敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護(hù)盾TBM技術(shù)應(yīng)用研究

閔 銳（上海隧道工程有限公司， 上海 200137）

隨著 21 世紀(jì)人類開發(fā)利用地下空間的需求日益增大，地下工程的施工機(jī)械化也發(fā)展迅猛。其中硬巖 TBM（隧道掘進(jìn)機(jī)）近年來發(fā)展勢頭良好，而全斷面硬巖 TBM 因其在全斷面硬巖隧道掘進(jìn)中高效、穩(wěn)定、快速等施工特點，在全斷面硬巖隧道掘進(jìn)市場有著巨大的需求。

全斷面硬巖 TBM 一般可分為護(hù)盾式全斷面 TBM 和支撐式（敞開式）全斷面硬巖 TBM 等[1]。在全斷面 TBM 的分類中，雙護(hù)盾敞開式等單一模式的硬巖 TBM 較常見，其技術(shù)已被幾家國內(nèi)制造商掌握。傳統(tǒng)的單一模式 TBM，只能適應(yīng)較單一的硬巖地質(zhì)，而在突遇局部富水巖層斷裂帶時，會出現(xiàn)噴涌、沉降等問題，給工程造成重大影響。這在復(fù)雜多變地層或局部地質(zhì)信息工程不明地層中施工風(fēng)險極大[2]。

上海隧道工程有限公司參與了印度孟買地鐵工程UGC—07 項目。該項目的巖層有復(fù)雜的巖性組合，顯示出巨大的異質(zhì)性。該地區(qū)的主要巖石類型為綠色及黑色的玄武巖，也有新生玄武巖和風(fēng)化玄武巖，并且酸性和堿性凝灰?guī)r、含有富鐵質(zhì)基質(zhì)的火山角礫巖、粗面巖共存，偶爾還有流紋巖。全隧道均為全斷面巖石，其中部分巖層裂隙發(fā)育完全，局部地層富水。

此外，該項目位于印度孟買市區(qū)，整個施工線路上需要穿越高層房屋、居民住宅、破舊商鋪，部分線路甚至需要穿越運營中的輕軌高架橋和公路高架橋。在一般純硬巖地質(zhì)條件下，盾構(gòu)掌子面巖層穩(wěn)定，盾構(gòu)可以開胸推進(jìn)。但是，當(dāng)巖層裂隙發(fā)育充分或遇巖層斷裂帶并富水時，便存在涌水、塌方等風(fēng)險。為避免在富水帶等惡劣地質(zhì)條件掘進(jìn)中發(fā)生地表沉降或大量涌水、無法開胸推進(jìn)等情況，需要采用閉胸模式推進(jìn)的方式。

1 雙模式TBM總體集成

1.1 雙模式TBM背景

敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護(hù)盾 TBM 是兼具硬巖敞開模式和閉胸土壓平衡模式的 TBM，相比單一模式的 TBM具有更強(qiáng)的地質(zhì)適應(yīng)性，可適應(yīng)以全斷面硬巖為主同時含富水、裂隙發(fā)育充分的巖層或斷裂帶巖層的復(fù)雜巖層。敞開模式采用皮帶機(jī)出土，可持續(xù)高速地運輸渣土；土壓平衡模式的土艙是封閉的，通過調(diào)節(jié)螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、控制出土量維持土壓的穩(wěn)定，保持開挖面的穩(wěn)定。

雙模式 TBM 技術(shù)在近幾年才在世界范圍內(nèi)投入研究和應(yīng)用，目前國內(nèi)外應(yīng)用案例不多。國內(nèi)已知的雙模式TBM[3-5]的模式轉(zhuǎn)換過程主要包括螺旋機(jī)和皮帶機(jī)的互換、驅(qū)動中心承壓板拆裝、刀盤導(dǎo)流板拆裝等，通常需要 2～3星期的切換周期。而且，這種雙模式 TBM 雖然在切換土壓平衡模式時，可通過安裝驅(qū)動中心承壓板實現(xiàn)土艙封閉，但中心承壓板需要在拆除皮帶機(jī)后才能進(jìn)行運輸、安裝，因此需要一定的工期。當(dāng)突遇涌水等地質(zhì)災(zāi)害時，無法及時阻斷進(jìn)水。這種 TBM 的模式切換就需要在自立性較好的巖層進(jìn)行，并須采取必要的地層加固措施、準(zhǔn)備必要的輔助工裝等，從而增加了施工籌劃的難度。

