盾构机的改革思路

目前流行的盾构机是压力平衡式盾构机，包括土压平衡式盾构机和泥水平衡式盾构机。那么为什么盾构机要强调压力平衡呢？压力平衡对于盾构机的性能有什么影响呢？盾构机一般有几百吨重，而且一般有八个以上的液压千斤顶，千斤顶加上自重产生的压力非常大，这个压力和盾构机前面的土体形成一对作用力和反作用力，所以盾构机给于土体的压力非常大，这种压力有两个作用，一个是挤压土体和土体中的泥水，让它向着隧洞边缘流动，这样隧洞护壁更加紧密，土体更加稳定，不会变形。第二个作用就是相当于给于隧洞以支护，使得隧洞结实规则，不容易发生垮塌、泄流等灾害，也不会产生大的变形。所以，盾构机都是压力平衡式盾构机。

但是，为了压力平衡牺牲了开凿效率，这一点非常重要。首先，只有含有泥水的地层才需要压力平衡，硬岩石，干土地层不需要压力平衡。硬岩石和干土不会侧向移动，正向压力大无法施加到侧向，而且岩石和干土的自身稳定性能良好，所以压力平衡式盾构机并不合适。只有土壤含有水分的情况下，土壤变为泥水，泥具有塑性，正向压力可以迫使它向侧向移动，这时候压力平衡式盾构机的强大正向压力才起到作用。第二，压力平衡的目的是洞壁结实稳定，但是目前已经有多项替代技术可以保证洞壁稳定，例如渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统、管片安装系统等等。所以，把隧洞开凿和洞壁防护分开考虑，分别采取措施已经是大势所趋。第三，压力平衡盾构导致盾构机的结构不够高效。例如，在压力平衡盾构机中，刀盘必须是平面的，否则压力就不会平衡，但是人们都知道子弹头是抛物线形状，火车机头是抛物线形状，现实中许多向前运动的东西的前端都是抛物线形状，这种形状效率高，摩擦阻力小。对于盾构机来说出渣容易，但是压力平衡式盾构机无法采用。又例如，压力太大盾构机和土体切得紧密，只能在盾构机上安装小尺寸刮刀、滚刀、切刀，无法安装劈刀、分裂棒等等。第四压力平衡式盾构机浪费了巨大的电力。它把岩石彻底粉碎以后从排渣孔排出渣土，严重影响了开凿速度，大量功率用来粉碎和研磨岩石，用了大量时间研磨岩石严重影响了开凿速度。盾构机的自重很大，在每一次前进中都需要巨大的电力，而且不够灵活，对于安装、拆卸、运输都是严重的挑战。第五，压力平衡式盾构机的排渣很困难，大量泥沙和碎石在盾构机的刀盘上要旋转很长时间才能够排出，而这种研磨是没有任何必要的，排渣不及时严重地推迟了盾构机的掘进速度。第六，压力平衡式盾构机的刀具磨损非常严重，而且更换刀具非常困难，不便于人员操作，前端空间很小。第七，压力平衡式盾构机只能前进，不能倒退，这个严重影响了工作，对于维修和支护和应急处理都不利。第八，由于盾构机都是集成模块系统，安装拆卸运输都不方便，包括根据新的情况改装也不方便。也导致其价格非常昂贵。

由于以上缺点压力，平衡式盾构机很难制造直径超过15米的大口径隧洞，所以很难应用于水工隧洞的建设。由于目前的支护技术已经非常先进，压力平衡已经没有必然性，所以我们应该发展研究“压力非平衡组合式盾构机”。

