高黎貢山鐵路隧道彩云號TBM的創(chuàng)新性設(shè)計與應(yīng)用

謝成濤， 趙海雷, 2

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 510000； 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備，在我國已廣泛應(yīng)用于鐵路、水利水電、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM的優(yōu)點為可實現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè)，其掘進(jìn)速度一般為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動力等優(yōu)點，特別適合于深埋長隧道的施工[2-5]。敞開式TBM主要是針對硬巖施工設(shè)計的，一般適用于地質(zhì)條件相對單一的中硬巖長大隧道，對斷層、構(gòu)造發(fā)育、節(jié)理密集帶、巖爆以及突泥涌水等不良地層適應(yīng)性較差，因此，需要針對不良地層進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計，以便TBM能夠順利的通過[6-10]。

針對TBM的創(chuàng)新性設(shè)計及應(yīng)用，許多專家學(xué)者做了相關(guān)的研究。洪開榮等[11]總結(jié)了我國硬巖掘進(jìn)機(jī)的創(chuàng)新與實踐，并指出其在核心技術(shù)上與國外仍有一定的差距。杜立杰[12]總結(jié)了我國近30年來TBM設(shè)計與施工技術(shù)的發(fā)展歷程，并針對其施工中遇到的不良地質(zhì)條件提出了相應(yīng)的技術(shù)措施與對策，期望通過對這些技術(shù)措施和對策的進(jìn)一步驗證，不斷積累和創(chuàng)新TBM設(shè)計與施工技術(shù)。文獻(xiàn)[13]論述了盾構(gòu)和TBM技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，并重點研究了當(dāng)今某些特殊工程條件下，在設(shè)備上所做的創(chuàng)新。林剛等[14]研究了改良型護(hù)盾式TBM在城市軌道交通工程中的應(yīng)用，改良后的TBM具有“敞開式”與“土壓平衡式”2種掘進(jìn)模式。李宏波等[15]以TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗臺搭載的不同刀具為研究對象，將聲發(fā)射檢測、自適應(yīng)卡爾曼濾波和一種改進(jìn)的信息熵值賦權(quán)模型應(yīng)用于TBM刀具狀態(tài)評估和檢測中，研究了一種新型TBM刀具磨損檢測技術(shù)。

以上研究分別從宏觀方面或單一方面闡述了TBM的創(chuàng)新與實踐，且未提供針對多種復(fù)雜地質(zhì)情況并存的具體解決案例。本研究針對高黎貢山隧道工程復(fù)雜的地質(zhì)條件開展了創(chuàng)新性設(shè)計，實現(xiàn)了變截面可抬升開挖技術(shù)，突破了前置式自動化混噴技術(shù)、隱藏式常態(tài)化超前鉆探技術(shù)及水巖一體超前預(yù)報技術(shù)，并在不良地質(zhì)掘進(jìn)段進(jìn)行了實踐應(yīng)用，以期為同類地質(zhì)條件TBM設(shè)計與應(yīng)用提供經(jīng)驗。

1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道是中國第一鐵路長隧，全長34.538 km，隧道最大埋深1 155 m，位于喜馬拉雅地震帶，受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓，地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜。不良地質(zhì)條件主要有高地溫、軟巖大變形、涌水、斷層破碎帶、巖爆、巖溶、蝕變巖及節(jié)理密集帶、活動斷裂帶、高烈度地震帶、放射性物質(zhì)、有害氣體、滑坡、偏壓等，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質(zhì)和重大風(fēng)險，堪稱隧道建設(shè)“地質(zhì)博物館”。

高黎貢山隧道出口正洞和平導(dǎo)施工段分別采用開挖直徑為9.03 m的“彩云號”和開挖直徑為6.36 m的“彩云1號”敞開式TBM施工。正洞TBM計劃掘進(jìn)長度12 546 m，截至目前累計掘進(jìn)2 400 m，其中,設(shè)計Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比52%，實際揭示占比為58%?！安试铺枴盩BM施工以來，先后2次通過巖性接觸帶，3次通過節(jié)理密集切割破碎帶，1次通過斷層破碎帶等，發(fā)生過1次涌水。高黎貢山隧道TBM施工段如圖1所示，高黎貢山隧道正洞創(chuàng)新設(shè)計的“彩云號”敞開式TBM如圖2所示。

