EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)出碴系統(tǒng)及刀盤優(yōu)化研究

趙健

( 中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津 300222 )

無論是適合軟土地質(zhì)施工的土壓平衡機(jī)(EPB)，還是適合硬巖地質(zhì)施工的全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)，都是當(dāng)下比較先進(jìn)的隧道施工機(jī)械設(shè)備。兩者都具備開挖、掘進(jìn)、支護(hù)綜合功能，能自動(dòng)導(dǎo)向。EPB和TBM具有安全系數(shù)高、施工速度快、運(yùn)轉(zhuǎn)效率好、環(huán)境污染小等優(yōu)勢，在軌道交通地下工程、城市管廊、礦山開采等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。當(dāng)前，國內(nèi)外采用較多的是土壓平衡或 TBM 單獨(dú)模式掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行施工。

常規(guī)EPB土壓平衡盾構(gòu)機(jī)不符合長隧道硬巖快速施工要求，而單一模式的TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)也不能滿足上軟下硬混合地層的施工客觀要求。當(dāng)?shù)刭|(zhì)出現(xiàn)軟硬交織情況時(shí)，單一EPB或TBM模式進(jìn)行施工都有一定的局限性，不能滿足現(xiàn)階段工程施工需要，亟待開發(fā)應(yīng)用多模式隧道掘進(jìn)開挖施工設(shè)備。為環(huán)保、快速、安全、省時(shí)地完成隧道施工任務(wù)，應(yīng)選擇“軟硬通吃”EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)[1]。陳偉國等[2-3]立足于南京軌道交通機(jī)場線1號(hào)上軟、下硬復(fù)合地層中對(duì)雙模式盾構(gòu)(EPB/TBM)模式轉(zhuǎn)換技術(shù)做出研究。

福州至長樂機(jī)場城際鐵路岱尖嶺隧道引入EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)，采用TBM模式時(shí)，在中心皮帶輸送機(jī)式出碴模式下，存在噴水噴泥風(fēng)險(xiǎn)大、皮帶機(jī)維修率高、不能有效降塵等施工難題，從成本管理、施工效率、安全等方面進(jìn)行綜合分析，將中心皮帶輸送機(jī)出碴方式優(yōu)化為中心螺旋輸送機(jī)出碴方式，借助螺旋輸送機(jī)出碴門的閉合與打開，能夠解決盾構(gòu)在施工過程中突遇富水層發(fā)生噴涌和噴砂的難點(diǎn)。優(yōu)化刀盤設(shè)計(jì)，并采取了提高刀盤轉(zhuǎn)速的舉措，不僅確保了隧道安全，加快了施工速度，還利于隧道施工環(huán)境的提升，降低了施工成本。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

福長鐵路岱尖嶺隧道總長度(含左線、右線)為3 721.71 m，其中左右線出口端采取礦山法施工，長度為653 m，隧道進(jìn)口引入EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)施工，全長為3 068.71 m。施工設(shè)備側(cè)穿并上跨福州——平潭鐵路，穿過混凝土填筑墻、福州外語外貿(mào)學(xué)院相關(guān)建筑構(gòu)造物，這些都是該項(xiàng)目施工面臨的重難點(diǎn)。

1.2 地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造

岱尖嶺隧道所在地形高差較大，順著線地面高程最低海拔11.9 m，最高海拔236.99 m，呈北高南低走勢。岱尖嶺隧道施工所在的區(qū)域覆蓋層比較復(fù)雜，石質(zhì)軟硬不均，要穿越中風(fēng)化凝灰?guī)r、微風(fēng)化凝灰?guī)r、數(shù)條節(jié)理密集帶以及斷層破碎帶。

