超大直径盾构中心仓带压掘进模式探讨

陆豪杰

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450000)

随着社会经济的发展，为了改善城市、城际交通功能，公路隧道工程建设需求越发迫切，工程项目越来越多，规模也越来越大。随着盾构隧道断面的增大，单管双层隧道结构已成为发展趋势。双层车行隧道具有断面有效利用率高、工程成本低的优点，成为发展方向。盾构制造技术的发展，为超大直径隧道提供了基础。超大直径盾构隧道将是地下道路工程建设的首选。

由于我国不同区域的工程地质情况复杂多变，同时结合工程施工安全、进度、成本等因素的影响，在常规刀盘的基础上，常压刀盘作为一种创新成果应运而生。受限于不充足的工程应用实践和技术发展程度的影响，行业内关于常压刀盘超大直径盾构设备技术和掘进施工技术的研究尚处于初级阶段。因此，关于该种设备制造技术与施工技术等方面的论文和论著研究较少，尤其是在特殊情况下的中心仓带压掘进模式的应用，还未引起产业链中各单位的重视，也未作为重点研究区域。

本文以普遍常压刀盘超大直径盾构中心仓结构形式与制造技术为出发点，结合某在建项目的中心仓带压掘进的具体工程实践，创新总结出中心仓带压掘进对工程施工效率提升和设备保护等方面具有良性影响，同时为相关设备设计与制造技术优化提升指明了研究方向。

1 常压刀盘结构形式及原理

常压刀盘是采用常压可更换滚刀与切刀的刀盘结构，有利于高水压下的刀具更换，提高换刀作业的安全性与经济性，使换刀作业更加便捷可靠，将高强度、高风险、高污染的隧道掘进工程作业转变成为相对安全、可靠、高效的绿色施工模式。

如图1 所示，刀盘结构设计为6 个中空主梁＋6 个辅梁，主梁上部分刮刀和滚刀可在常压环境下更换，同时刀盘内集成设计了刀具更换油缸固定装置、刀具运输系统、冲刷管路、爬梯、可拆卸作业平台等，保证了主梁内常压更换刀具的安全和快捷性。

图1 刀盘结构示意图

如图2、图3 所示，超大直径盾构常压换刀装置，在盾构刀盘的辐条工作舱内安装有多把切削刀具，工作舱是常压工作舱，在刀盘上安装有刀箱，每把切削刀具安装在刀箱上，刀盘与刀箱之间设有密封阀门，刀箱的后端设有切削刀安装夹具，切削刀安装夹具设有使切削刀具脱出和装入的夹具丝杆。

图2 常压换刀装置

图3 常压换刀装置分解图

2 中心仓结构形式及原理

2.1 中心仓结构形式

中心仓安装在主驱动内部，作为应急仓体。如图4 所示，中心仓上布置有中心回转接头、物料通道、人员通道、平台，以及水、电、气通道。中心仓上部设置有物料吊机，吊机具备横向及纵向移动功能，方便换刀过程中的刀具转运及安装。

图4 中心仓三维结构图

2.2 中心仓作业原理

在正常钻挖作业期间，用移动分离式防护设备隔离通往刀盘危险区域的所有通道，防止人员未经授权或意外闯入。一旦打开移动分离式防护设备，就会立即切断刀盘电源。必须遵守如在章节操作方法中所说明的顺序。如需在大气压条件下维护刀盘及其刀具，必须有人员定期进入刀盘。同时必须使用中心仓的左门（沿掘进方向)。如需在压缩空气下维护刀盘及其刀具，通过中心仓上的入口管进入（图5)。

图5 中心仓作业原理

刀盘腔体为常压模式时且齿轮室不加压情况下，第三道腔作为检测腔，则前两道需要间断性注油脂使唇口充分润滑，第四道腔作为齿轮油腔，维持一定高度油量，使后部两道唇口充分润滑。若出现正面水土压力达10bar，齿轮室加压且压力≤4bar 时情况下，刀盘腔已不具备常压模式，需要旋转刀盘进仓修理情况下，第三道腔体需调整为齿轮油加压腔，齿轮油腔能进行相应加压，前面两道腔体采用递减方式减压，以保证内密封满足10bar 的承压能力。

