小轉彎半徑盾構設計及應用

夏建峰

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，隨著經濟社會的快速發展，交通、供排水、電力和通訊等隧道工程的建設方興未艾。由于盾構法對隧道施工環境影響小，優勢明顯，所以國內外的城市隧道工程大多采用盾構施工。然而，盾構在隧道轉彎區間掘進時需要調整其掘進方向，并且還需在隧道沿線建設很多盾構工作井[1～2]。

目前城市地上和地下的現有建（構）筑物的密集度越來越高，在豎井施工過程中可能造成交通堵塞，使得找到一個合適的地方開挖豎井變得越來越困難。為了克服這些困難，小轉彎半徑盾構應運而生（圖1）。

圖1 傳統盾構隧道和小轉彎半徑盾構隧道豎井布局對比

近幾年，國內隧道掘進機制造商為具有挑戰性的小轉彎半徑隧道工程提供了很多針對性設計的盾構，國內的業主和承包商正在見證這些盾構的應用并意識到在豎井數量有限的情況下，這類盾構可以解決密集城市環境中的隧道線路問題。

1 針對性設計考慮因素

在進行盾構設計時，需要考慮地質、隧道線路、襯砌設計、埋深、地下水位等因素。對于小轉彎半徑盾構也是如此。

地質條件是在設計盾構時需要考慮的最重要的因素。對于小轉彎半徑盾構，地質條件尤其會影響到超挖設備的選型。在軟土地質中通常使用仿形刀，但在硬巖或復合地層中需要使用邊滾刀或擴挖滾刀進行超挖。

隧道線路條件是指隧道的直徑、長度、最小曲線半徑條件（水平方向和垂直方向）、坡度和特殊曲線形式。

在盾構設計中，確定隧道襯砌類型（鋼筋混凝土、鋼管片等）、外徑、內徑、管片厚度和寬度、單環管片數量及其重量都是很重要的。特別是需要有足夠的盾尾間隙用于轉彎段的開挖。

其他還應確定埋深和地下水壓力，然后選擇鉸接類型（V 型或X 型）和鉸接密封數量。

2 鉸接系統設計

采用盾構開挖小轉彎半徑隧道所需條件由以下幾點決定：一是通過超挖保證設備轉彎所需的空間；二是管片襯砌可在盾尾拼裝，且有足夠的盾尾間隙；三是管片承受盾構的反作用力時不變形、不移動。

為了滿足上述條件，保證設備在開挖小轉彎半徑區間時不偏離原設計路線，以下盾構技術特別重要：密封系統（鉸接結構、鉸接密封、盾尾密封）、鉸接系統、超挖系統（如仿形刀）、其他（螺旋輸送機、后配套系統等）。

2.1 鉸接系統

目前，盾構已經廣泛應用于小轉彎半徑隧道工程項目。盾構制造商通過針對性設計，可開挖轉彎半徑小于10m 的曲線，這主要得益于鉸接系統的研發。鉸接系統主要分為兩種，分別是被動鉸接和主動鉸接（圖2）。

圖2 被動鉸接系統和主動鉸接系統

被動鉸接系統是通過固定在前盾的油缸操縱盾構轉向。但存在的問題是當通過轉彎段時，油缸產生偏轉，表明油缸靴板以一定的角度作用在管片邊緣，產生偏移/點載荷，可能會導致管片損壞或引起襯砌的變形和位移。

主動鉸接系統解決了上述問題。主動鉸接系統的推進油缸固定在尾盾，當前盾進入轉彎段時，推進油缸不會偏轉，因此保持平行于管片的方向推進，大大降低了管片損壞的風險。

在小轉彎半徑段開挖時，推進油缸可以全行程向后頂推管片。優點是在盾尾和管片之間留有足夠的盾尾間隙，這就是為什么主動鉸接在世界各地流行的原因。

2.2 V型鉸接系統和X型鉸接系統

鉸接系統共有兩種，分別是V 型和X 型（圖3）。兩者之間的主要區別是鉸接點位置不一樣。V 型系統的工作原理是將與轉彎方向相反位置的鉸接油缸伸出，鉸接點位于伸出油缸的對側。X型鉸接系統通過油缸伸出與收縮實現鉸接，因此鉸接點是位于中心。

圖3 V型鉸接系統和X型鉸接系統

兩種鉸接形式各有優勢，雖然在選擇時通常取決于鉸接密封的數量，但是當水壓低于5bar時，一般采用V 型鉸接系統，通過V 型鉸接系統只需將前盾縮回就可以完成刀盤帶壓作業，無須回縮整個設備，且減少盾尾密封損壞。另一方面，X 型鉸接系統則更適用于大埋深、高水壓的小轉彎半徑，這是由于X 型鉸接系統使用的是球形結構，通過油缸的伸出和縮回可為鉸接密封持續提供足夠的間隙。

2.3 鉸接結構

不同類型的鉸接結構可適應不同的工況，通常可歸納為“平面形”或“球形”。鉸接角度越小，鉸接結構越接近球形。但是具體的鉸接結構需依據設備的直徑、鉸接角度、水壓等因素來設計。

