某隧洞工程TBM不良地質(zhì)處置探究

劉飛香， 于 洋

(1. 中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長沙 410100; 2. 西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

0 引言

TBM施工具有快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保、自動化等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在國內(nèi)各長大隧洞引水工程中[1]，但TBM也因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)存在一些不足之處，如進(jìn)洞后改造困難、施工手段單一、對于地質(zhì)條件適應(yīng)性差等[2]。因TBM無法適應(yīng)地質(zhì)而導(dǎo)致施工失敗的情況，國內(nèi)外時有發(fā)生，如昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞、臺灣坪林公路隧道、印度Dul Hasti水電工程引水隧洞[3]，其中大多數(shù)都是TBM通過不良地質(zhì)地段時發(fā)生了突水、塌方、卡機(jī)等工程事故，嚴(yán)重影響了工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)與社會效益。

自我國使用TBM進(jìn)行隧道(洞)施工以來，針對復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)，很多學(xué)者進(jìn)行了不同方面的研究，例如： 楊曉迎等[4]以遼寧大伙房輸水工程為例，對深埋地層TBM卡機(jī)問題進(jìn)行了分析，采用導(dǎo)洞法繞到刀盤前方，進(jìn)行人工開挖，襯砌完成后TBM步進(jìn)通過；董泗龍[5]以某供水工程為例，介紹了固結(jié)灌漿及超前管棚預(yù)注漿的脫困處理；鄧青力[6]以中天山隧道為例，采用自進(jìn)式錨桿及化學(xué)注漿方法處理TBM卡機(jī)問題；徐虎城[7]以新疆某引水工程為例，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和化學(xué)灌漿相結(jié)合的方法使TBM順利脫困。

為應(yīng)對不良地質(zhì)，也有不少學(xué)者在TBM設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了研究，例如： 秦嶺TB880E TBM采用液壓馬達(dá)驅(qū)動刀盤慢速旋轉(zhuǎn)，用于換刀、檢修、脫困等，但是沒有實(shí)現(xiàn)電液混合驅(qū)動[8]；邢阿龍等[9]對錦屏二級水電站φ12.43 m TBM指形護(hù)盾現(xiàn)場改造；洪開榮等[10]對高黎貢山隧道φ9.03 m TBM的隱藏式超前鉆機(jī)、前置式噴混等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究和創(chuàng)新。

以上研究的TBM開挖直徑均在7 m以上，空間較為充裕，本文將結(jié)合某隧洞工程φ6.53 m TBM施工中遇到的涌水、巖爆、蝕變段、塌方、涌泥涌沙等不良地質(zhì)，闡述電液混合脫困、刀盤擴(kuò)挖功能、護(hù)盾延長、超前鉆機(jī)、螺旋清渣機(jī)、鋼拱架頂升等針對性設(shè)計(jì)的應(yīng)用。

1 工程概況

某隧洞工程隧洞長41.823 km，最大埋深約2 268 m，縱坡1.77‰。采用2臺開挖直徑6.53 m的敞開式TBM施工，相向掘進(jìn)，每臺TBM掘進(jìn)長度超過18 km，但根據(jù)地質(zhì)情況，存在不確定性。輸水隧洞施工分段見圖1，圖中填充圖案為 TBM施工洞段。F7斷層位于輸水隧洞下游側(cè)，斷層破碎帶及影響帶寬400～500 m，采用鉆爆法開挖，TBM2掘進(jìn)至斷層附近后停機(jī)等待，在 TBM一側(cè)開挖旁洞繞到 TBM 前，鉆爆開挖F7，待F7貫通后，TBM空推通過，繼續(xù)后續(xù)洞段掘進(jìn)。

