用于復雜地質條件的開敞式TBM改造技術

杭蘇成

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

輸水隧洞工程具有地質條件復雜、隧洞洞線長、隧洞開挖直徑大、高工壓、全程自流等特點[1]。全斷面巖石隧洞掘進機(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)是指全斷面開挖巖石的高度機械化刀盤式機頭掘進機，是集機械、電氣、液壓、激光導向、自動控制、傳感、信息等多項高新技術為一體，高度機械化及自動化的隧洞開挖掘進與襯砌專用大型成套裝備[2-4]，主要由主機和后配套兩大系統(tǒng)構成，是世界上最先進的隧洞施工機械，相較于傳統(tǒng)化學能破巖施工法具有安全、高效、快速、環(huán)保、高度集中自動化等優(yōu)勢。TBM通常主要有開敞式和護盾式兩種基本類型，護盾式主要分為單護盾和雙護盾兩類[5]。

1 工程概況

新疆EH調水工程是一項長距離輸水工程，其中KS隧洞總長283.3km，為無壓輸水隧洞，平均埋深428m，最大埋深774m，設計流量40m3/s，縱坡1/2583。KS隧洞地質條件復雜，采用開敞式TBM(全斷面硬巖掘進機)、礦山法等多種掘進方式相結合施工。KS段IV標隧洞施工方法為TBM與鉆爆相結合，其中TBM掘進總長度為17.67km，開挖洞徑7.0m。TBM開挖段由TBM3-1和TBM3-2組成，均由同一開敞式TBM開挖掘進。其中TBM3-1已施工完畢，期間經(jīng)歷多次卡機和進度受阻等情況。TBM3-1與3-2中間設置的檢修洞可對TBM機器進行檢修和改造。

2 雙模式TBM改造原因

當開敞式TBM掘進巖性為泥盆系的凝灰質砂巖，圍巖強度較低，撐靴部位圍巖軟弱破碎，無法為撐靴提供反支撐力，致使TBM無法掘進[6]。現(xiàn)場采取混凝土換填該空腔，待混凝土達到一定強度，能夠為撐靴提供足夠反力后繼續(xù)掘進，如此往復循環(huán)?，F(xiàn)場施工組織難度較大，掘進效率明顯下降。同時開敞式TBM刀盤鏟斗、滾刀刀座處有較多開口區(qū)，破碎圍巖通過開口進入刀盤內部形成堆渣，最終導致刀盤卡機[7]。在TBM3-1掘進中多次出現(xiàn)泥盆系凝灰質砂巖軟弱破碎圍巖致使TBM無法掘進，施工掘進引起塌腔和突涌水導致TBM卡機2次。根據(jù)地勘資料顯示，TBM3-2掘進段共發(fā)育3條較大的斷裂，各級圍巖占比為：6.42%(Ⅱ級圍巖)、57.93%(Ⅲ級圍巖)、25.6%(Ⅳ級圍巖)和10.04%(Ⅴ級圍巖)。且不良地質段分布相對較集中。因此可在TBM3-1與TBM3-2中間的檢修洞中對開敞式TBM進行針對性改造。

3 本工程TBM改造方向

根據(jù)現(xiàn)場實際施工現(xiàn)況及地質預報情況，結合國內外實際工程經(jīng)驗及相關論文，如姜天宇[8]在TBM法在大伙房輸水工程施工中的應用論述；陳饋、楊延棟、高黎等[9]結合貢山隧道工程對復雜地質下TBM施工進行探討等。決定對現(xiàn)場開敞式TBM實施針對性改造，具體改造方案如下。

(1)通過集中不良地質段時，將開敞式TBM改造為護盾式TBM，支護型式由鋼拱架+鋼筋排模式切換為管片模式。

(2)考慮本段圍巖較差，且現(xiàn)場有專業(yè)地質超前預報小組。當探測前方地質較差時，TBM設備有相應超前地質改良設備，通過注漿等手段改善不良地質段。

(3)開敞式TBM卡機時可利用脫困模式脫困，部分情況下因為主驅動扭矩不足導致脫困失敗，因此本工程可對主驅動減速機減速比改造，解決TBM脫困扭矩不足問題。

(4)本工程為輸水隧洞，采用護盾模式洞段與開敞式TBM洞段結構內徑應保持一致，因此應結合支護體系和結構尺寸綜合考慮護盾式TBM洞段開挖直徑，并相應設計TBM擴挖方案。

