敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護盾TBM技術應用研究

閔 銳（上海隧道工程有限公司， 上海 200137）

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

全斷面硬巖 TBM 一般可分為護盾式全斷面 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，雙護盾敞開式等單一模式的硬巖 TBM 較常見，其技術已被幾家國內制造商掌握。傳統的單一模式 TBM，只能適應較單一的硬巖地質，而在突遇局部富水巖層斷裂帶時，會出現噴涌、沉降等問題，給工程造成重大影響。這在復雜多變地層或局部地質信息工程不明地層中施工風險極大[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。該項目的巖層有復雜的巖性組合，顯示出巨大的異質性。該地區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化玄武巖，并且酸性和堿性凝灰巖、含有富鐵質基質的火山角礫巖、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育完全，局部地層富水。

此外，該項目位于印度孟買市區，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。在一般純硬巖地質條件下，盾構掌子面巖層穩定，盾構可以開胸推進。但是，當巖層裂隙發育充分或遇巖層斷裂帶并富水時，便存在涌水、塌方等風險。為避免在富水帶等惡劣地質條件掘進中發生地表沉降或大量涌水、無法開胸推進等情況，需要采用閉胸模式推進的方式。

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具有更強的地質適應性，可適應以全斷面硬巖為主同時含富水、裂隙發育充分的巖層或斷裂帶巖層的復雜巖層。敞開模式采用皮帶機出土，可持續高速地運輸渣土；土壓平衡模式的土艙是封閉的，通過調節螺旋機轉速、控制出土量維持土壓的穩定，保持開挖面的穩定。

雙模式 TBM 技術在近幾年才在世界范圍內投入研究和應用，目前國內外應用案例不多。國內已知的雙模式TBM[3-5]的模式轉換過程主要包括螺旋機和皮帶機的互換、驅動中心承壓板拆裝、刀盤導流板拆裝等，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，可通過安裝驅動中心承壓板實現土艙封閉，但中心承壓板需要在拆除皮帶機后才能進行運輸、安裝，因此需要一定的工期。當突遇涌水等地質災害時，無法及時阻斷進水。這種 TBM 的模式切換就需要在自立性較好的巖層進行，并須采取必要的地層加固措施、準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換技術—可伸縮式集土環技術，不僅兼具硬巖敞開模式和閉胸土壓平衡模式，而且實現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，出渣系統由集土環、主機皮帶機、后配套皮帶機組成；在土壓平衡模式下，出渣系統由集土環、主機螺旋機、后配套皮帶機組成。兩種模式的 TBM 主機結構分別如圖1、圖2所示。

圖1 硬巖敞開模式單護盾 TBM 主機結構圖

圖2 閉胸土壓平衡模式單護盾 TBM 主機結構圖

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

（3）可伸縮式集土環具有緊急快速關閉功能：可在突發涌水等災害時快速封閉土艙、阻斷進水，避免地表塌方，保障人員和設備安全。

（4）設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行帶壓換刀。

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

2 可伸縮式集土環技術

2.1 可伸縮式集土環

目前，已知的雙模式 TBM 不含有可伸縮式集土環，所以模式切換不僅包含螺旋機與皮帶機的切換，而且需要對刀盤導流板進行拆裝，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。

可伸縮式集土環的設計應用，能夠保證硬巖刀盤在敞開模式及土壓平衡模式掘進中不需要拆裝導流板，可以隨時進行模式切換，切換作業可在 3 d 內完成，從而保證了施工的連續性及高效性，極大地方便了施工籌劃。

可伸縮式集土環是敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護盾 TBM 掘進機的核心部件，為一筒形結構，設置在雙模式 TBM 主機的中心，主要由定環、動環、多個伸縮油缸組成，如圖3所示。

圖3 可伸縮式集土環結構圖

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

2.2 可伸縮式集土環的主要作用

作為出渣系統的一部分，連接后續出渣系統，使其在TBM 掘進機敞開和土壓平衡模式下均可適用，同時皮帶機和螺旋機的可運動段均固定在可伸縮集土環動環內的結構中。這樣拆裝方便，能夠在較短時間內方便快捷地更換皮帶機和螺旋機。