圖1 輸水隧洞施工分段示意圖

Fig. 1 Diagram of sectioned construction of water conveyance tunnel

2016年10月， TBM1開始掘進(jìn)，截至2018年10月底，已由支洞進(jìn)入主洞，累計(jì)掘進(jìn)4 km。施工較為順利。

TBM2自2016年8月開始掘進(jìn)以來，截至2018年10月底，已累計(jì)掘進(jìn)2 832 m。施工中遇到的不良地質(zhì)見圖2。

圖2 TBM2施工不良地質(zhì)區(qū)間示意圖

2 TBM不良地質(zhì)處置方案

2.1 突涌水處置方案

2016年10月9—16日，隧洞內(nèi)出現(xiàn)突涌水，最大涌水量達(dá)772.57 m3/h，為本段設(shè)計(jì)最大出水量的5.2倍，單點(diǎn)涌水量最大為7.78 m3/h。涌水導(dǎo)致主梁下部積水最深處達(dá)90 cm。對此進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)。

2.1.1 后配套拖車抬高

突水現(xiàn)象發(fā)生時，大量的涌水容易造成后配套臺車被淹，故對后配套臺車進(jìn)行專門的抬高設(shè)計(jì)。配置水位檢測裝置，當(dāng)超過允許最高水位要求時，系統(tǒng)自動報(bào)警，保護(hù)人員和設(shè)備的安全，如圖3所示。

圖3 后配套臺車布置圖

當(dāng)水壓較大時，在后配套設(shè)備及人員工作區(qū)部位設(shè)置有防護(hù)棚(板)，防止大的水壓對人員及設(shè)備的沖擊。

2.1.2 超前地質(zhì)探測

利用主梁上方的超前鉆機(jī)，向前方進(jìn)行鉆孔，根據(jù)出水量判斷前方是否有水，并提前采取應(yīng)對措施，如圖4所示。

圖4 超前地質(zhì)鉆探

2.1.3 合理配置排水系統(tǒng)

TBM上配置了以下2套排水系統(tǒng)。

1)正常排水： TBM在正常掘進(jìn)時產(chǎn)生的污水量比較小，系統(tǒng)選用2臺流量50 m3/h、揚(yáng)程25 m的排沙泵，分別布置在TBM主梁和支腿處，將污水泵送到后配套拖車污水箱內(nèi)。污水箱內(nèi)安裝了2臺流量50 m3/h、揚(yáng)程50 m的排沙泵，將污水箱內(nèi)沉淀后的污水泵送到隧道中間的中繼蓄水池內(nèi)，再由蓄水池內(nèi)的排沙泵排放到隧道外。污水箱和蓄水池都安裝有液位開關(guān)，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)泵的啟停和保護(hù)。

2)緊急排水： TBM在正常掘進(jìn)時，突然發(fā)生大量涌水，系統(tǒng)選用2臺流量400 m3/h、揚(yáng)程27 m的排沙泵，分別布置在TBM主機(jī)和后支腿附近處，將涌水泵送到隧道的中繼蓄水池。設(shè)備上正常排水時使用的污水排放系統(tǒng)也可以同時運(yùn)行?？偱潘芰_(dá)到900 m3/h，可以應(yīng)對隧道最大涌水量。

2.1.4 施工攔水壩

TBM2為上坡掘進(jìn)，主機(jī)區(qū)域涌水自流到鋪軌區(qū)域，造成鋪軌困難，TBM施工緩慢。因此，施工中在后支撐前部設(shè)置有攔水壩，將涌水擋在主機(jī)區(qū)域，通過應(yīng)急排水系統(tǒng)排到后配套尾部。

2.2 巖爆處置方案

2016年10月8日開始進(jìn)入巖爆段，巖性為花崗巖，洞室干燥、巖石較脆，埋深600 m左右，設(shè)計(jì)資料顯示該段具備輕微巖爆條件，實(shí)際施工中發(fā)生輕微巖爆20余次，區(qū)間長度176 m，中等巖爆10余次，區(qū)間長度56 m，最大爆坑深度達(dá)1.5 m。

在輕微—中等巖爆地段，現(xiàn)場采用的施工方式為：TBM開挖—危石清理及高壓水沖洗—及時實(shí)施防巖爆錨固措施(包括快速錨桿、掛網(wǎng)、鋼拱架等)—及時噴射纖維混凝土覆蓋巖面(見圖5)—后續(xù)實(shí)施系統(tǒng)錨桿支護(hù)。本階段發(fā)生的巖爆對設(shè)備造成的影響較小，對施工人員造成的恐慌較大，項(xiàng)目部進(jìn)行了安全教育，理性面對巖爆，主機(jī)區(qū)域工作人員配備鋼化頭盔。經(jīng)采取以上措施，安全度過了巖爆段。

