摘 要：隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的加快，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也越來越注重地下空間的利用，大型、超大型盾構(gòu)掘進機越來越多的用于城市建設(shè)，直徑大于14m的盾構(gòu)機已經(jīng)非常常見?？墒牵趯嶋H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(gòu)掘進機的開發(fā)應(yīng)該關(guān)注于理想橫截面，類似于新奧法典型的橫截面，我們稱之為異型盾構(gòu)掘進機。這樣的盾構(gòu)機研制目前主要集中在日本、德國等國家。本文引進了這種盾構(gòu)的一些原理，描述其優(yōu)、缺點。
關(guān)鍵詞：異形；盾構(gòu)；掘進機；隧道施工；思路
1、引言
直徑大于14m的大型盾構(gòu)掘進機已經(jīng)非常常見，世界上第一個直徑大于14m的超大直徑盾構(gòu)隧道工程是日本東京灣的海底道路隧道工程，采用Φ14.14m泥水盾構(gòu)掘進施工；日本東京營團地鐵7號線麻布站工程采用Φ14.18m母子式泥水盾構(gòu)掘進機；德國漢堡易北河第4隧道工程采用海瑞克公司制造的Φ14.2m復(fù)合型泥水盾構(gòu)；馬德里M30地下道路隧道工程一期南環(huán)線采用德國海瑞克制作的Φ15.2m土壓盾構(gòu)；上海上中路越江隧道工程引進當(dāng)時世界最大直徑的Φ14.87m泥水加壓盾構(gòu)（曾用于荷蘭綠心隧道工程掘進7.15km）；上海長江隧道采用了目前世界最大直徑Φ15.43m泥水氣平衡盾構(gòu)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(gòu)掘進機，其缺點就是其斷面下部的開挖空間并沒有得到充分利用，常用的處理方法是將多余空間再使用建筑材料填滿如圖1、圖2所示。在其他類型的隧道中，普遍采用類似于橋面板的構(gòu)件鋪設(shè)路面如圖3、圖4所示。本文提到的異形盾構(gòu)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(gòu)的缺點。
2、現(xiàn)有的異形盾構(gòu)機案例
日本的異形盾構(gòu)原理非常先進。由于日本大城市均位于日本海岸線，所以日本的盾構(gòu)機一般都是為沉積軟土地層設(shè)計。其代表為雙圓DOT盾構(gòu)掘進機。
雙圓DOT盾構(gòu)掘進機圓形橫截面的優(yōu)點，在于它們所占據(jù)的空間比在寬度上相鄰的雙孔隧道所據(jù)空間要少，比淺埋單孔隧道在高度上占據(jù)較少空間，特別實用于人口聚集的城市地區(qū)施工，如圖5所示。
雙圓盾構(gòu)機的缺點是，兩圓相交的地方，從靜力學(xué)計算來看，需要立柱支撐。
和雙圓盾構(gòu)機類似的多圓盾構(gòu)機也被應(yīng)用與實際工程中，主要用于地鐵車站的施工，如圖6所示。
對于各種橫截面形狀的盾構(gòu)機，一般在中心裝有圓形刀盤如圖7所示，并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(diào)節(jié)裝在刀具上搖臂角度來實現(xiàn)。
通過這種原理，可以實現(xiàn)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(gòu)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(fā)展的新方向
異型軟土盾構(gòu)機目前有兩個新的發(fā)展方向，即非圓截面和多塊刀盤組合。其中設(shè)計中的一條3車道公路隧道如圖10所示，該盾構(gòu)機設(shè)計了一種經(jīng)濟性橫截面，寬17.2m、總長12.8m，該截面不同雙圓、多圓盾構(gòu)的原型組合截面。這種經(jīng)濟性的橫截面于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(wěn)定工作面與螺旋輸送機轉(zhuǎn)速同步的土壓平衡如圖11所示。旋轉(zhuǎn)刀盤和滑動刀具相結(jié)合的原理也是很有發(fā)展前景的，比如泥水盾構(gòu)如圖12所示。
4、異形硬巖盾構(gòu)掘進機成功案例
該領(lǐng)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(jì)90年代以來，WIRTH公司開發(fā)和制造了連續(xù)式采礦機，并且在加拿大成功使用。這種采礦機針對欠挖技術(shù)重點地增加了刀具挖掘性能，如圖13所示。
這個技術(shù)還被應(yīng)用在擴孔作業(yè)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(gòu)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，羅賓斯公司制造的硬巖盾構(gòu)掘進機（如圖15所示）帶有常規(guī)徑向鑿刀，在工程實踐中也取得了令人滿意的效果。
5、采用一些預(yù)擬原理的異形硬巖TBM
這項技術(shù)的開發(fā)源于斯洛伐克建設(shè)的一條長50km的公路隧道的建設(shè)，因為這條隧道大部分路段不需要圓隧道拱形的底部，設(shè)計人員認(rèn)為馬蹄形斷面更具經(jīng)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。
于是，他們設(shè)計了“2加2工作面TBM”。其刀盤有4個旋轉(zhuǎn)刀盤如圖17所示。前方的兩個具有相同的圓形，而其后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(jù)巖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(gòu)機相比，其優(yōu)點是當(dāng)遇到地質(zhì)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(dǎo)坑。這樣的特征可以挖掘到“超越桶形導(dǎo)坑”的空間，而不必多次掘進施工。
這樣的設(shè)計使得TBM由圓形刀盤變?yōu)楫愋蔚侗P，其內(nèi)裝有兩個精細(xì)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(xì)切削刀頭的供電裝置位于桶形體內(nèi)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采用新奧法施工，如圖20所示。
在軟巖地層中，可以采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(xì)切削的梨子形的刀具，如圖21所示。
在稍軟的巖石地層中，可以采用撐靴式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(xì)切削刀具。精細(xì)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(jié)論
使用異形盾構(gòu)掘進機開挖馬蹄形斷面的隧道，其經(jīng)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(gòu)掘進機施工成本要明顯低于圓形盾構(gòu)，具體比較如下：
（1）由于開挖面縮小，巖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%
?。?）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(gòu)掘進機的缺點如下：
?。?）復(fù)雜盾構(gòu)機的初期造價較高。
?。?）襯砌管片數(shù)較多。
當(dāng)然，從實際施工效果來看，如果隧道施工長度大于3km，異型盾構(gòu)機的優(yōu)勢將得到明顯的體現(xiàn)。因此，長距離公路、軌道交通等隧道施工，異型盾構(gòu)掘進機具有不可估量的發(fā)展前景。這也是21世紀(jì)隧道施工的新思路。
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