引導、收集渣土。傳統土壓平衡盾構機的螺旋機進土口位于土倉底部，正面土壓力較高，本雙模式 TBM 采用螺旋機中心出土方式，使得和皮帶機的互換更為簡便，但正面土壓較低。集土環在螺旋機前端收集渣土，可在此空間內形成足夠的土壓，避免中心出土螺旋機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閉集土環，具體如下：①在突發涌水時能及時阻斷渣土、泥水涌入，避免塌方，保障人員和設備安全；②在轉換土壓平衡模式時先關閉集土環，可預防風險，提高整體可靠性，使得模式轉換可以不限于自立性好的地層，對地層適應性更高；③該結構能夠完全回縮至殼體，在換刀時可關閉集土環以增大土倉內空間，為刀具更換提供便利，并減小盾構機總長。

可伸縮式集土環技術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關閉時密封可靠，設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動環和定環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，保護了設備的使用安全以及壽命；③伸縮油缸均可由應急蓄能器提供動力，保證在緊急情況下能夠實現無供電工作。

3 雙模式帶壓換刀技術

TBM 長距離掘進時刀具磨損快，刀具的更換頻次高，而刀具的更換效率極大地影響盾構機的施工效率。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，但長距離掘進也難以保證刀具不疲勞破壞，因此為保證設備可靠性，雙模式 TBM 不僅應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 除具備開胸推進時的快速物料運輸通道，在閉胸推進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 帶壓開倉系統技術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構較難實現。目前國際上已有的結構，載人氣壓倉體狹小，通道不暢，運輸物料困難。本雙模式 TBM 人行閘位于刀盤驅動上部，在有限的空間內為人行閘系統、換刀通道留出通過足夠的位置。通過優化空間、采用緊湊設計，設置大容量雙艙人行閘，從而具備了通過人行閘進行帶壓換刀的條件。

4 硬巖刀盤及硬巖刀盤驅動技術

刀盤設計以地質適應性為原則，結合印度孟買項目提供的地質條件數據配置刀具，布置高強度滾刀以滿足硬巖掘進。硬巖TBA刀盤，如圖5所示。

圖5 硬巖TBA刀盤

TBM在硬巖掘進時會產生高頻振動，考慮振動因素，刀具容易產生疲勞破壞，所以應對刀具安裝形式、緊固件防松等采取針對性的措施。刀盤驅動裝置是盾構機正常運作的心臟。除了提供動力的傳動齒輪、電機馬達外，大軸承及其密封也是盾構機最為關鍵的部件之一，是決定盾構機使用壽命的重要結構。雙模式TBM的刀盤驅動裝置結構，如圖6所示。

圖6 刀盤驅動裝置結構

為保證高轉速（7 r/min）、長距離掘進（＞10 km）的可靠性與穩定性，刀盤驅動采用了大剛性結構，大軸承壽命＞15 000 h，并且安裝結構滿足了隧道內可更換密封圈和大軸承的要求。大軸承潤滑系統、冷卻系統與密封形式都采取了針對性的設計優化，確保設計、施工可靠性。

此外，結合雙模式 TBM 掘進機出渣位置位于盾構中心以及需要大尺寸人行閘的特點，刀盤驅動在結構上須滿足外形尺寸小、中心部分預留空間大的要求，以確保出渣皮帶機的安裝以及與螺旋輸送機的快速互換。

5 應急可更換鉸接密封技術

作為盾構糾偏技術的核心，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鍵技術，是保證鉸接裝置正常工作的必要條件。結合以往的施工經驗和施工記錄，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。采取這種臨時性補救措施會犧牲鉸接裝置。因此，為了避免此類情況的發生，設計研制了一種應急可更換的鉸接密封圈結構，以保證施工過程中在發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，提高施工可靠性。

6 結 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斷裂帶的復雜地層的長距離掘進，保證了施工的連續性及高效性。敞開及閉胸土壓平衡雙模式單護盾 TBM 采用可伸縮式集土環技術，實現了兩種模式的快速切換；可伸縮式集土環的緊急關閉功能實現土艙快速密封；帶壓換刀技術可同時滿足硬巖敞開模式和閉胸土壓模式下的刀具更換，進一步保證了TBM 在復雜地層長距離掘進的可靠性。雙模式 TBM 在印度孟買項目的成功應用，為雙模式 TBM 的研發提供了成功案例；可伸縮式集土環技術的研究，為雙模式 TBM 的設計提供了新思路。這些應用和研究成果可以對提高國產 TBM 的國際競爭力起到一定作用。