圖5 纖維混凝土

2.3 蝕變段處置方案

針對蝕變段圍巖整體強(qiáng)度較低，圍巖呈碎塊、碎屑狀散體結(jié)構(gòu)，遇水潮解、崩解，自穩(wěn)能力極差等問題，TBM進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)，TBM2安全度過了累計(jì)長約445 m的蝕變段。

2.3.1 鋼筋排+鋼拱架快速支護(hù)系統(tǒng)

本隧洞工程TBM配置了鋼筋排+鋼拱架快速支護(hù)系統(tǒng)，鋼筋排覆蓋范圍可達(dá)頂拱150°，儲存鋼筋排長度3.5 m。

鋼筋排+鋼拱架快速支護(hù)系統(tǒng)為目前敞開式TBM常規(guī)配置，其對于巖爆、不良地質(zhì)段的積極作用已得到廣泛驗(yàn)證，在此不再贅述[11-13]。

2.3.2 護(hù)盾延長

敞開式TBM護(hù)盾較短[14]，在圍巖好的情況下有利于調(diào)向，在圍巖大變形的情況下也可防止卡盾。但遇到破碎地層時，剛裸露出來的洞壁會因?yàn)橹ёo(hù)不及時而大量落渣，增加清渣工作量和支護(hù)難度。鑒于以上矛盾，本臺TBM進(jìn)行了以下針對性設(shè)計(jì)。

1)側(cè)護(hù)盾區(qū)域加長防護(hù)板，使側(cè)護(hù)盾長度與頂護(hù)盾長度相同，覆蓋范圍達(dá)拱頂270°，在不影響調(diào)向和導(dǎo)致卡機(jī)的前提下，盡量減少落渣和防止巖爆對人的傷害，如圖6所示。

圖6 側(cè)護(hù)盾區(qū)域加長防護(hù)板

2) 設(shè)計(jì)有護(hù)盾延長裝置，每塊延長護(hù)盾弧長1 173 mm，覆蓋角度21°，軸向長度1 500 mm，板厚25 mm，質(zhì)量400 kg，共計(jì)7塊。平時無需安裝，遇到破碎地層安裝在頂護(hù)盾、搭接護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾上，7塊延長護(hù)盾同時安裝，共計(jì)耗時12 h左右。安裝完成后可以在護(hù)盾保護(hù)范圍內(nèi)完成2榀鋼拱架及鋼管片的拼裝加固，待鋼拱架隨TBM掘進(jìn)露出護(hù)盾后，可有效封閉圍巖，彌補(bǔ)鋼筋排支護(hù)剛性不足的問題，減少石渣掉落，確保支護(hù)質(zhì)量，提高TBM掘進(jìn)效率。護(hù)盾延長防護(hù)設(shè)計(jì)見圖7。

護(hù)盾延長裝置可承載壓力132 kN(相當(dāng)于5 m3塌方量)；最大應(yīng)力410 MPa，最大位移22.2 mm。

2.3.3 拱架頂升機(jī)構(gòu)

在圍巖大變形的情況下，已經(jīng)支護(hù)好的拱架因承受不了負(fù)荷，產(chǎn)生變形或者下沉的情況時有發(fā)生。該TBM配置了2套最大舉升能力628 kN、行程400 mm的拱架頂升機(jī)構(gòu)，可以方便快速地更換變形和頂升下沉的拱架，如圖8所示。

圖7 護(hù)盾延長防護(hù)設(shè)計(jì)

圖8 拱架頂升機(jī)構(gòu)

2.3.4 配置清渣螺旋機(jī)

蝕變段圍巖整體強(qiáng)度較低，圍巖呈碎塊、碎屑狀散體結(jié)構(gòu)，極易掉渣，增加了清渣工作量。如果能在主機(jī)區(qū)域特別是鋼拱架拼裝區(qū)域配置清渣機(jī)構(gòu)，將大大提高支護(hù)、掘進(jìn)效率。

