超大直径盾构新技术的应用与发展

刘东亮

（中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

随着国内外基础设施建设，采用盾构法修建的隧道直径、埋深更大，水土压力更高，在各种复杂地质条件下采用大直径盾构修建隧道，相应地也对盾构技术要求更高，不断引领隧道修建的技术进步和发展创新。

1 超大直径盾构发展概况

进入21世纪，科学技术发展日新月异，铁路、公路、市政、供水、供气、防洪、水电等隧道工程建设越来越多，隧道施工技术不断发展，大断面、跨江越海隧道工程不断增加，如长距离供水、水下交通、西气东输等工程都涉及到穿越江河等复杂水文地质风险，采用盾构法能够更好、更经济、更安全地进行隧道施工，因此盾构施工技术随着生产实践应用得到了不断完善和提高。最近的10～20年间，盾构隧道直径以及盾构机开挖直径被不断刷新，盾构隧道朝着超大直径的方向迈进。目前国内将开挖直径超过13m的盾构视为超大直径盾构，超大直径盾构技术在工程中得到越来越多的应用，但在穿越复杂地层掘进施工时，仍面临诸多难题。

超大直径盾构隧道一般应用于公路或轨道交通合建项目，而近10年来，随着我国城市化进程的发展及交通需求量的增长，13m及以上直径越来越多。表1是近年来国内外直径13m以上盾构施工项目。

2 超大直径盾构新技术应用

2.1 常压刀盘换刀技术

我国幅员辽阔，隧道穿越的地质复杂多变，典型地质如华南地区，存在上软下硬、全断面高强度硬岩、风化岩包含孤石或飘石、地下水位高、泥水压力大等不利于作业的情况。在进行刀盘刀具的检查和刀具更换作业时，带压进仓作业风险大、耗时较长。即使采用饱和潜水作业，进仓作业准备也需要很长时间，而且地面上需要配置大量的辅助设备。按照GB/T12521-2008《空气潜水减压技术要求》，在潜水36m以上、同样水下作业时间的前提下，随潜水深度的增加，作业效率逐步降低。压缩空气带压方式作业效率见表2。

图1 常压换刀刀盘

为了控制和减小带压进仓作业风险，确保刀具检查和更换过程中的安全，减少停机时间，提高刀具更换效率，各盾构制造商为泥水盾构研发了常压换刀刀盘，使刀具的检查和更换在常压下进行。1997年，海瑞克公司在德国汉堡易北河第4隧道首次进行应用尝试，国内如上海崇明长江隧道、南京地铁纬七路、纬三路长江隧道、武汉地铁7号线三阳路隧道、武汉地铁8号线过江段、佛莞城际新狮子洋隧道、汕头苏埃通道以及国外土耳其伊斯坦布尔海峡隧道盾构，均采用常压刀盘换刀。常压刀盘是把刀盘钢结构设计成类似人闸的结构形式，工作人员可以在刀盘内常压下更换滚刀和部分切刀。海瑞克公司在伊斯坦布尔海峡公路隧道项目取得了成功经验，每把滚刀可在3～4h内完成更换（见图1）。

表1 近年来国内外直径13m以上盾构施工项目

表2 压缩空气带压方式作业效率

图2 可更换滚刀结构

可更换滚刀结构如图2，利用刀座油缸缓慢拉出刀座至安全螺母处，然后关闭闸门，打开球阀1排出压力后关闭，将刀具装置抽出进行刀具更换，然后按作业程序进行安装。

2.2 刀具检测技术

随着电子科技的飞速发展，为了更好的对刀具状态进行监控，海瑞克和中铁装备公司已开发出针对常压刀盘刀具磨损自动监测系统，能够对刀具转动、温度、磨损量进行检测。通过安装在刀箱上的电涡流传感器和磁开关传感器分别测量滚刀实际磨损量、滚刀的转动及温度。在刀盘回转中心处放置有传感器集线器，负责向传感器供电，并将传感器信号转换为通讯信号，集线器电源及通讯总线通过电滑环和盾构控制系统相连（见图3）。

