)為組合式多刀盤(pán)形式，共有9個(gè)輻條式刀盤(pán)，采用前后交叉式布置(前一平面3個(gè)長(zhǎng)輻條式刀盤(pán)、后一平面4個(gè)長(zhǎng)輻條式刀盤(pán)及2個(gè)短輻條式刀盤(pán))，相鄰刀盤(pán)的切削區(qū)域相互交叉，斷面總開(kāi)挖率大于90%，通過(guò)多個(gè)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)挖面的相互疊加，來(lái)盡可能地減少馬蹄形斷面區(qū)域的開(kāi)挖盲區(qū)(見(jiàn)圖5)。同時(shí)，每個(gè)刀盤(pán)設(shè)置有泡沫液和膨潤(rùn)土噴口及通道，以提高渣土改良效果。每個(gè)刀盤(pán)相互獨(dú)立，配置有獨(dú)立的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用"一拖多"控制方式使電機(jī)在速度同步條件下實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)矩平衡[8]。

圖5 開(kāi)挖盲區(qū)

組合式刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單可靠，在刀盤(pán)開(kāi)挖過(guò)程中，刀盤(pán)的切削反力較小，因此對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)小，攪拌棒對(duì)渣土的改良效果更好，地面沉降比較容易控制，該類(lèi)似設(shè)計(jì)已經(jīng)在鄭州市紅專(zhuān)路下穿中州大道[10-11]、杭州德勝路地下綜合管廊、天津黑牛城道下穿隧道、新加坡地鐵湯申線T221地鐵出入口等多個(gè)工程中得到驗(yàn)證。

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)

盾構(gòu)采用被動(dòng)鉸接形式，前、中、尾盾均為馬蹄狀筒體[9]，水平轉(zhuǎn)彎能力R≥1 000 m，其調(diào)向和前進(jìn)均由推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)提供動(dòng)力。推進(jìn)系統(tǒng)采用44根推進(jìn)油缸，為了便于控制便捷，將推進(jìn)油缸按圓周方向分成6個(gè)分區(qū)，雙缸布置策略，共22個(gè)小組，每個(gè)分區(qū)內(nèi)有1根油缸帶有行程傳感器(見(jiàn)圖6)。最大總推力為140 800 kN，高出理論值達(dá)40%；推進(jìn)油缸理論最大伸出速度60 mm/min。盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過(guò)程中嚴(yán)格受控，根據(jù)地質(zhì)變化、隧道埋深、地表沉降、盾構(gòu)姿態(tài)、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、推進(jìn)油缸等各種測(cè)量或反饋數(shù)據(jù)信息，形成即時(shí)跟蹤調(diào)整機(jī)制。為盡量避免盾構(gòu)走"蛇"形，盾構(gòu)一次糾偏量不超過(guò)4 mm/環(huán)，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

圖6 推進(jìn)油缸布置

2.3 工程應(yīng)用分析

根據(jù)盾構(gòu)每環(huán)掘進(jìn)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)圖7)， 約80%每環(huán)推進(jìn)時(shí)間在70～150 min(含開(kāi)挖和出渣)，平均118 min。

圖7 掘進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)

西北高原黃土地質(zhì)自穩(wěn)性較好，且含水率較低，盾構(gòu)在施工過(guò)程中多數(shù)為欠壓掘進(jìn)狀態(tài)，根據(jù)隧道貫通后地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其數(shù)值均在10 mm以?xún)?nèi)，可見(jiàn)欠壓掘進(jìn)模式在此類(lèi)地質(zhì)條件下的適應(yīng)性。盾構(gòu)施工的總推力及推進(jìn)速度如圖8所示，其數(shù)值分布規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造是基本對(duì)應(yīng)的，整條隧道掘進(jìn)過(guò)程大致分為4個(gè)階段。

圖8 總推力及推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)

1)第1階段。20～554環(huán)，地質(zhì)為粉砂(黃褐色，稍濕，呈松散結(jié)構(gòu))、細(xì)沙(黃褐色，稍濕，呈松散結(jié)構(gòu))和砂質(zhì)新黃土(黃褐色，稍密，具濕陷性，呈松軟結(jié)構(gòu))，途經(jīng)下穿包茂高速、污水廠等,渣土經(jīng)泡沫、水的攪拌混合后，呈黏稠糊狀，螺旋輸送機(jī)出渣效果較好。盾構(gòu)總推力為50 000～60 000 kN，掘進(jìn)速度為15～24 mm/min。

