超小轉(zhuǎn)彎半徑土壓平衡盾構(gòu)針對性設(shè)計

張衛(wèi)東/ ZHANG Wei-dong

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100）

國內(nèi)常規(guī)地鐵隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑通常設(shè)計為200m 左右，而隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，受地上和地下既有建筑物的限制，越來越多的隧道線路選擇用急曲線施工來克服周邊環(huán)境的制約，越來越多的超小轉(zhuǎn)彎半徑曲線被應用于盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計中。國外方面，日本在這一領(lǐng)域研究較早，其公路、鐵路、地鐵等隧道的最小轉(zhuǎn)彎半徑大多集中在100m，馬來西亞吉隆坡地鐵隧道要求150m 的轉(zhuǎn)彎半徑；國內(nèi)方面，某地鐵項目工程，隧道開挖直徑?6.28m，最小轉(zhuǎn)彎半徑僅51m，常規(guī)主動鉸接盾構(gòu)結(jié)構(gòu)難以滿足施工的要求。本文以該項目為背景，研究適用于超小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)間的土壓平衡盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)。

1 工程概況

某地鐵盾構(gòu)隧道工程，盾構(gòu)開挖直徑6 280mm，隧道長約1 370m，頂板埋深10～20m，隧道最小水平曲率半徑僅R=51m，如圖1、圖2 所示。隧道沿線地層基本上由上而下可分為回填層、粉土質(zhì)黏土或砂質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、黏土、粉土質(zhì)砂。盾構(gòu)區(qū)間沿線范圍為主要為繁華市區(qū)，地面沉降要求嚴格。

圖1 平面路線圖

圖2 轉(zhuǎn)彎施工路線模擬

2 超小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)針對性設(shè)計

由于盾構(gòu)主機部分為剛性結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎的過程實際上是以直線去擬合設(shè)計曲線。所以，影響盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎能力的因素主要有主機長度、鉸接形式、鉸接密封形式、刀盤的超挖能力、同步注漿系統(tǒng)、出渣形式等[1]。高難度的線路設(shè)計對盾構(gòu)設(shè)計也提出了極高的要求，為適應區(qū)間超小轉(zhuǎn)彎半徑，本工程從以上多個角度對設(shè)備進行針對性設(shè)計，提高設(shè)備的靈活性。

2.1 雙主動鉸接主機設(shè)計及轉(zhuǎn)彎計算

2.1.1 雙主動鉸接主機設(shè)計

常規(guī)主動鉸接是將前盾和中盾用鉸接裝置連接，通過控制不同油缸的行程差實現(xiàn)主機的彎折，一般可滿足150～200m 的轉(zhuǎn)彎半徑，而實際小轉(zhuǎn)彎施工中，因曲線施工時于轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)進行超挖，使前盾轉(zhuǎn)彎內(nèi)側(cè)有空隙產(chǎn)生，轉(zhuǎn)彎外側(cè)受土體側(cè)壓力作用，如圖3 所示，將前盾往內(nèi)側(cè)推移，導致實際施工時盾構(gòu)前盾未能按照理想線形前進，而是以外側(cè)千斤頂撐靴為中心點往內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)偏移，使盾尾轉(zhuǎn)彎外側(cè)的盾尾間隙減少。

圖3 施工中土體側(cè)壓力示意圖

當轉(zhuǎn)彎半徑進一步縮小，盾構(gòu)所需中折角度變大，機身姿態(tài)與曲線線形差異變大，所需的超挖量也越大，土體對前盾的側(cè)向力更加明顯，導致盾構(gòu)的偏移量越來越大，盾尾中心與管片中心的偏移量增大，超越盾尾間隙允許的限制值，尾盾殼體與管片發(fā)生擠壓破碎，影響拼裝質(zhì)量，導致盾構(gòu)操作困難，如圖4 所示，故常規(guī)主動鉸接無法適應200m 以下曲線半徑的轉(zhuǎn)彎需求。

圖4 盾構(gòu)超挖偏轉(zhuǎn)示意

為適應更小的轉(zhuǎn)彎半徑，主機部分的長度越短越好。然而，主機部分包含了主驅(qū)動、拼裝機、螺旋機等多個關(guān)鍵部件，每個部件都需占用一定的空間。因此，提高主機部分轉(zhuǎn)彎能力的主要思路是將主機轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄺l更短的折線段，折線之間通過多根鉸接油缸連接[2]。本文首次提出了盾構(gòu)雙主動鉸接裝置、推進油缸特殊布置方式，減少因超挖而產(chǎn)生的偏移量，使盾構(gòu)達到更大的靈敏度和更小的轉(zhuǎn)彎半徑，提高管片拼裝質(zhì)量，從而使超小轉(zhuǎn)彎半徑隧道開挖成為可能。