2 EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)優(yōu)點(diǎn)

EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)吸收EPB、TBM單模式盾構(gòu)機(jī)兩者優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)軟硬復(fù)合地層施工。當(dāng)出現(xiàn)軟土富水層時(shí)，應(yīng)采用EPB土壓平衡模式施工，當(dāng)出現(xiàn)硬巖地層時(shí)，應(yīng)采用TBM硬巖掘進(jìn)模式施工，滿足安全、快速施工的需求。2021年6月，當(dāng)岱尖嶺隧道右線為軟潤土和中強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r軟地層時(shí)，在EPB模式下施工，大約掘進(jìn)99環(huán)，進(jìn)行過一次帶壓換刀。2021年7月，當(dāng)出現(xiàn)微風(fēng)化凝灰?guī)r硬地層時(shí)，轉(zhuǎn)換成TBM模式進(jìn)行299環(huán)開挖，施工過程中刀具更換頻率較低。右線施工速度曲線圖分析如圖1所示，由圖1可知，TBM模式施工速度較快、刀具磨損較少。右線施工速度柱狀對(duì)比如圖2所示，可知在硬巖地層，TBM模式下的施工速度比EPB模式要快，TBM模式下的施工速度為EPB模式的3倍左右。

圖1 右線施工進(jìn)度曲線對(duì)比

圖2 右線施工速度柱狀對(duì)比

3 傳統(tǒng)EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)出碴方式存在的問題

傳統(tǒng)EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工時(shí)，如果地層為軟土富水層，切換到EPB模式施工，借助傾斜中心螺旋輸送機(jī)進(jìn)行碴土外排，如圖3(a)所示。當(dāng)?shù)貙訛檩^硬巖層時(shí)，切換到TBM模式施工，并借助中心皮帶輸送機(jī)進(jìn)行碴土外排，如圖3(b)所示。

圖3 傳統(tǒng)中心皮帶輸送機(jī)出碴模式

1)TBM施工區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較多粉塵，EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)在TBM模式下，如果采用中心皮帶輸送機(jī)式出碴，當(dāng)?shù)侗P滾刀摩擦、切割巖石時(shí)，會(huì)有很多粉塵生成。由于TBM施工區(qū)域?yàn)槌ㄩ_式，大量粉塵被皮帶機(jī)帶入TBM主機(jī)機(jī)械區(qū)域，粉塵從皮帶機(jī)向四周擴(kuò)散。盡管TBM配置了除塵設(shè)備，但在盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，不能及時(shí)除去所有粉塵，不僅影響主機(jī)設(shè)備使用功能，還會(huì)對(duì)技術(shù)人員身心健康造成危害，而且視覺上也受限。

2)TBM 模式?jīng)]有保壓功能,當(dāng)選取中心皮帶輸送機(jī)式出碴模式,因?yàn)樵撃Ｊ较?不能完全封閉敞開模式,當(dāng)發(fā)生突泥突水情況時(shí)，很容易引發(fā)主機(jī)積水，損傷主機(jī)的情況，而且施工人員人身安全也得不到保障。

4 雙模式盾構(gòu)出碴方式優(yōu)化

從性價(jià)比、掘進(jìn)工效、施工安全等方面統(tǒng)籌考慮，EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)采用TBM模式時(shí)，用中心螺旋輸送式代替中心皮帶輸送機(jī)式出碴，同時(shí)去掉溜碴槽、接料斗，增加回轉(zhuǎn)接頭，對(duì)比圖見圖4。借助螺旋輸送機(jī)出碴門的開合實(shí)現(xiàn)防噴涌功能，可有效解決在施工時(shí)突遇富水層噴泥、噴水和噴砂等難題，確保設(shè)備正常運(yùn)行。

圖4 優(yōu)化前后中心螺旋輸送機(jī)出碴模式

改進(jìn)后的EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)主要構(gòu)件為：雙模式刀盤、螺旋輸送機(jī)、盾體、中心回轉(zhuǎn)接頭、管片拼裝機(jī)、主驅(qū)動(dòng)設(shè)備以及人艙等。為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，螺旋輸送機(jī)還配置前置關(guān)節(jié)軸承以及后部支撐，確保雙模盾構(gòu)在硬巖地質(zhì)時(shí)，TBM在施工過程中能夠與主機(jī)相協(xié)調(diào)，防止螺旋輸送機(jī)和主機(jī)姿態(tài)不協(xié)調(diào)而出現(xiàn)卡軸現(xiàn)象。

改進(jìn)后的EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)極大地節(jié)省了轉(zhuǎn)換時(shí)間，提升了環(huán)保指數(shù)、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，也降低了故障率。