压力非平衡组合式盾构机是针对压力平衡式盾构机的缺点而设计，容纳了其优点的一种新型盾构机。在继承目前盾构机的技术的基础上加以改进。主要的改进之处介绍如下：

第一：机头和刀盘根据岩土特性分类设计。例如硬岩、泥水、干土、流沙、膨胀土等特性不同，那么采取的技术措施就不同，对应的设备就不同。尤其是刀盘、支撑和动力不同。刀盘上刮刀、滚刀、切刀、搅拌棒等的数量和排布也不一样，也可以增加分裂帮、劈裂器、液压钻、水刀等。根据自身特点量身定做。例如硬岩，岩石很硬，洞壁很稳定，岩石可以切割成大块，所以可以做压力非平衡掘进机，刀盘可以做成抛物线形，中间向前突出，方便出渣，刀盘上的刮刀减少，滚刀增加等。又例如泥水平衡式盾构机，可以保持目前的第三代设计，但是刀盘可以适当改进。干土掘进机的刀盘可以多用刮刀，少用滚刀，刀盘可以前突。流沙掘进机则应该优先使用固沙设施，首先喷灌凝固剂，然后掘进。

第二，支护系统前移，提前支护，智能支护。可以强化侧壁边界的支护，用滚筒式掘进器提前切入泥土中，和操作面隔断，不影响操作面。在滚筒式掘进器的侧壁上安装若干感应器，对侧面岩土的稳定性不断监测。同时在滚筒式掘进器的侧壁上安装渣土改良系统、泡沫系统、膨润土系统、注浆系统，提前对洞壁硬化、固化、支护。措施由智能系统决定。

第三，增加滚筒式掘进器或者滚筒式环切刀。滚筒式掘进器安装在刀盘的侧面，让其承受洞壁的侧压力，同时可以比刀盘提前掘进，让滚筒壁支护掌子面。这个设施的使用可以防止非平衡盾构产生的危险，也可以开辟临空面，让掘进更加容易。滚筒式掘进器实际上在1960年已经被英国应用于实际。只是我们设计的滚筒式掘进器可以和刀盘式掘进器结合起来使用，相互是单独的动力，掘进设施和粉碎输送设施分离，滚筒式掘进器主要负责前进掘进，而刀盘主要负责粉碎。

第四，刀盘改革为中心前突的抛物线形状。改为抛物线形状以后盾构机的刀盘是向前突出的。这样的好处是出渣容易，渣土在重力作用下可以自动掉落到出渣螺旋输送机上。另外前突设计可以制造中间临空面，使得周围的掘进更加容易。当然如果是不旋转的刀盘则不需要。

第五，增加盾构机机头的后退装置。第三代压力平衡式盾构机只能前进，无法后退，因为自重很大。但是如果把盾构机的机头设计为可以适当后退，后退距离在1——3米完全可以，这样方便人员进去维修，更换刀具，处理应急事情。可以用千斤顶顶在掌子面上后退。这要求盾构机的前端机头是铆接式连接，可以拆卸。

第六，在大部分隧洞中，隧洞大，进出口小，而且施工空间狭窄，这就要求盾构机可以在隧洞内进行拆卸和组装。因此应该发展灵活拆卸式盾构机，分节分段安装，这就要求各个节段之间有良好的连接设施，尤其要对连接点的安全措施做好。

根据以上改进意见，我们也设计了一种新型的“硬岩滚筒式掘进机”：

1，掘进设施：掘进设施主要是滚筒式掘进器，滚筒式掘进器实际上就是一个圆柱形钢管，钢管的直径可以很大，从10米到30米都可以，在钢管的前端管缘上安装水刀，水刀的作用相当于凿岩先锋，直径15米的钢管的直径是47米，可以安装23—31个水刀，水刀的喷水方向可以是正前方、也可以倾斜10——30度，倾斜的水刀可以把开凿的岩石缝隙扩大。水刀的后面、钢管的内壁安装超硬度的滚刀，滚刀的方向和普通的盾构机的方向不同，其切割方向是隧洞方向垂直的，和滚筒式掘进器的旋转方向一致，其目的是把水刀切割的狭窄的缝隙扩大。直径15米的钢管内侧，从前端向后可以依次安装切割直径为1厘米，2厘米，3厘米，4厘米，6厘米，8厘米的滚刀各23—31个，滚刀的中间可以安装若干刮刀，目的是把滚刀切破的岩石从大岩石上分离。滚筒式掘进器的长度大约5—6米，滚刀安装在前端0.1——4米，后边的2米可以安装搅拌器。由于滚筒式掘进器是隧洞的最外围，所以实际上这个滚筒式掘进器是一个安全装置，可以防止岩爆、防止落石，防止涌水危害。它和其它设备基本不接触，可以单独使用动力，而且它只会旋转，所以旋转的动力传动装置可以简单化，不使用法兰，而是使用齿轮来传动，由于是钢管形式，消除了不必要的扭矩，钢管自身的形状和尺寸消除了横向扭矩，所以在钢管尾部加力，整个钢管都会旋转，因此把齿轮安装在滚筒式掘进器的尾部，可以使用4个异步调速电动机带动。这种传动安装简单，维护方便，动力强大，节省电力。滚筒式掘进器的前进可以使用传统的千斤顶向前顶压。滚筒式掘进器有一个巨大的优点就是可以持续不间断地旋转掘进，因为它是一个独立系统。

