全國首臺串聯(lián)式雙模盾構(gòu)的構(gòu)造及設(shè)計原理

1 引言

在我國，盾構(gòu)施工技術(shù)在城市軌道交通、鐵路、穿江隧道等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這是因為該技術(shù)具有快速、安全、減少地面沉降等優(yōu)點。 隨著時間的推移，盾構(gòu)機(jī)的種類越來越多，同時也引入了新技術(shù)和新工藝， 能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。 這些創(chuàng)新推動了地下隧道建設(shè)和交通發(fā)展的進(jìn)一步提升，也為工程建設(shè)提供了更加高效、環(huán)保的選擇。

不同種類的盾構(gòu)機(jī)在地質(zhì)環(huán)境、施工工藝、成本等方面具有各自的特點和優(yōu)勢。 其中，綜合了土壓及泥水兩種平衡模式設(shè)計理念及功能的雙模式盾構(gòu)機(jī)得到廣泛的應(yīng)用， 因其可根據(jù)地層條件變化切換土壓和泥水兩種不同掘進(jìn)工況， 在進(jìn)行長里程、穿江過河、穿越多重地層、城市筑物群、復(fù)雜民生管廊管線等環(huán)境的施工時， 需要兼具土壓或泥水模式的兩種掘進(jìn)方式[1]，該新式盾構(gòu)可適時轉(zhuǎn)換相對應(yīng)模式進(jìn)行掘進(jìn)，以其適應(yīng)性強(qiáng)、功能齊全、一機(jī)兩用的優(yōu)點，開闊了單一模式盾構(gòu)設(shè)備的適用性局限，提高了工程工效比[2]。

2 研究背景

雙模盾構(gòu)理念提出以來經(jīng)歷了萌芽和初步發(fā)展兩個階段，目前發(fā)展到適應(yīng)實用、針對性設(shè)計的第三發(fā)展階段。 雙模理念提出以來， 其設(shè)計難點和重點均為土壓渣土出土和泥水系統(tǒng)混合漿液主排的定位[3]。 雙模盾構(gòu)萌芽階段的土漿液主排口位置基于原始設(shè)計定位于螺旋機(jī)排渣口上附近， 在此設(shè)置的排漿管路不僅管徑小，而且管路需要不停地變換方向，通徑不大的管路時常堵塞引起泥水系統(tǒng)無法正常工作， 功效提升不大。 第二級階段時，在原有的理念上單獨在土艙壁上設(shè)計了獨立排漿口，可根據(jù)模式轉(zhuǎn)換的需要獨立工作，減少相互間擾流[4]，效應(yīng)比提升顯著。但這樣設(shè)計仍舊存在管徑通經(jīng)不大、管路彎頭衰減明顯、排渣口過高等系列缺陷。 最新的階段設(shè)計核心是合理設(shè)置土渣漿排口、 模式間設(shè)備的快速切換設(shè)計及兩種模式工裝器具互為通用[5]，經(jīng)過數(shù)年研究比對，研究者們發(fā)現(xiàn)：將雙膜盾構(gòu)上必須的排渣螺旋機(jī)、泥水環(huán)流系統(tǒng)以及土渣漿外排管路串聯(lián)在一起，能實現(xiàn)兩種模式間的便捷切換，還能避免環(huán)流系統(tǒng)管徑、渣土外排口過高等問題，因此，串聯(lián)式雙模盾構(gòu)研制迫在眉睫。

中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司通過長期的研究和試驗，于2019 年11 月研制出實用型串聯(lián)式泥水土壓雙模盾構(gòu)，成為國內(nèi)首臺同類型盾構(gòu)。 該新式盾構(gòu)的設(shè)計師們經(jīng)過綜合運用理論分析、數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗分析等后[6]，自主研發(fā)出串聯(lián)式雙模盾構(gòu)應(yīng)用于工程中（見圖1）。