2)第2階段。555～1 068環(huán)，地質(zhì)為砂質(zhì)新黃土，由于多刀盤(pán)開(kāi)挖盲區(qū)的存在，開(kāi)挖盲區(qū)的黃土大量粘結(jié)在前盾映射區(qū)域內(nèi)，盡管盾體沿圓周方向布置有切刀，但仍會(huì)造成主推力快速上升的現(xiàn)象，盾構(gòu)總推力為68 000～80 000 kN。經(jīng)開(kāi)艙查看，人工使用鐵鎬剝離,仍十分費(fèi)力；尤其是1 042～1 065環(huán)，盾構(gòu)不能繼續(xù)前進(jìn)，底部刀盤(pán)的轉(zhuǎn)矩很低，且管片發(fā)生局部破裂，開(kāi)挖盲區(qū)的黃土對(duì)盾體產(chǎn)生較大的阻力，盾構(gòu)總推力最大為91 740 kN，掘進(jìn)速度接近零。此時(shí)盾構(gòu)位于最大埋深處，隧道斷面中上部為黏質(zhì)老黃土，斷面底部夾雜有姜石，土質(zhì)較硬，用水自然浸泡1周仍不易松散，故通過(guò)增加注水量改變硬土物理性質(zhì)的效果不佳。為了減少盲區(qū)對(duì)盾體艙隔板和前盾切口環(huán)處受到的迎面阻力，故對(duì)刀盤(pán)局部改造和對(duì)盾體增加分渣器，臨時(shí)停機(jī)約20 d，前者增加刀盤(pán)對(duì)盾體輪廓處的超挖區(qū)域，后者破壞大塊渣土連續(xù)的黏結(jié)力。

3)第3階段。1 069～1 333環(huán)，地質(zhì)由黏質(zhì)老黃土夾雜有姜石逐步過(guò)渡到含水率較低的砂質(zhì)新黃土，地基承載力仍維持在150～200 kPa。刀盤(pán)改造后效果顯著，盾構(gòu)總推力下降到45 000～60 000 kN，施工效率較第2階段顯著提升，盾構(gòu)主機(jī)姿態(tài)調(diào)節(jié)控制較為順利，但掌子面會(huì)有大粒徑土塊直接脫落，加之開(kāi)挖盲區(qū)不能被多刀盤(pán)觸及，存在部分大塊渣土未能及時(shí)攪拌的情況。

4)第4階段。1 334～1 902環(huán)，地質(zhì)也由含水率較低的砂質(zhì)新黃土逐步變化為粉、細(xì)、中、粗、礫砂(極易發(fā)生中淺層滑坡及大面積坍塌)，地基承載力變小，若盾構(gòu)長(zhǎng)期處于超挖狀態(tài)，不利于對(duì)隧道軸線的控制，故將刀盤(pán)恢復(fù)成原樣。隨著盾構(gòu)所處埋深逐漸變小，欠壓模式掘進(jìn)也轉(zhuǎn)變?yōu)闈M(mǎn)艙模式掘進(jìn)，總推力重新從43 000 kN上升到85 000～97 398 kN，掘進(jìn)速度維持在10～15 mm/min,但未發(fā)生推進(jìn)停滯的現(xiàn)象，且掘進(jìn)速度更為穩(wěn)定，最后臨接收洞門(mén)處推進(jìn)力逐漸下降。

開(kāi)挖系統(tǒng)是盾構(gòu)法高效施工的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)各階段掘進(jìn)效果的分析，組合式多刀盤(pán)和推進(jìn)系統(tǒng)能夠適應(yīng)西北高原黃土地質(zhì)，但在夾雜有姜石等硬土條件下開(kāi)挖能力還待提升。

