夏建峰

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，交通、供排水、電力和通訊等隧道工程的建設(shè)方興未艾。由于盾構(gòu)法對隧道施工環(huán)境影響小，優(yōu)勢明顯，所以國內(nèi)外的城市隧道工程大多采用盾構(gòu)施工。然而，盾構(gòu)在隧道轉(zhuǎn)彎區(qū)間掘進(jìn)時(shí)需要調(diào)整其掘進(jìn)方向，并且還需在隧道沿線建設(shè)很多盾構(gòu)工作井[1～2]。

目前城市地上和地下的現(xiàn)有建（構(gòu)）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(gè)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(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生（圖1）。

圖1 傳統(tǒng)盾構(gòu)隧道和小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)隧道豎井布局對比

近幾年，國內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)制造商為具有挑戰(zhàn)性的小轉(zhuǎn)彎半徑隧道工程提供了很多針對性設(shè)計(jì)的盾構(gòu)，國內(nèi)的業(yè)主和承包商正在見證這些盾構(gòu)的應(yīng)用并意識(shí)到在豎井?dāng)?shù)量有限的情況下，這類盾構(gòu)可以解決密集城市環(huán)境中的隧道線路問題。

1 針對性設(shè)計(jì)考慮因素

在進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮地質(zhì)、隧道線路、襯砌設(shè)計(jì)、埋深、地下水位等因素。對于小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)也是如此。

地質(zhì)條件是在設(shè)計(jì)盾構(gòu)時(shí)需要考慮的最重要的因素。對于小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)，地質(zhì)條件尤其會(huì)影響到超挖設(shè)備的選型。在軟土地質(zhì)中通常使用仿形刀，但在硬巖或復(fù)合地層中需要使用邊滾刀或擴(kuò)挖滾刀進(jìn)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(gòu)設(shè)計(jì)中，確定隧道襯砌類型（鋼筋混凝土、鋼管片等）、外徑、內(nèi)徑、管片厚度和寬度、單環(huán)管片數(shù)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(zhuǎn)彎段的開挖。

其他還應(yīng)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(shù)量。

2 鉸接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用盾構(gòu)開挖小轉(zhuǎn)彎半徑隧道所需條件由以下幾點(diǎn)決定：一是通過超挖保證設(shè)備轉(zhuǎn)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(gòu)的反作用力時(shí)不變形、不移動(dòng)。

為了滿足上述條件，保證設(shè)備在開挖小轉(zhuǎn)彎半徑區(qū)間時(shí)不偏離原設(shè)計(jì)路線，以下盾構(gòu)技術(shù)特別重要：密封系統(tǒng)（鉸接結(jié)構(gòu)、鉸接密封、盾尾密封）、鉸接系統(tǒng)、超挖系統(tǒng)（如仿形刀）、其他（螺旋輸送機(jī)、后配套系統(tǒng)等）。

2.1 鉸接系統(tǒng)

目前，盾構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小轉(zhuǎn)彎半徑隧道工程項(xiàng)目。盾構(gòu)制造商通過針對性設(shè)計(jì)，可開挖轉(zhuǎn)彎半徑小于10m 的曲線，這主要得益于鉸接系統(tǒng)的研發(fā)。鉸接系統(tǒng)主要分為兩種，分別是被動(dòng)鉸接和主動(dòng)鉸接（圖2）。

圖2 被動(dòng)鉸接系統(tǒng)和主動(dòng)鉸接系統(tǒng)

被動(dòng)鉸接系統(tǒng)是通過固定在前盾的油缸操縱盾構(gòu)轉(zhuǎn)向。但存在的問題是當(dāng)通過轉(zhuǎn)彎段時(shí)，油缸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，表明油缸靴板以一定的角度作用在管片邊緣，產(chǎn)生偏移/點(diǎn)載荷，可能會(huì)導(dǎo)致管片損壞或引起襯砌的變形和位移。

主動(dòng)鉸接系統(tǒng)解決了上述問題。主動(dòng)鉸接系統(tǒng)的推進(jìn)油缸固定在尾盾，當(dāng)前盾進(jìn)入轉(zhuǎn)彎段時(shí)，推進(jìn)油缸不會(huì)偏轉(zhuǎn)，因此保持平行于管片的方向推進(jìn)，大大降低了管片損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

在小轉(zhuǎn)彎半徑段開挖時(shí)，推進(jìn)油缸可以全行程向后頂推管片。優(yōu)點(diǎn)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(dòng)鉸接在世界各地流行的原因。

2.2 V型鉸接系統(tǒng)和X型鉸接系統(tǒng)

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

圖3 V型鉸接系統(tǒng)和X型鉸接系統(tǒng)

兩種鉸接形式各有優(yōu)勢，雖然在選擇時(shí)通常取決于鉸接密封的數(shù)量，但是當(dāng)水壓低于5bar時(shí)，一般采用V 型鉸接系統(tǒng)，通過V 型鉸接系統(tǒng)只需將前盾縮回就可以完成刀盤帶壓作業(yè)，無須回縮整個(gè)設(shè)備，且減少盾尾密封損壞。另一方面，X 型鉸接系統(tǒng)則更適用于大埋深、高水壓的小轉(zhuǎn)彎半徑，這是由于X 型鉸接系統(tǒng)使用的是球形結(jié)構(gòu)，通過油缸的伸出和縮回可為鉸接密封持續(xù)提供足夠的間隙。

2.3 鉸接結(jié)構(gòu)

