小直徑盾構小曲線轉彎設計及轉彎模擬試驗

廖兆錦，董亞嶺，胡燕偉，高文梁，韓 博

(中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016)

在國內隧道施工中，小曲線轉彎半徑（以下均指左右轉彎）均單指所在施工區間線路內圓弧最小半徑，即稱為最小曲線半徑。在地鐵隧道施工中，針對150m、200m 和300m 小曲線半徑盾構設計及應用相對比較成熟；而轉彎半徑100m以下的盾構設計和隧道施工，在國內城市軌道交通地下空間應用相對比較少[1～2]。伴隨城市快速發展，市政管線和城市綜合管廊應用需求增多[3]，由于成本、工期、施工條件等因素限制，城市綜合管廊均為小曲線、小直徑隧道。采用小直徑盾構開挖綜合管廊隧道具有不影響城市地面交通、城市居民正常生活及獲得好的施工質量和高施工速度等特點，因而得到推廣應用[4～7]。

根據國內已使用小直徑盾構案例，適應的管片內徑規格有D=2.44m、3m、3.4m、3.5m、3.6m、3.8m、4m，國外該直徑系列盾構市場非常成熟，如：日本2003 年～2012 年3～6m 工程案例316項，小于3m 工程374 項，海瑞克2016 年小直徑盾構出廠95 臺，已經達到批量化生產[8～9]。在小直徑盾構施工案例中，根據隧道曲線，國內自主設備采用R100m 小曲線轉彎鮮有提及，而實際采用日本IHI、JTSC 以及海瑞克的小直徑盾構。國外盾構公司已經研制了大量的微型盾構應用于微小直徑隧道的施工，在小直徑盾構小曲線轉彎的關鍵技術研究和應用上，尚被國外廠家壟斷。國內小直徑盾構的研究和國產化存在欠缺[10]。

為解決國內小直徑盾構國產化的空白，本文根據實際項目需求，借鑒國外盾構廠家的優點，突破小直徑盾構關鍵技術難點，對小直徑盾構進行針對性設計，突破小曲線整機研制的通用關鍵技術，設計具有自主知識產權的國產小直徑盾構整機。

1 小直徑盾構小曲線轉彎針對性設計

在小半徑圓曲線隧道掘進中，盾構姿態的控制難度大，為了使盾構隧道軸線與設計軸線相吻合，掘進過程中需要進行連續糾偏。圓曲線半徑越小，擬合困難就越大，掘進單位距離的糾偏量也越大，糾偏精確度越低，隧道軸線因此較難控制[11～12]。為滿足R100m 以下小直徑盾構小曲線轉彎的施工要求，小直徑盾構的主要結構均應針對隧道曲線大小進行針對性設計。依托廣州穗西電力隧道施工要求，包括管片外徑?4 100mm、分度為36°、寬度1 000mm 管片拼裝，最小曲線半徑R80m，有多段連續R120m 的小半徑曲線左右轉彎段等。對該項目設計具備R60m 小曲線半徑轉彎能力的主機結構，并在組裝車間模擬盾構主機的轉彎能力。

針對小曲線隧道施工的小直徑盾構設計包括以下幾點：刀盤刀具配置、鉸接區域設計、螺旋輸送機關節軸承設計等。

1.1 刀盤刀具配置

刀盤配置兩把仿形刀，上位機實時顯示位置及超挖量，通過刀盤旋轉編碼器與鉸接控制系統配合，通過轉彎模擬確定不同曲線轉彎半徑下的超挖量，上位機傳遞仿形刀具需要超挖位置并精準控制其超挖行程，實時控制超挖，控制鉸接伸出量，從而實時控制主機掘進的曲線半徑。刀盤刀具的仿形開挖技術，是小直徑盾構進行小曲線掘進施工的先決條件[13]。

1.2 鉸接區域設計

隧道內徑3.6m、外徑4.1m，小直徑盾構主機長度達8m，主機剛性結構不適用小曲線掘進，為適應R60m 小曲線隧道掘進，主機采用鉸接前置結構設計，如圖1 所示。主機分段設計，主機前部與主機后部轉折4.74°（模擬和計算值）時，小直徑盾構能開挖直徑大小為?4 350mm，能開挖曲線為R60m，因此，考慮實際施工需求，8m 長度的小直徑盾構主機分段，通過鉸接結構連接，鉸接結構需要具備實現5°的鉸接轉彎能力，才能實現R60m 小曲線隧道掘進。