圖1 高黎貢山隧道TBM施工段示意圖(單位： m)

圖2高黎貢山隧道正洞用國產(chǎn)第一大直徑“彩云號”TBM

Fig. 2 The largest diameter TBM Caiyun made in China for Gaoligongshan Tunnel

2 針對收斂地層的刀盤可抬升變截面開挖技術(shù)

2.1 刀盤變截面設(shè)計

目前，敞開式TBM變截面施工有2種可行的方式： 更換刀盤邊塊和增加邊刀墊塊。

更換邊塊刀盤采用4+1的分塊形式、后配套設(shè)計預(yù)留新邊塊運(yùn)輸至主機(jī)段的空間。需要變截面擴(kuò)挖時，首先人工將刀盤區(qū)域洞室擴(kuò)大，安裝吊具及吊點，將原邊塊依次拆除運(yùn)輸?shù)蕉赐?，再安裝新邊塊，實現(xiàn)變截面擴(kuò)挖。該方法的變徑范圍大，可實現(xiàn)較大直徑的變截面，但存在操作復(fù)雜、更換邊塊費(fèi)用高、費(fèi)時費(fèi)力的缺點。

增加邊刀墊塊指通過在刀盤邊刀外增加墊塊，將邊刀外移，實現(xiàn)刀盤變徑。正常掘進(jìn)時，能保持主機(jī)向上掘進(jìn)姿勢，實現(xiàn)主機(jī)不因為底部擴(kuò)挖而“栽頭”。該方法操作相對簡單靈活，只需將邊刀重新安裝，不需要人工對隧道進(jìn)行大范圍擴(kuò)挖，費(fèi)用較低，只需備1套墊塊，擴(kuò)挖操作時所需人力與時間均較少。

高黎貢山隧道蝕變巖段有擴(kuò)挖的需求，但距離較短、擴(kuò)挖量較小，因此，采用了增加邊刀墊塊的設(shè)計方案，實現(xiàn)了半徑方向50～100 mm的擴(kuò)挖。

2.2 驅(qū)動抬升設(shè)計

2.2.1 設(shè)計方案

TBM要實現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)挖，在刀盤變直徑的同時需要抬升驅(qū)動系統(tǒng)，防止刀盤直徑變大后機(jī)器下沉。TBM底護(hù)盾與機(jī)頭架之間是通過螺栓進(jìn)行剛性連接的。若需要變直徑開挖，首先需拆除底護(hù)盾與機(jī)頭架之間的連接螺栓，通過舉升油缸將機(jī)頭架抬起一定高度，在機(jī)頭架與底護(hù)盾之間填裝相應(yīng)厚度的鋼板，最后將機(jī)頭架與底護(hù)盾重新剛性連接，如圖3所示。

圖3 驅(qū)動抬升裝置示意圖

2.2.2 底護(hù)盾受力分析

具備抬升功能的底護(hù)盾有3種工況： 正常掘進(jìn)工況、后退工況、機(jī)頭架抬升工況，工況不同底護(hù)盾受力不同。底護(hù)盾承擔(dān)約70%的主機(jī)質(zhì)量，底護(hù)盾與圍巖發(fā)生相對滑動時，圍巖對底護(hù)盾有摩擦力f。TBM主機(jī)總質(zhì)量約1 000 t，取盾體與圍巖摩擦因數(shù)為0.5。通過有限元模型分析底護(hù)盾受力情況如下：

1)正常掘進(jìn)工況下，最大應(yīng)力為103 MPa，底護(hù)盾材質(zhì)為Q345，設(shè)計安全余量滿足要求，見圖4。

圖4 正常掘進(jìn)工況受力分析結(jié)果(單位： Pa)

Fig. 4 Analysis of force under normal driving condition (unit: Pa)

2)后退工況下，最大應(yīng)力為100 MPa，平均應(yīng)力在60 MPa以下，底護(hù)盾材質(zhì)為Q345，設(shè)計安全余量滿足使用要求，見圖5。

圖5 后退工況受力分析結(jié)果(單位： Pa)

