張衛(wèi)東/ ZHANG Wei-dong

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410100）

國內常規(guī)地鐵隧道最小轉彎半徑通常設計為200m 左右，而隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，受地上和地下既有建筑物的限制，越來越多的隧道線路選擇用急曲線施工來克服周邊環(huán)境的制約，越來越多的超小轉彎半徑曲線被應用于盾構區(qū)間設計中。國外方面，日本在這一領域研究較早，其公路、鐵路、地鐵等隧道的最小轉彎半徑大多集中在100m，馬來西亞吉隆坡地鐵隧道要求150m 的轉彎半徑；國內方面，某地鐵項目工程，隧道開挖直徑?6.28m，最小轉彎半徑僅51m，常規(guī)主動鉸接盾構結構難以滿足施工的要求。本文以該項目為背景，研究適用于超小轉彎半徑區(qū)間的土壓平衡盾構關鍵技術。

1 工程概況

某地鐵盾構隧道工程，盾構開挖直徑6 280mm，隧道長約1 370m，頂板埋深10～20m，隧道最小水平曲率半徑僅R=51m，如圖1、圖2 所示。隧道沿線地層基本上由上而下可分為回填層、粉土質黏土或砂質黏土、砂質粉土、黏土、粉土質砂。盾構區(qū)間沿線范圍為主要為繁華市區(qū)，地面沉降要求嚴格。

圖1 平面路線圖

圖2 轉彎施工路線模擬

2 超小轉彎半徑盾構針對性設計

由于盾構主機部分為剛性結構，轉彎的過程實際上是以直線去擬合設計曲線。所以，影響盾構轉彎能力的因素主要有主機長度、鉸接形式、鉸接密封形式、刀盤的超挖能力、同步注漿系統、出渣形式等[1]。高難度的線路設計對盾構設計也提出了極高的要求，為適應區(qū)間超小轉彎半徑，本工程從以上多個角度對設備進行針對性設計，提高設備的靈活性。

2.1 雙主動鉸接主機設計及轉彎計算

2.1.1 雙主動鉸接主機設計

常規(guī)主動鉸接是將前盾和中盾用鉸接裝置連接，通過控制不同油缸的行程差實現主機的彎折，一般可滿足150～200m 的轉彎半徑，而實際小轉彎施工中，因曲線施工時于轉彎內側進行超挖，使前盾轉彎內側有空隙產生，轉彎外側受土體側壓力作用，如圖3 所示，將前盾往內側推移，導致實際施工時盾構前盾未能按照理想線形前進，而是以外側千斤頂撐靴為中心點往內側旋轉偏移，使盾尾轉彎外側的盾尾間隙減少。

圖3 施工中土體側壓力示意圖

當轉彎半徑進一步縮小，盾構所需中折角度變大，機身姿態(tài)與曲線線形差異變大，所需的超挖量也越大，土體對前盾的側向力更加明顯，導致盾構的偏移量越來越大，盾尾中心與管片中心的偏移量增大，超越盾尾間隙允許的限制值，尾盾殼體與管片發(fā)生擠壓破碎，影響拼裝質量，導致盾構操作困難，如圖4 所示，故常規(guī)主動鉸接無法適應200m 以下曲線半徑的轉彎需求。

圖4 盾構超挖偏轉示意

為適應更小的轉彎半徑，主機部分的長度越短越好。然而，主機部分包含了主驅動、拼裝機、螺旋機等多個關鍵部件，每個部件都需占用一定的空間。因此，提高主機部分轉彎能力的主要思路是將主機轉變?yōu)槎鄺l更短的折線段，折線之間通過多根鉸接油缸連接[2]。本文首次提出了盾構雙主動鉸接裝置、推進油缸特殊布置方式，減少因超挖而產生的偏移量，使盾構達到更大的靈敏度和更小的轉彎半徑，提高管片拼裝質量，從而使超小轉彎半徑隧道開挖成為可能。

如圖5、圖6 所示，主動鉸接的推進油缸缸體末端通過螺栓栓接方式固定在盾尾隔板上，推進油缸的推力作用在盾構的盾尾，保證推進油缸撐靴始終與管片相垂直，再通過中盾與盾尾間鉸接油缸、中盾與前盾間鉸接油缸逐次將推力傳遞到盾構的前盾，依靠鉸接油缸的主動伸縮調節(jié)盾構前后部分彎折的角度，從而實現盾構超小轉彎[3]。