1.2 雙模式TBM的特點

雙模式 TBM 采用了一種新型的模式轉(zhuǎn)換技術(shù)—可伸縮式集土環(huán)技術(shù)，不僅兼具硬巖敞開模式和閉胸土壓平衡模式，而且實現(xiàn)了雙模式的快速切換，切換周期僅需 3 d，大大提高了施工效率。其特點如下。

（1）兼具硬巖敞開模式與閉胸土壓平衡模式：在硬巖敞開模式下，出渣系統(tǒng)由集土環(huán)、主機(jī)皮帶機(jī)、后配套皮帶機(jī)組成；在土壓平衡模式下，出渣系統(tǒng)由集土環(huán)、主機(jī)螺旋機(jī)、后配套皮帶機(jī)組成。兩種模式的 TBM 主機(jī)結(jié)構(gòu)分別如圖1、圖2所示。

圖1 硬巖敞開模式單護(hù)盾 TBM 主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 閉胸土壓平衡模式單護(hù)盾 TBM 主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

（2）以可伸縮式集土環(huán)為核心：采用螺旋機(jī)中心出土方式，可實現(xiàn)皮帶機(jī)和螺旋機(jī)的快速互換。

（3）可伸縮式集土環(huán)具有緊急快速關(guān)閉功能：可在突發(fā)涌水等災(zāi)害時快速封閉土艙、阻斷進(jìn)水，避免地表塌方，保障人員和設(shè)備安全。

（4）設(shè)置大容量雙艙人行閘：除了敞開模式下的快速物料運輸通道，在土壓平衡模式下還可以通過人行閘進(jìn)行帶壓換刀。

（5）采用應(yīng)急可更換鉸接密封：在發(fā)生緊急情況時，可對鉸接密封進(jìn)行維修和更換。

2 可伸縮式集土環(huán)技術(shù)

2.1 可伸縮式集土環(huán)

目前，已知的雙模式 TBM 不含有可伸縮式集土環(huán)，所以模式切換不僅包含螺旋機(jī)與皮帶機(jī)的切換，而且需要對刀盤導(dǎo)流板進(jìn)行拆裝，因此需要 2～3 星期的切換周期。此外，模式的切換還需要在自立性較好的巖層完成，增加了施工籌劃的難度。

可伸縮式集土環(huán)的設(shè)計應(yīng)用，能夠保證硬巖刀盤在敞開模式及土壓平衡模式掘進(jìn)中不需要拆裝導(dǎo)流板，可以隨時進(jìn)行模式切換，切換作業(yè)可在 3 d 內(nèi)完成，從而保證了施工的連續(xù)性及高效性，極大地方便了施工籌劃。

可伸縮式集土環(huán)是敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護(hù)盾 TBM 掘進(jìn)機(jī)的核心部件，為一筒形結(jié)構(gòu)，設(shè)置在雙模式 TBM 主機(jī)的中心，主要由定環(huán)、動環(huán)、多個伸縮油缸組成，如圖3所示。

圖3 可伸縮式集土環(huán)結(jié)構(gòu)圖

伸縮油缸采用同步控制，在伸縮油缸全部伸出時，能夠讓土倉內(nèi)的渣土進(jìn)入集土環(huán)，而伸縮油缸全部回縮時，通過動環(huán)與定環(huán)之間的密封圈，封閉土倉與殼體，阻隔土倉內(nèi)的渣土與泥水進(jìn)入殼體，使土倉可靠密閉。TBM 推進(jìn)過程中，集土環(huán)為開啟狀態(tài)，即動環(huán)伸出，渣土進(jìn)入集土環(huán)。敞開模式下，通過主機(jī)皮帶機(jī)將渣土運輸至后配套皮帶機(jī)；土壓平衡模式下，通過螺旋機(jī)輸送渣土；通過皮帶機(jī)與螺旋機(jī)的快速互換，可將敞開式 TBM 切換為適應(yīng)富水層的土壓平衡模式。

