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隨著刀盤緩緩轉動，我國最大直徑雙模盾構機“永安號”不久前正式從珠肇高鐵圭峰山隧道順利始發。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機。其開挖直徑達到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機。
兩種掘進模式靈活切換
雙模盾構機是指可以根據地質的軟硬，分別采取土壓模式或者全斷面隧道掘進機（TBM）模式進行掘進的盾構機。中鐵隧道局集團有限公司（以下簡稱中鐵隧道局）珠肇高鐵4標項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機，是因為圭峰山隧道地質條件的特殊性。隧道洞身主要穿越弱風化片麻巖，飽和抗壓強度值約為60MPa；局部下穿強風化片麻巖，飽和抗壓強度值約為3.5MPa，風化作用強烈，原巖結構大部分被破壞。兩種截然不同的地質條件需要不同的掘進作業模式。
作為一臺兼具土壓模式和TBM模式的雙模式盾構機，“永安號”既具有巖石條件下快速掘進功能，又具有在軟弱、破碎地層平衡開挖面的功能。相比單一模式掘進設備具有更廣泛的地質適應性，能有效降低施工風險，克服了傳統土壓平衡盾構機在巖土地層掘進功效限制及TBM在軟土、富水或破碎地層中不適應的缺點，使盾構技術與TBM技術相互滲透、融合，拓展了設備的地質適應能力。
除了兩種掘進模式靈活切換外，智能化程度高也是“永安號”的一大特點。“永安號”搭載的管片智能轉運系統采用3D激光掃描、運行機構定位、PLC自動化控制、視頻處理和視頻切換、無線通訊等智能化技術，實現了管片吊機自動化運行。
不僅如此，“永安號”還搭載了超前地質預報系統、滾刀狀態監測系統、土倉可視化系統，可以進行地層感知。其螺機磨損檢測、盾殼/盾尾間隙測量裝置和渣土體積測量系統等能夠進行設備感知，實現了設備在黑暗環境中掘進時巖機參數的互饋表達，指導設備安全施工。
大直徑帶來大突破
作為我國直徑最大的雙模盾構機，“大”給“永安號”研制帶來不小的困難。一是隨著盾構直徑增大，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增加。同時，圭峰山隧道在進行全斷面隧道掘進施工時，會加劇主機振動，導致主軸承密封失效風險概率增大。為解決這一難題，項目團隊通過大量的案例調查和集中攻關，提出了一種組合型主驅動密封形式，并配置獨立水冷系統，大大提高了主驅動的密封性和可靠性。
超大直徑的雙模刀盤也給設計帶來了難題。大直徑雙模刀盤既要保障TBM模式刀盤的高強度，同時也要兼顧土壓模式的大開口率防止結泥餅。此外，由于盾構機直徑增大后刀具運行軌跡也隨之擴大，刀具磨損、損壞的概率和風險大大增加。項目團隊通過構建刀盤與地質間切削磨損模型，基于刀盤切削能耗、切削效率和強度可靠性等性能評價指標，采用參數化設計方法，進行了刀盤拓撲結構和刀具布置優化設計，提出了偏TBM重型刀盤和防沖耐磨設計，解決了大直徑硬巖掘進主工況雙模刀盤設計難題。
圭峰山隧道大部分段落埋深60米至70米，且為連續下坡掘進，帶來了隧道涌水和螺機噴涌處理難題。針對這一痛點，項目團隊提出針對性解決方案，設置了一種U型轉渣裝置。該裝置具有一定的濾水能力，當發生螺機噴涌或出渣含水量較大時，轉渣裝置內的污水可通過真空泵排至污水箱中，粗渣通過轉渣裝置內二次螺機輸送轉運到連續皮帶機，防止螺機噴涌造成隧道污染。
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