圖5 推進油缸布置方式方案圖

圖6 雙主動鉸接裝置方案圖

2.1.2 雙鉸接主機小轉彎計算

前盾、中盾之間及中盾、盾尾之間鉸接系統為主動鉸接形式，鉸接油缸分區(qū)控制，每區(qū)設置有1 個行程傳感器，通過分組控制鉸接油缸行程實現盾構轉彎。當盾構由直線段施工進入過渡段施工，再由過渡段施工進入曲線段施工時，根據轉彎半徑的大小，先計算出前盾與中盾、中盾與尾盾盾殼之間的角度。

為了更方便理解盾構隧道曲線施工的計算方法，使用符號定義各點和尺寸，如圖7 所示。

圖7 急曲線計算所需各部位尺寸示意圖

為求得盾構對應曲線所需中折角度，首先將管片組裝面上的中心確定在曲率半徑上，然后再假設盾尾與環(huán)片外側的最小盾尾間隙d1以及盾尾軸向與管片組裝面的夾角α，最后計算出盾構中折中心M1、M2點坐標以及盾構上其他點坐標。

當盾構的外周A點、B點、D點、F點在同一圓弧上時，此時為盾構最理想轉彎姿態(tài)，中折角度為最佳角度，盾構在最佳中折角度時所需的超挖量也最小。但因考慮盾構機械構造及配置空間問題，因此在模擬計算中假設∠b=2.5°，∠c=4.5°，此狀態(tài)時將增加一定的超挖量，且OA>（OB、OD、OF）外周側的空隙也變大（圖8）。

圖8 盾構轉彎姿態(tài)示意

在此狀態(tài)下，兩段鉸接油缸行程差如下：前、中盾鉸接油缸行程差424.8mm，前、中盾鉸接油缸最大行程差為500mm。中、尾盾鉸接油缸行程差244.4mm，中、尾盾鉸接油缸最大行程差為300mm。兩組鉸接均有一定的余量來調節(jié)更小的轉彎半徑，可以針對實際掘進中的特殊情況（如姿態(tài)調整等）進行對應調整。

確定中折角度后，可計算盾構的各個點坐標。根據盾首、盾身、盾尾的狀態(tài)，以O點為中心可以模擬計算出盾首、盾身、盾尾與內弧側開挖線的內切圓。通過模擬計算可以得出潛盾機的刀盤體前端G點至O點的長度，它和內切圓半徑的差值（d3）就是超挖量。

最小盾尾間隙可以通過圖6 上d2的計算得出。實際計算中，管片的組裝精度、盾尾的變形量、環(huán)片的偏移量這些因素將會影響盾尾間隙。如果∠α>90°，計算d2必須考慮這部分影響因素，因此設定d1=15mm 為最小余量，只要d2計算結果大于零（環(huán)片與尾盾不會發(fā)生擠壓）就能滿足曲線掘進要求。通過以上幾點的計算與設定后，就可以確定整個盾構盾體姿態(tài)，所有點坐標均能通過計算或繪圖模擬得出。由此亦可計算出此種情況下盾體姿態(tài)的超挖量d3及內側盾尾與環(huán)片最小間隙量d2。

2.1.3 雙鉸接主機優(yōu)勢

盾構分兩段獨立操作，采用PLC 自動控制。與單主動鉸接相比，盾構采用雙主動鉸接裝置對操作人員水平要求較高，但刀盤所需超挖量小，轉彎能力更強，減少了開挖隧道塌陷可能，保證施工的安全性。除此之外，雙主動鉸接裝置還具有以下特點：①鉸接油缸角度小，鉸接油缸行程控制簡單，不易造成鉸接油缸中心偏移；②鉸接油缸移動行程短，鉸接密封磨損概率低；③對鉸接油缸的行程以及盾構前后體的角度控制精確。