3 超大直径盾构常规掘进

3.1 超大直径盾构掘进工作原理

在掘进过程中，掌子面上的土壤通过旋转的刀盘全面松脱并落入分隔挡板开口的支撑液中。在分隔挡板中拥有分隔挡板开口，通过这个开口开挖的土壤通过碎石机进入吸入口。开挖的土壤通过泥水管路的吸入口与支撑液一起由工作舱吸出，并由分离设备输送至隧道外部。吸出的体积由开挖舱和工作舱内进浆管路输出端提供的新鲜膨润土替代。

工作舱内的压力由位于此处的气泡确定。这个压力等于待处理的土壤压力和水压，并由此防止不受控地渗入土壤以及丧失掌子面稳定性。开挖舱内的支撑压力控制并非直接通过悬浮液压力或进浆管路内的压力实现，而是由气垫实现。

3.2 超大直径盾构掘进存在的问题

1)在上软下硬地层中，下部硬强度较高，自稳性较好；上部围岩强度较低，稳定性差。由于上软下硬地层岩性不均匀，盾构施工会对周围地层造成过大扰动，导致掌子面坍塌，致使地表发生较大不均匀沉降。

2)在软硬不均地层中盾构施工时，刀盘、刀具在软硬不均岩面作周期性碰撞，刀盘受到的冲击力很大，容易造成刀具磨损过快，刀盘受力超载变形或主轴承受损等。

3)常压刀具因受到刀盘挤压力过大的影响，刀筒会整体后退，进而造成刀筒密封出现泄露，开挖仓的高水压会释放，不仅威胁到工程安全，也会损坏设备。

4)刀盘在掘进过程中会引起较大的振动，导致常压刀筒安装螺栓松动与断裂，若刀筒整个被压退到辐条舱内，会带来不可估量的工程风险。

5)当开挖仓内高水压力超过10bar 或更大时，系统需要相应开启整套驱动密封保压系统，进行应急掘进管理。

4 中心仓带压掘进应用

为了解决以上存在的问题，尤其是刀盘掘进时的振动问题和常压刀筒的问题，提升掘进效率，启动中心仓加压缩空气的工作模式。根据常压刀盘与中心仓结构形式和中心仓保压系统工作原理，经计算，若在压强为1bar 的压缩空气作用下，每平方米所受的压力约为100kN，可根据实际施工需求确定中心仓内加气压力大小。

在某项目施工过程中，将中心仓内压缩空气压力调整为3bar时，刀盘辐条舱内与中心仓内形成等效的空气幕墙，每平方米所产生的压力能平衡一个刀刃传递给刀筒的挤压力（约300kN)，刀筒固定螺栓也不会因过载而频繁断裂，同时对刀筒密封形成背部支撑以平衡高压水仓环境的压力，确保密封的安全性与可靠性。由于中心仓内压缩空气的吸能减振作用，有效地保护了刀筒固定螺栓和主驱动系统部件的作业安全与可靠。

5 结语

盾构施工技术随着生产实践应用得到不断完善和改进，盾构隧道外径以及盾构直径的大小被不断刷新，盾构隧道正朝着超大直径的方向迈进。盾构隧道直径越大，技术问题也逐渐增多，对于技术问题的研究处理也越来越多。

中心仓带压掘进模式的应用降低了施工中的工程风险，为超大直径盾构新的掘进模式指明了一个研究方向，同时能减少刀筒及固定螺栓更换频次，提升掘进与工序衔接效率，还促进了设备相关系统的研究设计与制造，通过减振能降低主驱动系统的故障率，尤其是对主驱动密封系统和主轴承的可靠性良性影响。该种掘进模式的成功与熟练应用，为盾构应急掘进管理响应加速，更能保证掌子面的安全。为大埋深、高水压、长距离隧道设计与施工及设备制造提供一定的参考与借鉴。