(中鐵二局工程有限公司城通分公司 四川 成都 610306)

一、引言

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM，是指在常壓情況下全斷面開挖巖石的高度機(jī)械化刀盤式機(jī)頭掘進(jìn)機(jī)，主要由主機(jī)及后配套系統(tǒng)構(gòu)成，由于其掘進(jìn)速度快，地質(zhì)適宜性強(qiáng)，在國內(nèi)外長大隧道中充分應(yīng)用，通常TBM分為開敞式和護(hù)盾式兩種，護(hù)盾式又分為單護(hù)盾和雙護(hù)盾類型，雙護(hù)盾TBM的最大特點(diǎn)是能夠?qū)崿F(xiàn)開挖掘進(jìn)與襯砌管片拼裝同時平行交叉作業(yè)。

二、工程概況

(一)工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項(xiàng)目工程引水隧道為單線隧道，線路全長12.2km，除始發(fā)段150米采用礦山法施工外，其余部分均采用TBM工法施工。成型隧道過水?dāng)嗝?.2米，坡度為3‰，設(shè)計(jì)水流量40m3/s。

(二)地質(zhì)情況

該工程項(xiàng)目地質(zhì)位于亞喜馬拉雅，也稱作西瓦利克，南部以MFT為邊界，北部以MBT為邊界。由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成。分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段(Auden，1935)。隧道與區(qū)域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要以泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬于軟巖地層，整體強(qiáng)度不高，最高強(qiáng)度為55.38MPa、最低強(qiáng)度為3.86MPa，出現(xiàn)極硬巖的可能性很小，砂巖地層石英含量豐富。

(三)水文情況

工程區(qū)地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水，地下水可分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水?？紫稘撍饕植荚诘谒南岛哟矝_洪積層、坡崩積層中。基巖裂隙潛水主要分布于基巖裂隙中，在基巖裂隙中作網(wǎng)格狀流動。

三、施工重難點(diǎn)

1、砂巖地質(zhì)段石英含量高，易造成 TBM 刀盤及刀具的嚴(yán)重磨損；

2、高埋深軟弱泥巖地段存在圍巖擠壓變形造成 TBM 刀盤卡機(jī)可能性；

3、在不同強(qiáng)度砂巖及泥巖間掘進(jìn)導(dǎo)致巖石強(qiáng)度的急劇變化，造成推進(jìn)參數(shù)頻繁調(diào)整；

4、通過斷層時將面臨高壓地下水和斷層失穩(wěn)而導(dǎo)致大量涌水和掌子面坍塌的可能性。

四、TBM設(shè)備選型要素

(一)選型依據(jù)

1、TBM的設(shè)計(jì)及選型應(yīng)匹配工程地質(zhì)要求，從刀盤刀具、護(hù)盾設(shè)計(jì)、推進(jìn)系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)等方面進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，最大程度的滿足工程地質(zhì)及掘進(jìn)要求，并配置能夠處理不良地層的硬件設(shè)施。

2、TBM設(shè)備的所有組件及設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)完整、安全可靠，不需附加任何條件即可實(shí)現(xiàn)工程所應(yīng)具備的功能和要求，滿足足夠的掘進(jìn)速度和降低刀具更換的需求，確保在工期內(nèi)完工。

3、TBM的主要部件應(yīng)保證連續(xù)施工15千米以上，具備良好的掘進(jìn)能力，滿足隧道內(nèi)的掘進(jìn)、支護(hù)、超前處理、出渣、管片拼裝、背部空隙填充及灌漿等需求，確保施工的安全質(zhì)量和進(jìn)度。

4、全套系統(tǒng)設(shè)備的組裝和設(shè)計(jì)應(yīng)與現(xiàn)場的實(shí)際情況及運(yùn)輸情況匹配，滿足現(xiàn)場組織、步進(jìn)、運(yùn)輸、維修和拆卸要求。

