適用于軟巖隧洞的 TBM 設(shè)備功能特性研究

楊宏欣

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

適用于軟巖隧洞的 TBM 設(shè)備功能特性研究

楊宏欣

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

文章通過全斷面硬巖掘進機（ 簡稱 TBM）在新疆達坂軟巖隧洞的工程實例，闡述了適用于軟巖隧洞開挖的 TBM 設(shè)備功能特性應(yīng)有良好的適應(yīng)性，TBM 選型和制定過程中應(yīng)確定合理的 TBM 掘進性能主要技術(shù)指標， 并考慮既要滿足多種復(fù)雜地質(zhì)條件、 與施工方案相匹配，也要符合工期、安全要求。

TBM 設(shè)備；軟巖隧洞；功能特性

在機械化掘進隧洞中，掘進機設(shè)備好壞是決定工程成敗的關(guān)鍵因素之一，工期、成本和質(zhì)量安全等在很大程度上都取決于 TBM 設(shè)備。眾所周知，TBM 掘進技術(shù)在硬巖掘進中具有較強的適應(yīng)性，而對軟巖,則對 TBM 設(shè)備功能特性進一步提出新的要求。本文以 TBM 在新疆達坂軟巖隧洞工程的成功應(yīng)用為例，闡述了適應(yīng)于多種復(fù)雜地層的超長距離的軟巖隧洞開挖的 TBM 設(shè)備應(yīng)具有良好、適應(yīng)性較強的功能特性。在選型與定制過程中，須充分考慮 TBM 掘進性能主要技術(shù)指標的合理性、TBM 設(shè)備功能和性能與地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應(yīng)、與施工方案相配套等關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 TBM 掘進性能主要設(shè)計指標的合理性

TBM 設(shè)備在選型和定制過程中，需根據(jù)工期要求、工程地質(zhì)、工程設(shè)計、施工工藝、不良地質(zhì)洞段的適應(yīng)性等多方面因素對 TBM 掘進性能提出合理要求，從而確定貫入度、純掘進速度、設(shè)備完好率、掘進作業(yè)利用率等 TBM 設(shè)備的主要技術(shù)指標。不同巖石條件下的 TBM 貫入度、純掘進速度、掘進作業(yè)利用率是衡量工程能否按期完成的重要依據(jù)，它的合理性與否決定了工程目標的實現(xiàn)。

根據(jù)工程地質(zhì)和工期要求，可要求設(shè)備制造商提供 TBM 在不同地質(zhì)條件下的貫入度或純掘進速度的參考值，對上述值進行評判是否滿足掘進速度要求。

設(shè)備完好率是一個主要取決于 TBM 設(shè)備制造商技術(shù)水平的性能參數(shù)。完好率越高，說明設(shè)備本身性能越好。設(shè)備選型和制定過程中可向 TBM制造商要求設(shè)備完好率達到 70%～90%。

掘進作業(yè)利用率是掘進時間占總施工時間的比例，利用率越高，掘進進尺就越高。為提高掘進作業(yè)利用率，在提高 TBM 設(shè)備完好率的同時,選型設(shè)計中還需考慮 TBM 掘進、支護、出渣等各個系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合，并加強施工組織管理。

2 TBM 主機及輔助設(shè)備的選型與地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性

2.1 安全可靠性

達坂隧洞工程 TBM 連續(xù)掘進距離長達約 23 km，為保證 TBM 在各種不良地質(zhì)條件下具有良好的安全可靠性、使用性能和配套系統(tǒng)，以實現(xiàn)TBM 持續(xù)掘進，在選型設(shè)計中確定： 主軸承、推進、支撐油缸、PLC 等 TBM 關(guān)鍵部件設(shè)計壽命；在油、氣、電、水等系統(tǒng)設(shè)計中使用變頻、液壓、PLC程序控制等先進技術(shù)；設(shè)置 VMT 自動導(dǎo)向系統(tǒng)，精確控制 TBM 掘進方向等。同時，為創(chuàng)造適宜、安全的施工作業(yè)環(huán)境實現(xiàn)人性化管理，TBM 選型和定制中應(yīng)考慮設(shè)置通風除塵裝置、有害氣體監(jiān)測裝置、安全通道、消防設(shè)施、應(yīng)急設(shè)備等。