錦屏二級水電站工程TBM出廠時配置螺旋清渣器，將渣從主梁底部運(yùn)到刀盤鏟斗后，經(jīng)刀盤旋轉(zhuǎn)輸送到皮帶，但因螺旋清渣器太小，只適合清理粉末狀的碎渣。從兩側(cè)塌下的稍微大一點(diǎn)的石塊，只能由連接橋區(qū)域的渣斗通過弧形軌道將石渣輸送到主機(jī)皮帶上，隨出渣系統(tǒng)送出洞外。后期現(xiàn)場在刮板機(jī)尾端增加了1臺清渣皮帶機(jī)，并新增1臺挖斗裝載機(jī)(LDZ100T)，一定程度上提升了TBM的清渣能力[5]。

秦嶺TB880E TBM主梁底部配置清渣皮帶機(jī)，將渣從主梁底部運(yùn)到刀盤鏟斗后，經(jīng)刀盤旋轉(zhuǎn)輸送到皮帶，皮帶帶寬400 mm，運(yùn)行速度約0.5 m/s，驅(qū)動滾筒直徑160 mm，原電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為222.5 N·m，后改進(jìn)為液壓馬達(dá)驅(qū)動，驅(qū)動轉(zhuǎn)矩為525.3 N·m[15]。此種方法使得可以運(yùn)輸?shù)氖瘔K比清渣螺旋機(jī)稍大[16-17]。大的石塊在連接橋區(qū)域，由人工清理到渣斗上，平板車運(yùn)出洞外[18]。

本隧洞工程TBM主梁底部若配置清渣皮帶機(jī)，由于主梁人孔寬度(700 mm)限制，皮帶機(jī)帶寬很窄，同時受人孔長度(950 mm)限制，皮帶機(jī)升角超過15°后，渣石易打滑，運(yùn)輸效果差。因此經(jīng)慎重考慮，選擇采用清渣螺旋機(jī)方案，因空間所限，無法增加二級螺旋機(jī)，渣從主梁底部運(yùn)到主梁內(nèi)，需依靠人工將渣推入刀盤鏟斗后，經(jīng)刀盤旋轉(zhuǎn)輸送到皮帶。螺旋公稱直徑417 mm，主軸額定轉(zhuǎn)速15 r/min(可調(diào))，額定轉(zhuǎn)矩16 kN·m，允許粒徑30 mm，如圖9所示。

圖9 清渣螺旋輸送機(jī) (單位： mm)

現(xiàn)場使用時，由于渣石顆粒大小不均，清渣螺旋機(jī)容易卡滯，效率低下，使用效果不佳，現(xiàn)場仍以人工清渣為主。

2.3.5 超前鉆孔注漿

TBM施工遇蝕變巖，為減少掉渣和清渣量，加快施工進(jìn)度，需使用超前鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)改良圍巖的目的。但不良地質(zhì)施工時初期支護(hù)均需安裝鋼拱架，由于設(shè)備空間限制，理想狀態(tài)下超前鉆機(jī)上端面距開挖斷面25 cm左右，但實(shí)際應(yīng)用拱架侵占開挖斷面20 cm和設(shè)備鉆孔時需傾斜一定角度，設(shè)備原配超前鉆機(jī)安裝使用時會與鋼拱架發(fā)生干涉，難以實(shí)現(xiàn)在護(hù)盾后方超前鉆孔的功能。

針對該情況，為保證不良地質(zhì)段TBM順利施工，現(xiàn)場采用從防塵盾開孔(見圖10)，改造超前鉆機(jī)固定架(見圖11)，將超前鉆機(jī)固定在拱架旋轉(zhuǎn)環(huán)上，降低超前鉆機(jī)高度，經(jīng)刀盤鏟斗鉆孔實(shí)現(xiàn)超前鉆孔注漿的方案(見圖12)，成功度過此蝕變段[19]。