圖1 小直徑盾構主機小曲線轉彎狀態

如圖2 所示，設計鉸接結構外形采用球形的鉸接形式，即主機的鉸接結構通過4 組鉸接油缸控制主機前部與主機后部的連接，并通過控制鉸接油缸行程大小，實現主機后部繞球形鉸接的球心轉動，鉸接轉動范圍0～5°，能滿足主機通過R60m 隧道曲線掘進需求。球形鉸接不同于被動鉸接盾構和主動鉸接盾構，球形鉸接具備被動鉸接的推進形式，又具備主動鉸接轉彎控制模式的一種新的鉸接形式。

圖2 球形鉸接轉彎狀態

球形鉸接結構為外球面，鉸接結構的球面設計為鉸接密封面，也為密封接觸面，球形鉸接密封安裝在主機的前部，鉸接密封采用兩道VD 密封和一道指型密封組合，VD 密封具有較強的密封能力，主要起保壓密封作用；指型密封的指尖緊密貼合鉸接結構的球面，對球面進行刮渣保護，防止雜物損壞球面而進入VD鉸接密封區域。球形鉸接的VD+指型組合密封結構，確保球形鉸接區域在大角度轉彎過程的密封性能。

主機設計需穿越R60m 小曲線隧道掘進，在現有隧道施工中，屬于特小曲線轉彎（左右轉彎半徑小），為確保主機能順利進行小曲線隧道掘進，在鉸接區域頂部和底部分別設計防扭裝置，在盾構左右轉彎過程中，防扭裝置的防扭中心線穿過球形鉸接的球心，為主機左右轉彎提供轉彎軸線，確保主機在通過R60m 曲線時，主機后部能繞球心進行R60m 曲線轉彎，同時，防扭塊通過左右限位，防止主機前部與主機后部反向扭轉。

1.3 螺旋輸送機針對性設計

與常規盾構的螺旋輸送機功能相同，螺旋輸送機主要通過將刀盤切削下來的渣土輸送至洞外，并維持土倉壓力穩定。螺旋輸送機貫穿整個主機，其結構從主機前部土倉處延伸至尾盾末端，在小曲線轉彎過程中，主機左轉彎和右轉彎角度達5°時，螺旋輸送機的擺動量比較大，對小曲線轉彎進行結構設計[14]如圖3 和圖4 所示。

圖3 螺旋輸送機左右擺動角度為5°狀態

圖4 盾構主機結構

對螺旋輸送機中部針對設計一款適應小曲線的轉彎的裝置，該包括導向裝置和支撐裝置，如圖5 和圖6 所示，在導向裝置上設有導向槽位于拼裝機V 型梁上，導向塊位于螺旋輸送機筒節下方，導向塊在導向槽內部，螺旋輸送機支撐裝置上設有支撐平臺位于底部盾體上，焊接架焊接在螺旋輸送機筒節上，移動架采用螺栓連接于焊接架上，移動架兩側的支撐軸上有套筒，套筒上連有支撐座位于支撐平臺上，移動架和套筒通過擋板來限位[15]。

圖5 導向裝置

圖6 支撐裝置

2 小直徑盾構小曲線轉彎模擬試驗

主機在組裝車間進行轉彎模擬試驗，驗證其在進行小曲線轉彎時，主機結構件與主機內部閥塊、流體管路、液壓管路、電氣電纜以及現場焊接支架等部件布置的合理性；轉彎模擬試驗時，應嚴格按照鉸接油缸轉彎控制程序進行；模擬左轉彎和右轉彎時，主機中心線最大轉彎角度不得超過α，獲取前盾最大偏移量的有效值。

小直徑盾構主機組裝調試時，能夠展現主機內部實際組裝情況，包括主驅動電機與流體和液壓閥塊之間的關系；螺旋機的流體支座與盾體結構件之間的關系；螺旋機流體支座與拼裝機主梁之間的關系；流體管路與螺旋機與拼裝機主梁之間的關系等，對后續小直徑盾構在實際隧道施工中順利穿越小曲線具有重要意義。

2.1 試驗原理

如圖7 所示，試驗平臺裝置包括平臺底板、活動支撐臺和固定支撐臺，其中活動支撐臺和固定支撐臺前后對應設置在平臺底板上，固定支撐臺與平臺底板通過固定連接，活動支撐臺匹配活動設置在平臺底板上。小直徑盾構的前盾和尾盾分別對應設置在活動支撐臺和固定支撐臺上，通過前盾和尾盾之間設置的鉸接油缸，驅動前盾和活動支撐臺在平臺底板上作對應的曲線擺動模擬。

