全国首台串联式双模盾构的构造及设计原理

1 引言

在我国，盾构施工技术在城市轨道交通、铁路、穿江隧道等领域得到广泛应用，这是因为该技术具有快速、安全、减少地面沉降等优点。 随着时间的推移，盾构机的种类越来越多，同时也引入了新技术和新工艺， 能够适应更加复杂的地质环境。 这些创新推动了地下隧道建设和交通发展的进一步提升，也为工程建设提供了更加高效、环保的选择。

不同种类的盾构机在地质环境、施工工艺、成本等方面具有各自的特点和优势。 其中，综合了土压及泥水两种平衡模式设计理念及功能的双模式盾构机得到广泛的应用， 因其可根据地层条件变化切换土压和泥水两种不同掘进工况， 在进行长里程、穿江过河、穿越多重地层、城市筑物群、复杂民生管廊管线等环境的施工时， 需要兼具土压或泥水模式的两种掘进方式[1]，该新式盾构可适时转换相对应模式进行掘进，以其适应性强、功能齐全、一机两用的优点，开阔了单一模式盾构设备的适用性局限，提高了工程工效比[2]。

2 研究背景

双模盾构理念提出以来经历了萌芽和初步发展两个阶段，目前发展到适应实用、针对性设计的第三发展阶段。 双模理念提出以来， 其设计难点和重点均为土压渣土出土和泥水系统混合浆液主排的定位[3]。 双模盾构萌芽阶段的土浆液主排口位置基于原始设计定位于螺旋机排渣口上附近， 在此设置的排浆管路不仅管径小，而且管路需要不停地变换方向，通径不大的管路时常堵塞引起泥水系统无法正常工作， 功效提升不大。 第二级阶段时，在原有的理念上单独在土舱壁上设计了独立排浆口，可根据模式转换的需要独立工作，减少相互间扰流[4]，效应比提升显著。但这样设计仍旧存在管径通经不大、管路弯头衰减明显、排渣口过高等系列缺陷。 最新的阶段设计核心是合理设置土渣浆排口、 模式间设备的快速切换设计及两种模式工装器具互为通用[5]，经过数年研究比对，研究者们发现：将双膜盾构上必须的排渣螺旋机、泥水环流系统以及土渣浆外排管路串联在一起，能实现两种模式间的便捷切换，还能避免环流系统管径、渣土外排口过高等问题，因此，串联式双模盾构研制迫在眉睫。

中交天和机械设备制造有限公司通过长期的研究和试验，于2019 年11 月研制出实用型串联式泥水土压双模盾构，成为国内首台同类型盾构。 该新式盾构的设计师们经过综合运用理论分析、数值模拟及现场试验分析等后[6]，自主研发出串联式双模盾构应用于工程中（见图1）。

图1 串联式双模盾构机三维图

该新式盾构于2019 年1 月制造后应用到沈阳地铁4 号线建设，在北方极冻冻土地层和长时间雪天气候下，于次年3月完成了土压到泥水的首次模式转换；4 月份再次完成泥水到土压的模式转换。 此后，根据施工地层多次完成两种模式间切换，切实达到快速便利、效能比高的效果，并开创了单日推进20 环、单月施工478 环的可喜成绩，成功实现了在软土层、软岩层和全断面岩石层复合区间的顺利、多途径、安全、经济、高效掘进， 盾构设备的可靠性和串联式掘进工法的可行性得到充分认证，在实践中经受住了严格的考验。 因而，国产化、享有独立知识产权的全国首台串联式双模盾构机应运而生， 对在复合地层中穿越建构筑物多了一种施工方式和设备的选择，有力地推进了盾构行业的发展。

3 双模串联式设计原理

为充分发挥两种模式的双优势， 串联式双模盾构提出泥水- 土压平衡双模式盾构机功能串联式设计理念。 盾构上设计了包括注水系统、泡沫系统、环保型渣土输送系统等土压模式全套设备，同时设计了包括交互式泥水环流控制器、泥水环流系统等泥水模式设备， 还装备了两种模式下共用的高通过性刀具的复合刀盘、三列式合金圆滚柱驱动齿列、大扭矩驱动电机、大通经螺旋机、迷宫式驱动密封结构等系统。