(5)應有效控制刀盤進渣及設置輔助推進系統(tǒng)等。

4 TBM改造方案

4.1 管片支護體系

4.1.1管片材料選擇

目前護盾式TBM采用管片材料通常為混凝土管片和鋼管片[10]。混凝土管片具有耐久性好、結構強度高、工程造價較低等優(yōu)勢。但本工程掘進機均采用開敞式TBM，施工現(xiàn)場沒有混凝土管片廠，如采用混凝土管片，需要增設管片場，投資過大。而且混凝土管片自重較大，對管片拼裝機功率等要求較高，對TBM主驅電機等改造難度相應增大。綜合考慮后選取鋼管片作為本工程護盾式開挖段支護體系。

4.1.2管片支護

(1)管片參數(shù)

管片外徑采用6940mm，內徑為6540mm，管片厚度200mm。根據(jù)現(xiàn)場施工進度及施工組織分析，最終確定管片寬度為900mm。管片拼裝方式為錯縫拼裝，連接方式為螺栓連接。管片均采用Q235B型鋼材。管片安裝時底部放置預制混凝土墊塊，墊塊由3個20°小塊組成。

管片一環(huán)由3片A塊，B、C及K塊組成。其中A塊角度為72°，B、C塊為84°，K塊為36°，整環(huán)注漿孔個數(shù)為10個。為方便現(xiàn)場安裝，管片設置定位銷，定位銷按相鄰夾角18°設置。管片寬度為900，中間設置2道加強板，板厚為10mm。管片端板采用16mm鋼板。外弧板采用12mm鋼板。其中吊裝孔加強板采用12mm鋼板。整環(huán)管片重約5t。具體參數(shù)見表1—2。

表1 鋼管片基本信息表

表2 鋼管片鋼材具體參數(shù)表

(2)防腐處理

管片制作完成后，外弧板、端板的外露表面均需涂無溶劑超厚膜型環(huán)氧涂料二度，具體要求如下：涂環(huán)氧涂料前鋼管片表面應作除銹處理，除銹質量達到S3級。除銹后的鋼管片外弧板、端板在管片廠先涂702環(huán)氧富鋅底漆20μm(一涂)，待固化后再涂無溶劑超厚膜型環(huán)氧涂料，800μm(約二涂)。內弧板、筋板和環(huán)縱向加強板除銹后在管片廠涂702環(huán)氧富鋅底漆20μm(一涂)。

(3)管片結構驗算

根據(jù)TBM3-1已掘進現(xiàn)場實際情況分析，施工掘進期間隧洞局部段頂部會形成小塌腔，塌腔高度為1.5m左右。因為本設備改造與傳統(tǒng)護盾式TBM構造不同(護盾非整環(huán)且盾尾刷效果不佳)，管片不能同步注漿，因此管片剛出護盾時壁后未注漿，管片腰部、頂部等均與圍巖脫離，此時結構受力不利。運行期工況，鋼管片需承擔圍巖荷載，因此計算時應考慮運行期工況和管片拼裝完成但未壁后注漿工況。其中圍巖壓力各項值詳見表3。

表3 荷載計算(設計值)成果表

模型由Midas GTS NX建模并計算鋼管片受力情況，鋼管片均采用實體單元模擬，運行期工況計算結果如圖1—3所示。

根據(jù)圖1—3三維結構模型計算結果可知：運行期工況鋼管片變形較小，且在未考慮內部襯砌的情況下鋼管片應力最大值為127MPa<215MPa(Q235鋼板抗拉強度設計值)。鋼管片結構滿足設計要求。

圖1 管片豎向位移云圖

出護盾壁后未注漿工況計算結果如圖4—6所示。

根據(jù)圖4—6三維結構模型計算結果可知：出護盾壁后未注漿工況鋼管片變形較小，塌方1.5m松散體直接作用在鋼管片的情況下鋼管片應力為32～129MPa(模型網(wǎng)格劃分大小原因，出現(xiàn)局部結果奇異點，占比均小于1%)<215MPa(Q235鋼板抗拉強度設計值)。鋼管片結構滿足設計要求。

圖2 管片水平位移云圖

圖3 管片有效應力云圖

圖4 管片豎向位移云圖

圖5 管片水平位移云圖

圖6 管片有效應力云圖

4.2 增設超前鉆注一體機

在現(xiàn)有錨桿鉆機的軌道架設超前鉆注一體機，可根據(jù)超前地質預報有針對性的對前方不良地質段進行超前注漿、施工管棚等。鉆注一體機工作空間為拱頂120°，外插角為6°，同時在護盾相應工作范圍內設置超前預留孔，鉆機及注漿管均利用該孔作業(yè)。本鉆注一體機在獨立支架的基礎上還需配備齒圈，周向旋轉等均利用馬達驅動，操作簡便。超前鉆注一體機作業(yè)時，在達到鉆進里程時，鉆進到達計劃深度后，退出鉆機及鉆桿，前端鉆頭與套管留在孔內。當鉆孔完畢后，將鑿巖鉆桿退出，安裝好止?jié){塞及管路，進行注漿。具體施工工序詳如圖7所示。