5、TBM的通風(fēng)、除塵及冷卻系統(tǒng)應(yīng)保證洞內(nèi)作業(yè)人員內(nèi)有適宜的工作環(huán)境。

6、鑒于該項(xiàng)目的地域性，TBM的刀具需進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，綜合考慮硬度、韌性等關(guān)鍵性指標(biāo)，整體為軟巖，對硬度要求不高，但不排除孤石和極端地層的存在。

(二)配置方案

1.推進(jìn)系統(tǒng)

推進(jìn)系統(tǒng)是為TBM向前掘進(jìn)提供作用力，并將其反力傳遞給圍巖或管片。推進(jìn)系統(tǒng)包含主推油缸、輔推油缸、撐靴油缸、撐靴組成。在雙護(hù)盾掘進(jìn)模式下，推進(jìn)系統(tǒng)有撐靴作用在圍巖上，主推油缸通過反推撐靴盾提供TBM向前掘進(jìn)的推力；在單護(hù)盾掘進(jìn)模式下，撐靴油缸收回固定，由輔推油缸作用在管片上，向TBM提供推進(jìn)反力。尼泊爾項(xiàng)目主推油缸為8組，輔推油缸為10組，可通過有效的選擇油缸組合來實(shí)現(xiàn)TBM轉(zhuǎn)向和糾偏，最大推力為27654kN，脫困推力為38475kN。

2.刀盤刀具

刀盤為背裝式硬巖刀盤，開口率為12%。表面覆蓋碳化鉻合金鋼板，更有效的保護(hù)刀盤，刀盤結(jié)構(gòu)安全系數(shù)按照最惡劣的受力條件下5倍設(shè)計(jì)，確保了在長距離掘進(jìn)情況下刀盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；光滑的刀具輪廓和徑向渣石鏟斗，同時減少刀盤暴露在圍巖下的距離，以減少刀盤磨損及阻力以減少軟弱圍巖下出現(xiàn)“卡機(jī)”的幾率。刀盤上設(shè)計(jì)1個人孔，用于觀測地質(zhì)情況或處理刀盤前方故障。在TBM刀盤破巖時，粉塵較大，在刀盤上配置5個噴嘴，用于噴水降塵。

刀盤上設(shè)置33把17寸標(biāo)準(zhǔn)滾刀，其中中心雙刃滾刀4把，單刃面刀16把，單刃邊刀9把，共計(jì)33個刃口；鏟斗5個，33#刀正常開挖直徑5060mm，最大超挖直徑5130mm，刀具超前量120mm。所有刀具均為背裝式。由于整體屬于軟巖，又不排除極端地層的存在，故刀具需綜合具備高硬度、強(qiáng)韌性，良好的抗沖擊能力。

3.盾體設(shè)計(jì)

盾體長12米，由前盾、伸縮盾、撐靴盾及尾盾組成，由于該項(xiàng)目巖層較軟，存在微膨脹泥巖，為降低卡機(jī)風(fēng)險，TBM盾體采用倒錐形設(shè)計(jì)，刀盤開挖直徑為5060mm，尾盾直徑為4910mm，倒錐形的設(shè)計(jì)能夠有效的降低盾體卡殼風(fēng)險。

4.刀盤驅(qū)動

根據(jù)該項(xiàng)目的大埋深，斷層及軟弱圍巖多，巖石強(qiáng)度變化頻繁，部分洞段圍巖存在軟弱圍巖收斂變形的地質(zhì)特點(diǎn)。刀盤驅(qū)動配置6臺防護(hù)等級為IP67的330kW主驅(qū)動電機(jī)，系統(tǒng)脫困扭矩為額定扭矩的1.5倍，具備足夠的扭矩儲備，以應(yīng)對巖石強(qiáng)度的頻繁變換及可能的極端地質(zhì)狀況。

5.主軸承及主密封系統(tǒng)

