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摘 要：随着现代城市建设的加快，基础设施建设也越来越注重地下空间的利用，大型、超大型盾构掘进机越来越多的用于城市建设，直径大于14m的盾构机已经非常常见。可是，在实际利用中，这样超大的横截面只有其三分之二被有效地利用了。因此，未来盾构掘进机的开发应该关注于理想横截面，类似于新奥法典型的横截面，我们称之为异型盾构掘进机。这样的盾构机研制目前主要集中在日本、德国等国家。本文引进了这种盾构的一些原理，描述其优、缺点。 关键词：异形；盾构；掘进机；隧道施工；思路 1、引言 直径大于14m的大型盾构掘进机已经非常常见，世界上第一个直径大于14m的超大直径盾构隧道工程是日本东京湾的海底道路隧道工程，采用Φ14.14m泥水盾构掘进施工；日本东京营团地铁7号线麻布站工程采用Φ14.18m母子式泥水盾构掘进机；德国汉堡易北河第4隧道工程采用海瑞克公司制造的Φ14.2m复合型泥水盾构；马德里M30地下道路隧道工程一期南环线采用德国海瑞克制作的Φ15.2m土压盾构；上海上中路越江隧道工程引进当时世界最大直径的Φ14.87m泥水加压盾构（曾用于荷兰绿心隧道工程掘进7.15km）；上海长江隧道采用了目前世界最大直径Φ15.43m泥水气平衡盾构施工。 在实际的隧道工程施工中，特别是公路、轨道交通隧道，使用如此大直径的盾构掘进机，其缺点就是其断面下部的开挖空间并没有得到充分利用，常用的处理方法是将多余空间再使用建筑材料填满如图1、图2所示。在其他类型的隧道中，普遍采用类似于桥面板的构件铺设路面如图3、图4所示。本文提到的异形盾构掘进机的原理就是挖掘符合爆破法和新奥法施工的隧道断面，用异型的截面消除圆形盾构的缺点。
2、现有的异形盾构机案例 日本的异形盾构原理非常先进。由于日本大城市均位于日本海岸线，所以日本的盾构机一般都是为沉积软土地层设计。其代表为双圆DOT盾构掘进机。 双圆DOT盾构掘进机圆形横截面的优点，在于它们所占据的空间比在宽度上相邻的双孔隧道所据空间要少，比浅埋单孔隧道在高度上占据较少空间，特别实用于人口聚集的城市地区施工，如图5所示。 双圆盾构机的缺点是，两圆相交的地方，从静力学计算来看，需要立柱支撑。 和双圆盾构机类似的多圆盾构机也被应用与实际工程中，主要用于地铁车站的施工，如图6所示。 对于各种横截面形状的盾构机，一般在中心装有圆形刀盘如图7所示，并装备有多个行星刀具，如图8所示。行星刀具的轨迹可以通过任意调节装在刀具上摇臂角度来实现。
通过这种原理，可以实现各种断面的施工，例如矩形、椭圆形和拱形等。 DPLEX（可展开平行连杆挖掘法）盾构机是日立公司在挖掘东京11号地铁线时使用的。 3、异形软土隧道掘进机发展的新方向 异型软土盾构机目前有两个新的发展方向，即非圆截面和多块刀盘组合。其中设计中的一条3车道公路隧道如图10所示，该盾构机设计了一种经济性横截面，宽17.2m、总长12.8m，该截面不同双圆、多圆盾构的原型组合截面。这种经济性的横截面于可以使隧道开挖空间得到充分的利用。
另一种是多块刀盘组合，例如下文的4块刀盘，它能稳定工作面与螺旋输送机转速同步的土压平衡如图11所示。旋转刀盘和滑动刀具相结合的原理也是很有发展前景的，比如泥水盾构如图12所示。
4、异形硬岩盾构掘进机成功案例 该领域是WIRTH公司和罗宾斯公司过去将近20年的科研重点。自从上世纪90年代以来，WIRTH公司开发和制造了连续式采矿机，并且在加拿大成功使用。这种采矿机针对欠挖技术重点地增加了刀具挖掘性能，如图13所示。
这个技术还被应用在扩孔作业中，WIRTH公司TBE500/1440H-HST就是一台隧道扩孔挖掘机，如图14所示，能够扩孔直径达Φ14.4m。
这台盾构成功使用在瑞士苏黎世UETLIBERG隧道掘进工程。其隧道断面略呈椭圆形，宽14.4m，高14.2m。 此外，罗宾斯公司制造的硬岩盾构掘进机（如图15所示）带有常规径向凿刀，在工程实践中也取得了令人满意的效果。
5、采用一些预拟原理的异形硬岩TBM 这项技术的开发源于斯洛伐克建设的一条长50km的公路隧道的建设，因为这条隧道大部分路段不需要圆隧道拱形的底部，设计人员认为马蹄形断面更具经济性与实用性。新奥法施工的布拉格双轨铁路隧道断面如图16所示。
于是，他们设计了“2加2工作面TBM”。其刀盘有4个旋转刀盘如图17所示。前方的两个具有相同的圆形，而其后的两个装有另外两个刀盘。上部呈桶形挖掘隧道顶部，下部的一个可以根据岩石工况而选择桶形或鼓形的刀具来挖掘隧道底部。
“2加2工作面TBM”与圆形盾构机相比，其优点是当遇到地质错位时如图18所示，可以通过大功率的的液压千斤顶降低顶部导坑。这样的特征可以挖掘到“超越桶形导坑”的空间，而不必多次掘进施工。
这样的设计使得TBM由圆形刀盘变为异形刀盘，其内装有两个精细切削梨子形状的刀头如图19所示，从而完成新奥法才能挖掘的马蹄形断面。精细切削刀头的供电装置位于桶形体内部，通过固定轴对其供电和冷却。待建长7km维什诺威公路隧道横截面拟采用新奥法施工，如图20所示。
在软岩地层中，可以采用护盾式隧道挖掘机和管片衬砌进行施工，它配备一个异形刀和两个精细切削的梨子形的刀具，如图21所示。
在稍软的岩石地层中，可以采用撑靴式TBM加上管片衬砌的原理施工。撑靴式TBM除了使用梨子形刀具以外，还可以使用护盾式TBM的精细切削刀具。精细切削刀盘的旁边，配备液压千斤顶顶推管片如图22所示。
6、结论 使用异形盾构掘进机开挖马蹄形断面的隧道，其经济性和实用性在长距离公路隧道施工中尤为明显，如图23、图24所示。
异形盾构掘进机施工成本要明显低于圆形盾构，具体比较如下： （1）由于开挖面缩小，岩石挖掘的成本降低了20%到30%，电力和换刀时间成本也有所降低。 （2）隧道衬砌周长减少15%到20% （3）路基和铁路站台以下空间不必要回填和夯实，从而加快施工速度 异形盾构掘进机的缺点如下： （1）复杂盾构机的初期造价较高。 （2）衬砌管片数较多。 当然，从实际施工效果来看，如果隧道施工长度大于3km，异型盾构机的优势将得到明显的体现。因此，长距离公路、轨道交通等隧道施工，异型盾构掘进机具有不可估量的发展前景。这也是21世纪隧道施工的新思路。 |
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