劉東亮

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著國內(nèi)外基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，采用盾構(gòu)法修建的隧道直徑、埋深更大，水土壓力更高，在各種復(fù)雜地質(zhì)條件下采用大直徑盾構(gòu)修建隧道，相應(yīng)地也對盾構(gòu)技術(shù)要求更高，不斷引領(lǐng)隧道修建的技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展創(chuàng)新。

1 超大直徑盾構(gòu)發(fā)展概況

進(jìn)入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，鐵路、公路、市政、供水、供氣、防洪、水電等隧道工程建設(shè)越來越多，隧道施工技術(shù)不斷發(fā)展，大斷面、跨江越海隧道工程不斷增加，如長距離供水、水下交通、西氣東輸?shù)裙こ潭忌婕暗酱┰浇拥葟?fù)雜水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，采用盾構(gòu)法能夠更好、更經(jīng)濟(jì)、更安全地進(jìn)行隧道施工，因此盾構(gòu)施工技術(shù)隨著生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用得到了不斷完善和提高。最近的10～20年間，盾構(gòu)隧道直徑以及盾構(gòu)機(jī)開挖直徑被不斷刷新，盾構(gòu)隧道朝著超大直徑的方向邁進(jìn)。目前國內(nèi)將開挖直徑超過13m的盾構(gòu)視為超大直徑盾構(gòu)，超大直徑盾構(gòu)技術(shù)在工程中得到越來越多的應(yīng)用，但在穿越復(fù)雜地層掘進(jìn)施工時(shí)，仍面臨諸多難題。

超大直徑盾構(gòu)隧道一般應(yīng)用于公路或軌道交通合建項(xiàng)目，而近10年來，隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展及交通需求量的增長，13m及以上直徑越來越多。表1是近年來國內(nèi)外直徑13m以上盾構(gòu)施工項(xiàng)目。

2 超大直徑盾構(gòu)新技術(shù)應(yīng)用

2.1 常壓刀盤換刀技術(shù)

我國幅員遼闊，隧道穿越的地質(zhì)復(fù)雜多變，典型地質(zhì)如華南地區(qū)，存在上軟下硬、全斷面高強(qiáng)度硬巖、風(fēng)化巖包含孤石或飄石、地下水位高、泥水壓力大等不利于作業(yè)的情況。在進(jìn)行刀盤刀具的檢查和刀具更換作業(yè)時(shí)，帶壓進(jìn)倉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)大、耗時(shí)較長。即使采用飽和潛水作業(yè)，進(jìn)倉作業(yè)準(zhǔn)備也需要很長時(shí)間，而且地面上需要配置大量的輔助設(shè)備。按照GB/T12521-2008《空氣潛水減壓技術(shù)要求》，在潛水36m以上、同樣水下作業(yè)時(shí)間的前提下，隨潛水深度的增加，作業(yè)效率逐步降低。壓縮空氣帶壓方式作業(yè)效率見表2。

圖1 常壓換刀刀盤

為了控制和減小帶壓進(jìn)倉作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，確保刀具檢查和更換過程中的安全，減少停機(jī)時(shí)間，提高刀具更換效率，各盾構(gòu)制造商為泥水盾構(gòu)研發(fā)了常壓換刀刀盤，使刀具的檢查和更換在常壓下進(jìn)行。1997年，海瑞克公司在德國漢堡易北河第4隧道首次進(jìn)行應(yīng)用嘗試，國內(nèi)如上海崇明長江隧道、南京地鐵緯七路、緯三路長江隧道、武漢地鐵7號線三陽路隧道、武漢地鐵8號線過江段、佛莞城際新獅子洋隧道、汕頭蘇埃通道以及國外土耳其伊斯坦布爾海峽隧道盾構(gòu)，均采用常壓刀盤換刀。常壓刀盤是把刀盤鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成類似人閘的結(jié)構(gòu)形式，工作人員可以在刀盤內(nèi)常壓下更換滾刀和部分切刀。海瑞克公司在伊斯坦布爾海峽公路隧道項(xiàng)目取得了成功經(jīng)驗(yàn)，每把滾刀可在3～4h內(nèi)完成更換（見圖1）。

表1 近年來國內(nèi)外直徑13m以上盾構(gòu)施工項(xiàng)目

表2 壓縮空氣帶壓方式作業(yè)效率

圖2 可更換滾刀結(jié)構(gòu)

可更換滾刀結(jié)構(gòu)如圖2，利用刀座油缸緩慢拉出刀座至安全螺母處，然后關(guān)閉閘門，打開球閥1排出壓力后關(guān)閉，將刀具裝置抽出進(jìn)行刀具更換，然后按作業(yè)程序進(jìn)行安裝。

2.2 刀具檢測技術(shù)

隨著電子科技的飛速發(fā)展，為了更好的對刀具狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，海瑞克和中鐵裝備公司已開發(fā)出針對常壓刀盤刀具磨損自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Φ毒咿D(zhuǎn)動(dòng)、溫度、磨損量進(jìn)行檢測。通過安裝在刀箱上的電渦流傳感器和磁開關(guān)傳感器分別測量滾刀實(shí)際磨損量、滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)及溫度。在刀盤回轉(zhuǎn)中心處放置有傳感器集線器，負(fù)責(zé)向傳感器供電，并將傳感器信號轉(zhuǎn)換為通訊信號，集線器電源及通訊總線通過電滑環(huán)和盾構(gòu)控制系統(tǒng)相連（見圖3）。

