EPB/TBM双模式转换盾构机出碴系统及刀盘优化研究

赵健

( 中铁十八局集团市政工程有限公司，天津 300222 )

无论是适合软土地质施工的土压平衡机(EPB)，还是适合硬岩地质施工的全断面硬岩掘进机(TBM)，都是当下比较先进的隧道施工机械设备。两者都具备开挖、掘进、支护综合功能，能自动导向。EPB和TBM具有安全系数高、施工速度快、运转效率好、环境污染小等优势，在轨道交通地下工程、城市管廊、矿山开采等领域应用越来越广泛。当前，国内外采用较多的是土压平衡或 TBM 单独模式掘进设备进行施工。

常规EPB土压平衡盾构机不符合长隧道硬岩快速施工要求，而单一模式的TBM硬岩掘进机也不能满足上软下硬混合地层的施工客观要求。当地质出现软硬交织情况时，单一EPB或TBM模式进行施工都有一定的局限性，不能满足现阶段工程施工需要，亟待开发应用多模式隧道掘进开挖施工设备。为环保、快速、安全、省时地完成隧道施工任务，应选择“软硬通吃”EPB/TBM双模式转换盾构机[1]。陈伟国等[2-3]立足于南京轨道交通机场线1号上软、下硬复合地层中对双模式盾构(EPB/TBM)模式转换技术做出研究。

福州至长乐机场城际铁路岱尖岭隧道引入EPB/TBM双模式转换盾构机，采用TBM模式时，在中心皮带输送机式出碴模式下，存在喷水喷泥风险大、皮带机维修率高、不能有效降尘等施工难题，从成本管理、施工效率、安全等方面进行综合分析，将中心皮带输送机出碴方式优化为中心螺旋输送机出碴方式，借助螺旋输送机出碴门的闭合与打开，能够解决盾构在施工过程中突遇富水层发生喷涌和喷砂的难点。优化刀盘设计，并采取了提高刀盘转速的举措，不仅确保了隧道安全，加快了施工速度，还利于隧道施工环境的提升，降低了施工成本。

1 工程概况

1.1 项目简介

福长铁路岱尖岭隧道总长度(含左线、右线)为3 721.71 m，其中左右线出口端采取矿山法施工，长度为653 m，隧道进口引入EPB/TBM双模式转换盾构机施工，全长为3 068.71 m。施工设备侧穿并上跨福州——平潭铁路，穿过混凝土填筑墙、福州外语外贸学院相关建筑构造物，这些都是该项目施工面临的重难点。

1.2 地形地貌和地质构造

岱尖岭隧道所在地形高差较大，顺着线地面高程最低海拔11.9 m，最高海拔236.99 m，呈北高南低走势。岱尖岭隧道施工所在的区域覆盖层比较复杂，石质软硬不均，要穿越中风化凝灰岩、微风化凝灰岩、数条节理密集带以及断层破碎带。

2 EPB/TBM双模式转换盾构机优点

EPB/TBM双模式转换盾构机吸收EPB、TBM单模式盾构机两者优点，能够适应软硬复合地层施工。当出现软土富水层时，应采用EPB土压平衡模式施工，当出现硬岩地层时，应采用TBM硬岩掘进模式施工，满足安全、快速施工的需求。2021年6月，当岱尖岭隧道右线为软润土和中强风化凝灰岩软地层时，在EPB模式下施工，大约掘进99环，进行过一次带压换刀。2021年7月，当出现微风化凝灰岩硬地层时，转换成TBM模式进行299环开挖，施工过程中刀具更换频率较低。右线施工速度曲线图分析如图1所示，由图1可知，TBM模式施工速度较快、刀具磨损较少。右线施工速度柱状对比如图2所示，可知在硬岩地层，TBM模式下的施工速度比EPB模式要快，TBM模式下的施工速度为EPB模式的3倍左右。

