双模式全断面掘进机探讨

张宁川，李 光

(中铁隧道装备制造有限公司，河南郑州 450016)

0 引言

国内区域贸易的自由化流通，要求建设快速的流通通道，铁路、公路等基础设施的建设具有重要的战略意义，掘进机在全世界的隧道建设中起到了举足轻重的作用［1］。国内城市化的发展，要求城市具有快捷、环保、便利、舒适的公共轨道交通，我国地铁与轻轨建设刚进入一个全面发展的阶段，需要大量的掘进机设备［2］。在具有世界地质博物馆之称的中国，地质种类繁多，如何利用高性价比的配套隧道掘进机完成不同地质工程项目建设的问题随之产生。现阶段常规类型的掘进机都是针对特定地质条件进行相应的功能设计，如土压平衡盾构、泥水盾构以及硬岩TBM等，它们都被视为单一模式的掘进机。从整机的结构形式来看，不同模式的掘进机实际上多具有相同的结构和系统，如果这些结构和系统可以很方便地更换，不但能有效解决掘进机的地质适应性问题，也会大大节省设备成本和社会资源。通过更换部分系统配置，从而适应多种地质开挖的掘进机被称为双模式掘进机。目前双模式掘进机研究的主要方向仅是TBM模式(硬岩掘进模式)和EPB模式(土压平衡掘进模式)的组合［3］，但实际应用得很少。本文简述多种双模式全断面掘进机的设计理念，并对其主要结构及其优缺点进行阐述。

1 单一模式的掘进机

1.1 土压平衡盾构

城市地下隧道穿越的地层多为陆地表层，由淤积洪积冲积等沉积层及强风化的岩层组成，该类地层由于不能自稳，且地表多有构筑物，不允许有较大的地表沉降，一般多选用土压平衡盾构开挖。开挖下来的土料在土仓中与隧道工作面的压力保持平衡，起到稳定隧道工作面的作用，以避免地表沉降给构筑物造成损坏。土压平衡盾构采用螺旋输送机出渣，管片同步衬砌完成永久性支护并为盾构提供反推力［4］。

1.2 泥水平衡盾构

江湖海底隧道多采用泥水平衡盾构，以泥膜和泥浆压力平衡地层中的高水压。泥浆介质通过管道被泵入隧道工作面前封闭的开挖仓，与渣土混合后的混合物再被泵送到地面泥浆池中，通过分离设备将混合物中的泥浆分离出来后再泵入开挖仓，如此循环达到出渣的目的［5］。

1.3 硬岩 TBM

山岭隧道大多为可以自稳的基岩，一般采用硬岩TBM掘进。TBM推进系统给刀盘提供推进力，撑靴系统支撑洞壁承受支反力，TBM采用主机皮带机出碴，在掘进的同时进行安装锚杆、挂网、钢拱架和喷射混凝土等支护作业［6］。

2 双模式全断面掘进机的必要性

由于中国地理环境的多样性以及地下工程类型、规模、数量的不同，隧道建设的复杂程度越来越高，过去单一功能模式的掘进机必然会向双模式全断面掘进机的方向发展，以满足隧道工程多样性的需求。如在重庆地层以完整性良好的泥岩砂岩为主，地铁隧道可采用TBM施工，但有的区间隧道同时会穿越软土甚至回填土地段，需要采用盾构以平衡模式掘进［7］。又如青岛地铁2号线有的区间隧道反复穿越基岩和软土，由于基岩稳定性良好，为提高隧道的支护耐久性和降低成本，可在基岩段采用二次复合衬砌，在软土段则需进行管片同步衬砌［8］。再如小浪底引水隧道，其中一半里程穿越富水砂卵层，在高压富水地段可采用泥水平衡功能掘进以满足止水要求，而在无水地段可采用土压平衡功能掘进以降低开挖成本和对环境的污染［9］。

随着掘进机设备的广泛推广应用，考虑到地质情况、工程成本及工期等要求，利用一台掘进机设备挖掘一条地质变化较大的隧道的情况不可避免，这就对掘进机设备的设计和制造提出了新的要求。目前，山西地铁招标就明确提出了要求掘进机设备应具有土压泥水双模式掘进的功能。由此可见，对双模式掘进机的研发设计已刻不容缓。

3 双模式全断面掘进机的范例

3.1 硬岩敞开模式与软岩平衡模式转换的双模式掘进机

该类型的双模式掘进机是结合TBM切削出碴技术和盾构螺旋机出碴技术组成的双模式掘进机。

3.1.1 掘进机的基本结构

敞开模式主机布置如图1所示。主机皮带机从主驱动中心处伸入土仓，刀盘背面装有溜碴板，土仓中心处设有溜碴槽。切削下来的碴土经溜碴板、溜碴槽掉落到主机皮带机上，再经后配套皮带机转运出去。主驱动中心处设有喷水装置，用以降低粉尘。

图1 敞开模式主机布置图Fig.1 Layout of open mode TBM

土压平衡模式主机布置如图2所示。主驱动中心处装有回转接头，泡沫及膨润土通过回转接头的通道及刀盘上的管路进到刀盘前面，对渣土进行改良;主机下部装有螺旋输送机，渣土在螺旋输送机内形成土塞效应，在螺旋输送机轴旋转的带动下，渣土通过螺旋输送机后仓门掉到皮带机上转运出去。在土仓隔板和螺旋输送机筒体上装有土压传感器，用以检测土仓和螺旋输送机内土压。

