全國首臺串聯式雙模盾構的構造及設計原理

1 引言

在我國，盾構施工技術在城市軌道交通、鐵路、穿江隧道等領域得到廣泛應用，這是因為該技術具有快速、安全、減少地面沉降等優點。 隨著時間的推移，盾構機的種類越來越多，同時也引入了新技術和新工藝， 能夠適應更加復雜的地質環境。 這些創新推動了地下隧道建設和交通發展的進一步提升，也為工程建設提供了更加高效、環保的選擇。

不同種類的盾構機在地質環境、施工工藝、成本等方面具有各自的特點和優勢。 其中，綜合了土壓及泥水兩種平衡模式設計理念及功能的雙模式盾構機得到廣泛的應用， 因其可根據地層條件變化切換土壓和泥水兩種不同掘進工況， 在進行長里程、穿江過河、穿越多重地層、城市筑物群、復雜民生管廊管線等環境的施工時， 需要兼具土壓或泥水模式的兩種掘進方式[1]，該新式盾構可適時轉換相對應模式進行掘進，以其適應性強、功能齊全、一機兩用的優點，開闊了單一模式盾構設備的適用性局限，提高了工程工效比[2]。

2 研究背景

雙模盾構理念提出以來經歷了萌芽和初步發展兩個階段，目前發展到適應實用、針對性設計的第三發展階段。 雙模理念提出以來， 其設計難點和重點均為土壓渣土出土和泥水系統混合漿液主排的定位[3]。 雙模盾構萌芽階段的土漿液主排口位置基于原始設計定位于螺旋機排渣口上附近， 在此設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計了獨立排漿口，可根據模式轉換的需要獨立工作，減少相互間擾流[4]，效應比提升顯著。但這樣設計仍舊存在管徑通經不大、管路彎頭衰減明顯、排渣口過高等系列缺陷。 最新的階段設計核心是合理設置土渣漿排口、 模式間設備的快速切換設計及兩種模式工裝器具互為通用[5]，經過數年研究比對，研究者們發現：將雙膜盾構上必須的排渣螺旋機、泥水環流系統以及土渣漿外排管路串聯在一起，能實現兩種模式間的便捷切換，還能避免環流系統管徑、渣土外排口過高等問題，因此，串聯式雙模盾構研制迫在眉睫。

中交天和機械設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式泥水土壓雙模盾構，成為國內首臺同類型盾構。 該新式盾構的設計師們經過綜合運用理論分析、數值模擬及現場試驗分析等后[6]，自主研發出串聯式雙模盾構應用于工程中（見圖1）。

圖1 串聯式雙模盾構機三維圖

該新式盾構于2019 年1 月制造后應用到沈陽地鐵4 號線建設，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換；4 月份再次完成泥水到土壓的模式轉換。 此后，根據施工地層多次完成兩種模式間切換，切實達到快速便利、效能比高的效果，并開創了單日推進20 環、單月施工478 環的可喜成績，成功實現了在軟土層、軟巖層和全斷面巖石層復合區間的順利、多途徑、安全、經濟、高效掘進， 盾構設備的可靠性和串聯式掘進工法的可行性得到充分認證，在實踐中經受住了嚴格的考驗。 因而，國產化、享有獨立知識產權的全國首臺串聯式雙模盾構機應運而生， 對在復合地層中穿越建構筑物多了一種施工方式和設備的選擇，有力地推進了盾構行業的發展。

3 雙模串聯式設計原理

為充分發揮兩種模式的雙優勢， 串聯式雙模盾構提出泥水- 土壓平衡雙模式盾構機功能串聯式設計理念。 盾構上設計了包括注水系統、泡沫系統、環保型渣土輸送系統等土壓模式全套設備，同時設計了包括交互式泥水環流控制器、泥水環流系統等泥水模式設備， 還裝備了兩種模式下共用的高通過性刀具的復合刀盤、三列式合金圓滾柱驅動齒列、大扭矩驅動電機、大通經螺旋機、迷宮式驅動密封結構等系統。

同時，為縮短兩種模式的安裝方式及轉換時長，設計者們還為該機設計了獨特的串聯式模式轉換工裝， 模塊化快速分割設計。 這些設計包括以大通經螺旋機為環流系統排漿管路和吸口、增大管徑有軸高強度葉輪的螺旋機、定制螺旋機下料閘門段接口泥水管路、泥水環流和渣土交互聯通機構等。 在原土壓模式設計裝置上嵌入泥水循環系統（見圖2），泥水漿液通過管路直接連通在前盾壁板上，作為泥水系統進漿管；進漿管路還接入與螺旋機，為螺旋機提供潤滑和渣土沖洗作用。 泥水模式的進排漿管與刀盤中心沖洗泵PO 串聯在一起，沖洗泵為進漿提供調節和排渣口沖刷作用。 而漿液排口以螺旋機為主通道，解決排渣口過高、排口過小等問題，螺旋機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，管路內通過管內充氣和充水，提前做好模式轉換準備。

圖2 泥水環流系統三維圖示

利用該機分割式、定制式模塊化設計，將兩種模式的各個系統有序地串聯起來，在模式轉換過程中，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；第二步，將連接橋上的排漿管螺旋機閘板下端固定連接，泥水循環就已完成閉環連通；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 步即可從土壓掘進轉換為泥水平衡式施工。泥水模式轉換為土壓模式也只需上面4 步反向操作即可，這種預設式轉換方式最大限度地減少了模式間轉換的步驟，提前安裝好的轉換裝置減少了以前煩瑣的中間環節。

4 全新設計亮點

該盾構的全新亮點是將大直徑螺旋輸送機擴用為兩種模式下兩種不同介質的共用通道（見圖3），在土壓模式下作為渣土外排、切口水壓調控主要設備，在泥水模式下作為泥水環流通道和漿液外排速度控制的關鍵設備。 且該串聯式設計下的螺旋機在兩種模式之間可實現快捷轉換， 預設計的泥水管路可便捷的接入到螺旋輸送機下口， 十分方便地實現土壓泥水兩種模式間轉換，大大降低了模式切換的工序，為模式間快速轉換提供了先決條件。 該設計還極大地減少了模式間轉換時設備增減的數量，實現了模式間的無縫轉接。 同時還利用螺旋機770 mm 大直徑管道排渣能力強優勢，及使用螺旋式葉輪旋轉排除大顆粒礫石的便捷優勢， 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，為該機在任一模式下高效施工起到至關重要推動作用。

圖3 串聯式模塊化螺旋機設計

5 結論

經過實踐應用， 本新式設備的串聯式雙模式原理和預設計轉換理念得到充分認證，兩種模式快速、自由來回切換的方式有效提高了施工效率； 清晰的模塊化設計有效防止掘進中誤操作，其優異的設備共用性、性能通用性及功能互用性符合工程人員的期望， 可以預見該技術在我國地鐵城市軌道和隧道施工中的廣闊應用前景。

通過實踐應用還形成了一系統的施工技術和科技成果：

1）研制出全國首臺串聯式泥水土壓雙模式盾構機，探索出該類型盾構的設計原理和結構構造機理。

2）摸索出該串聯式雙模盾構模式轉換關鍵技術，整理出一系列施工要領和規范[7]。

3）確定了兩種模式轉換在各種地層中的轉換最佳位置和提前準備工序。

4）形成了串聯式模塊化螺旋機速度作為倉內切口壓力控制的規律和操作要領，總結出兩者最佳組合方式。

5）形成了串聯式雙模式盾構連續施工不停機[8]的核心技術。