圖1 串聯(lián)式雙模盾構(gòu)機(jī)三維圖

該新式盾構(gòu)于2019 年1 月制造后應(yīng)用到沈陽地鐵4 號線建設(shè)，在北方極凍凍土地層和長時間雪天氣候下，于次年3月完成了土壓到泥水的首次模式轉(zhuǎn)換；4 月份再次完成泥水到土壓的模式轉(zhuǎn)換。 此后，根據(jù)施工地層多次完成兩種模式間切換，切實達(dá)到快速便利、效能比高的效果，并開創(chuàng)了單日推進(jìn)20 環(huán)、單月施工478 環(huán)的可喜成績，成功實現(xiàn)了在軟土層、軟巖層和全斷面巖石層復(fù)合區(qū)間的順利、多途徑、安全、經(jīng)濟(jì)、高效掘進(jìn)， 盾構(gòu)設(shè)備的可靠性和串聯(lián)式掘進(jìn)工法的可行性得到充分認(rèn)證，在實踐中經(jīng)受住了嚴(yán)格的考驗。 因而，國產(chǎn)化、享有獨立知識產(chǎn)權(quán)的全國首臺串聯(lián)式雙模盾構(gòu)機(jī)應(yīng)運而生， 對在復(fù)合地層中穿越建構(gòu)筑物多了一種施工方式和設(shè)備的選擇，有力地推進(jìn)了盾構(gòu)行業(yè)的發(fā)展。

3 雙模串聯(lián)式設(shè)計原理

為充分發(fā)揮兩種模式的雙優(yōu)勢， 串聯(lián)式雙模盾構(gòu)提出泥水- 土壓平衡雙模式盾構(gòu)機(jī)功能串聯(lián)式設(shè)計理念。 盾構(gòu)上設(shè)計了包括注水系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、環(huán)保型渣土輸送系統(tǒng)等土壓模式全套設(shè)備，同時設(shè)計了包括交互式泥水環(huán)流控制器、泥水環(huán)流系統(tǒng)等泥水模式設(shè)備， 還裝備了兩種模式下共用的高通過性刀具的復(fù)合刀盤、三列式合金圓滾柱驅(qū)動齒列、大扭矩驅(qū)動電機(jī)、大通經(jīng)螺旋機(jī)、迷宮式驅(qū)動密封結(jié)構(gòu)等系統(tǒng)。

同時，為縮短兩種模式的安裝方式及轉(zhuǎn)換時長，設(shè)計者們還為該機(jī)設(shè)計了獨特的串聯(lián)式模式轉(zhuǎn)換工裝， 模塊化快速分割設(shè)計。 這些設(shè)計包括以大通經(jīng)螺旋機(jī)為環(huán)流系統(tǒng)排漿管路和吸口、增大管徑有軸高強(qiáng)度葉輪的螺旋機(jī)、定制螺旋機(jī)下料閘門段接口泥水管路、泥水環(huán)流和渣土交互聯(lián)通機(jī)構(gòu)等。 在原土壓模式設(shè)計裝置上嵌入泥水循環(huán)系統(tǒng)（見圖2），泥水漿液通過管路直接連通在前盾壁板上，作為泥水系統(tǒng)進(jìn)漿管；進(jìn)漿管路還接入與螺旋機(jī)，為螺旋機(jī)提供潤滑和渣土沖洗作用。 泥水模式的進(jìn)排漿管與刀盤中心沖洗泵PO 串聯(lián)在一起，沖洗泵為進(jìn)漿提供調(diào)節(jié)和排渣口沖刷作用。 而漿液排口以螺旋機(jī)為主通道，解決排渣口過高、排口過小等問題，螺旋機(jī)下料處與排泥漿泵通過管路連接，管路提前固定于在連接梁和臺車上，管路內(nèi)通過管內(nèi)充氣和充水，提前做好模式轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備。