圖7 轉彎模擬試驗平臺裝置

對于活動支撐臺與平臺底板的安裝匹配關系，本模擬試驗中采用活動支撐臺與平臺底板匹配貼合滑動支撐，在活動支撐臺和平臺底板之間涂潤滑油，從而保障二者的滑動的流暢性；也可以采用在活動支撐臺與平臺底板之間設置滾動組件，活動支撐臺通過滾動組件與平臺底板滾動支撐連接，其中滾動組件可以為布設在活動支撐臺與平臺底板之間的滾珠或者滾動鏈排等。

對于盾體和支撐臺的固定，本模擬試驗中通過焊接實現小直徑盾構的盾體與對應的活動支撐臺或固定支撐臺的固定，其固定支撐臺與平臺底板之間可以通過螺栓連接固定，也可以通過焊接固定，由于盾構的結構形式決定了活動支撐臺和固定支撐臺的上端面為同一高度，位于同一平面上。

主機轉彎模擬試驗通過上位機控制鉸接油缸伸出量，從而控制主機轉彎角度大小。如圖8 所示，當上位機控制小直徑盾構主機轉彎時，記錄主機前盾任一位置點相對平臺底板的位移，該位移點與主機設計中的理論球心形成直線段，測量該位置點在轉彎模擬過程中不同直線段間的角度，即為主機實際轉彎角度，該角度值可與上位機理論控制角度進行對比。

圖8 活動平臺轉彎數據測量

2.2 試驗數據測量

在小直徑盾構轉彎試驗平臺上，上位機控制主機旋轉不同角度，記錄上位機在該角度時活動平臺底板的直角頂點與平臺底板之間的距離值，從而確定主機旋轉后的測量角度值，如圖9 試驗所示。

圖9 主機左轉彎4°狀態及數據測量

在此次試驗中，上位機控制主機左右各轉4°，并記錄轉后測量數據，轉彎數據如表1 所示。

表1 主機左、右各轉4°測量數據

將活動平板轉彎數據與理論球心連接成若干直線段后，所得對應活動平版轉彎角度值，活動平板角度測量值即為主機轉彎試驗測量值，如圖10 所示。

圖10 左、右轉彎4°后活動平板角度值

2.3 試驗數據與理論值對比及分析

將上位機控制主機轉彎的理論值與轉彎試驗平臺試驗測量值進行對比，如表2、表3 所示，有如下規律：①角度誤差在初始0.5°階段最大；②左轉彎最大誤差為0.23°，左轉彎最大誤差為0.19°；③初始階段過去后，主機轉彎理論角度值與實測角度相符；④初始階段的轉彎角度誤差貫穿整個轉彎階段；⑤整個誤差值在0.5°范圍內。

表2 主機左轉4°理論角度與測量數據對比

表3 主機右轉4°理論角度與測量數據對比

對小直徑盾構主機轉彎模擬試驗測量值與理論值存在的誤差進行原因分析，可歸納如下：①主機轉彎啟動階段（0°位置），防扭塊的銷軸與防扭塊存在一定間隙值，該間隙設計為方便結構組裝以及消除制造誤差的預留間隙，該間隙值在轉彎啟動階段需要彌補，導致理論球心與實際轉彎球心偏移了一定距離，進而導致轉彎實際角度測量值與上位機轉彎理論值存在誤差；②該轉彎模擬試驗測量采用卷尺人工測量，存在一定的誤差。

3 結論與討論

1）通過小直徑盾構小曲線轉彎模擬試驗，展示了小直徑盾構主機實際施工轉彎情況，小曲線轉彎存在初始轉彎角度誤差，該誤差需要根據施工情況給出適當補償，指導實際施工中盾構進行特定大小轉彎角度的隧道掘進。

2）根據實際隧道項目，對小直徑盾構進行針對性設計，得出小曲線整機研制的關鍵技術特點，給出小直徑盾構小曲線轉彎的設計關鍵點，實現小直徑盾構小曲線轉彎國產化，成功研制多臺具備小曲線掘進能力的小直徑盾構，主機結構能滿足R60m 小曲線掘進，并在實際施工項目中進行工業性試驗。

3）總結了小曲線轉彎誤差的原因，下一步可通過提高防扭塊制造精度和測量方法，對誤差進行修正，需要進一步試驗，與施工上位機實際展示的曲線進行對比并修正。