2.2 可伸縮式集土環(huán)的主要作用

作為出渣系統(tǒng)的一部分，連接后續(xù)出渣系統(tǒng)，使其在TBM 掘進(jìn)機(jī)敞開和土壓平衡模式下均可適用，同時皮帶機(jī)和螺旋機(jī)的可運動段均固定在可伸縮集土環(huán)動環(huán)內(nèi)的結(jié)構(gòu)中。這樣拆裝方便，能夠在較短時間內(nèi)方便快捷地更換皮帶機(jī)和螺旋機(jī)。

引導(dǎo)、收集渣土。傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的螺旋機(jī)進(jìn)土口位于土倉底部，正面土壓力較高，本雙模式 TBM 采用螺旋機(jī)中心出土方式，使得和皮帶機(jī)的互換更為簡便，但正面土壓較低。集土環(huán)在螺旋機(jī)前端收集渣土，可在此空間內(nèi)形成足夠的土壓，避免中心出土螺旋機(jī)正面土壓不足造成出土困難。

伸縮油缸縮回即可緊急快速關(guān)閉集土環(huán)，具體如下：①在突發(fā)涌水時能及時阻斷渣土、泥水涌入，避免塌方，保障人員和設(shè)備安全；②在轉(zhuǎn)換土壓平衡模式時先關(guān)閉集土環(huán)，可預(yù)防風(fēng)險，提高整體可靠性，使得模式轉(zhuǎn)換可以不限于自立性好的地層，對地層適應(yīng)性更高；③該結(jié)構(gòu)能夠完全回縮至殼體，在換刀時可關(guān)閉集土環(huán)以增大土倉內(nèi)空間，為刀具更換提供便利，并減小盾構(gòu)機(jī)總長。

可伸縮式集土環(huán)技術(shù)解決了雙模式快速切換和土倉緊急密封的難題。為保證可伸縮式集土環(huán)關(guān)閉時密封可靠，設(shè)計中采用的措施還有：①對伸縮油缸的同步性控制要求較高，并有足夠的控制精度；②動環(huán)和定環(huán)閉合面采用凹凸弧面相嵌，使中間的密封圈壓緊，在起到密封作用的同時，還起到了緩沖作用，保護(hù)了設(shè)備的使用安全以及壽命；③伸縮油缸均可由應(yīng)急蓄能器提供動力，保證在緊急情況下能夠?qū)崿F(xiàn)無供電工作。

3 雙模式帶壓換刀技術(shù)

TBM 長距離掘進(jìn)時刀具磨損快，刀具的更換頻次高，而刀具的更換效率極大地影響盾構(gòu)機(jī)的施工效率。通常，雙模式 TBM 不配備人行閘或是人行閘空間狹小，不具備帶壓換刀的條件，只能在硬巖敞開模式下通過物料運輸通道換刀。實際上，土壓平衡模式下刀具磨損雖然不及硬巖模式，但長距離掘進(jìn)也難以保證刀具不疲勞破壞，因此為保證設(shè)備可靠性，雙模式 TBM 不僅應(yīng)該滿足敞開模式下刀具更換，而且還要滿足閉胸土壓平衡模式下刀具更換。

本雙模式 TBM 除具備開胸推進(jìn)時的快速物料運輸通道，在閉胸推進(jìn)時物料也可以通過人行閘運輸，如圖4所示。

圖4 人行閘

雙模式 TBM 帶壓開倉系統(tǒng)技術(shù)可確保帶壓換刀的可靠性和高效性，但雙模式 TBM 的特點也決定了帶壓開倉結(jié)構(gòu)較難實現(xiàn)。目前國際上已有的結(jié)構(gòu)，載人氣壓倉體狹小，通道不暢，運輸物料困難。本雙模式 TBM 人行閘位于刀盤驅(qū)動上部，在有限的空間內(nèi)為人行閘系統(tǒng)、換刀通道留出通過足夠的位置。通過優(yōu)化空間、采用緊湊設(shè)計，設(shè)置大容量雙艙人行閘，從而具備了通過人行閘進(jìn)行帶壓換刀的條件。

