近日， 具有我国完全自主知产权的世界首台马蹄形盾构机中国中铁装备集团有限公司国TBM产业化基地下线， 我国盾机高端设备家族又增添了新成， 填补了相关领域的技术空白。下线后的马蹄形盾构机将在月底用于我国蒙西—华中煤运铁路 (以下简称 “蒙华铁路”) 陕西榆林段白城隧道施工中。

现实需求催生施工新法

常见的盾构机基本都是圆形， 而不是方形、 梯形或其他形状， 这与隧道的应力要求有关。“打隧道是要在山里掏一个洞， 掏洞就会破坏山体原有的应力结构。这个地方空了， 整个山都会向这里用力， 形成挤压。要防止不塌， 就要做防护。从力学的角度来说， 圆形防护受力是最匀的， 也最牢固。因此， 大家看的隧道基本都是圆形的。相应， 挖隧道的盾构机自然也就设计成圆形。” 中铁四局技术中心副主任施大震解释说。

但蒙华铁路不一样， 作为国内最大的运煤专线， 它是重载铁路， 因此隧道设计要求宽大， 也就是采用三心圆曲墙式断面(开挖断面圆弧为马蹄形状)， 以保证铁路隧道的空间要求。从施工的角度而言， 如果还使用传统的圆形盾构机来开挖白城隧道， 有这么几个问题： 一是开挖断面过大， 尤其是纵向直径太大， 对于隧道的安全防护、 山体的扰动都是问题。二是开挖的效率相对较低， 断面大了， 开挖方量和出土方量也就大了， 速度就慢很多。第三是隧道的空间利用率差。因为铁轨是铺在地上的， 最好是两边宽大， 上面低矮， 上部高度满足使用即可。圆形隧道是上下两边直径相同， 造成两侧要宽的地方不宽， 上下不要高的地方又太高， 空间浪费很大。

综合这几个问题来说， 蒙华铁路白城隧道要满足工期进度，必然需要催生一种新的施工工法。马蹄形盾构机应运而生。

刀盘组合方案十选一

据中铁四局工管中心副主任杨高传介绍， 异形盾构机算是特种设备， 制造起来困难颇多。一是因为市场需求小， 装备制造单位接触少， 不愿意去搞这个设计。二是不好生产， 没有现成的生产线， 要生产就要搭建新的生产线来满足要求。三是技术难度大， 风险高。

中铁四局和蒙华铁路蒙陕指挥部负责隧道施工的专家一行跑到中铁装备集团咨询马蹄形盾构机研发制造的问题。经过严密的内部论证后， 一个由中铁装备设计研究总院顶管所和结构所组成的研发团队成立了。

研发团队对白城隧道的断面进行了认真而细致的研究， 得出一个结论——实际上这个马蹄形盾构机设计最大的问题在于如何布置盾构机的刀盘。

圆形盾构机的刀盘是对称分布的， 驱动刀盘转动的发动机受力均匀， 滚刀回转轨迹也是圆形，能够有效地对隧道掌子面进行开挖， 既不会偏， 也不会卡。但马蹄形就不行了， 它的刀盘布置是不对称的， 不对称就意味着开挖过程会有死角， 这样不仅危险， 而且由于盾构机前端是封闭的， 处理死角难度非常大。

研发团队经过多次讨论， 最终决定通过改变盾构刀盘的排列位置和刀盘的大小， 来保证开挖效率和渣土搅拌效率。两名设计师最终拿出了 10种刀盘排列组合方案， 研发团队又经过多次集中论证， 最终确定了一种方案， 即采用 “上下对称、 左右对称” 的 9刀盘组合方式。

盾构机壳体的受力情况也是需要考虑的重点。以往常规盾构机壳体为圆柱形， 受力集中在圆心位置， 能够保证盾构壳体不变形。而马蹄形盾构机为异形盾构机， 外形不规则， 受力分散， 在强土压下极易发生变形， 这让设计师范磊等人大伤脑筋。

“是否可以从盾构机内部设计支撑结构， 来保证壳体刚度?”脑海里一闪念， 范磊他们赶紧付诸实践， 在盾构壳体内部加装了梁式、 箱体等结构， 并做了大量的机械结构有限元分析， 按照实际工况， 进行软件模拟， 对关键部件进行了一一比对、 优化， 盾构壳体的刚度和强度得到了有效保证。

经过长达 1年的论证、 研发和生产， 马蹄形盾构机终于成功下线。

盾构装备自主化智能化

马蹄形盾构机刀盘高 10.95米、 宽11.9米， 盾体采用梭式结构，双螺旋输送机出土。刀盘采用9个小刀盘共同组成一个马蹄形断面的创新组合方式， 可进行全断面切削; 刀盘布置采用 “前后错开， 左右对称” 的原则， 9个刀盘既可同时转动， 也可单个转动、 任意组合转动、 不同方向转动， 有调试、 掘进、 维保3种模式可供选择; 当盾构机发生滚转时， 可通过多个刀盘同向转动使盾构获得反方向的扭矩， 以达到滚转纠偏的目的。

“较之传统盾构机， 异形盾构机不仅是断面的 ‘变形’， 更实现了工法、 技术的 ‘变形’。马蹄形盾构工法在铁路山岭软土隧道领域首次运用， 它能够最大程度提高隧道空间利用率， 较圆形截面减少 10%—15%的开挖面积， 是全球首创的隧道新型开挖模式。设备的成功研制， 将形成具有我国自主知识产权的超大断面马蹄形盾构设计和施工技术， 实现异形盾构装备的自主化和智能化，为我国高端设备进军国际市场提供强有力的工程示范。” 中铁装备集团总经理谭顺辉说。(江龙余 陈龙 文/图)