3 出渣系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 渣土改良效果分析

在隧道試掘進(jìn)過(guò)程中,取第51環(huán)的渣土進(jìn)行改良模擬試驗(yàn),測(cè)得渣土樣本(隧址區(qū)砂質(zhì)新黃土)含水量約為10%, 先后加入適量的水或泡沫,使用發(fā)泡裝置、攪拌裝置試驗(yàn)得到結(jié)論: 注入土樣30%的水后，轉(zhuǎn)矩明顯下降，但功率波動(dòng)較大，塌落度值小，所以單純注水，不能將渣土改良出較理想的狀態(tài)；加入35%的泡沫(FIR)后，轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步下降，功率、轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)，塌落度值較為理想(見(jiàn)圖9)。為使泡沫與土體充分混合并防止刀盤(pán)噴口堵塞，對(duì)每一個(gè)刀盤(pán)單獨(dú)配置單管單泵泡沫系統(tǒng)，共配置9路泡沫，通過(guò)PLC可以實(shí)現(xiàn)泡沫自動(dòng)注入控制。土艙隔板上均勻布置加水口，針對(duì)盲區(qū)特殊設(shè)置噴口，實(shí)現(xiàn)土艙內(nèi)均勻加水、加泡沫改良，采用高壓水沖刷盲區(qū)，有助于盲區(qū)渣土的切削和渣土改良。為將渣土改良到較好狀態(tài)，施工人員多次嘗試，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)渣土實(shí)際含水率、出土狀態(tài)(切削土塊大小)適當(dāng)調(diào)整水、泡沫及高分子聚合物的注入率。如圖10所示,白城隧道每環(huán)平均用水量約72 m3，第1、4階段泡沫用量為120～200 L，兩螺旋輸送機(jī)協(xié)同出渣較為順利；而第2、3階段泡沫用量穩(wěn)定在90 L，出現(xiàn)大量稀泥漿包裹大粒徑土塊現(xiàn)象(如圖11所示硬土徒手難以掰開(kāi))，顯然大粒徑土塊并未及時(shí)被攪拌破碎，加之姜石具有受到水浸泡1周后物理性質(zhì)較難改變的特點(diǎn)，增加了2臺(tái)螺旋輸送機(jī)排渣的難度，操作司機(jī)通過(guò)控制土艙內(nèi)氣壓變化的手段，促使螺旋輸送機(jī)出渣。

圖9 渣土改良試驗(yàn)

圖10 渣土改良用水量與泡沫劑原液量統(tǒng)計(jì)

圖11 掘進(jìn)第2、3階段的塊狀土

3.2 螺旋輸送機(jī)應(yīng)用效果分析

為了提高隧道施工效率，出渣系統(tǒng)采用連續(xù)機(jī)械作業(yè)的設(shè)計(jì)理念，其運(yùn)輸路徑為: 雙螺旋輸送機(jī)(筒體內(nèi)徑φ800 mm)-后配套皮帶機(jī)(總長(zhǎng)69 m)-連續(xù)皮帶機(jī)(總長(zhǎng)3.0 km)-轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)(總長(zhǎng)0.9 km)-棄渣場(chǎng)。螺旋輸送機(jī)采用頭部中心驅(qū)動(dòng)的模式，即驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、減速機(jī)、螺旋葉片軸三者同軸[10]，為了有效避讓多刀盤(pán)及配套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),也為了后配套皮帶機(jī)的合理布局,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)將2個(gè)螺旋輸送機(jī)尾部的進(jìn)料口關(guān)于6點(diǎn)鐘方向驅(qū)動(dòng)豎直中心線對(duì)稱(chēng)布置，其軸線與水平面有較大夾角，且2個(gè)出渣口(頭部段)呈交叉匯集的空間姿態(tài)(見(jiàn)圖12)。

圖12 螺旋輸送機(jī)擺放姿態(tài)

在施工中，雙螺旋輸送機(jī)協(xié)同出渣的作用在第1、4階段效果顯著，但在第2施工階段，上位機(jī)檢測(cè)出斷面中部土壓(0.27～0.35 MPa)比底部(0.09～0.12 MPa)高且出渣量較少。經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)較多大粒徑土塊未及時(shí)被攪拌破碎或改良時(shí)，在進(jìn)料口上部區(qū)域出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。為此，施工人員對(duì)葉片進(jìn)行了臨時(shí)改造,即在螺旋葉片軸伸入土艙的部分增加筋板來(lái)增加渣土攪拌(如圖13所示)，再配合高轉(zhuǎn)速螺旋效應(yīng)，加速了渣土的流動(dòng)，降低了螺旋輸送機(jī)排渣的難度。

圖13 螺旋葉片局部改造

出渣系統(tǒng)是影響盾構(gòu)法施工效率的重要一環(huán)，施工現(xiàn)場(chǎng)人員可針對(duì)地質(zhì)特點(diǎn)，實(shí)時(shí)改變?cè)僚c各類(lèi)改良劑的配比，提高土體流塑性能； 同時(shí)，盾構(gòu)后期也需要優(yōu)化進(jìn)料口的位置和調(diào)整螺旋葉片軸伸入土艙長(zhǎng)度。