詳細(xì)注漿參數(shù)如下。

1)注漿材料： 主要用化學(xué)漿液和HC材料?；瘜W(xué)漿液為聚氨酯類，發(fā)泡膨脹特性好，無顆粒，無沉降，不易將刀盤固結(jié)。HC材料凝結(jié)時間短，固結(jié)性能好。

2)注漿范圍： 按環(huán)向間距30 cm沿刀盤外輪廓施作φ42 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿(鉆頭尺寸63 mm)，錨桿長度20 m，外插角11°，范圍為拱頂150°(導(dǎo)向座部位在兩側(cè)斜向鉆孔)，然后采用鉆機(jī)按環(huán)向間距30 cm施作φ42 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿長度5 m，外插角11°，范圍為拱頂150°(導(dǎo)向座部位在兩側(cè)斜向鉆孔)，20 m長錨桿和5 m長錨桿交錯布置。

圖10 超前鉆孔布置圖

圖11 超前鉆機(jī)固定架

圖12 超前鉆機(jī)改進(jìn)后注漿方案

3)注漿步驟： 完成1個超前鉆孔循環(huán)后，安排2撥施工人員，一撥進(jìn)行注漿作業(yè)，另外一撥拆除超前鉆機(jī)，便于后續(xù)掘進(jìn)的拱架施工作業(yè)。注漿時首先對5 m長錨桿采用化學(xué)漿液進(jìn)行灌注，注漿壓力1～3 MPa，然后采用HC材料對20 m長錨桿進(jìn)行注漿，注漿壓力4～6 MPa。

4)TBM掘進(jìn)通過，每循環(huán)錨桿搭接長度為5 m。

2.4 應(yīng)對塌方的處置方案

2017年8月9日，當(dāng)?shù)匕l(fā)生6.6級地震，震源深度11 km，隧洞工程距震中不足10 km，造成護(hù)盾上方及掌子面前方大塌方，頂護(hù)盾被壓到極限位置，刀盤亦被碎石、泥沙包裹，無法旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)場采用人工清理護(hù)盾、刀盤上方碎石，使用4個100 t的千斤頂，輔助頂護(hù)盾伸出，然后對塌腔處進(jìn)行化學(xué)注漿回填。使用電液混合驅(qū)動模式成功實(shí)現(xiàn)刀盤脫困。

本臺TBM刀盤驅(qū)動系統(tǒng)配置8臺350 kW電機(jī)，單臺額定轉(zhuǎn)矩3.5 kN·m，主驅(qū)動總減速比為1∶181，正常掘進(jìn)時額定轉(zhuǎn)矩為5 068 kN·m(不考慮效率)。配置2臺液壓馬達(dá)，單位轉(zhuǎn)矩為0.32 kN·m/MPa。驅(qū)動原理如圖13所示。

圖13 電液混合脫困原理

電液混合驅(qū)動脫困時，通過改變刀盤驅(qū)動變頻器的輸出，將電機(jī)轉(zhuǎn)矩提高為原來的1.5倍，即7 602 kN·m。2臺液壓馬達(dá)工作壓力為28 MPa，提供轉(zhuǎn)矩3 243 kN·m，刀盤電液混合脫困總轉(zhuǎn)矩為10 845 kN·m，是正常掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩的2.14倍。此狀態(tài)下，液壓馬達(dá)驅(qū)動的減速機(jī)、小齒輪、大齒圈等承受最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的2.56倍，滿足設(shè)計(jì)余量[20]。

若按照常規(guī)TBM設(shè)計(jì)，配置10臺350 kW電機(jī)，則其脫困轉(zhuǎn)矩為9 502 kN·m，電液混合脫困可提高轉(zhuǎn)矩14%。TBM正常掘進(jìn)時轉(zhuǎn)矩在1 500～2 500 kN·m，而且同樣的功率輸出下，電機(jī)的體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液壓馬達(dá)，主梁上配置的2臺350 kW電機(jī)，占用了主梁上部寶貴的支護(hù)作業(yè)空間，也不利于節(jié)能。