5 中心皮帶輸送機(jī)式與中心螺旋輸送機(jī)式出碴性能對(duì)比分析

當(dāng)土壓模式等工況一致時(shí)，在TBM模式下，對(duì)中心皮帶輸送機(jī)式與中心螺旋輸送機(jī)式出碴性能進(jìn)行對(duì)比分析。

5.1 施工風(fēng)險(xiǎn)

借助中心皮帶輸送機(jī)式進(jìn)行出碴時(shí)，由于中心皮帶輸送機(jī)是敞開式，皮帶機(jī)和主驅(qū)動(dòng)之間不能全封閉，當(dāng)發(fā)生突泥突水情況時(shí)，很容易導(dǎo)致主機(jī)積水，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生主機(jī)淹沒，施工人員人身安全也得不到保障；而借助中心螺旋輸送機(jī)式出碴，當(dāng)發(fā)生突泥突水情況時(shí)，立即對(duì)中心螺旋輸送機(jī)的出碴門進(jìn)行關(guān)閉，可有效防止突泥突水情況，并可進(jìn)行帶壓掘進(jìn)施工。

5.2 設(shè)備故障

借助中心皮帶輸送機(jī)式出碴時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)的局限性，很容易出現(xiàn)刮碴板磨損掉碴、滾筒磨損、出口積碴等系列異常狀況。另外，因?yàn)榭臻g受限和工序復(fù)雜性，一般進(jìn)行皮帶機(jī)維修比較耗時(shí)費(fèi)力。通過中心螺旋輸送機(jī)進(jìn)行出碴，螺旋輸送機(jī)的螺旋軸易被磨損，螺旋軸不容易損壞。

5.3 換模效率

當(dāng)EPB 和TBM 模式相互切換的時(shí)候，機(jī)械拆裝非常耗時(shí)費(fèi)力。而優(yōu)化后，出碴方式都統(tǒng)一成同一臺(tái)螺旋輸送機(jī)，對(duì) EPB 和 TBM 模式相互切換時(shí),對(duì)螺旋輸送機(jī)只需進(jìn)行傾斜和水平交替設(shè)置，不僅流程少，而且操作比較方便，過程也比較簡單，總的轉(zhuǎn)換時(shí)間比傳統(tǒng)方式節(jié)省50%左右。同規(guī)格的皮帶機(jī)雙模盾構(gòu)的換模時(shí)間對(duì)比詳見表1。

表1 兩種模式轉(zhuǎn)換耗時(shí)對(duì)比

5.4 耗時(shí)

1)中心皮帶輸送機(jī)式。采用傳統(tǒng)的中心皮帶輸送機(jī)和中心螺旋輸送機(jī)式共存模式時(shí)，當(dāng)進(jìn)行TBM和EPB模式轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換施工流程如圖5所示，共計(jì)耗時(shí)15 d。

圖5 優(yōu)化前EPB和TBM模式轉(zhuǎn)換施工流程

2)中心螺旋模式。優(yōu)化后，出碴采用同一臺(tái)螺旋輸送機(jī)，進(jìn)行TBM和EPB模式轉(zhuǎn)換時(shí)，通常耗時(shí)9 d轉(zhuǎn)換施工流程如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后TBM和EPB模式轉(zhuǎn)換施工流程

6 刀盤刀具優(yōu)化

6.1 刀盤刀具設(shè)計(jì)的缺陷及優(yōu)化舉措

在TBM 模式下，如果巖石抗壓強(qiáng)度大于100 MPa時(shí)，會(huì)影響巖石的貫入度。另外，當(dāng)?shù)侗P提高轉(zhuǎn)速時(shí)，常引起巖脊和正面切刀出現(xiàn)激烈撞擊，容易磨損滾刀，檢修率和換刀頻率也會(huì)相應(yīng)提高，嚴(yán)重阻礙施工速度。