不同類型的鉸接結(jié)構(gòu)可適應(yīng)不同的工況，通?？蓺w納為“平面形”或“球形”。鉸接角度越小，鉸接結(jié)構(gòu)越接近球形。但是具體的鉸接結(jié)構(gòu)需依據(jù)設(shè)備的直徑、鉸接角度、水壓等因素來設(shè)計(jì)。

2.4 超挖系統(tǒng)

為保證盾構(gòu)前盾在鉸接油缸帶動(dòng)下沿正確的曲線段線路轉(zhuǎn)向，需要使用超挖系統(tǒng)（如仿形刀）來保證盾體周圍有足夠的轉(zhuǎn)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(diào)整超挖量和位置。

圖4 小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)仿形刀系統(tǒng)

2.5 鉸接細(xì)節(jié)

在研究小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)的鉸接系統(tǒng)時(shí)，一般通過模擬來評(píng)估盾構(gòu)能否完全通過曲線段（圖5）。同時(shí)研究盾構(gòu)內(nèi)部各部件的位置和角度。為避免在小轉(zhuǎn)彎半徑段發(fā)生干涉，需要調(diào)整相應(yīng)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(gòu)。當(dāng)螺旋輸送機(jī)產(chǎn)生干涉時(shí)，通過安裝在其筒體末端的球形鉸接進(jìn)行擺動(dòng)，避免干涉。

圖5 轉(zhuǎn)彎模擬

鉸接是通過鉸接系統(tǒng)與超挖的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，首先超挖出足夠的空間，然后伸出鉸接油缸推動(dòng)前盾轉(zhuǎn)向，最后伸出推進(jìn)油缸。

3 其他設(shè)計(jì)

3.1 出渣系統(tǒng)

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

3.2 軟管系統(tǒng)

如圖6 所示，軟管系統(tǒng)通過特殊的連接件可安裝在螺旋輸送機(jī)出渣口處。軟管系統(tǒng)具備以下優(yōu)點(diǎn)：一是安裝簡便；二是軟管安裝位置靈活，為管片拼裝區(qū)留出空間；三是在拖車內(nèi)放置方便，便于轉(zhuǎn)彎段掘進(jìn)；四是便于在小直徑隧道內(nèi)使用。

圖6 安裝在螺旋輸送機(jī)上的軟管系統(tǒng)

通常來說，該系統(tǒng)下的渣土通過螺旋輸送機(jī)排出。然而，若開挖渣土出現(xiàn)堵塞或者軟管內(nèi)出渣不暢，則可通過渣土改良劑對渣土進(jìn)行改良，或者通過向軟管內(nèi)加壓將渣土排出。

3.3 曲線皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)

應(yīng)用于小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的皮帶機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循隧道的線路。具體來說，后配套系統(tǒng)上的每一個(gè)皮帶單元都需設(shè)計(jì)的比較短，這樣就可以通過每個(gè)皮帶單元逐漸轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)整個(gè)皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)向。

3.4 后配套設(shè)計(jì)

如圖7 所示，后配套拖車由隧道掘進(jìn)機(jī)通過牽引梁或拖拉油缸拖拽。為避免后配套拖車發(fā)生脫軌，需注意以下兩點(diǎn)：一是為一號(hào)拖車安裝轉(zhuǎn)向輪；二是每節(jié)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(yùn)輸

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

4 設(shè)計(jì)范圍

最初，小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)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(xiàn)在該技術(shù)已被用于大直徑公路隧道的開挖（直徑大于10m，轉(zhuǎn)彎半徑為45m），今后將有巨大的應(yīng)用潛力（圖8）。根據(jù)國內(nèi)外超1 000 項(xiàng)小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎半徑小于50m 的盾構(gòu)設(shè)計(jì)條件如下：管片外徑范圍是1.8～10m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為10m。

圖8 小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)設(shè)計(jì)

5 工程案例

目前中鐵工程裝備集團(tuán)為中國臺(tái)灣地區(qū)設(shè)計(jì)制造的小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)（中鐵656 號(hào)）正在工廠組裝，隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑為50m。

中國臺(tái)灣地區(qū)臺(tái)北地鐵萬大線CQ840 標(biāo)段隧道全長約1.7km。該標(biāo)段項(xiàng)目施工的特點(diǎn)是多區(qū)間，短距離掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道沿線地質(zhì)主要為松山層，屬于粉土質(zhì)黏土，但是在盾構(gòu)經(jīng)過的LG03車站附近的上方可能會(huì)遇到局部的礫石層（粒徑100～150mm 左右）。隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑為50m，埋深9.9～17.3m。該工程采用中鐵656 號(hào)盾構(gòu)施工，中鐵656 號(hào)盾構(gòu)為土壓平衡式設(shè)備（圖9），開挖直徑為6.25m，其針對性設(shè)計(jì)突破了盾構(gòu)在小轉(zhuǎn)彎掘進(jìn)時(shí)的諸多難題，確保了設(shè)備具備應(yīng)對最小轉(zhuǎn)彎半徑40m 的能力。

圖9 正在組裝的中鐵656號(hào)盾構(gòu)

6 結(jié)語

國內(nèi)外小轉(zhuǎn)彎半徑盾構(gòu)的應(yīng)用業(yè)績逐漸增多，這種盾構(gòu)非常適應(yīng)城市地下建（構(gòu)）筑物密集的施工環(huán)境，業(yè)主和承包商認(rèn)可了這種設(shè)備的優(yōu)勢，也意識(shí)到了可以通過這些設(shè)備解決開挖小轉(zhuǎn)彎半徑隧道的問題。之前完工的成功案例更使相關(guān)方信心倍增，因此越來越多的類似項(xiàng)目出現(xiàn)，這就為許多面臨類似問題的公共事業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施機(jī)構(gòu)開辟了新的可能性。