2.2 鉸接及鉸接密封針對性設計

相較于平面鉸接，球形鉸接可適應更大的偏折角度。主機進行轉彎時，其前盾和中盾之間、中盾和盾尾之間會存在一定的擺動角度，而這個擺動角度的存在會使盾構前盾與中盾之間、中盾與盾尾之間存在縫隙。為保證主機的密封性能，鉸接裝置必須設置鉸接密封以阻止盾體外部渣土和泥水進入主機內部[4]。鉸接密封采用兩道橡膠密封組成（圖9）。正常使用時，兩道橡膠密封起鉸接密封作用，防止泥水及渣土滲入盾體中。同時，通過注油脂口向兩道鉸接密封形成的空腔注油脂，又起到了潤滑作用以保護橡膠密封。當兩道橡膠密封損壞或者涌水時，則通過氣囊充氣緊急密封止水，防止事故發(fā)生。該鉸接形式具有以下特點：①鉸接球面曲度小，結構厚度較小，結構長度較短，不影響盾構內部結構配置；②可配置多道密封；③加工困難度較低，且加工精度易控制；④鉸接密封滲漏風險小。加工精度易控制，球面平滑度良好，不易造成密封磨損。

圖9 前盾與中盾之間、中盾與盾尾之間鉸接密封方案圖

2.3 出渣方案設計

當設備在進行超小轉彎施工時，螺旋輸送機的落渣口與皮帶輸送機的交叉位置易因轉彎角度的偏移，導致接渣斗無法正常接渣。且現有皮帶機也無法滿足51m 超小轉彎半徑的需求。

為應對這一難題，本項目采用管道泵送渣土，通過球形鉸接將保壓泵送設備與螺旋機出渣口相連接，將螺旋輸送機排出的渣土通過全程密封排渣管道輸送到尾部拖車上布置的落料口處，再由渣土輸送小車輸送到地面。通過此方式，不僅便于實現盾構的超小轉彎，而且可以從根本上杜絕螺旋機噴涌現象的發(fā)生，保證項目綠色施工，改善施工環(huán)境[5]。盾構出渣系統采用泵送，具體方案有以下幾方面。

1）排渣管道為無縫鋼管，分段處由法蘭連接，經由連接橋、每節(jié)拖車上方將渣土泵送至尾部拖車上布置的落料口處，再由渣土輸送小車輸送到地面。每兩節(jié)拖車之間以及泵與拖車之間采用軟管連接以便于盾構超小半徑轉彎。

2）采用S 閥柱塞泵的方式來泵送渣土。該柱塞泵具有以下特點：采用全液壓控制開式液壓系統，主系統純液壓控制，無電液轉換環(huán)節(jié)，可靠性極高；泵送機構工作平穩(wěn)，沖擊小，泵送頻率低；閥座及物料活塞等易損件耐磨度高、使用壽命長并且易更換；具有監(jiān)控、保護功能，配置標準的BUS 通信接口，可進行遠程控制。

3）在泵后面的管道中加入水膜潤滑減阻裝置，保障泵送渣土距離。在渣土輸送動力泵后面配置管道注膜減阻裝置，及時稀釋渣土，避免系統壓力過高。

4）在渣土輸送動力泵前段設置土壓傳感器，及時通過壓力檢測控制渣土傳輸匹配；輸送管道設置多處流量計，檢測渣土輸送速度，保證盾構掘進速度、螺旋機出渣速度與泵送渣土速度的匹配性。

2.4 其他針對性設計

刀盤、盾體和螺旋機配備多路膨潤土及泡沫注入管路[6]，盾體預留多處注入點，保證了改良劑多點位多層次的注入性能，提高了渣土改良系統對于地層的適應性，同時在掘進過程中向土倉內添加膨潤土或泡沫等對渣土進行改良，使渣土具備良好的和易性及流塑性，便于泵送。通過土倉內及土倉外渣土改良，增加渣土的可泵送性，降低管路堵塞，從而提高了泵送管路出渣效率。

3 結語

2021 年12 月，該項目盾構順利通過50m 超小轉彎半徑曲線段，其針對性設計突破了盾構在小轉彎掘進時的諸多難題，確保了施工安全及進度順利完成。

本文通過介紹影響盾構小轉彎的關鍵技術以及其應用效果，為小轉彎盾構的設計提供參考。