圖3 刀具檢測傳感器布置圖

圖4 上位機(jī)軟件界面示意圖

圖5 刀盤伸縮和擺動(dòng)示意圖

傳感器信號通過位于刀筒端蓋上的高承壓電連接器傳輸至固定在刀筒外部的節(jié)點(diǎn)模塊，該節(jié)點(diǎn)模塊將實(shí)現(xiàn)傳感器供電、信號的采集和進(jìn)一步的數(shù)據(jù)無線傳輸。針對滾刀狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)專門開發(fā)的上位機(jī)軟件，能夠與中繼路由模塊實(shí)時(shí)通信，獲得每把被測滾刀的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并記錄在數(shù)據(jù)庫中，方便盾構(gòu)司機(jī)隨時(shí)查看。同時(shí)，可以通過上位機(jī)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置例如數(shù)據(jù)上傳時(shí)間間隔等（見圖4）。

2.3 刀盤擺動(dòng)和伸縮擺動(dòng)技術(shù)

為有效解決刀盤刀具尤其是邊緣滾刀的更換，以及解決刀盤卡死脫困問題，刀盤主驅(qū)動(dòng)軸承采用球鉸結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)刀盤前后伸縮和上下左右擺動(dòng)，一方面實(shí)現(xiàn)超挖滿足新刀具更換時(shí)的更換空間，大幅縮短刀具更換時(shí)間；另一方面可以在刀盤卡死時(shí)，通過縮回來脫離卡死的困境，遇孤石或刀盤卡住時(shí)可縮回，解決了突遇刀盤卡住時(shí)的難題。在南京緯三路工程在283環(huán)起穿越近百米的枯木施工時(shí)，有效地解決了樹木區(qū)域、泥巖區(qū)域刀盤卡住無法施工的難題（見圖5）。

圖6 刀盤冷凍系統(tǒng)原理示意圖

圖7 SSP系統(tǒng)測量原理

2.4 冷凍刀盤

盾構(gòu)在沙層、淤泥層、斷層等復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境中掘進(jìn)，一旦挖掘到建筑物下面進(jìn)行刀盤維護(hù)和掘進(jìn)時(shí)，需要采取特殊的加固措施，否則很可能出現(xiàn)地面坍塌，發(fā)生重大事故。盾構(gòu)機(jī)上搭載的冷凍刀盤技術(shù)將冷凍工法與盾構(gòu)設(shè)備融為一體，中鐵華隧創(chuàng)新研制的世界首臺具有冷凍刀盤的盾構(gòu)于2017年10月成功下線。

冷凍刀盤技術(shù)將冷凍工法與盾構(gòu)設(shè)備融為一體，在刀盤周圍形成“凍結(jié)圓盤”，充分隔絕地下水，增加土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，如同創(chuàng)造一道凍土屏障。盾構(gòu)機(jī)換刀作業(yè)在凍土屏障的保護(hù)下進(jìn)行，提高了盾構(gòu)施工的安全可靠性。該技術(shù)能有效解決盾構(gòu)下穿建筑物、鐵路、管線、江河湖海等特殊地段沉降控制的施工難題，擴(kuò)展了盾構(gòu)的使用范圍。刀盤冷凍系統(tǒng)原理見圖6。

2.5 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，對于孤石的探測和處理一直都是盾構(gòu)施工的難題。為了有效探測孤石等障礙物，在泥水盾構(gòu)上采用軟土聲波探測和隧道三維地震波法超前探測。其中海瑞克公司采用SSP軟土聲波探測器進(jìn)行超前探測，可實(shí)現(xiàn)探測距離40m范圍內(nèi)，不同地質(zhì)密度形成反差界面來判斷地質(zhì)變化，尤其是地層中存在的孤石。該系統(tǒng)在德國萊比錫城市隧道、科隆地鐵西線泥水盾構(gòu)等項(xiàng)目上使用。

SSP探測是一種物質(zhì)探測方法，發(fā)射單元和接收單元直接安裝在刀盤上，特殊編碼的聲波傳輸信號在掘進(jìn)過程中由SSP發(fā)射器自刀盤通過支撐介質(zhì)發(fā)射至前方土體，通過連續(xù)、快速地分析測得聲波傳輸時(shí)間，換算出反射區(qū)域的幾何位置（見圖7）。

3 結(jié)束語

目前，國內(nèi)14m以上超大直徑盾構(gòu)數(shù)量越來越多，超大規(guī)模隧道工程的建設(shè)推動(dòng)了新技術(shù)、新工藝、新材料、新設(shè)備的引進(jìn)、開發(fā)和應(yīng)用。盾構(gòu)法隧道在大直徑、大深度、長距離和復(fù)雜地層掘進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)得到了長足發(fā)展。多條超大直徑隧道工程的成功建成，標(biāo)志著我國在超大直徑隧道建設(shè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。從發(fā)展趨勢來看，超大直徑的城市道路隧道采用雙層結(jié)構(gòu)因斷面利用率高而成為發(fā)展方向。因此，盾構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)從施工、研發(fā)、設(shè)計(jì)一體化道路上協(xié)作推進(jìn)，總結(jié)國內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，發(fā)展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)技術(shù)，引領(lǐng)隧道施工重大裝備的技術(shù)發(fā)展。

［1］ 郭衛(wèi)社, 梁奎生, 游永鋒. 越海盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2015.

［2］ 郭陜云, 萬姜林. 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在我國隧道及地下工程中的應(yīng)用與發(fā)展——中鐵隧道集團(tuán)2004年科技大會(huì)論文集[C].2004.

［3］ 洪開榮. 高速鐵路特長水下鐵路盾構(gòu)隧道施工技術(shù)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2013.