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隨著刀盤緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)，我國最大直徑雙模盾構(gòu)機(jī)“永安號”不久前正式從珠肇高鐵圭峰山隧道順利始發(fā)。全長15.15公里的圭峰山隧道是珠肇高鐵全線控制性工程，“永安號”則是為珠肇高鐵圭峰山隧道量身打造的超大直徑雙模盾構(gòu)機(jī)。其開挖直徑達(dá)到14.29米，約為5層樓高，總長117米，總重約4250噸，是目前我國最大直徑雙模盾構(gòu)機(jī)。
兩種掘進(jìn)模式靈活切換
雙模盾構(gòu)機(jī)是指可以根據(jù)地質(zhì)的軟硬，分別采取土壓模式或者全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）模式進(jìn)行掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)。中鐵隧道局集團(tuán)有限公司（以下簡稱中鐵隧道局）珠肇高鐵4標(biāo)項(xiàng)目部總工程師曹偉明告訴記者，之所以要為圭峰山隧道量身定制雙模盾構(gòu)機(jī)，是因?yàn)楣绶迳剿淼赖刭|(zhì)條件的特殊性。隧道洞身主要穿越弱風(fēng)化片麻巖，飽和抗壓強(qiáng)度值約為60MPa；局部下穿強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，飽和抗壓強(qiáng)度值約為3.5MPa，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞。兩種截然不同的地質(zhì)條件需要不同的掘進(jìn)作業(yè)模式。
作為一臺(tái)兼具土壓模式和TBM模式的雙模式盾構(gòu)機(jī)，“永安號”既具有巖石條件下快速掘進(jìn)功能，又具有在軟弱、破碎地層平衡開挖面的功能。相比單一模式掘進(jìn)設(shè)備具有更廣泛的地質(zhì)適應(yīng)性，能有效降低施工風(fēng)險(xiǎn)，克服了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在巖土地層掘進(jìn)功效限制及TBM在軟土、富水或破碎地層中不適應(yīng)的缺點(diǎn)，使盾構(gòu)技術(shù)與TBM技術(shù)相互滲透、融合，拓展了設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)能力。
除了兩種掘進(jìn)模式靈活切換外，智能化程度高也是“永安號”的一大特點(diǎn)?！坝腊蔡枴贝钶d的管片智能轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)采用3D激光掃描、運(yùn)行機(jī)構(gòu)定位、PLC自動(dòng)化控制、視頻處理和視頻切換、無線通訊等智能化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了管片吊機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行。
不僅如此，“永安號”還搭載了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、滾刀狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、土倉可視化系統(tǒng)，可以進(jìn)行地層感知。其螺機(jī)磨損檢測、盾殼/盾尾間隙測量裝置和渣土體積測量系統(tǒng)等能夠進(jìn)行設(shè)備感知，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備在黑暗環(huán)境中掘進(jìn)時(shí)巖機(jī)參數(shù)的互饋表達(dá)，指導(dǎo)設(shè)備安全施工。
大直徑帶來大突破
作為我國直徑最大的雙模盾構(gòu)機(jī)，“大”給“永安號”研制帶來不小的困難。一是隨著盾構(gòu)直徑增大，開挖倉壓力分布不均的概率增大，主軸承受到的載荷不均勻性將相應(yīng)增加。同時(shí)，圭峰山隧道在進(jìn)行全斷面隧道掘進(jìn)施工時(shí)，會(huì)加劇主機(jī)振動(dòng)，導(dǎo)致主軸承密封失效風(fēng)險(xiǎn)概率增大。為解決這一難題，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過大量的案例調(diào)查和集中攻關(guān)，提出了一種組合型主驅(qū)動(dòng)密封形式，并配置獨(dú)立水冷系統(tǒng)，大大提高了主驅(qū)動(dòng)的密封性和可靠性。
超大直徑的雙模刀盤也給設(shè)計(jì)帶來了難題。大直徑雙模刀盤既要保障TBM模式刀盤的高強(qiáng)度，同時(shí)也要兼顧土壓模式的大開口率防止結(jié)泥餅。此外，由于盾構(gòu)機(jī)直徑增大后刀具運(yùn)行軌跡也隨之?dāng)U大，刀具磨損、損壞的概率和風(fēng)險(xiǎn)大大增加。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)通過構(gòu)建刀盤與地質(zhì)間切削磨損模型，基于刀盤切削能耗、切削效率和強(qiáng)度可靠性等性能評價(jià)指標(biāo)，采用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和刀具布置優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了偏TBM重型刀盤和防沖耐磨設(shè)計(jì)，解決了大直徑硬巖掘進(jìn)主工況雙模刀盤設(shè)計(jì)難題。
圭峰山隧道大部分段落埋深60米至70米，且為連續(xù)下坡掘進(jìn)，帶來了隧道涌水和螺機(jī)噴涌處理難題。針對這一痛點(diǎn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)提出針對性解決方案，設(shè)置了一種U型轉(zhuǎn)渣裝置。該裝置具有一定的濾水能力，當(dāng)發(fā)生螺機(jī)噴涌或出渣含水量較大時(shí)，轉(zhuǎn)渣裝置內(nèi)的污水可通過真空泵排至污水箱中，粗渣通過轉(zhuǎn)渣裝置內(nèi)二次螺機(jī)輸送轉(zhuǎn)運(yùn)到連續(xù)皮帶機(jī)，防止螺機(jī)噴涌造成隧道污染。
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