圖2 泥水環(huán)流系統(tǒng)三維圖示

利用該機(jī)分割式、定制式模塊化設(shè)計，將兩種模式的各個系統(tǒng)有序地串聯(lián)起來，在模式轉(zhuǎn)換過程中，只需通過以下幾個簡單步驟即可完成：第一步，抬高并固定原有的渣土皮帶輸送機(jī)；第二步，將連接橋上的排漿管螺旋機(jī)閘板下端固定連接，泥水循環(huán)就已完成閉環(huán)連通；第三步，在新接入的泥水管中充氣排雜物后充滿新的泥漿漿液； 第四步， 刀盤中心沖洗泵P0管路閥門打開，將交互器填充滿漿液。

完成以上4 步即可從土壓掘進(jìn)轉(zhuǎn)換為泥水平衡式施工。泥水模式轉(zhuǎn)換為土壓模式也只需上面4 步反向操作即可，這種預(yù)設(shè)式轉(zhuǎn)換方式最大限度地減少了模式間轉(zhuǎn)換的步驟，提前安裝好的轉(zhuǎn)換裝置減少了以前煩瑣的中間環(huán)節(jié)。

4 全新設(shè)計亮點

該盾構(gòu)的全新亮點是將大直徑螺旋輸送機(jī)擴(kuò)用為兩種模式下兩種不同介質(zhì)的共用通道（見圖3），在土壓模式下作為渣土外排、切口水壓調(diào)控主要設(shè)備，在泥水模式下作為泥水環(huán)流通道和漿液外排速度控制的關(guān)鍵設(shè)備。 且該串聯(lián)式設(shè)計下的螺旋機(jī)在兩種模式之間可實現(xiàn)快捷轉(zhuǎn)換， 預(yù)設(shè)計的泥水管路可便捷的接入到螺旋輸送機(jī)下口， 十分方便地實現(xiàn)土壓泥水兩種模式間轉(zhuǎn)換，大大降低了模式切換的工序，為模式間快速轉(zhuǎn)換提供了先決條件。 該設(shè)計還極大地減少了模式間轉(zhuǎn)換時設(shè)備增減的數(shù)量，實現(xiàn)了模式間的無縫轉(zhuǎn)接。 同時還利用螺旋機(jī)770 mm 大直徑管道排渣能力強(qiáng)優(yōu)勢，及使用螺旋式葉輪旋轉(zhuǎn)排除大顆粒礫石的便捷優(yōu)勢， 保證了渣土和泥漿外排口的高度及能力，避免地層渣土堵塞排漿口，為該機(jī)在任一模式下高效施工起到至關(guān)重要推動作用。

圖3 串聯(lián)式模塊化螺旋機(jī)設(shè)計

5 結(jié)論

經(jīng)過實踐應(yīng)用， 本新式設(shè)備的串聯(lián)式雙模式原理和預(yù)設(shè)計轉(zhuǎn)換理念得到充分認(rèn)證，兩種模式快速、自由來回切換的方式有效提高了施工效率； 清晰的模塊化設(shè)計有效防止掘進(jìn)中誤操作，其優(yōu)異的設(shè)備共用性、性能通用性及功能互用性符合工程人員的期望， 可以預(yù)見該技術(shù)在我國地鐵城市軌道和隧道施工中的廣闊應(yīng)用前景。

通過實踐應(yīng)用還形成了一系統(tǒng)的施工技術(shù)和科技成果：

1）研制出全國首臺串聯(lián)式泥水土壓雙模式盾構(gòu)機(jī)，探索出該類型盾構(gòu)的設(shè)計原理和結(jié)構(gòu)構(gòu)造機(jī)理。

2）摸索出該串聯(lián)式雙模盾構(gòu)模式轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)，整理出一系列施工要領(lǐng)和規(guī)范[7]。

3）確定了兩種模式轉(zhuǎn)換在各種地層中的轉(zhuǎn)換最佳位置和提前準(zhǔn)備工序。

4）形成了串聯(lián)式模塊化螺旋機(jī)速度作為倉內(nèi)切口壓力控制的規(guī)律和操作要領(lǐng)，總結(jié)出兩者最佳組合方式。

5）形成了串聯(lián)式雙模式盾構(gòu)連續(xù)施工不停機(jī)[8]的核心技術(shù)。