Fig. 5 Analysis of force under backward working condition (unit: Pa)

3)機(jī)頭架抬升工況，最大應(yīng)力約為72 MPa，最大應(yīng)力集中在油缸底座處，遠(yuǎn)小于Q345屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求，見圖6。

圖6 機(jī)頭架抬升工況受力分析結(jié)果(單位： Pa)

Fig. 6 Analysis of force under cutterhead frame lifting condition (unit: Pa)

基于以上3種工況的模擬分析可知，正洞TBM的變截面可抬升開挖設(shè)計滿足現(xiàn)場需求。

2.3 使用情況

截至目前，正洞TBM掘進(jìn)超過2 km，暫未遇到大的收斂變形洞段，變截面可抬升開挖技術(shù)還未得到具體的應(yīng)用。

3 前置式自動化混噴技術(shù)

3.1 設(shè)計方案

TBM通過不良地層時，為了減少出護(hù)盾后圍巖的坍塌與收斂，在主機(jī)盾尾鋼拱架撐緊裝置處設(shè)計濕噴機(jī)械手及時封閉圍巖。通過結(jié)構(gòu)及空間優(yōu)化，在鋼拱架撐緊機(jī)構(gòu)上增加圓弧軌道及齒條,行走小車通過齒輪齒條嚙合沿圓弧軌道270°范圍內(nèi)行走。濕噴噴嘴安裝在小車上，噴嘴與洞壁的間距可調(diào)節(jié)。

L1區(qū)濕噴料采用接力方式泵送(見圖7)，通過L2區(qū)混噴泵將濕噴料輸送至設(shè)備橋右側(cè)2臺混凝土輸送泵中，再通過設(shè)備橋右側(cè)輸送泵，將混凝土泵送至L1區(qū)濕噴噴嘴(見圖8)。L1區(qū)自動化混噴裝置設(shè)計效果如圖7所示。

圖7 前置式自動化混噴裝置

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用與反饋

3.2.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

截至目前，正洞TBM累計掘進(jìn)2 400 m，其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比實際達(dá)到58%，隧道圍巖相對較破碎，給TBM掘進(jìn)帶來了極大的挑戰(zhàn)。期間，曾試用了L1區(qū)自動化混噴裝置，其為TBM快速通過斷層破碎帶提供了較大的幫助，有利于初露護(hù)盾的圍巖及時封閉，為初期支護(hù)爭取了更長的時間，但是也發(fā)現(xiàn)了存在的一些問題。

3.2.2 現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題

前置式自動化混噴裝置濕噴料采用接力方式泵送混凝土，由于L2區(qū)混噴泵距設(shè)備橋混凝土輸送泵遠(yuǎn)(大于70 m)，如圖8所示，容易造成賭管，導(dǎo)致不能連續(xù)噴混，影響使用效果。另外，L1區(qū)機(jī)械手噴頭與巖壁距離不足(80 cm)，回彈量大。

圖8 L2區(qū)混噴泵距設(shè)備橋接力泵距離示意圖

3.2.3 優(yōu)化設(shè)計

1)優(yōu)化混凝土輸送泵位置,如圖9所示。以下2種方案選其一進(jìn)行。優(yōu)化位置1： 將設(shè)備橋混凝土2#輸送泵向后移至設(shè)備橋上層平臺，L1與L2區(qū)混凝土輸送泵管路總長約為57 m，可縮短18.8 m。優(yōu)化位置2： 將設(shè)備橋混凝土2#輸送泵向后移至設(shè)備橋左下平臺，L1與L2區(qū)混凝土輸送泵管路總長度約為52 m，可縮短23.8 m。

圖9 優(yōu)化混凝土輸送泵位置示意圖

2)優(yōu)化混凝土輸送管路直徑。目前混凝土輸送管路采用DIN65，混凝土沿程阻力大，將管徑優(yōu)化為DIN80，增加混凝土輸送距離。

3)噴嘴與巖壁間的距離增加到1 m。

4)優(yōu)化混凝土的配比，提高骨料質(zhì)量。

3.2.4 優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用效果

針對以上優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了效果驗證，使用過程中發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問題： 1)優(yōu)化后賭管問題雖然有所減輕但仍然存在，導(dǎo)致不能連續(xù)噴混，影響工作效率； 2)增加噴嘴與巖壁的距離，回彈量縮小至原來的40%，但仍不太理想，還有很大的提升空間。

