浅析几种特殊盾构隧道施工中的新工法

      随着科学技术的不断发展与进步，各种工程建设对于技术的要求也越来越高，原有的盾构技术必然需要朝着能适应更复杂的施工环境、能更有效地解决工程问题的方向发展。目前我国已经在不断开展的盾构隧道施工过程中形成了新的功法，并且发展到了一定的水平。本文主要就我国盾构技术的发展历程出发进行探讨，详细分析目前我国盾构隧道施工中出现的几种新工法。

一、我国盾构技术发展历程

      从20世纪50年代起我国就开展针对盾构技术开展相关研究，但是受缚于很多因素，一直都没能取得突破性的发展，基本上所有的盾构机设备都是从德国与日本进口。这种情况一直持续到20世纪90年代，我国通过自主研发研制出了挤压式与气压式盾构，在土压平衡盾构以及泥水加压盾构领域着重进行研究，取得了一定的进展。为了更好地满足国内盾构的需求，盾构技术被科技部在2001年纳入国家“863”计划，借助国家的政策性保障，鼓励国产盾构设备的自主研发。我国第一台拥有自主知识产权的盾构机在2004年被上海隧道工程股份有限公司和中铁隧道集团有限公司设计制造出来，被命名为先行号，它主要应用于软土地层，属于土压平衡盾构机，已经达到世界水平。随后我国首台复合式盾构机在2008年4月下线，打破我国盾构机制造技术一直由外国企业垄断的局面。自此我国盾构技术不断发展，“大直径泥水平衡盾构及复合型盾构”、盾构机生产线、世界最大的泥水气压平衡复合式盾构机“天和一号”等都陆续面世，彰显了我国在盾构技术领域的技术性突破，加快了我国盾构技术本土化的发展进程。

二、目前集几种特殊盾构技术

1.MF盾构法

      MF（Multi Face）盾构法主要借助多个圆形断面存在的部分错位重合开展施工，能够同时进行多个圆形断面的挖掘作业。从有效面积来说，MG 盾构法比单元断面来说更为经济，具有更高的性价比。在作业过程中将不同的圆形断面进行重合可以挖掘不同断面形式的隧道，在进行具体规划时，表现出更多的灵活特性。上下空间受限制的情况下，则可选择横向叠合式。一般来说MF盾构法主要应用于地铁车站、地下停车场等有大断面隧道的工程中。MF盾构法具有以下特点：

（1）由于MF盾构法以圆形为基本的结构形式，因此挖掘的隧道具有明显的圆形断面相关力学特点；

（2）在开挖过程中借助多个圆形断面叠合作业，用最小的开挖量获得最大的断面，效率更高；

（3）在进行隧道规划时，如果地下空间有限，可使用MF盾构法。MF盾构法分为横向和纵向2种，一般来说在地铁车站以及地铁的机务区段更适合横向多圆盾构法；

（4）在选择进行泥水盾构还是土压盾构时，需要根据具体的施工环境以及施工土质的实际情况做决定；

（5）MF盾构借助多个具有相对独立性的圆形断面进行作业，可以根据不同的情况进行调整；

（6）在作业过程中可以在对刀盘进行转速和转向调整的基础上，借助反力来把控盾构的姿态，更方便进行纠偏。

2.偏心多轴盾构法

      顾名思义，偏心多轴盾构有多根主轴，在与主轴垂直的方向有一组固定的曲柄轴，上面安装刀架，当主轴刀架运转过程中会产生圆弧运动，而隧道挖掘时的断面形状与刀架的形状一致，因此在实际作业过程中，可以根据设计的需要决定安装的刀架采用圆形还是矩形或者是马蹄型。偏心多轴盾构具有以下特点：

（1）可以根据将要挖掘的隧道断面的需求来选择刀架形状，一般情况下任意断面隧道都能进行挖掘作业；

（2）因为刀架转动的实际半径比较小，只需要比较小的驱动扭矩就能转动刀架，同时由于刀架由多个转动轴同时驱动，还具有紧凑、易拆、易装的特点，更适合应用于大面积断面隧道的挖掘；

（3）刀架上的道具行走距离并不大，从刀片的磨损层面来看，与一般的盾构相比，可以挖掘更远的距离，因此多用于长距离隧道挖掘作业；

（4）由于刀架配备的驱动装置不大，在盾构机内部有着更大的操作空间，在实际作业中可以根据需要配置土体改良设备，在土质条件差、曲率半径小等施工环境下可以堆土体进行改良；

（5）如果在刀架上安装十字形交叉式刀片的话，可以进行全方位挖掘作业，甚至能够对大碎石以及混凝土墙进行碎裂作业。

3.自由断面盾构法

      自由断面盾构法主要是在主刀盘外配置多个小型的行星刀盘，当主导盘进行旋转时，行星刀盘也会发生自转，同时还会围绕主刀盘进行公转，行星刀盘的扇动臂扇动实际角度决定行星刀盘的公转轨道，在实际作业中，通过对扇动臂的调整可以挖掘马蹄形、椭圆形、方形等各种非圆形的隧道。一般来说，这种施工方法更适合需要穿越已存在管线与水道的中小型地下空间收到限制的隧道工程。自由断面盾构法具有以下特点：

（1）适用于各种非圆形断面隧道，尤其适用于地下空间受到限制的工程；

（2）能够根据具体的作业目的进行断面选择，比如在挖掘公路、铁路隧道时可以选择马蹄形断面，矩形断面更适用于电力管线等隧道作业中；

（3）挖掘出的隧道断面最大尺寸比有限制，一般椭圆形为1.5:1.0，矩形为1.2:1.0，而马蹄则是1.35:1.0；

（4）一般来说行星刀盘上的刀具都是按梅花样式排列，利用计算机精确控制扇动臂的角度。

4.球体盾构法

      目前在实际作业中使用的球体盾构功法有 3 种。

（1）纵横式连续推进球体盾构

      纵横式球体盾构不仅能够完成竖向工作井的挖掘，还能开展横向隧道挖掘，它在纵向的主机内放置了一个能够旋转地球体，而球体内部又有一台能够横向挖掘隧道的短盾构，借助驱动轴对球体进行控制。当横向的盾构主体刀盘安装好一个环状的挖掘刀具，就可以同时完成两种无论是作业方向还是功能大小都不一样的地下空间，需要注意的是，竖向工作井在挖掘工作结束后装置的环状刀具会脱落，残留在土中。

（2）横横式连续推进球体盾构

      横横式球体盾构的工作原理与纵横式球体盾构类似，不同的是它主要是在同水平面开展直角方向的挖掘作业，当需要在十字路口或者地下存在很多管线无法进行竖向作业时可以采用这种施工方式。

（3）长距离开挖球体盾构

      长距离开挖球体盾构作业时摆脱了时间与空间的约束，作业成本更低，更适用于工期宽松、不需要进行换气井设置的距离比较长的下水道作业。

三、结语

      虽然我国的盾构隧道施工技术已经获得了显著的发展，能够独立制造自己的盾构设备，并且综合技术已经达到世界领先水平，但是从整体上来看，我国的盾构技术在隧道施工层面还存在很大欠缺，与发达国家相比依然存在差距，还需要不断进行技术创新，以满足工程复杂性、确保工程安全性、提高施工效率为目标不断发展。