雙模式全斷面掘進機探討

張寧川，李 光

(中鐵隧道裝備制造有限公司，河南鄭州 450016)

0 引言

國內區域貿易的自由化流通，要求建設快速的流通通道，鐵路、公路等基礎設施的建設具有重要的戰略意義，掘進機在全世界的隧道建設中起到了舉足輕重的作用［1］。國內城市化的發展，要求城市具有快捷、環保、便利、舒適的公共軌道交通，我國地鐵與輕軌建設剛進入一個全面發展的階段，需要大量的掘進機設備［2］。在具有世界地質博物館之稱的中國，地質種類繁多，如何利用高性價比的配套隧道掘進機完成不同地質工程項目建設的問題隨之產生?，F階段常規類型的掘進機都是針對特定地質條件進行相應的功能設計，如土壓平衡盾構、泥水盾構以及硬巖TBM等，它們都被視為單一模式的掘進機。從整機的結構形式來看，不同模式的掘進機實際上多具有相同的結構和系統，如果這些結構和系統可以很方便地更換，不但能有效解決掘進機的地質適應性問題，也會大大節省設備成本和社會資源。通過更換部分系統配置，從而適應多種地質開挖的掘進機被稱為雙模式掘進機。目前雙模式掘進機研究的主要方向僅是TBM模式(硬巖掘進模式)和EPB模式(土壓平衡掘進模式)的組合［3］，但實際應用得很少。本文簡述多種雙模式全斷面掘進機的設計理念，并對其主要結構及其優缺點進行闡述。

1 單一模式的掘進機

1.1 土壓平衡盾構

城市地下隧道穿越的地層多為陸地表層，由淤積洪積沖積等沉積層及強風化的巖層組成，該類地層由于不能自穩，且地表多有構筑物，不允許有較大的地表沉降，一般多選用土壓平衡盾構開挖。開挖下來的土料在土倉中與隧道工作面的壓力保持平衡，起到穩定隧道工作面的作用，以避免地表沉降給構筑物造成損壞。土壓平衡盾構采用螺旋輸送機出渣，管片同步襯砌完成永久性支護并為盾構提供反推力［4］。

1.2 泥水平衡盾構

江湖海底隧道多采用泥水平衡盾構，以泥膜和泥漿壓力平衡地層中的高水壓。泥漿介質通過管道被泵入隧道工作面前封閉的開挖倉，與渣土混合后的混合物再被泵送到地面泥漿池中，通過分離設備將混合物中的泥漿分離出來后再泵入開挖倉，如此循環達到出渣的目的［5］。

1.3 硬巖 TBM

山嶺隧道大多為可以自穩的基巖，一般采用硬巖TBM掘進。TBM推進系統給刀盤提供推進力，撐靴系統支撐洞壁承受支反力，TBM采用主機皮帶機出碴，在掘進的同時進行安裝錨桿、掛網、鋼拱架和噴射混凝土等支護作業［6］。

2 雙模式全斷面掘進機的必要性

由于中國地理環境的多樣性以及地下工程類型、規模、數量的不同，隧道建設的復雜程度越來越高，過去單一功能模式的掘進機必然會向雙模式全斷面掘進機的方向發展，以滿足隧道工程多樣性的需求。如在重慶地層以完整性良好的泥巖砂巖為主，地鐵隧道可采用TBM施工，但有的區間隧道同時會穿越軟土甚至回填土地段，需要采用盾構以平衡模式掘進［7］。又如青島地鐵2號線有的區間隧道反復穿越基巖和軟土，由于基巖穩定性良好，為提高隧道的支護耐久性和降低成本，可在基巖段采用二次復合襯砌，在軟土段則需進行管片同步襯砌［8］。再如小浪底引水隧道，其中一半里程穿越富水砂卵層，在高壓富水地段可采用泥水平衡功能掘進以滿足止水要求，而在無水地段可采用土壓平衡功能掘進以降低開挖成本和對環境的污染［9］。

隨著掘進機設備的廣泛推廣應用，考慮到地質情況、工程成本及工期等要求，利用一臺掘進機設備挖掘一條地質變化較大的隧道的情況不可避免，這就對掘進機設備的設計和制造提出了新的要求。目前，山西地鐵招標就明確提出了要求掘進機設備應具有土壓泥水雙模式掘進的功能。由此可見，對雙模式掘進機的研發設計已刻不容緩。

3 雙模式全斷面掘進機的范例

3.1 硬巖敞開模式與軟巖平衡模式轉換的雙模式掘進機

該類型的雙模式掘進機是結合TBM切削出碴技術和盾構螺旋機出碴技術組成的雙模式掘進機。

3.1.1 掘進機的基本結構

敞開模式主機布置如圖1所示。主機皮帶機從主驅動中心處伸入土倉，刀盤背面裝有溜碴板，土倉中心處設有溜碴槽。切削下來的碴土經溜碴板、溜碴槽掉落到主機皮帶機上，再經后配套皮帶機轉運出去。主驅動中心處設有噴水裝置，用以降低粉塵。

圖1 敞開模式主機布置圖Fig.1 Layout of open mode TBM

土壓平衡模式主機布置如圖2所示。主驅動中心處裝有回轉接頭，泡沫及膨潤土通過回轉接頭的通道及刀盤上的管路進到刀盤前面，對渣土進行改良;主機下部裝有螺旋輸送機，渣土在螺旋輸送機內形成土塞效應，在螺旋輸送機軸旋轉的帶動下，渣土通過螺旋輸送機后倉門掉到皮帶機上轉運出去。在土倉隔板和螺旋輸送機筒體上裝有土壓傳感器，用以檢測土倉和螺旋輸送機內土壓。