圖7 超前鉆注一體機施工工序圖

4.3 改造主驅動減速機減速比

根據(jù)地勘報告，TBM3-2段斷裂帶范圍主要為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，刀盤卡機的風險較高，因此可對刀盤驅動進行改造，提高TBM脫困扭矩達到輕微卡機時自行脫困目的。本工程開敞式TBM主驅動設計額定扭矩為4410kN·m，正常掘進時扭矩為2000～2400kN·m。根據(jù)TBM3-1刀盤卡機脫困模式下掘進數(shù)據(jù)分析(如圖8所示)，刀盤脫困扭矩最大時達到6620kN·m。故遇到破碎帶等不良地質卡機時需要提高困能力。通過改造，將減速比改造為i=26后，額定扭矩為6090kN·m，脫困最大扭矩可達9130kN·m，脫困能力可提升約1.38倍[11]。

圖8 TBM3-1脫困模式扭矩數(shù)據(jù)圖

4.4 刀盤擴徑改造

TBM改造后支護型式由鋼拱架+鋼筋排改為鋼管片型式，鋼拱架+鋼筋排段噴混厚度為150～180mm，管片厚度為200mm。本工程為輸水隧洞，為保證水流穩(wěn)態(tài)，管片施工段襯砌內徑應與開敞式TBM掘進段一致。同時考慮TBM盾尾間隙及盾殼厚度等因素，確定TBM護盾模式段開挖直徑為7130mm，相較原開挖直徑擴挖100mm。TBM卡機地層撐靴撐靴最大調向量約為63mm。TBM原撐靴全部縮回后，到鋼管片內弧面最小距離125.7mm，滿足通過要求。通過現(xiàn)場局部調整TBM后配套與鋼管片直徑安全距離可以維持在200mm。因此護盾模式段開挖直徑為7130mm符合改造要求。

考慮新開挖直徑相較原開挖直徑增加100mm，且根據(jù)地勘報告可知TBM3-2洞段Ⅳ、Ⅴ類圍巖相對較集中。本次TBM改造擴挖段較短，綜合分析后考慮本次改造采用刀盤墊塊擴挖的方式(如圖9所示)。本方式相對常規(guī)更換刀盤邊緣刀座擴徑方式有施工簡便、快速、經(jīng)濟等優(yōu)勢。

圖9 滾刀超挖示意圖

4.5 刀盤進渣量控制改造

開敞式TBM在破碎圍巖中掘進時，破碎巖塊極易通過刀盤鏟斗區(qū)域進入刀盤造成TBM卡機。針對該現(xiàn)象，本次改造擬在鏟斗區(qū)域設計封板，調節(jié)鏟斗開口，在滾刀刀座開口區(qū)域增加封板，減小滾刀刀座處的開口率，減少石塊進入刀座的概率。具體設計如圖10—11所示。

圖10 鏟斗區(qū)域增設封板示意圖

圖11 滾刀刀座處增設封板示意圖

4.6 護盾及輔助推進系統(tǒng)改造

本開敞式TBM改造后為開敞式+護盾式雙模式TBM，當TBM采用護盾式模式掘進時，支護體系為鋼管片體系。管片拼裝及TBM推進系統(tǒng)等均需操作空間，因此護盾需改造。通過施工組織分析，決定改造后的護盾長度為5170mm，長度相較原護盾增加了500mm。單護盾模式掘進時，在護盾內部拼裝鋼管片，通過鋼管片提供推進反力，因此對護盾進行針對性改造設計，增加輔助推進油缸，同時護盾處因預留超前注漿孔和化學灌漿孔。盾殼尾部做成指形護盾結構，不影響錨桿鉆機打孔。通過TBM3-1推進數(shù)據(jù)可知：2019年1月卡機，查詢此時間段內，TBM在不良地質段推力范圍為7000～8000kN。2020年3—4月，TBM恢復施工以后，TBM圍巖轉好，推力范圍9800～12000kN。根據(jù)TBM護盾結構在頂護盾、搭接護盾、側護盾均設計導向座加強結構，并布置油缸。護盾周圈布置油缸14根，油缸規(guī)格Φ200/φ180-1100。額定推力13854.4kN@315bar、最大推力15393.8kN@350bar，在本工程較破碎圍巖下掘進時，總推力余量為28.28%。