2.5 涌泥涌沙處置方案

2018年3月18日開始，TBM掘進(jìn)過程中從人孔處涌出的泥石混合物數(shù)量急劇增加，期間多次啟動刀盤時人孔均流出大量混合物，并將1號皮帶壓停，其中，3月24日凌晨啟動刀盤過程中(尚未推進(jìn)，轉(zhuǎn)速為0.2 r/min)主梁人孔瞬間涌出約80 m3泥石混合物，將主梁下部填滿，如圖14所示。4月2日采用正常模式啟動刀盤時，人孔瞬間涌出大量泥水混合物，約150 m3，必須進(jìn)行超前地質(zhì)加固，減少涌泥涌沙量后方可掘進(jìn)。但由于護(hù)盾后拱架侵占開挖斷面20 cm，導(dǎo)致無法在護(hù)盾后超前鉆孔，現(xiàn)場經(jīng)專家組研討后決定采用管棚施工。

圖14 主梁底部涌泥涌沙

2.5.1 管棚施工方案

先對護(hù)盾后方頂拱180°進(jìn)行半徑方向80 cm擴(kuò)挖并加固后，再使用管棚機(jī)施工管棚，然后通過注漿進(jìn)行超前地質(zhì)加固。施工完成后對擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，TBM設(shè)備掘進(jìn)通過，如圖15所示。

圖15 超前鉆機(jī)管棚支護(hù)施工示意圖 (單位： cm)

Fig. 15 Pipe roof support construction sketch of advance drilling rig (unit: cm)

2.5.2 注漿參數(shù)

管棚注漿漿液為HC材料，孔口注漿壓力為0～6 MPa，終壓5 MPa，注漿時遵循先稀后濃、先單液漿后雙液漿(HC材料+添加劑)的原則。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)： 注漿終壓達(dá)到5 MPa，并穩(wěn)壓10 min，在吸漿量小于3 L/根時方可停止注漿，關(guān)閉注漿閥和回漿閥進(jìn)行閉漿，閉漿前注入稀漿進(jìn)行屏漿，屏漿原則是將管棚填充滿為止，閉漿30 min后再次對管棚進(jìn)行注漿，注漿采用稀漿進(jìn)行灌注，再次達(dá)到注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后注入雙液漿進(jìn)行封孔，完成該根管灌漿，如圖16所示。

2.6 其他不良地質(zhì)處理方案

2.6.1 應(yīng)對圍巖大變形的針對性設(shè)計(jì)

本工程TBM的刀盤采用3種擴(kuò)挖形式，同時配合底護(hù)盾、頂護(hù)盾伸縮功能，在軟巖大變形時能使刀盤快速通過，防止卡機(jī)事故的發(fā)生。

圖16 軟弱圍巖超前管棚支護(hù)

1)通過邊滾刀更換50.8 cm(20英寸)刀圈和墊塊，該變徑方式工作量小，但受滾刀刀軸固定結(jié)構(gòu)限制，墊塊高度一般最大為40 mm，加之刀圈半徑增加的12 mm，刀盤半徑方向擴(kuò)挖量為52 mm，變徑幅度較小，如圖17所示。

圖17 墊塊擴(kuò)挖示意圖

2)TBM后退，擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞，邊塊運(yùn)輸?shù)秸谱用?，更換4個邊塊，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)挖開挖直徑由6 530 mm變至6 830 mm(見圖18)，并且左側(cè)邊塊上部增加了1把滾刀。該變徑方式需在圍巖自穩(wěn)性較好的情況下提前進(jìn)行，所需作業(yè)空間較大。

圖18 開挖直徑6 530 mm變?yōu)殚_挖直徑6 830 mm

Fig. 18 Excavation diameter changed form 6 530 mm to 6 830 mm

3)通過在原刀盤外圓環(huán)上貼板和刀座切除原連接板后外移重新焊接的方式，實(shí)現(xiàn)開挖直徑由6 530 mm變至6 830 mm。此種變徑方式也需要在圍巖自穩(wěn)性較好的條件下提前進(jìn)行，但所需作業(yè)空間小，且刀盤可以設(shè)計(jì)為整體式，有利于保證刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，如圖19所示。