4 管片拼裝系統(tǒng)應(yīng)用分析

4.1 拼裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及簡(jiǎn)述

馬蹄形管片每環(huán)由8塊構(gòu)成，單塊最大質(zhì)量約10 t，分塊采用奇偶相互交叉排列的形式，因馬蹄形管片沒(méi)有圓形斷面的中心對(duì)稱(chēng)優(yōu)勢(shì)，造成每塊管片形狀和尺寸均不一致(見(jiàn)圖2)。在設(shè)計(jì)拼裝機(jī)之初，曾經(jīng)考慮過(guò)使用真空吸盤(pán)式抓舉裝置，因吸盤(pán)結(jié)構(gòu)無(wú)法適應(yīng)管片內(nèi)輪廓有3種曲率(分別為R5 270 mm、R3 620 mm、R9 120 mm)，容易造成抓持力不穩(wěn)定的情況；同時(shí)，由于管片形狀多樣，而真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu)抓持面較大，管片被抓舉后回轉(zhuǎn)路徑空間狹窄，容易出現(xiàn)與螺旋輸送機(jī)或已拼裝完畢的管片發(fā)生干涉的情況。因而管片采用內(nèi)植雙吊裝孔的方式(見(jiàn)圖14)[12]，抓舉手能夠同時(shí)鎖緊2個(gè)起吊螺釘，利用均衡梁自動(dòng)平均分配2個(gè)起吊螺釘受力，并使用2種靴板來(lái)穩(wěn)定3種不同曲率半徑的管片。

圖14 抓舉手結(jié)構(gòu)

馬蹄形管片拼裝機(jī)主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變徑機(jī)構(gòu)和抓舉手組成，能夠完成鎖緊、前后平移、回轉(zhuǎn)、變徑、俯仰、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)7種動(dòng)作(見(jiàn)圖15)。其中鎖緊動(dòng)作可使抓舉手與管片成為一體，回轉(zhuǎn)、變徑、前后平移3種動(dòng)作可使管片運(yùn)動(dòng)到圓周任何區(qū)域，俯仰、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)3種動(dòng)作用于微調(diào)管片的安裝角度。

圖15 拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)

4.2 工程應(yīng)用效果分析

在白城隧道的施工應(yīng)用中，管片拼裝機(jī)的工作效率統(tǒng)計(jì)如圖16所示，隨著操作手的熟練度提高，約70%環(huán)數(shù)的管片拼裝時(shí)間控制在38～43 min，拼裝錯(cuò)臺(tái)誤差可控制在25 mm以?xún)?nèi)(半徑方向)，貫通效果如圖17所示。為降低設(shè)備成本，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)未使用回轉(zhuǎn)支撐，而是采用多個(gè)支撐輪+圓形回轉(zhuǎn)架+齒輪驅(qū)動(dòng)組合的設(shè)計(jì)理念，實(shí)際運(yùn)行效果較好。在掘進(jìn)初期，曾出現(xiàn)過(guò)拼裝管片B1、G1時(shí)變徑動(dòng)作卡頓或推進(jìn)無(wú)力的情形，通過(guò)調(diào)整油缸的控制油路和蓄能器的配置得以解決；此外，由于管片形狀的差異，有管片間榫槽對(duì)接時(shí)間較長(zhǎng)的情形，具體為管片沿著半徑方向位移變動(dòng)的微調(diào)、管片隨著抓舉手角度二次微調(diào)、管片隨著抓舉手繞垂直于半徑方向的2個(gè)角度調(diào)整動(dòng)作等，隨著操作人員經(jīng)驗(yàn)的豐富，微調(diào)時(shí)間也趨于穩(wěn)定。

圖16 拼裝效率統(tǒng)計(jì)

圖17 貫通后的馬蹄形隧道

提升拼裝系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性、液壓電器系統(tǒng)的柔性控制是下一步改進(jìn)的方向。

