我国最大直径双模盾构机“大”有来头

  随着刀盘缓缓转动，我国最大直径双模盾构机“永安号”不久前正式从珠肇高铁圭峰山隧道顺利始发。全长15.15公里的圭峰山隧道是珠肇高铁全线控制性工程，“永安号”则是为珠肇高铁圭峰山隧道量身打造的超大直径双模盾构机。其开挖直径达到14.29米，约为5层楼高，总长117米，总重约4250吨，是目前我国最大直径双模盾构机。

  两种掘进模式灵活切换

  双模盾构机是指可以根据地质的软硬，分别采取土压模式或者全断面隧道掘进机（TBM）模式进行掘进的盾构机。中铁隧道局集团有限公司（以下简称中铁隧道局）珠肇高铁4标项目部总工程师曹伟明告诉记者，之所以要为圭峰山隧道量身定制双模盾构机，是因为圭峰山隧道地质条件的特殊性。隧道洞身主要穿越弱风化片麻岩，饱和抗压强度值约为60MPa；局部下穿强风化片麻岩，饱和抗压强度值约为3.5MPa，风化作用强烈，原岩结构大部分被破坏。两种截然不同的地质条件需要不同的掘进作业模式。

  作为一台兼具土压模式和TBM模式的双模式盾构机，“永安号”既具有岩石条件下快速掘进功能，又具有在软弱、破碎地层平衡开挖面的功能。相比单一模式掘进设备具有更广泛的地质适应性，能有效降低施工风险，克服了传统土压平衡盾构机在岩土地层掘进功效限制及TBM在软土、富水或破碎地层中不适应的缺点，使盾构技术与TBM技术相互渗透、融合，拓展了设备的地质适应能力。

  除了两种掘进模式灵活切换外，智能化程度高也是“永安号”的一大特点。“永安号”搭载的管片智能转运系统采用3D激光扫描、运行机构定位、PLC自动化控制、视频处理和视频切换、无线通讯等智能化技术，实现了管片吊机自动化运行。

  不仅如此，“永安号”还搭载了超前地质预报系统、滚刀状态监测系统、土仓可视化系统，可以进行地层感知。其螺机磨损检测、盾壳/盾尾间隙测量装置和渣土体积测量系统等能够进行设备感知，实现了设备在黑暗环境中掘进时岩机参数的互馈表达，指导设备安全施工。

  大直径带来大突破

  作为我国直径最大的双模盾构机，“大”给“永安号”研制带来不小的困难。一是随着盾构直径增大，开挖仓压力分布不均的概率增大，主轴承受到的载荷不均匀性将相应增加。同时，圭峰山隧道在进行全断面隧道掘进施工时，会加剧主机振动，导致主轴承密封失效风险概率增大。为解决这一难题，项目团队通过大量的案例调查和集中攻关，提出了一种组合型主驱动密封形式，并配置独立水冷系统，大大提高了主驱动的密封性和可靠性。

  超大直径的双模刀盘也给设计带来了难题。大直径双模刀盘既要保障TBM模式刀盘的高强度，同时也要兼顾土压模式的大开口率防止结泥饼。此外，由于盾构机直径增大后刀具运行轨迹也随之扩大，刀具磨损、损坏的概率和风险大大增加。项目团队通过构建刀盘与地质间切削磨损模型，基于刀盘切削能耗、切削效率和强度可靠性等性能评价指标，采用参数化设计方法，进行了刀盘拓扑结构和刀具布置优化设计，提出了偏TBM重型刀盘和防冲耐磨设计，解决了大直径硬岩掘进主工况双模刀盘设计难题。

  圭峰山隧道大部分段落埋深60米至70米，且为连续下坡掘进，带来了隧道涌水和螺机喷涌处理难题。针对这一痛点，项目团队提出针对性解决方案，设置了一种U型转渣装置。该装置具有一定的滤水能力，当发生螺机喷涌或出渣含水量较大时，转渣装置内的污水可通过真空泵排至污水箱中，粗渣通过转渣装置内二次螺机输送转运到连续皮带机，防止螺机喷涌造成隧道污染。