圖19 變徑前后刀座和外圓環(huán)變化

Fig. 19 Changes of tool holder and outer ring before and after diameter variation

2.6.2 高地?zé)?/p>

為應(yīng)對可能會出現(xiàn)的高地?zé)釂栴}，TBM上配置了2臺隧道制冷裝置，對隧道一次通風(fēng)系統(tǒng)送到設(shè)備上的新鮮風(fēng)進(jìn)行冷卻。單臺450 kW，氣流量900 m3/min,采用R407C環(huán)保制冷劑，不助燃，無爆炸危險(xiǎn)，無毒，無刺激，無味，可以防止泄漏對施工人員造成損傷。

3 建議

雖然TBM在制造階段就會進(jìn)行一系列針對性設(shè)計(jì)，但因地下施工的巨大不可預(yù)知性，目前TBM設(shè)備仍有很多需要進(jìn)一步改進(jìn)的地方。

3.1 護(hù)盾預(yù)留超前注漿套管

由于拱架自身以及塌方導(dǎo)致的拱架下沉，而目前不具備刀盤開挖直徑由6 530 mm到6 830 mm的轉(zhuǎn)變條件，超前鉆機(jī)在進(jìn)行管棚支護(hù)時需要在護(hù)盾后上方擴(kuò)挖。因此需要先拆除已支護(hù)好的拱架，然后擴(kuò)挖，之后再進(jìn)行擴(kuò)挖后的支護(hù)，管棚支護(hù)結(jié)束后，還需要拆除擴(kuò)挖的支護(hù)，重新進(jìn)行正常支護(hù)，如此反復(fù)，費(fèi)工費(fèi)時。

可在TBM頂護(hù)盾及側(cè)護(hù)盾預(yù)留環(huán)向間距300 mm的超前注漿套管，便于超前支護(hù)，如圖20所示。

圖20 護(hù)盾預(yù)留超前注漿套管

3.2 TBM脫困掘進(jìn)模式

由于塌方嚴(yán)重，刀盤在脫困后很快又會被卡死，需要頻繁脫困。但脫困轉(zhuǎn)速較低(0.5 r/min)，攜渣能力差，當(dāng)石渣粒徑偏小和存在涌水時，會導(dǎo)致大量砂礫和碎石從刀腔與溜渣槽間隙處再次掉落入刀盤內(nèi)，不能通過皮帶系統(tǒng)正常出渣，大量渣石從主梁人孔涌出。

對此，可設(shè)計(jì)脫困推進(jìn)模式，在刀盤轉(zhuǎn)速2 r/min左右時，仍能保持很大轉(zhuǎn)矩；刀盤鏟斗和刀座孔采用可拆式擋板，適當(dāng)減小刀盤開口率，提高主機(jī)皮帶機(jī)能力，從而可以正常出渣、掘進(jìn)，有助于快速度過破碎帶。

3.3 高效清渣系統(tǒng)

在圍巖破碎帶，清渣占用了大量時間和人力，可設(shè)計(jì)類似于螺旋機(jī)、皮帶機(jī)等適用于破碎巖石的清渣系統(tǒng)，并增加碎石機(jī),提高清渣效率，或者設(shè)計(jì)類似水車結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)式清渣系統(tǒng)，將底拱石渣運(yùn)送至主梁上方人孔進(jìn)入皮帶機(jī)。

4 結(jié)論與討論

在本隧洞工程不良地質(zhì)處置中，TBM的針對性設(shè)計(jì)起到了非常重要的作用，如電液混合驅(qū)動有效地幫助TBM脫困、護(hù)盾延長減少了清渣量、鋼拱架頂升提高了支護(hù)質(zhì)量。但也存在一些問題，如螺旋機(jī)清渣效果不理想、超前鉆機(jī)使用不方便、在拱架下陷嚴(yán)重時無法實(shí)現(xiàn)管棚作業(yè)、刀盤在斷層破碎帶無法變徑、TBM無法低速大轉(zhuǎn)矩掘進(jìn)等，需要后續(xù)進(jìn)一步研究。