如圖5、圖6 所示，主動鉸接的推進油缸缸體末端通過螺栓栓接方式固定在盾尾隔板上，推進油缸的推力作用在盾構(gòu)的盾尾，保證推進油缸撐靴始終與管片相垂直，再通過中盾與盾尾間鉸接油缸、中盾與前盾間鉸接油缸逐次將推力傳遞到盾構(gòu)的前盾，依靠鉸接油缸的主動伸縮調(diào)節(jié)盾構(gòu)前后部分彎折的角度，從而實現(xiàn)盾構(gòu)超小轉(zhuǎn)彎[3]。

圖5 推進油缸布置方式方案圖

圖6 雙主動鉸接裝置方案圖

2.1.2 雙鉸接主機小轉(zhuǎn)彎計算

前盾、中盾之間及中盾、盾尾之間鉸接系統(tǒng)為主動鉸接形式，鉸接油缸分區(qū)控制，每區(qū)設(shè)置有1 個行程傳感器，通過分組控制鉸接油缸行程實現(xiàn)盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎。當盾構(gòu)由直線段施工進入過渡段施工，再由過渡段施工進入曲線段施工時，根據(jù)轉(zhuǎn)彎半徑的大小，先計算出前盾與中盾、中盾與尾盾盾殼之間的角度。

為了更方便理解盾構(gòu)隧道曲線施工的計算方法，使用符號定義各點和尺寸，如圖7 所示。

圖7 急曲線計算所需各部位尺寸示意圖

為求得盾構(gòu)對應曲線所需中折角度，首先將管片組裝面上的中心確定在曲率半徑上，然后再假設(shè)盾尾與環(huán)片外側(cè)的最小盾尾間隙d1以及盾尾軸向與管片組裝面的夾角α，最后計算出盾構(gòu)中折中心M1、M2點坐標以及盾構(gòu)上其他點坐標。

當盾構(gòu)的外周A點、B點、D點、F點在同一圓弧上時，此時為盾構(gòu)最理想轉(zhuǎn)彎姿態(tài)，中折角度為最佳角度，盾構(gòu)在最佳中折角度時所需的超挖量也最小。但因考慮盾構(gòu)機械構(gòu)造及配置空間問題，因此在模擬計算中假設(shè)∠b=2.5°，∠c=4.5°，此狀態(tài)時將增加一定的超挖量，且OA>（OB、OD、OF）外周側(cè)的空隙也變大（圖8）。

圖8 盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎姿態(tài)示意

在此狀態(tài)下，兩段鉸接油缸行程差如下：前、中盾鉸接油缸行程差424.8mm，前、中盾鉸接油缸最大行程差為500mm。中、尾盾鉸接油缸行程差244.4mm，中、尾盾鉸接油缸最大行程差為300mm。兩組鉸接均有一定的余量來調(diào)節(jié)更小的轉(zhuǎn)彎半徑，可以針對實際掘進中的特殊情況（如姿態(tài)調(diào)整等）進行對應調(diào)整。

確定中折角度后，可計算盾構(gòu)的各個點坐標。根據(jù)盾首、盾身、盾尾的狀態(tài)，以O(shè)點為中心可以模擬計算出盾首、盾身、盾尾與內(nèi)弧側(cè)開挖線的內(nèi)切圓。通過模擬計算可以得出潛盾機的刀盤體前端G點至O點的長度，它和內(nèi)切圓半徑的差值（d3）就是超挖量。

最小盾尾間隙可以通過圖6 上d2的計算得出。實際計算中，管片的組裝精度、盾尾的變形量、環(huán)片的偏移量這些因素將會影響盾尾間隙。如果∠α>90°，計算d2必須考慮這部分影響因素，因此設(shè)定d1=15mm 為最小余量，只要d2計算結(jié)果大于零（環(huán)片與尾盾不會發(fā)生擠壓）就能滿足曲線掘進要求。通過以上幾點的計算與設(shè)定后，就可以確定整個盾構(gòu)盾體姿態(tài)，所有點坐標均能通過計算或繪圖模擬得出。由此亦可計算出此種情況下盾體姿態(tài)的超挖量d3及內(nèi)側(cè)盾尾與環(huán)片最小間隙量d2。

2.1.3 雙鉸接主機優(yōu)勢

盾構(gòu)分兩段獨立操作，采用PLC 自動控制。與單主動鉸接相比，盾構(gòu)采用雙主動鉸接裝置對操作人員水平要求較高，但刀盤所需超挖量小，轉(zhuǎn)彎能力更強，減少了開挖隧道塌陷可能，保證施工的安全性。除此之外，雙主動鉸接裝置還具有以下特點：①鉸接油缸角度小，鉸接油缸行程控制簡單，不易造成鉸接油缸中心偏移；②鉸接油缸移動行程短，鉸接密封磨損概率低；③對鉸接油缸的行程以及盾構(gòu)前后體的角度控制精確。