2，碎岩设施：滚筒式掘进器只能把岩石切割成为一个具有宽度大约为6—10厘米的圆环型临空面，临空面里面的岩石实际上还是一块整体岩石。如何把岩石按照要求粉碎，达到运输的理想尺寸呢？我们抛弃了传统的旋转刀盘和滚刀设施。而是让刀盘不旋转，并且和滚筒式掘进器之间保留缝隙，互不链接，在刀盘上不再安装滚刀和刮刀，而是以同心圆阵列形式排布液压钻机和分裂棒，利用岩石的脆性特点粉碎岩石。由于分裂棒的瞬时压力在60——80兆帕，而岩石的硬度往往超过250兆帕，所以分裂棒只能劈裂较薄的岩石，为此我们设计一个“层层剥皮式”劈裂法。分裂棒在存在临空面的时候劈裂效果最好，我们用滚筒式掘进器开凿的间距为6—10厘米的圆环型临空面在外围，因此首先劈裂外围岩石，因此同心圆阵列钻头位置排布如下：以钢管圆心为引出点，在半径为1米，2米，3米，3.6米，4.2米，4.7米，5.2米，5.6，6.2米，6.7，7.1米（可以利用实验数据排布）的同心圆上、间隔1.5米排布钻头，钻头的数量分别为4个，8个，12个，15个，17个，20个，22个，23个，26个，28个，30个，总共205个钻头，最外面的同心圆的间距为0.4米，中间的同心圆间距为0.6米，最里面的同心圆间距为1米，同样的，在每一个钻孔傍边安装对应的分裂棒，同样是205个。在劈裂的时候分层劈裂，最外面的30个钻孔距离临空面很近，首先劈裂最外层，最外层的30个分裂棒开启使用，其它175个不启动。劈裂的结果是最外面0.4米内的岩石分裂成为碎石。这时候由于滚筒式掘进器在旋转，在旋转和自身重力作用下，碎石会掉落下去，一部分进入出渣孔，一部分掉落到了低处。在刀盘的低处，利用钻头和分裂棒的间隙，安装螺旋输送机，把渣土输送出去。这样一来外围的临空面的间距改变为50厘米，临空面更大，劈裂更加容易。然后启动临近一圈28个分裂棒，让临空面增大到90厘米，依次地临空面会增加到140厘米，200厘米，240厘米，290厘米，340厘米，400厘米，460厘米，560厘米和660厘米。随着临空面的增加，岩石运动的空间增加，岩石在运动的时候互相之间的碰撞机会增加，因此没有粉碎的岩石就容易开裂粉碎。如果每次劈裂的时间是2分钟，那么每间隔22分钟就可以把全部岩石劈裂完成。可以确保推进2米。从上面可以看出，掘进设施和碎岩设施是两个不同的系统，互不干涉，粉碎的过程中不需要掘进设施停机等待，这个就能够大大加快掘进速度。而且钻机分次分批的钻探，震动也能够起到劈裂作用。