4 隱藏式常態(tài)化超前鉆探技術(shù)

4.1 設(shè)計方案

以往TBM上使用的超前鉆機(jī)與錨桿鉆機(jī)共用軌道，超前鉆機(jī)使用時安裝，不使用時拆除，準(zhǔn)備工作耗時耗力。高黎貢山TBM施工時，為了避免超前鉆機(jī)安裝與拆除對工期的耽誤，為超前鉆機(jī)設(shè)計了單獨的軌道，且采用隱藏式設(shè)計，超前鉆機(jī)不使用時隱藏在主梁上部，不影響其他作業(yè)。

隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計示意圖和實物圖分別如圖10和圖11所示，在主梁平臺下部單獨設(shè)計了超前鉆機(jī)、推進(jìn)梁及環(huán)形齒圈梁。超前鉆機(jī)泵站與L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)共用。正常掘進(jìn)時超前鉆機(jī)隨1段齒圈軌道梁暗藏于主梁平臺下方，兩側(cè)分別固定2段齒圈軌道梁，需要超前鉆孔作業(yè)時，通過兩側(cè)油缸將超前鉆機(jī)及齒圈軌道梁一同升起并與兩側(cè)齒圈梁連接，可形成一整齒圈環(huán)。超前鉆機(jī)可沿著齒圈梁以7°的外插角行走1圈，用于超前鉆孔作業(yè)，并可配合超前注漿設(shè)備，輔助進(jìn)行刀盤前方圍巖的超前支護(hù)。

圖10 隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計示意圖

圖11 隱藏式超前鉆機(jī)實物圖

4.2 現(xiàn)場應(yīng)用

4.2.1 應(yīng)用效果

截至目前，正洞TBM施工以來，先后2次通過巖性接觸帶，3次通過節(jié)理密集切割破碎帶，1次通過斷層破碎帶，發(fā)生過1次涌水。為防止圍巖坍塌，通過隱藏式超前鉆機(jī)對掌子面圍巖進(jìn)行超前鉆孔(如圖12所示)，然后結(jié)合超前管棚與超前預(yù)注漿對前方巖體進(jìn)行加固，取得了良好的應(yīng)用效果，使TBM比較順利地通過了小的斷層破碎帶等不良地質(zhì)，但TBM掘進(jìn)至D1K224+204處時，遇上了較大的斷層，發(fā)生了卡機(jī)事故，最后經(jīng)過護(hù)盾周邊加固、刀盤前方徑向注漿、小導(dǎo)洞施工輔以人工清理的方法得以脫困。

圖12 TBM超前鉆機(jī)工作圖

4.2.2 應(yīng)用存在的問題

1)隱藏齒圈段升起后與兩側(cè)齒圈跑道稍有錯位；

2)管路連接影響效率，準(zhǔn)備時間需要2～3 h；

3)第1根鉆桿鉆進(jìn)時開孔困難。

4.2.3 優(yōu)化設(shè)計

1)需要進(jìn)行超前鉆探作業(yè)時，可事先利用錨桿鉆機(jī)在需要超前鉆機(jī)進(jìn)行開孔的位置鑿出凹坑，減少超前鉆頭開孔時的偏載力，具體如圖13所示；

2)割除對齒圈干涉嚴(yán)重部分；

3)配置鉆桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；

4)將超前鉆機(jī)油路與錨桿鉆機(jī)油路通過增加三通和球閥進(jìn)行連接，縮短使用時管路連接時間。

圖13 錨桿鉆機(jī)輔助開孔優(yōu)化方案

Fig.13Optimumschemeforauxiliaryopeningofboltdrillingmachine

5 水巖一體超前預(yù)報技術(shù)

5.1 集成設(shè)計

為了應(yīng)對高黎貢山復(fù)雜的地質(zhì)情況，“彩云號”TBM上集成了HSP法、三維地震法、激發(fā)極化法等超前地質(zhì)預(yù)報方法，并結(jié)合集成以外的TSP超前預(yù)報方法，綜合探測前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)，具體集成如圖14所示。