2.2 鉸接及鉸接密封針對性設(shè)計

相較于平面鉸接，球形鉸接可適應更大的偏折角度。主機進行轉(zhuǎn)彎時，其前盾和中盾之間、中盾和盾尾之間會存在一定的擺動角度，而這個擺動角度的存在會使盾構(gòu)前盾與中盾之間、中盾與盾尾之間存在縫隙。為保證主機的密封性能，鉸接裝置必須設(shè)置鉸接密封以阻止盾體外部渣土和泥水進入主機內(nèi)部[4]。鉸接密封采用兩道橡膠密封組成（圖9）。正常使用時，兩道橡膠密封起鉸接密封作用，防止泥水及渣土滲入盾體中。同時，通過注油脂口向兩道鉸接密封形成的空腔注油脂，又起到了潤滑作用以保護橡膠密封。當兩道橡膠密封損壞或者涌水時，則通過氣囊充氣緊急密封止水，防止事故發(fā)生。該鉸接形式具有以下特點：①鉸接球面曲度小，結(jié)構(gòu)厚度較小，結(jié)構(gòu)長度較短，不影響盾構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)配置；②可配置多道密封；③加工困難度較低，且加工精度易控制；④鉸接密封滲漏風險小。加工精度易控制，球面平滑度良好，不易造成密封磨損。

圖9 前盾與中盾之間、中盾與盾尾之間鉸接密封方案圖

2.3 出渣方案設(shè)計

當設(shè)備在進行超小轉(zhuǎn)彎施工時，螺旋輸送機的落渣口與皮帶輸送機的交叉位置易因轉(zhuǎn)彎角度的偏移，導致接渣斗無法正常接渣。且現(xiàn)有皮帶機也無法滿足51m 超小轉(zhuǎn)彎半徑的需求。

為應對這一難題，本項目采用管道泵送渣土，通過球形鉸接將保壓泵送設(shè)備與螺旋機出渣口相連接，將螺旋輸送機排出的渣土通過全程密封排渣管道輸送到尾部拖車上布置的落料口處，再由渣土輸送小車輸送到地面。通過此方式，不僅便于實現(xiàn)盾構(gòu)的超小轉(zhuǎn)彎，而且可以從根本上杜絕螺旋機噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，保證項目綠色施工，改善施工環(huán)境[5]。盾構(gòu)出渣系統(tǒng)采用泵送，具體方案有以下幾方面。

1）排渣管道為無縫鋼管，分段處由法蘭連接，經(jīng)由連接橋、每節(jié)拖車上方將渣土泵送至尾部拖車上布置的落料口處，再由渣土輸送小車輸送到地面。每兩節(jié)拖車之間以及泵與拖車之間采用軟管連接以便于盾構(gòu)超小半徑轉(zhuǎn)彎。

2）采用S 閥柱塞泵的方式來泵送渣土。該柱塞泵具有以下特點：采用全液壓控制開式液壓系統(tǒng)，主系統(tǒng)純液壓控制，無電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，可靠性極高；泵送機構(gòu)工作平穩(wěn)，沖擊小，泵送頻率低；閥座及物料活塞等易損件耐磨度高、使用壽命長并且易更換；具有監(jiān)控、保護功能，配置標準的BUS 通信接口，可進行遠程控制。

3）在泵后面的管道中加入水膜潤滑減阻裝置，保障泵送渣土距離。在渣土輸送動力泵后面配置管道注膜減阻裝置，及時稀釋渣土，避免系統(tǒng)壓力過高。

4）在渣土輸送動力泵前段設(shè)置土壓傳感器，及時通過壓力檢測控制渣土傳輸匹配；輸送管道設(shè)置多處流量計，檢測渣土輸送速度，保證盾構(gòu)掘進速度、螺旋機出渣速度與泵送渣土速度的匹配性。

2.4 其他針對性設(shè)計

刀盤、盾體和螺旋機配備多路膨潤土及泡沫注入管路[6]，盾體預留多處注入點，保證了改良劑多點位多層次的注入性能，提高了渣土改良系統(tǒng)對于地層的適應性，同時在掘進過程中向土倉內(nèi)添加膨潤土或泡沫等對渣土進行改良，使渣土具備良好的和易性及流塑性，便于泵送。通過土倉內(nèi)及土倉外渣土改良，增加渣土的可泵送性，降低管路堵塞，從而提高了泵送管路出渣效率。

3 結(jié)語

2021 年12 月，該項目盾構(gòu)順利通過50m 超小轉(zhuǎn)彎半徑曲線段，其針對性設(shè)計突破了盾構(gòu)在小轉(zhuǎn)彎掘進時的諸多難題，確保了施工安全及進度順利完成。

本文通過介紹影響盾構(gòu)小轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵技術(shù)以及其應用效果，為小轉(zhuǎn)彎盾構(gòu)的設(shè)計提供參考。