傳統(tǒng)的雙模盾構(gòu)機(jī)一般配備18號(hào)滾刀,但是重型刀盤盾構(gòu)機(jī)會(huì)配備19號(hào)滾刀。18號(hào)滾刀的耐磨性、運(yùn)轉(zhuǎn)壽命、抗沖擊力都低于19號(hào)滾刀(兩者刀體、軸承等核心構(gòu)件相同，只是把18號(hào)刀圈替代為19號(hào)刀圈)。從設(shè)計(jì)方面考慮，為滿足硬巖地質(zhì)區(qū)域施工，為將TBM模式下刀盤的掘進(jìn)作用最大化，通過配制重型結(jié)構(gòu)刀盤(常規(guī)雙模盾構(gòu)機(jī)和重型刀盤配置盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)相同)，安裝型號(hào)為19號(hào)的滾刀，重型刀盤結(jié)構(gòu)如圖7所示。另外，配制球齒滾刀時(shí)，在刀圈上增加耐磨層，可有效增加刀具耐磨性的同時(shí)，增加刀具的抗沖擊功能，防止刀圈出現(xiàn)崩裂情況，發(fā)揮硬巖刀盤的掘進(jìn)最佳效果[4]，如圖8所示。

圖7 重型刀盤實(shí)物

圖8 增加耐磨層的球齒滾刀

6.2 刀盤轉(zhuǎn)速缺陷及優(yōu)化舉措

傳統(tǒng)雙模盾構(gòu)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)極限值較大，刀盤設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速最高可以達(dá)到5.39 rpm。通常為阻止盾體發(fā)生滾動(dòng)，將兩個(gè)穩(wěn)定器配置在盾構(gòu)機(jī)前盾上。但在TBM 模式下，刀盤在實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)速可控范圍通常為2.49～2.99 r/min。如果轉(zhuǎn)速提升，會(huì)導(dǎo)致刀盤震動(dòng)幅度偏大，提高了刀具損壞率。將主驅(qū)動(dòng)配置雙速電機(jī)，在軟巖EPB模式下，應(yīng)選用大扭矩、低速擋位電機(jī)，在硬巖TBM模式下，應(yīng)選用高速擋位電機(jī)，設(shè)備工作效率極大提升[5]。

EPB模式下，為確保螺旋輸送機(jī)順利出碴，要確保碴土上面線比螺旋輸送機(jī)面要高，而土倉中的碴土通常為半倉狀態(tài)，刀盤需要限制土倉碴土產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這就導(dǎo)致刀盤的轉(zhuǎn)速不能有效提升。配置溜碴槽，當(dāng)處于TBM模式時(shí)，借助溜碴槽實(shí)現(xiàn)中心集碴功能，可以使土艙維持一定的碴土量，不影響中心螺旋輸送機(jī)出碴效率。

7 結(jié)語

針對(duì)福州至長樂機(jī)場城際鐵路岱尖嶺隧道工程實(shí)際情況，通過引入EPB/TBM雙模式轉(zhuǎn)換盾構(gòu)機(jī)，將TBM模式下中心皮帶輸送機(jī)式優(yōu)化為中心螺旋輸送機(jī)式出碴方式，借助螺旋輸送機(jī)出碴門的開合實(shí)現(xiàn)防噴涌功能，有效解決了在施工時(shí)突遇富水層噴泥、噴水和噴砂難題，確保設(shè)備能正常運(yùn)行，而且極大地節(jié)省了轉(zhuǎn)換時(shí)間，提升了環(huán)保指數(shù)、降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，也降低了故障率。

另外，通過配制重型結(jié)構(gòu)刀盤，在安裝球齒滾刀的基礎(chǔ)上，在刀圈上增加耐磨層，在有效增加刀具的耐磨性的同時(shí)，增加刀具的抗沖擊功能，防止刀圈出現(xiàn)崩裂情況，這樣可以發(fā)揮硬巖刀盤的掘進(jìn)最佳效果。將主驅(qū)動(dòng)配置雙速電機(jī)，當(dāng)在軟巖EPB模式下，選用大扭矩、低速擋位電機(jī)，當(dāng)在硬巖TBM 模式下，選用高速擋位電機(jī)，極大地提高了雙盾構(gòu)機(jī)工作效率。通過配置溜碴槽，當(dāng)處于TBM模式時(shí)，借助溜碴槽實(shí)現(xiàn)中心集碴功能，可以使土艙維持一定的碴土量，確保了中心螺旋輸送機(jī)出碴效率，也提高了硬巖刀盤的掘進(jìn)效率。