图1 右线施工进度曲线对比

图2 右线施工速度柱状对比

3 传统EPB/TBM双模式转换盾构机出碴方式存在的问题

传统EPB/TBM双模式转换盾构机进行施工时，如果地层为软土富水层，切换到EPB模式施工，借助倾斜中心螺旋输送机进行碴土外排，如图3(a)所示。当地层为较硬岩层时，切换到TBM模式施工，并借助中心皮带输送机进行碴土外排，如图3(b)所示。

图3 传统中心皮带输送机出碴模式

1)TBM施工区域会产生较多粉尘，EPB/TBM双模式转换盾构机在TBM模式下，如果采用中心皮带输送机式出碴，当刀盘滚刀摩擦、切割岩石时，会有很多粉尘生成。由于TBM施工区域为敞开式，大量粉尘被皮带机带入TBM主机机械区域，粉尘从皮带机向四周扩散。尽管TBM配置了除尘设备，但在盾构机施工时，不能及时除去所有粉尘，不仅影响主机设备使用功能，还会对技术人员身心健康造成危害，而且视觉上也受限。

2)TBM 模式没有保压功能,当选取中心皮带输送机式出碴模式,因为该模式下,不能完全封闭敞开模式,当发生突泥突水情况时，很容易引发主机积水，损伤主机的情况，而且施工人员人身安全也得不到保障。

4 双模式盾构出碴方式优化

从性价比、掘进工效、施工安全等方面统筹考虑，EPB/TBM双模式转换盾构机采用TBM模式时，用中心螺旋输送式代替中心皮带输送机式出碴，同时去掉溜碴槽、接料斗，增加回转接头，对比图见图4。借助螺旋输送机出碴门的开合实现防喷涌功能，可有效解决在施工时突遇富水层喷泥、喷水和喷砂等难题，确保设备正常运行。

图4 优化前后中心螺旋输送机出碴模式

改进后的EPB/TBM双模式转换盾构机主要构件为：双模式刀盘、螺旋输送机、盾体、中心回转接头、管片拼装机、主驱动设备以及人舱等。为稳定结构，螺旋输送机还配置前置关节轴承以及后部支撑，确保双模盾构在硬岩地质时，TBM在施工过程中能够与主机相协调，防止螺旋输送机和主机姿态不协调而出现卡轴现象。

改进后的EPB/TBM双模式转换盾构机极大地节省了转换时间，提升了环保指数、降低了施工风险，也降低了故障率。

5 中心皮带输送机式与中心螺旋输送机式出碴性能对比分析

当土压模式等工况一致时，在TBM模式下，对中心皮带输送机式与中心螺旋输送机式出碴性能进行对比分析。

5.1 施工风险

借助中心皮带输送机式进行出碴时，由于中心皮带输送机是敞开式，皮带机和主驱动之间不能全封闭，当发生突泥突水情况时，很容易导致主机积水，严重时发生主机淹没，施工人员人身安全也得不到保障；而借助中心螺旋输送机式出碴，当发生突泥突水情况时，立即对中心螺旋输送机的出碴门进行关闭，可有效防止突泥突水情况，并可进行带压掘进施工。

5.2 设备故障

借助中心皮带输送机式出碴时，由于其结构的局限性，很容易出现刮碴板磨损掉碴、滚筒磨损、出口积碴等系列异常状况。另外，因为空间受限和工序复杂性，一般进行皮带机维修比较耗时费力。通过中心螺旋输送机进行出碴，螺旋输送机的螺旋轴易被磨损，螺旋轴不容易损坏。

5.3 换模效率

当EPB 和TBM 模式相互切换的时候，机械拆装非常耗时费力。而优化后，出碴方式都统一成同一台螺旋输送机，对 EPB 和 TBM 模式相互切换时,对螺旋输送机只需进行倾斜和水平交替设置，不仅流程少，而且操作比较方便，过程也比较简单，总的转换时间比传统方式节省50%左右。同规格的皮带机双模盾构的换模时间对比详见表1。