4 硬巖刀盤及硬巖刀盤驅(qū)動技術(shù)

刀盤設(shè)計以地質(zhì)適應(yīng)性為原則，結(jié)合印度孟買項目提供的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)配置刀具，布置高強(qiáng)度滾刀以滿足硬巖掘進(jìn)。硬巖TBA刀盤，如圖5所示。

圖5 硬巖TBA刀盤

TBM在硬巖掘進(jìn)時會產(chǎn)生高頻振動，考慮振動因素，刀具容易產(chǎn)生疲勞破壞，所以應(yīng)對刀具安裝形式、緊固件防松等采取針對性的措施。刀盤驅(qū)動裝置是盾構(gòu)機(jī)正常運作的心臟。除了提供動力的傳動齒輪、電機(jī)馬達(dá)外，大軸承及其密封也是盾構(gòu)機(jī)最為關(guān)鍵的部件之一，是決定盾構(gòu)機(jī)使用壽命的重要結(jié)構(gòu)。雙模式TBM的刀盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 刀盤驅(qū)動裝置結(jié)構(gòu)

為保證高轉(zhuǎn)速（7 r/min）、長距離掘進(jìn)（＞10 km）的可靠性與穩(wěn)定性，刀盤驅(qū)動采用了大剛性結(jié)構(gòu)，大軸承壽命＞15 000 h，并且安裝結(jié)構(gòu)滿足了隧道內(nèi)可更換密封圈和大軸承的要求。大軸承潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)與密封形式都采取了針對性的設(shè)計優(yōu)化，確保設(shè)計、施工可靠性。

此外，結(jié)合雙模式 TBM 掘進(jìn)機(jī)出渣位置位于盾構(gòu)中心以及需要大尺寸人行閘的特點，刀盤驅(qū)動在結(jié)構(gòu)上須滿足外形尺寸小、中心部分預(yù)留空間大的要求，以確保出渣皮帶機(jī)的安裝以及與螺旋輸送機(jī)的快速互換。

5 應(yīng)急可更換鉸接密封技術(shù)

作為盾構(gòu)糾偏技術(shù)的核心，鉸接裝置可以保障施工軸線的精度，重要性不言而喻。鉸接密封作為鉸接裝置的關(guān)鍵技術(shù)，是保證鉸接裝置正常工作的必要條件。結(jié)合以往的施工經(jīng)驗和施工記錄，鉸接密封一旦破損，通常就會采取緊急注速干水泥漿、緊急注聚氨酯等臨時性堵漏措施。采取這種臨時性補(bǔ)救措施會犧牲鉸接裝置。因此，為了避免此類情況的發(fā)生，設(shè)計研制了一種應(yīng)急可更換的鉸接密封圈結(jié)構(gòu)，以保證施工過程中在發(fā)生緊急情況時也具備維修更換的能力，從而確保鉸接裝置始終處于工作狀態(tài)，提高施工可靠性。

6 結(jié) 語

新型雙模式 TBM 兼具硬巖敞開模式和閉胸土壓平衡模式，可通過切換兩種模式滿足全斷面硬巖及含富水?dāng)嗔褞У膹?fù)雜地層的長距離掘進(jìn)，保證了施工的連續(xù)性及高效性。敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護(hù)盾 TBM 采用可伸縮式集土環(huán)技術(shù)，實現(xiàn)了兩種模式的快速切換；可伸縮式集土環(huán)的緊急關(guān)閉功能實現(xiàn)土艙快速密封；帶壓換刀技術(shù)可同時滿足硬巖敞開模式和閉胸土壓模式下的刀具更換，進(jìn)一步保證了TBM 在復(fù)雜地層長距離掘進(jìn)的可靠性。雙模式 TBM 在印度孟買項目的成功應(yīng)用，為雙模式 TBM 的研發(fā)提供了成功案例；可伸縮式集土環(huán)技術(shù)的研究，為雙模式 TBM 的設(shè)計提供了新思路。這些應(yīng)用和研究成果可以對提高國產(chǎn) TBM 的國際競爭力起到一定作用。