同时，为缩短两种模式的安装方式及转换时长，设计者们还为该机设计了独特的串联式模式转换工装， 模块化快速分割设计。 这些设计包括以大通经螺旋机为环流系统排浆管路和吸口、增大管径有轴高强度叶轮的螺旋机、定制螺旋机下料闸门段接口泥水管路、泥水环流和渣土交互联通机构等。 在原土压模式设计装置上嵌入泥水循环系统（见图2），泥水浆液通过管路直接连通在前盾壁板上，作为泥水系统进浆管；进浆管路还接入与螺旋机，为螺旋机提供润滑和渣土冲洗作用。 泥水模式的进排浆管与刀盘中心冲洗泵PO 串联在一起，冲洗泵为进浆提供调节和排渣口冲刷作用。 而浆液排口以螺旋机为主通道，解决排渣口过高、排口过小等问题，螺旋机下料处与排泥浆泵通过管路连接，管路提前固定于在连接梁和台车上，管路内通过管内充气和充水，提前做好模式转换准备。

图2 泥水环流系统三维图示

利用该机分割式、定制式模块化设计，将两种模式的各个系统有序地串联起来，在模式转换过程中，只需通过以下几个简单步骤即可完成：第一步，抬高并固定原有的渣土皮带输送机；第二步，将连接桥上的排浆管螺旋机闸板下端固定连接，泥水循环就已完成闭环连通；第三步，在新接入的泥水管中充气排杂物后充满新的泥浆浆液； 第四步， 刀盘中心冲洗泵P0管路阀门打开，将交互器填充满浆液。

完成以上4 步即可从土压掘进转换为泥水平衡式施工。泥水模式转换为土压模式也只需上面4 步反向操作即可，这种预设式转换方式最大限度地减少了模式间转换的步骤，提前安装好的转换装置减少了以前烦琐的中间环节。

4 全新设计亮点

该盾构的全新亮点是将大直径螺旋输送机扩用为两种模式下两种不同介质的共用通道（见图3），在土压模式下作为渣土外排、切口水压调控主要设备，在泥水模式下作为泥水环流通道和浆液外排速度控制的关键设备。 且该串联式设计下的螺旋机在两种模式之间可实现快捷转换， 预设计的泥水管路可便捷的接入到螺旋输送机下口， 十分方便地实现土压泥水两种模式间转换，大大降低了模式切换的工序，为模式间快速转换提供了先决条件。 该设计还极大地减少了模式间转换时设备增减的数量，实现了模式间的无缝转接。 同时还利用螺旋机770 mm 大直径管道排渣能力强优势，及使用螺旋式叶轮旋转排除大颗粒砾石的便捷优势， 保证了渣土和泥浆外排口的高度及能力，避免地层渣土堵塞排浆口，为该机在任一模式下高效施工起到至关重要推动作用。

图3 串联式模块化螺旋机设计

5 结论

经过实践应用， 本新式设备的串联式双模式原理和预设计转换理念得到充分认证，两种模式快速、自由来回切换的方式有效提高了施工效率； 清晰的模块化设计有效防止掘进中误操作，其优异的设备共用性、性能通用性及功能互用性符合工程人员的期望， 可以预见该技术在我国地铁城市轨道和隧道施工中的广阔应用前景。

通过实践应用还形成了一系统的施工技术和科技成果：

1）研制出全国首台串联式泥水土压双模式盾构机，探索出该类型盾构的设计原理和结构构造机理。

2）摸索出该串联式双模盾构模式转换关键技术，整理出一系列施工要领和规范[7]。

3）确定了两种模式转换在各种地层中的转换最佳位置和提前准备工序。

4）形成了串联式模块化螺旋机速度作为仓内切口压力控制的规律和操作要领，总结出两者最佳组合方式。

5）形成了串联式双模式盾构连续施工不停机[8]的核心技术。