2.4 超挖系統

為保證盾構前盾在鉸接油缸帶動下沿正確的曲線段線路轉向，需要使用超挖系統（如仿形刀）來保證盾體周圍有足夠的轉彎空間。如圖4 所示，仿形刀由液壓油缸控制，通過改變油缸行程調整超挖量和位置。

圖4 小轉彎半徑盾構仿形刀系統

2.5 鉸接細節

在研究小轉彎半徑盾構的鉸接系統時，一般通過模擬來評估盾構能否完全通過曲線段（圖5）。同時研究盾構內部各部件的位置和角度。為避免在小轉彎半徑段發生干涉，需要調整相應部件的位置和角度，或重新布置這些部件的位置或移出盾構。當螺旋輸送機產生干涉時，通過安裝在其筒體末端的球形鉸接進行擺動，避免干涉。

圖5 轉彎模擬

鉸接是通過鉸接系統與超挖的結合來實現的，首先超挖出足夠的空間，然后伸出鉸接油缸推動前盾轉向，最后伸出推進油缸。

3 其他設計

3.1 出渣系統

出渣方式有多種，例如皮帶機加渣土車、活塞泵系統、軟管系統等，尤其是土壓平衡盾構，在選擇出渣方式時需考慮到的因素包括：地質條件、水壓、隧道長度、轉彎半徑。對于小直徑土壓平衡盾構和小轉彎半徑隧道的開挖而言，出渣方式的選擇則會非常受限。較為有效的應對措施包括“軟管系統”以及“曲線皮帶輸送機系統”。

3.2 軟管系統

如圖6 所示，軟管系統通過特殊的連接件可安裝在螺旋輸送機出渣口處。軟管系統具備以下優點：一是安裝簡便；二是軟管安裝位置靈活，為管片拼裝區留出空間；三是在拖車內放置方便，便于轉彎段掘進；四是便于在小直徑隧道內使用。

圖6 安裝在螺旋輸送機上的軟管系統

通常來說，該系統下的渣土通過螺旋輸送機排出。然而，若開挖渣土出現堵塞或者軟管內出渣不暢，則可通過渣土改良劑對渣土進行改良，或者通過向軟管內加壓將渣土排出。

3.3 曲線皮帶輸送機系統

應用于小轉彎半徑隧道的皮帶機在設計時需要遵循隧道的線路。具體來說，后配套系統上的每一個皮帶單元都需設計的比較短，這樣就可以通過每個皮帶單元逐漸轉向，實現整個皮帶機的轉向。

3.4 后配套設計

如圖7 所示，后配套拖車由隧道掘進機通過牽引梁或拖拉油缸拖拽。為避免后配套拖車發生脫軌，需注意以下兩點：一是為一號拖車安裝轉向輪；二是每節后配套拖車車輪安裝法蘭盤。

圖7 后配套拖車穿過曲線段

3.5 管片運輸

由于管片吊梁缺乏靈活度，不像隧道掘進機的其他裝置那樣適應性強，因此在小轉彎半徑段的管片運輸非常困難。因此就需要充分考慮管片運輸所需的空間和路線，以及其相對于軟管系統、皮帶機、牽引梁的位置。擺動式吊機是多種吊裝系統中的一種，可減少空間不足的限制。

4 設計范圍

最初，小轉彎半徑盾構主要用于開挖城市綜合管廊，包括輸水隧道、污水隧道、電力隧道和通信隧道等，而現在該技術已被用于大直徑公路隧道的開挖（直徑大于10m，轉彎半徑為45m），今后將有巨大的應用潛力（圖8）。根據國內外超1 000 項小轉彎半徑盾構項目的經驗，轉彎半徑小于50m 的盾構設計條件如下：管片外徑范圍是1.8～10m，最小轉彎半徑為10m。

圖8 小轉彎半徑盾構設計

5 工程案例

目前中鐵工程裝備集團為中國臺灣地區設計制造的小轉彎半徑盾構（中鐵656 號）正在工廠組裝，隧道最小轉彎半徑為50m。

中國臺灣地區臺北地鐵萬大線CQ840 標段隧道全長約1.7km。該標段項目施工的特點是多區間，短距離掘進。盾構隧道沿線地質主要為松山層，屬于粉土質黏土，但是在盾構經過的LG03車站附近的上方可能會遇到局部的礫石層（粒徑100～150mm 左右）。隧道最小轉彎半徑為50m，埋深9.9～17.3m。該工程采用中鐵656 號盾構施工，中鐵656 號盾構為土壓平衡式設備（圖9），開挖直徑為6.25m，其針對性設計突破了盾構在小轉彎掘進時的諸多難題，確保了設備具備應對最小轉彎半徑40m 的能力。

圖9 正在組裝的中鐵656號盾構

6 結語

國內外小轉彎半徑盾構的應用業績逐漸增多，這種盾構非常適應城市地下建（構）筑物密集的施工環境，業主和承包商認可了這種設備的優勢，也意識到了可以通過這些設備解決開挖小轉彎半徑隧道的問題。之前完工的成功案例更使相關方信心倍增，因此越來越多的類似項目出現，這就為許多面臨類似問題的公共事業和基礎設施機構開辟了新的可能性。