5 結(jié)論與建議

本文通過(guò)解析馬蹄形盾構(gòu)開(kāi)挖、推進(jìn)、出渣及管片拼裝系統(tǒng)等在白城隧道4個(gè)施工階段中的應(yīng)用效果，表明它在華北西北地區(qū)黏土、粉土、粉砂、新舊黃土、粗砂等地質(zhì)條件下具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和施工效率優(yōu)勢(shì)。該項(xiàng)目的成功應(yīng)用對(duì)施工條件極其惡劣的山嶺公路、鐵路隧道或施工成本極高的深覆土雙線地鐵隧道解放勞動(dòng)力、提高施工安全、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

為拓寬?cǎi)R蹄形盾構(gòu)適用地質(zhì)領(lǐng)域(如強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化的砂巖、礫巖、石灰?guī)r、泥巖、頁(yè)巖等Ⅴ級(jí)或Ⅳ級(jí)圍巖地質(zhì))和更高的施工效率，建議盾構(gòu)今后主要從解決刀盤(pán)全斷面開(kāi)挖和智能化管片拼裝系統(tǒng)2方面進(jìn)行突破。

1)全斷面仿形刀盤(pán)的開(kāi)發(fā)。日本小松公司曾做過(guò)研究[13](如圖18所示)，在刀盤(pán)輻條刀梁內(nèi)側(cè)設(shè)置有可伸縮的超挖刀，超挖刀由液壓油缸來(lái)提供動(dòng)力， 通過(guò)超挖刀伸縮量和刀盤(pán)擺動(dòng)角度兩者的聯(lián)動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)矩形開(kāi)挖輪廓的擬合。該控制系統(tǒng)由超挖刀行程感應(yīng)器、超挖刀擺動(dòng)角度感應(yīng)器、程序裝置、液壓伺服閥、伺服控制器構(gòu)成，其控制精度能夠控制在20 mm以?xún)?nèi)。此外，國(guó)內(nèi)圓形盾構(gòu)對(duì)超挖刀的應(yīng)用也有很多應(yīng)用案例[14]，控制精度達(dá)3 mm。

(a) 縮回狀態(tài) (b) 伸出狀態(tài)

根據(jù)上述技術(shù)成果,可延伸設(shè)計(jì)一種全斷面仿形開(kāi)挖裝置(見(jiàn)圖19)[15]，外套刀梁內(nèi)側(cè)設(shè)置仿形刀梁，其左側(cè)配置1個(gè)支撐輪，支撐輪與前盾環(huán)軌之間始終相接觸，并通過(guò)油缸提供穩(wěn)定的推力。當(dāng)?shù)侗P(pán)總成繞主軸軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，常規(guī)刀梁隨之旋轉(zhuǎn)切削出圓形隧道斷面；再通過(guò)支撐輪沿著環(huán)軌滾動(dòng)來(lái)控制仿形刀梁在徑向的伸縮行程，并與軸心旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的效果相互疊加(見(jiàn)圖20)，來(lái)完成整個(gè)馬蹄形斷面除圓形之外的面積開(kāi)挖。

(a) (b)

圖20 切削掃掠區(qū)域

該設(shè)想的優(yōu)勢(shì)在于支撐輪實(shí)時(shí)控制仿形刀梁的伸出量，促使隧道開(kāi)挖斷面輪廓擬合更真實(shí)，電控系統(tǒng)擺脫了控制每個(gè)仿形刀梁伸出或回縮位移量的檢測(cè)及復(fù)雜計(jì)算，只需支撐輪始終接觸環(huán)軌即可。

2)馬蹄形管片拼裝系統(tǒng)的智能化。①結(jié)構(gòu)方面。以輕量化和高剛度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)高強(qiáng)鋼組焊的結(jié)構(gòu)件；優(yōu)化圓形回轉(zhuǎn)架和支撐輪的裝配工藝,使回轉(zhuǎn)動(dòng)作更加流暢；調(diào)整軛梁結(jié)構(gòu)和抓舉手， 以增大操作人員的視野空間；更為人性化的護(hù)欄設(shè)計(jì)以加快管片螺釘?shù)倪B接效率。②液壓控制方面。提高變徑機(jī)構(gòu)的油缸同步性能； 引入人工智能技術(shù), 促使抓舉手與扣頭螺釘銜接和鎖緊的智能化， 促使回轉(zhuǎn)、變徑、前后平移3個(gè)動(dòng)作的智能化(俯仰、扭轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)3個(gè)微調(diào)動(dòng)作仍為人工操作)； 液壓系統(tǒng)的柔性控制以提高各動(dòng)作的平穩(wěn)性能。