图3 刀具检测传感器布置图

图4 上位机软件界面示意图

图5 刀盘伸缩和摆动示意图

传感器信号通过位于刀筒端盖上的高承压电连接器传输至固定在刀筒外部的节点模块，该节点模块将实现传感器供电、信号的采集和进一步的数据无线传输。针对滚刀状态监测系统专门开发的上位机软件，能够与中继路由模块实时通信，获得每把被测滚刀的实时数据，并记录在数据库中，方便盾构司机随时查看。同时，可以通过上位机软件对系统进行参数设置，设置例如数据上传时间间隔等（见图4）。

2.3 刀盘摆动和伸缩摆动技术

为有效解决刀盘刀具尤其是边缘滚刀的更换，以及解决刀盘卡死脱困问题，刀盘主驱动轴承采用球铰结构，并实现刀盘前后伸缩和上下左右摆动，一方面实现超挖满足新刀具更换时的更换空间，大幅缩短刀具更换时间；另一方面可以在刀盘卡死时，通过缩回来脱离卡死的困境，遇孤石或刀盘卡住时可缩回，解决了突遇刀盘卡住时的难题。在南京纬三路工程在283环起穿越近百米的枯木施工时，有效地解决了树木区域、泥岩区域刀盘卡住无法施工的难题（见图5）。

图6 刀盘冷冻系统原理示意图

图7 SSP系统测量原理

2.4 冷冻刀盘

盾构在沙层、淤泥层、断层等复杂地质环境中掘进，一旦挖掘到建筑物下面进行刀盘维护和掘进时，需要采取特殊的加固措施，否则很可能出现地面坍塌，发生重大事故。盾构机上搭载的冷冻刀盘技术将冷冻工法与盾构设备融为一体，中铁华隧创新研制的世界首台具有冷冻刀盘的盾构于2017年10月成功下线。

冷冻刀盘技术将冷冻工法与盾构设备融为一体，在刀盘周围形成“冻结圆盘”，充分隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，如同创造一道冻土屏障。盾构机换刀作业在冻土屏障的保护下进行，提高了盾构施工的安全可靠性。该技术能有效解决盾构下穿建筑物、铁路、管线、江河湖海等特殊地段沉降控制的施工难题，扩展了盾构的使用范围。刀盘冷冻系统原理见图6。

2.5 超前地质预报

盾构掘进过程中，对于孤石的探测和处理一直都是盾构施工的难题。为了有效探测孤石等障碍物，在泥水盾构上采用软土声波探测和隧道三维地震波法超前探测。其中海瑞克公司采用SSP软土声波探测器进行超前探测，可实现探测距离40m范围内，不同地质密度形成反差界面来判断地质变化，尤其是地层中存在的孤石。该系统在德国莱比锡城市隧道、科隆地铁西线泥水盾构等项目上使用。

SSP探测是一种物质探测方法，发射单元和接收单元直接安装在刀盘上，特殊编码的声波传输信号在掘进过程中由SSP发射器自刀盘通过支撑介质发射至前方土体，通过连续、快速地分析测得声波传输时间，换算出反射区域的几何位置（见图7）。

3 结束语

目前，国内14m以上超大直径盾构数量越来越多，超大规模隧道工程的建设推动了新技术、新工艺、新材料、新设备的引进、开发和应用。盾构法隧道在大直径、大深度、长距离和复杂地层掘进的应用技术得到了长足发展。多条超大直径隧道工程的成功建成，标志着我国在超大直径隧道建设领域内的技术已达到国际先进水平。从发展趋势来看，超大直径的城市道路隧道采用双层结构因断面利用率高而成为发展方向。因此，盾构技术创新应从施工、研发、设计一体化道路上协作推进，总结国内外盾构施工经验和教训，发展具有自主知识产权的盾构技术，引领隧道施工重大装备的技术发展。

［1］ 郭卫社, 梁奎生, 游永锋. 越海盾构施工技术[M]. 北京: 中国矿业大学出版社,2015.

［2］ 郭陕云, 万姜林. 掘进机技术在我国隧道及地下工程中的应用与发展——中铁隧道集团2004年科技大会论文集[C].2004.

［3］ 洪开荣. 高速铁路特长水下铁路盾构隧道施工技术[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2013.