2.2 適應(yīng)性

根據(jù)前期地質(zhì)勘測資料，達坂隧洞工程可能含有土洞、斷層破碎帶、煤系地層、富水涌水洞段、膨脹泥巖塑性變形段、大塌方段、極軟巖以及二疊系硬巖洞段等多種不良地質(zhì)洞段。在設(shè)備選型和定制過程中需全面考慮，TBM 主機與輔助設(shè)備的功能特性應(yīng)與多種地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)，如：刀盤設(shè)計和刀具配置既能適應(yīng)硬巖掘進，又能適應(yīng)軟巖掘進，且刀盤和刀具應(yīng)具有較高的耐磨性能；配置超前鉆機或錨桿鉆機，用于富水涌水洞段、斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段地質(zhì)預(yù)報工作和超前預(yù)加固工作；針對富水涌水洞段，TBM 考慮配置排水泵，超前鉆機、注漿設(shè)備用于超前地層加固堵水，電氣設(shè)備應(yīng)有良好的防水性能；針對膨脹泥巖塑性變形和塌方洞段，考慮刀盤采用封閉式設(shè)計，可設(shè)置擴挖刀，TBM 盾體結(jié)構(gòu)需有足夠的強度、剛度和推力、扭矩等能力儲備，結(jié)構(gòu)設(shè)計可做導(dǎo)洞開挖；撐靴壓力能根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整；針對煤系地層洞段，應(yīng)考慮設(shè)置瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),同時 TBM 二次通風的能力需充分考慮對瓦斯氣體的稀釋能力，并配置二次通風機、水泵、應(yīng)急發(fā)電機、應(yīng)急照明燈等防爆設(shè)備。

根據(jù)達坂隧洞前期勘探的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料中關(guān)于地層有關(guān)物理力學性質(zhì)參數(shù)、構(gòu)造、環(huán)境等多種因素，初步確定的刀盤貫入度、刀盤驅(qū)動功率、推進總推力、額定扭矩、脫困扭矩、轉(zhuǎn)速、徑向擴挖等 TBM 的主要掘進參數(shù)應(yīng)能滿足各種不良地質(zhì)條件的需求。

3 主機及后配套輔助設(shè)備的選型布置與施工方案的配套性

TBM 主機與后配套的輔助設(shè)備是與掘進機主機相匹配的，它們分別安裝在后配套臺車上，具體位置是從其本身的特性、安裝尺寸、重量及臺車平衡等方面綜合考慮。液壓系統(tǒng)安裝在臺車前部，盡量減少液壓管線的長度和管線壓力損失；電氣設(shè)備盡量與液壓、水系統(tǒng)設(shè)備分開布置，消除安全隱患；變壓器、控制柜、空壓機、應(yīng)急發(fā)電機等較重、大件設(shè)備的安裝除考慮安裝尺寸外，還考慮臺車的平衡性，根據(jù)主機和后配套輔助設(shè)備的重量在不同臺車底部增加了不同程度的配重；皮帶機處于后配套臺車的上部中心，為出碴運輸和混凝土管片運輸提供較大的空間。

TBM 主機及其后配套系統(tǒng)在選型和制定中需考慮與施工方案相配套，結(jié)合掘進、支護、出渣三大作業(yè)并行作業(yè)特點，對 TBM 掘進速度、管片安裝支護、皮帶運輸系統(tǒng)出渣能力、后配套臺車設(shè)施及軌道布置、列車渣料運輸能力以及相關(guān)施工設(shè)備設(shè)施的布置及性能要求進行系統(tǒng)的優(yōu)化配置與協(xié)調(diào)，考慮掘進速度與出渣能力是否匹配，掘進速度與支護能力是否匹配，材料運輸、回填灌漿、供水、供電、通風、除塵、軌道鋪設(shè)等與主機設(shè)計是否匹配。TBM 施工應(yīng)以掘進作業(yè)為核心，其它輔助系統(tǒng)配置不能延誤掘進作業(yè)。后配套系統(tǒng)需滿足掘進、支護、出渣所需的材料、供水、供電、通風、除塵等項要求，使整個 TBM 施工系統(tǒng)成為安全、快速和高效掘進的集成作業(yè)系統(tǒng)。

工程實踐表明，達坂軟巖隧洞 TBM 的總體設(shè)計、主要技術(shù)參數(shù)確定、支護設(shè)備的配置是科學合理的，TBM 設(shè)備適應(yīng)于軟巖隧洞的功能和特性即滿足了多種不良地質(zhì)條件的需求，符合工期要求，也與施工方案相匹配，為推動軟巖隧洞全斷面巖石掘進機設(shè)計與施工技術(shù)的進步提供借鑒。

［1］杜彥良，杜立杰，等.全斷面巖石隧道掘進機系統(tǒng)原理與集成設(shè)計［M］.武漢：華中科技大學出版社.

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