3，出渣设施。在刀盘上虽然安装了205个钻头和205个分裂棒，但是由于刀盘的面积高达176平米，所以还有大面积的区间可以开孔，利用开孔可以出渣。最大的开孔空间是1米*1米，可以出1米以下的碎石，可以有10个开孔。由于碎石在重力作用下下落到了隧洞底部，所以在刀盘的底部可以少安装一个钻头，腾出80厘米的空间宽度，空间的长度达到1.5米，利用这个开孔安装1个螺旋输送机，从掌子面出渣。这样，出渣孔可以达到11个。输送带可以安装3——6个，出渣效率很高。由于刀盘不旋转，而滚筒式掘进器在不停地旋转，所以碎石会随着滚筒式掘进器而旋转，在旋转的时候互相破碎，也就有机会排出出渣口，所以滚筒式掘进器也是一个出渣设施。有了它，可以不需要更多的搅拌器，也不需要刮刀。如果30分钟能够前进1.5—2米，那么每小时可以前进3——4米，每天可以掘进72—96米，每个月可以掘进2160——2880米，每年可以掘进25.9——34.5公里。掘进的效率非常高。

第三代盾构机在开凿和粉碎上是一体化的，这个严重影响了开凿速度和出渣速度。这里设计的掘进机把开凿和粉碎分别由两套互不干涉的设施承担，开凿可以持续不断，而粉碎则从外向里面一层一层粉碎，粉碎之后的出渣利用了重力，刀盘并不直接接触掌子面，在刀盘和开凿面之间还有一定的间隙。为了利用重力，刀盘可以设计为向前突出的抛物线形状，让落石直接落入出渣口。刀盘的作用不再是掘进，也不再是粉碎设备，而是安装和固定钻机，排布分裂棒的固定器，而且刀盘也有防护作用，让粉碎在刀盘和掌子面之间进行，避免机器和人员损伤，也可以防止坍塌流石等突发事件。有了空间，人员可以自由进出，方便维护和应急。

传统的第三代盾构机只能开凿直径在15米以下的隧洞，但是新型的“硬岩滚筒式掘进机”由于实现了开凿和粉碎的分离，所以原则上可以开凿任意直径的隧洞，例如15米以上到30米直径的水工隧洞，可以满足任何需求。

刀盘上的钻头可以一次钻探，分次劈裂，劈裂采取的是分层剥皮式劈裂，这样可以避免一次开动所有分裂棒造成的瞬时高电压高电流损伤，也可以保证分裂的碎石的尺寸不超过一米，确保出渣没有阻碍。分层剥皮式劈裂可以保证分裂的碎石大小均匀，尺寸合适，出渣有序，避免拥堵。所以，分层剥皮式劈裂是一个很重要的开凿工艺。

滚筒式掘进器前端的水刀需要大量的水，而这些水在完成劈裂任务以后可以减少粉尘，也可以冲刷碎石，让碎石之间的摩擦减少，增加出渣效率。几十个水刀和上百个大小不同的滚刀刮刀环形切割，可以保证切割高效和快速，也可以降低刀具温度，避免金属疲劳，提高工作效率。

由于这种机头开凿效率高、速度块，所以对于隧洞的防护和安全提出了更高的要求。在掘进机的后部应该家装更多的支护设施，其中一个就是钢管式护壁，另外可以安装更多的泡沫系统、注浆系统和混凝土速凝系统。此外，刀盘上几百个钻头和分裂棒也对电机系统有了更高的要求。

总体来说，新型的“硬岩滚筒式掘进机”采取了以下设计：掘进采用钢管式滚筒掘进器，其旋转和前进分别使用不同的动力传输系统，旋转采用传统的齿轮式，前进采取千斤顶顶压式。采用抛物线前突式刀盘，刀盘不再是粉碎设备而是防护固定设备，刀盘加装了上百个液压钻头和分裂棒。粉碎岩石使用分裂棒，采取了分层剥皮式劈裂；出渣采取螺旋式输送机和皮带传输相结合。掘进机头和掘进机的其它设施采取组装可拆卸式。所以，这种掘进机和传统盾构机，或者TBM完全不同。