图2 土压平衡模式主机布置图Fig.2 Layout of earth pressure balance mode TBM

3.1.2 区别于常规土压平衡盾构的特殊设计

刀盘具有双向溜碴板结构，可双向旋转切削刮碴溜碴，以便回正盾体的滚转，但仍为开放式的支腿结构，以便具有平衡模式时的功能。主驱动必须采用内外密封结构，以便在安装中心皮带机时，主轴承的中心部位敞开。前盾需设置稳定器，硬岩掘进时伸靴支撑开挖面，约束刀盘的振动，减缓盾体的滚转。后配套拖车内增设除尘装置，硬岩掘进时用于主机内除尘。

模式转换的工装:配置支撑设备桥的承载小车，以便支撑设备桥，在解除管线连接后使设备桥和后配套拖车后退，让出螺旋输送机或中心皮带机拆除和安装的空间;配置简易吊装架，以便吊拆安装螺旋输送机或中心皮带机。

3.1.3 优缺点

在硬岩掘进时，地层稳定，采用中心皮带机方式出碴，土仓存留的碴土很少，极大减小刀盘的搅拌阻力，刀盘可在较小的驱动扭矩下高速旋转切削以获得较高的掘进速度，主驱的电力消耗少;滚刀在相对干净的条件下工作，被刀箱内碴土卡住导致弦磨的风险小，碴土对其的二次磨损小。在软岩掘进，地层不能自稳，采用螺旋输送机方式出渣，保持土仓压力，避免软土地表发生沉降。

更换掘进模式时，由于需要拆装和更换大量结构件，模式转换工作量大，周期较长;而且因为结构和空间的限制，以至部分结构设计不尽合理，还需要做大量的改进工作。

3.2 管片拼装模式和混凝土衬砌模式转换的双模式掘进机

该类型的双模式掘进机是结合矿山法衬砌技术和盾构法管片衬砌技术组成的双模式掘进机。

3.2.1 掘进机的基本结构

采用二次衬砌的掘进机工作原理如图3所示。该类型双模式掘进机是硬岩敞开模式与软岩平衡模式的双模式掘进机的进一步扩展型，即在岩石不良地层配置螺旋输送机以平衡模式掘进，拼装管片;在硬岩地层配置中心皮带机以敞开模式掘进，但不拼装管片，在隧道贯通后在硬岩地段施作混凝土衬砌。在硬岩地段由于缺少管片提供掘进机的反推力，故增配拼装式的环形靴板装置，由数组油缸靴板支撑在开挖面上，为掘进机提供反推力。除此外，掘进机不需要作其他改动。转换为平衡模式掘进时，需要将环形靴板装置拆除。

图3 采用二次衬砌的掘进机工作原理图Fig.3 Working principle of TBM with secondary lining system

3.2.2 优缺点及适用范围

在不良地层以平衡模式掘进，拼装同步管片衬砌，增加了隧道掘进的安全性和可靠性。在硬岩段隧道贯通后再实施二次复合衬砌，施工的总工期虽然相对延长，但复合衬砌支护的防水性及耐久性优于管片环，支护成本也低于同步管片衬砌。这种双模式掘进机适用于隧道较长、存在不良地质的地层。

3.3 土压平衡模式与泥水平衡模式转换的双模式掘进机

该类型双模式掘进机是结合土压平衡技术和泥水平衡技术组成的双模式掘进机。

3.3.1 掘进机的基本结构

土压平衡与泥水盾构主机布置如图4所示。该型双模式掘进机用于土压平衡模式时，基本配置与常规土压平衡盾构完全相同。用于泥水平衡模式时，需要拆除后配套皮带机，保留螺旋输送机，并将其作为排浆管的一部分，通过调节进浆或排浆流量来维持泥水仓压力稳定。混合渣土后的泥浆从螺旋输送机内排出，其中携带的大粒径的卵石经过螺旋输送机口下方的破碎机破碎后再经排浆泵输出。

图4 土压平衡与泥水盾构主机布置图Fig.4 Layout of earth pressure balance mode TBM and slurry mode TBM

3.3.2 特殊设计

由于泥水盾构需要穿越江河湖海，故双模式掘进机的密封系统及盾体结构承压能力应按泥水盾构标准设计，还需要增设后配套拖车，以便可同时安装2种模式所需专用设备。

3.3.3 优缺点及适用范围

该型双模式掘进机既可用于土压模式也可用于泥水模式，使现有设备资源得以充分利用。但由于需要同时配置土压和泥水平衡的专用系统，致使整机成本高于常规盾构。这种双模式掘进机适用于存在无水和高压富水地层相间的地层。

4 结论与讨论

双模式全断面掘进机具有以下特点:1)适用范围广，能够适应多种不同地质的开挖作业，特别是掘进区间内地质变化较大的场合;2)设备使用率高，成本虽较单模式掘进机要高，但相比2台设备要低很多;3)节省施工成本，减少设备损耗，提高成洞质量;4)模式转换工作量大，周期较长。如何尽可能地发挥双模式掘进机的长处，改进其不足，正是以后隧道掘进机设计的工作重点。随着目前社会经济活动和自然资源的矛盾越来越突出，一机多用，充分节省设备投资成本实现快速、经济建造地下工程的目的，满足现代社会低碳环保要求的双模式全断面掘进机技术，必然是隧道掘进设备技术发展的主要方向之一。

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