制護盾，周圈布置輔助推進油缸，利用鋼管片提供推進反力，實現(xiàn)不撐緊洞壁掘進。護盾具體參數(shù)詳見表4。

表4 護盾結構參數(shù)表

護盾與主驅動箱之間增加伸縮導向座，并增加機械限位，加強結構強度，適應長距離輔助推進。頂護盾與左右護盾安裝行程傳感器，便于實時監(jiān)控盾體內腔尺寸，保證管片成環(huán)拼裝。導向座內部設計定位銷，同時安裝機械限位裝置，用于單護盾模式掘進時固定護盾外圓。護盾頂部140°范圍內設計超前注漿孔，用于單護盾模式掘進時超前管棚注漿支護。輔助推進油缸布置避開鋼管片錯縫位置。輔助推進系統(tǒng)支撐力由首環(huán)鋼管片安裝的反力支架以及撐靴進入鋼管片前壁后注漿穩(wěn)固鋼管片的方式提供。

4.7 安裝多功能拼裝機

原開敞式TBM配備的鋼拱架拼裝機由旋轉環(huán)和撐緊環(huán)組成，旋轉環(huán)與主驅動固定，不具備行走功能，撐緊環(huán)具備行走及撐緊功能，但不具備旋轉功能。因此該拼裝機僅能拼裝鋼拱架，無法拼裝鋼管片。改造后的鋼拱架拼裝機，具有回轉及撐緊多功能一體化。其中移動架中油缸驅動整機前后移動，移動行程1.8m左右。原V型軌道結構強度不滿足鋼管片重量拼裝要求，因此本次改造將原軌道結構改為管片拼裝機軌道形式，同時保留錨桿鉆機V型軌道，當TBM恢復開敞式模式時錨桿鉆機仍可正常工作。在移動架回轉機構上安裝管片舉升抓舉裝置，本裝置采用分段設計，便于現(xiàn)場拆裝。鋼管片抓舉機構采用小盾構機成熟的抓舉裝置，結構緊湊，體積小?？蓪崿F(xiàn)多自由度調整，保證拼裝精度。其中本工程采用的抓舉頭規(guī)格應與鋼管片設計吻合，同時滿足現(xiàn)場快速安裝的效果。當TBM恢復開敞式模式時，鋼管片拼裝模式停用，此時可在現(xiàn)場快速拆除抓舉頭和舉升油缸。因本拼裝機未全部拆除，錨桿鉆機前后行程為1.8m。

5 改造前后現(xiàn)場效果

(1)改造后TBM現(xiàn)場施工進度明顯改善。當通過不良地質段時，開敞式TBM月進尺約為160m，護盾式TBM月進尺為350m。開敞式TBM通過不良地質段需人工支模及灌注混凝土，鋼管片模式時管片拼裝、灌漿等均采用機械自動化模式，大大提高施工效率和施工安全。

(2)當TBM3-2開挖至KS70+210時，刀盤正常啟動時瞬間扭矩過大無法轉動。該情況于2019年9月8日TBM3-1開挖KS64+412處已有發(fā)生。當時采用脫困模式和反轉模式均無法轉動。本次改造對主驅動減速機進行改造，TBM啟動時采用脫困模式，脫困扭矩瞬間達到10100kN·m，刀盤即可正常轉動，之后快速進行正常掘進工作。揭露出的不良地質段開挖斷面可盡早推進至噴混橋處，達到快速封閉開挖面的目的。

(3)當TBM3-2開挖至KS70+210時，超前地質預報顯示前端存在破碎圍巖段，現(xiàn)場通過分析后及時采用超前鉆注一體機進行超前地質灌漿處理。通過掘進該破碎帶推力及護盾處壓力分析，本次超前地質處理效果明顯，達到預期效果。超前鉆注一體機的使用改變施工隊伍對不良地質段被動的情況，通過超前地質灌漿，變被動為主動，為安全快速施工提供強有力地保障。

(4)現(xiàn)場管片拼裝后完整性較好(如圖12所示)，通過陣列式位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)可知管片最大沉降發(fā)生于KS70+940，最大沉降值為7.07mm。水平最大位移發(fā)生于KS70+432，水平最大位移為10.95mm。管片變形均在設計要求范圍內，滿足設計要求。

圖12 管片拼裝后現(xiàn)場效果圖

6 結語

(1)本工程為國內長距離調水項目極少數(shù)采用鋼管片案例，且采用鋼管片2299環(huán)，洞段長度約為2.07km，長度較為罕見，后續(xù)將對管片防腐效果及變形等進行詳細跟蹤監(jiān)測，為其他類似工程提供參考借鑒。

(2)本次TBM改造成功為TBM發(fā)展提供新方向，將為TBM形式帶來新的突破。后續(xù)面臨復雜地質條件的地下隧洞工程，開敞式+護盾式的雙模式TBM必將成為首選。

(3)通過現(xiàn)場驗證本次TBM改造達到預計效果，月進尺由150m提高為400m。順利解決了開敞式TBM通過不良地質段卡機的問題，為類似工程提供TBM改造方向。