異形盾構掘進機
摘 要：隨著現代城市建設的加快，基礎設施建設也越來越注重地下空間的利用，大型、超大型盾構掘進機越來越多的用於城市建設，直徑大於14m的盾構機已經非常常見。可是，在實際利用中，這樣超大的橫截面只有其三分之二被有效地利用了。因此，未來盾構掘進機的開發應該關注於理想橫截面，類似於新奧法典型的橫截面，我們稱之為異型盾構掘進機。這樣的盾構機研製目前主要集中在日本、德國等國家。本文引進了這種盾構的一些原理，描述其優、缺點。
關鍵詞：異形；盾構；掘進機；隧道施工；思路
1、引言
直徑大於14m的大型盾構掘進機已經非常常見，世界上第一個直徑大於14m的超大直徑盾構隧道工程是日本東京灣的海底道路隧道工程，採用Φ14.14m泥水盾構掘進施工；日本東京營團地鐵7號線麻布站工程採用Φ14.18m母子式泥水盾構掘進機；德國漢堡易北河第4隧道工程採用海瑞克公司製造的Φ14.2m複合型泥水盾構；馬德里M30地下道路隧道工程一期南環線採用德國海瑞克製作的Φ15.2m土壓盾構；上海上中路越江隧道工程引進當時世界最大直徑的Φ14.87m泥水加壓盾構（曾用於荷蘭綠心隧道工程掘進7.15km）；上海長江隧道採用了目前世界最大直徑Φ15.43m泥水氣平衡盾構施工。
在實際的隧道工程施工中，特別是公路、軌道交通隧道，使用如此大直徑的盾構掘進機，其缺點就是其斷面下部的開挖空間並沒有得到充分利用，常用的處理方法是將多餘空間再使用建築材料填滿如圖1、圖2所示。在其他類型的隧道中，普遍採用類似於橋面板的構件鋪設路面如圖3、圖4所示。本文提到的異形盾構掘進機的原理就是挖掘符合爆破法和新奧法施工的隧道斷面，用異型的截面消除圓形盾構的缺點。
2、現有的異形盾構機案例
日本的異形盾構原理非常先進。由於日本大城市均位於日本海岸線，所以日本的盾構機一般都是為沉積軟土地層設計。其代表為雙圓DOT盾構掘進機。
雙圓DOT盾構掘進機圓形橫截面的優點，在於它們所佔據的空間比在寬度上相鄰的雙孔隧道所據空間要少，比淺埋單孔隧道在高度上佔據較少空間，特別實用於人口聚集的城市地區施工，如圖5所示。
雙圓盾構機的缺點是，兩圓相交的地方，從靜力學計算來看，需要立柱支撐。
和雙圓盾構機類似的多圓盾構機也被應用與實際工程中，主要用於地鐵車站的施工，如圖6所示。
對於各種橫截面形狀的盾構機，一般在中心裝有圓形刀盤如圖7所示，並裝備有多個行星刀具，如圖8所示。行星刀具的軌跡可以通過任意調節裝在刀具上搖臂角度來實現。
通過這種原理，可以實現各種斷面的施工，例如矩形、橢圓形和拱形等。
DPLEX（可展開平行連桿挖掘法）盾構機是日立公司在挖掘東京11號地鐵線時使用的。
3、異形軟土隧道掘進機發展的新方向
異型軟土盾構機目前有兩個新的發展方向，即非圓截面和多塊刀盤組合。其中設計中的一條3車道公路隧道如圖10所示，該盾構機設計了一種經濟性橫截面，寬17.2m、總長12.8m，該截面不同雙圓、多圓盾構的原型組合截面。這種經濟性的橫截面於可以使隧道開挖空間得到充分的利用。
另一種是多塊刀盤組合，例如下文的4塊刀盤，它能穩定工作面與螺旋輸送機轉速同步的土壓平衡如圖11所示。旋轉刀盤和滑動刀具相結合的原理也是很有發展前景的，比如泥水盾構如圖12所示。
4、異形硬巖盾構掘進機成功案例
該領域是WIRTH公司和羅賓斯公司過去將近20年的科研重點。自從上世紀90年代以來，WIRTH公司開發和製造了連續式採礦機，並且在加拿大成功使用。這種採礦機針對欠挖技術重點地增加了刀具挖掘性能，如圖13所示。
這個技術還被應用在擴孔作業中，WIRTH公司TBE500/1440H-HST就是一臺隧道擴孔挖掘機，如圖14所示，能夠擴孔直徑達Φ14.4m。
這臺盾構成功使用在瑞士蘇黎世UETLIBERG隧道掘進工程。其隧道斷面略呈橢圓形，寬14.4m，高14.2m。
此外，羅賓斯公司製造的硬巖盾構掘進機（如圖15所示）帶有常規徑向鑿刀，在工程實踐中也取得了令人滿意的效果。
5、採用一些預擬原理的異形硬巖TBM
這項技術的開發源於斯洛伐克建設的一條長50km的公路隧道的建設，因為這條隧道大部分路段不需要圓隧道拱形的底部，設計人員認為馬蹄形斷面更具經濟性與實用性。新奧法施工的布拉格雙軌鐵路隧道斷面如圖16所示。
於是，他們設計了「2加2工作面TBM」。其刀盤有4個旋轉刀盤如圖17所示。前方的兩個具有相同的圓形，而其後的兩個裝有另外兩個刀盤。上部呈桶形挖掘隧道頂部，下部的一個可以根據岩石工況而選擇桶形或鼓形的刀具來挖掘隧道底部。
「2加2工作面TBM」與圓形盾構機相比，其優點是當遇到地質錯位時如圖18所示，可以通過大功率的的液壓千斤頂降低頂部導坑。這樣的特徵可以挖掘到「超越桶形導坑」的空間，而不必多次掘進施工。
這樣的設計使得TBM由圓形刀盤變為異形刀盤，其內裝有兩個精細切削梨子形狀的刀頭如圖19所示，從而完成新奧法才能挖掘的馬蹄形斷面。精細切削刀頭的供電裝置位於桶形體內部，通過固定軸對其供電和冷卻。待建長7km維什諾威公路隧道橫截面擬採用新奧法施工，如圖20所示。
在軟巖地層中，可以採用護盾式隧道挖掘機和管片襯砌進行施工，它配備一個異形刀和兩個精細切削的梨子形的刀具，如圖21所示。
在稍軟的岩石地層中，可以採用撐靴式TBM加上管片襯砌的原理施工。撐靴式TBM除了使用梨子形刀具以外，還可以使用護盾式TBM的精細切削刀具。精細切削刀盤的旁邊，配備液壓千斤頂頂推管片如圖22所示。
6、結論
使用異形盾構掘進機開挖馬蹄形斷面的隧道，其經濟性和實用性在長距離公路隧道施工中尤為明顯，如圖23、圖24所示。
異形盾構掘進機施工成本要明顯低於圓形盾構，具體比較如下：
（1）由於開挖面縮小，岩石挖掘的成本降低了20%到30%，電力和換刀時間成本也有所降低。
（2）隧道襯砌周長減少15%到20%
（3）路基和鐵路站臺以下空間不必要回填和夯實，從而加快施工速度
異形盾構掘進機的缺點如下：
（1）複雜盾構機的初期造價較高。
（2）襯砌管片數較多。
當然，從實際施工效果來看，如果隧道施工長度大於3km，異型盾構機的優勢將得到明顯的體現。因此，長距離公路、軌道交通等隧道施工，異型盾構掘進機具有不可估量的發展前景。這也是21世紀隧道施工的新思路。
推薦閱讀：