為方便操作手掌握前方地質(zhì)狀況，在TBM主控室內(nèi)集成超前探測控制系統(tǒng)，并單獨設(shè)置超前探測控制單元及顯示屏，以便實時探測，如圖15所示。

圖14超前預(yù)報系統(tǒng)集成方案

Fig. 14 Integration scheme of advance prediction system

圖15 超前預(yù)報系統(tǒng)集成設(shè)計

5.2 應(yīng)用效果

HSP對正洞探測11次共計929 m，共預(yù)報異常段25處，聚類為21個異常段，其中包含4個重要異常段和17個小型異常段，如圖16所示。地質(zhì)揭露4個重要異常段和11個小型異常段，4個重要異常段無遺漏，僅6個較小異常HSP法未顯示。整體來看HSP的預(yù)測準(zhǔn)確度較高，能夠給現(xiàn)場預(yù)測提供很大的幫助。

TSP施作8次，共計探測917 m，單次搭接0～50 m，但因現(xiàn)場有3次搭接長度不足，探測盲區(qū)總長為69 m。對正洞TSP探測結(jié)果與實際揭示進(jìn)行對比分析，TSP探測異常共計39處，現(xiàn)場揭示與預(yù)測相符區(qū)段有27處，正洞TSP探測與實際相符的段落里程共計689 m，占TSP總預(yù)報里程長度的75.1%，結(jié)果如圖17所示，其中紅色圓圈標(biāo)記為探測結(jié)果與實際揭示重大差異段。

圖16 HSP超前預(yù)報結(jié)果統(tǒng)計

圖17 TSP超前預(yù)報結(jié)果統(tǒng)計

集成探測儀器系統(tǒng)完成調(diào)試和測試后，三維地震法和激發(fā)極化法共施作超前預(yù)報13次，累計880 m，其中地震探測7次(預(yù)報長度654 m)，激發(fā)極化探測累計6次(預(yù)報長度180 m)。通過與開挖揭露對比，隧道施工范圍內(nèi)大型不良地質(zhì)體無遺漏，探明了掌子面前方賦存的斷層、破碎帶、含水體等不良地質(zhì)，如圖18所示。

實踐表明，通過HSP、三維地震波、激發(fā)激化以及TSP等超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的相互印證，掌子面前方的水文情況和地質(zhì)情況預(yù)報更加準(zhǔn)確。與使用單一預(yù)報手段相比，預(yù)報準(zhǔn)確度大大提高。

圖18 三維地震波與激發(fā)極化法超前預(yù)報結(jié)果統(tǒng)計

Fig.18Statisticsofadvancepredictionresultsbythree-dimensionalseismicwaveandinducedpolarizationmethod

6 結(jié)論與建議

針對高黎貢山隧道不良地質(zhì)條件，對國產(chǎn)首臺大直徑TBM進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計創(chuàng)新，實現(xiàn)了變截面可抬升開挖，突破了前置式自動化混噴、隱藏式常態(tài)超前鉆探、水巖一體超前預(yù)報等關(guān)鍵技術(shù)。實踐表明，TBM的創(chuàng)新性設(shè)計在掘進(jìn)過程中發(fā)揮了顯著作用，可為同類地質(zhì)條件TBM設(shè)計與應(yīng)用提供經(jīng)驗。但是，TBM的創(chuàng)新設(shè)計在使用過程中也遇到了一些亟待解決的難題，建議在進(jìn)一步的研究中重點考慮以下問題：

1)針對前置式自動化噴混裝置在使用過程中因噴漿材料輸送距離過長，經(jīng)常發(fā)生賭管的問題，建議直接將噴漿材料運(yùn)輸至L1區(qū)設(shè)備橋下，減少輸送距離。

2)針對隱藏式超前鉆探裝置鉆孔長度有限的問題，建議安裝具有空氣沖擊器的超前鉆機(jī)，提升鉆孔能力。

3)針對水巖一體超前預(yù)報技術(shù)難以實現(xiàn)同步探測的問題，建議進(jìn)一步研究邊掘進(jìn)邊探測的技術(shù)，提升探測的準(zhǔn)確性。