圖2 土壓平衡模式主機布置圖Fig.2 Layout of earth pressure balance mode TBM

3.1.2 區別于常規土壓平衡盾構的特殊設計

刀盤具有雙向溜碴板結構，可雙向旋轉切削刮碴溜碴，以便回正盾體的滾轉，但仍為開放式的支腿結構，以便具有平衡模式時的功能。主驅動必須采用內外密封結構，以便在安裝中心皮帶機時，主軸承的中心部位敞開。前盾需設置穩定器，硬巖掘進時伸靴支撐開挖面，約束刀盤的振動，減緩盾體的滾轉。后配套拖車內增設除塵裝置，硬巖掘進時用于主機內除塵。

模式轉換的工裝:配置支撐設備橋的承載小車，以便支撐設備橋，在解除管線連接后使設備橋和后配套拖車后退，讓出螺旋輸送機或中心皮帶機拆除和安裝的空間;配置簡易吊裝架，以便吊拆安裝螺旋輸送機或中心皮帶機。

3.1.3 優缺點

在硬巖掘進時，地層穩定，采用中心皮帶機方式出碴，土倉存留的碴土很少，極大減小刀盤的攪拌阻力，刀盤可在較小的驅動扭矩下高速旋轉切削以獲得較高的掘進速度，主驅的電力消耗少;滾刀在相對干凈的條件下工作，被刀箱內碴土卡住導致弦磨的風險小，碴土對其的二次磨損小。在軟巖掘進，地層不能自穩，采用螺旋輸送機方式出渣，保持土倉壓力，避免軟土地表發生沉降。

更換掘進模式時，由于需要拆裝和更換大量結構件，模式轉換工作量大，周期較長;而且因為結構和空間的限制，以至部分結構設計不盡合理，還需要做大量的改進工作。

3.2 管片拼裝模式和混凝土襯砌模式轉換的雙模式掘進機

該類型的雙模式掘進機是結合礦山法襯砌技術和盾構法管片襯砌技術組成的雙模式掘進機。

3.2.1 掘進機的基本結構

采用二次襯砌的掘進機工作原理如圖3所示。該類型雙模式掘進機是硬巖敞開模式與軟巖平衡模式的雙模式掘進機的進一步擴展型，即在巖石不良地層配置螺旋輸送機以平衡模式掘進，拼裝管片;在硬巖地層配置中心皮帶機以敞開模式掘進，但不拼裝管片，在隧道貫通后在硬巖地段施作混凝土襯砌。在硬巖地段由于缺少管片提供掘進機的反推力，故增配拼裝式的環形靴板裝置，由數組油缸靴板支撐在開挖面上，為掘進機提供反推力。除此外，掘進機不需要作其他改動。轉換為平衡模式掘進時，需要將環形靴板裝置拆除。

圖3 采用二次襯砌的掘進機工作原理圖Fig.3 Working principle of TBM with secondary lining system

3.2.2 優缺點及適用范圍

在不良地層以平衡模式掘進，拼裝同步管片襯砌，增加了隧道掘進的安全性和可靠性。在硬巖段隧道貫通后再實施二次復合襯砌，施工的總工期雖然相對延長，但復合襯砌支護的防水性及耐久性優于管片環，支護成本也低于同步管片襯砌。這種雙模式掘進機適用于隧道較長、存在不良地質的地層。

3.3 土壓平衡模式與泥水平衡模式轉換的雙模式掘進機

該類型雙模式掘進機是結合土壓平衡技術和泥水平衡技術組成的雙模式掘進機。

3.3.1 掘進機的基本結構

土壓平衡與泥水盾構主機布置如圖4所示。該型雙模式掘進機用于土壓平衡模式時，基本配置與常規土壓平衡盾構完全相同。用于泥水平衡模式時，需要拆除后配套皮帶機，保留螺旋輸送機，并將其作為排漿管的一部分，通過調節進漿或排漿流量來維持泥水倉壓力穩定?；旌显梁蟮哪酀{從螺旋輸送機內排出，其中攜帶的大粒徑的卵石經過螺旋輸送機口下方的破碎機破碎后再經排漿泵輸出。

圖4 土壓平衡與泥水盾構主機布置圖Fig.4 Layout of earth pressure balance mode TBM and slurry mode TBM

3.3.2 特殊設計

由于泥水盾構需要穿越江河湖海，故雙模式掘進機的密封系統及盾體結構承壓能力應按泥水盾構標準設計，還需要增設后配套拖車，以便可同時安裝2種模式所需專用設備。

3.3.3 優缺點及適用范圍

該型雙模式掘進機既可用于土壓模式也可用于泥水模式，使現有設備資源得以充分利用。但由于需要同時配置土壓和泥水平衡的專用系統，致使整機成本高于常規盾構。這種雙模式掘進機適用于存在無水和高壓富水地層相間的地層。

4 結論與討論

雙模式全斷面掘進機具有以下特點:1)適用范圍廣，能夠適應多種不同地質的開挖作業，特別是掘進區間內地質變化較大的場合;2)設備使用率高，成本雖較單模式掘進機要高，但相比2臺設備要低很多;3)節省施工成本，減少設備損耗，提高成洞質量;4)模式轉換工作量大，周期較長。如何盡可能地發揮雙模式掘進機的長處，改進其不足，正是以后隧道掘進機設計的工作重點。隨著目前社會經濟活動和自然資源的矛盾越來越突出，一機多用，充分節省設備投資成本實現快速、經濟建造地下工程的目的，滿足現代社會低碳環保要求的雙模式全斷面掘進機技術，必然是隧道掘進設備技術發展的主要方向之一。

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