表1 两种模式转换耗时对比

5.4 耗时

1)中心皮带输送机式。采用传统的中心皮带输送机和中心螺旋输送机式共存模式时，当进行TBM和EPB模式转换时，转换施工流程如图5所示，共计耗时15 d。

图5 优化前EPB和TBM模式转换施工流程

2)中心螺旋模式。优化后，出碴采用同一台螺旋输送机，进行TBM和EPB模式转换时，通常耗时9 d转换施工流程如图6所示。

图6 优化后TBM和EPB模式转换施工流程

6 刀盘刀具优化

6.1 刀盘刀具设计的缺陷及优化举措

在TBM 模式下，如果岩石抗压强度大于100 MPa时，会影响岩石的贯入度。另外，当刀盘提高转速时，常引起岩脊和正面切刀出现激烈撞击，容易磨损滚刀，检修率和换刀频率也会相应提高，严重阻碍施工速度。

传统的双模盾构机一般配备18号滚刀,但是重型刀盘盾构机会配备19号滚刀。18号滚刀的耐磨性、运转寿命、抗冲击力都低于19号滚刀(两者刀体、轴承等核心构件相同，只是把18号刀圈替代为19号刀圈)。从设计方面考虑，为满足硬岩地质区域施工，为将TBM模式下刀盘的掘进作用最大化，通过配制重型结构刀盘(常规双模盾构机和重型刀盘配置盾构机刀盘结构相同)，安装型号为19号的滚刀，重型刀盘结构如图7所示。另外，配制球齿滚刀时，在刀圈上增加耐磨层，可有效增加刀具耐磨性的同时，增加刀具的抗冲击功能，防止刀圈出现崩裂情况，发挥硬岩刀盘的掘进最佳效果[4]，如图8所示。

图7 重型刀盘实物

图8 增加耐磨层的球齿滚刀

6.2 刀盘转速缺陷及优化举措

传统双模盾构机的转速设计极限值较大，刀盘设计转速最高可以达到5.39 rpm。通常为阻止盾体发生滚动，将两个稳定器配置在盾构机前盾上。但在TBM 模式下，刀盘在实际运行中，转速可控范围通常为2.49～2.99 r/min。如果转速提升，会导致刀盘震动幅度偏大，提高了刀具损坏率。将主驱动配置双速电机，在软岩EPB模式下，应选用大扭矩、低速挡位电机，在硬岩TBM模式下，应选用高速挡位电机，设备工作效率极大提升[5]。

EPB模式下，为确保螺旋输送机顺利出碴，要确保碴土上面线比螺旋输送机面要高，而土仓中的碴土通常为半仓状态，刀盘需要限制土仓碴土产生旋转，这就导致刀盘的转速不能有效提升。配置溜碴槽，当处于TBM模式时，借助溜碴槽实现中心集碴功能，可以使土舱维持一定的碴土量，不影响中心螺旋输送机出碴效率。

7 结语

针对福州至长乐机场城际铁路岱尖岭隧道工程实际情况，通过引入EPB/TBM双模式转换盾构机，将TBM模式下中心皮带输送机式优化为中心螺旋输送机式出碴方式，借助螺旋输送机出碴门的开合实现防喷涌功能，有效解决了在施工时突遇富水层喷泥、喷水和喷砂难题，确保设备能正常运行，而且极大地节省了转换时间，提升了环保指数、降低了施工风险，也降低了故障率。

另外，通过配制重型结构刀盘，在安装球齿滚刀的基础上，在刀圈上增加耐磨层，在有效增加刀具的耐磨性的同时，增加刀具的抗冲击功能，防止刀圈出现崩裂情况，这样可以发挥硬岩刀盘的掘进最佳效果。将主驱动配置双速电机，当在软岩EPB模式下，选用大扭矩、低速挡位电机，当在硬岩TBM 模式下，选用高速挡位电机，极大地提高了双盾构机工作效率。通过配置溜碴槽，当处于TBM模式时，借助溜碴槽实现中心集碴功能，可以使土舱维持一定的碴土量，确保了中心螺旋输送机出碴效率，也提高了硬岩刀盘的掘进效率。