采用直徑為3285mm的大直徑軸承，軸承直徑與開挖洞徑比率高達(dá) 0.65，同時軸承和齒圈為分體式設(shè)計(jì)。大的軸承直徑與開挖直徑比率將有效的提高刀盤的扭矩和軸承壽命，是長距離連續(xù)掘進(jìn)的有效保證。分體式設(shè)計(jì)較整體式設(shè)計(jì)維護(hù)性、可靠性更好的同時使得采用大的軸承直徑與開挖洞徑比率得以實(shí)現(xiàn)。

6.管片拼裝機(jī)

管片拼裝及為單體回轉(zhuǎn)式，帶有六個自由度的管片安裝器和管片存儲系統(tǒng)，可以在 15 分鐘完成一整環(huán)的安裝，確保軟弱圍巖下的快速通過。拼裝機(jī)采用無線遠(yuǎn)控式，同時配備線控式操作盤。

7.管片背部空隙填充系統(tǒng)

該項(xiàng)目管片背部填充系統(tǒng)為豆礫石填充系統(tǒng)和砂漿灌漿系統(tǒng)，豆礫石填充系統(tǒng)能夠快速填充管片與隧道壁之間的間隙，固定管片位置，確保設(shè)備快速掘進(jìn)；底拱管片的灌漿采用 Hany ZMP 710V 灌漿泵，最大粒徑 8mm，最大灌漿能力 3.9m3/h；同時在后配套尾部配備一套二次注漿系統(tǒng)用以填補(bǔ)留下的間隙，二次注漿采用施威英泵，最大泵送能力為 12m3/h。

8.糾偏裝置

針對雙護(hù)盾 TBM 在軟弱圍巖情況下易偏轉(zhuǎn)的情況，該項(xiàng)目TBM首先在前盾位置設(shè)置穩(wěn)定器，保證TBM刀盤在高轉(zhuǎn)速、高貫入度的情況下前盾的穩(wěn)定，同時還通過扭矩臂的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)糾偏以及在單護(hù)盾模式下采用糾偏環(huán)糾偏。

9.操作及控制系統(tǒng)

TBM操作系統(tǒng)采用最新的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，使得設(shè)備的操作、控制，故障診斷更加簡單易行，并采用中英文雙語操作界面，方便中外操作手操作簡單直觀的操作TBM。同時PLC 系統(tǒng)可以采集設(shè)備的各類數(shù)據(jù)，適時故障診斷及報警，并提供安全聯(lián)鎖保護(hù)，保證設(shè)備的精準(zhǔn)操作。

10.瓦斯探測系統(tǒng)

地質(zhì)情況復(fù)雜且地勘粗糙是TBM隧道的通性，為確保人員安全，避免氣體中毒，該項(xiàng)目在TBM主機(jī)伸縮盾、操作室及除塵管路出口分別設(shè)置有3個甲烷探測器，在操作室附近設(shè)置5個CO、CO2、H2S、SO2 、O2等探測器，對TBM掘進(jìn)過程中的有毒有害氣體進(jìn)行適時監(jiān)控。

11.除塵通風(fēng)系統(tǒng)

為保持隧道內(nèi)在產(chǎn)生氣體情況下進(jìn)行工作的安全性，該項(xiàng)目隧道除塵通風(fēng)按照洞外和洞內(nèi)分別布置，洞外采用4×90kW的串聯(lián)式變頻風(fēng)機(jī)通過懸掛于隧道頂部的φ1400mm的風(fēng)管向洞內(nèi)送風(fēng)，洞內(nèi)設(shè)置循環(huán)風(fēng)機(jī)，將盾體前方的廢氣、灰塵輸送到車架尾部，實(shí)現(xiàn)空氣對流，達(dá)到通風(fēng)除塵效果。

12.超前地質(zhì)處理系統(tǒng)

由于該項(xiàng)目地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為確保TBM安全順利的掘進(jìn)，在必要的情況需對地層進(jìn)行超前處理，在TBM設(shè)計(jì)時，該項(xiàng)目主要通過增加預(yù)留注漿孔設(shè)計(jì)、配置超前地質(zhì)鉆機(jī)、配置超聲波地質(zhì)預(yù)報儀等措施進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報及處理。

1、增加預(yù)留注漿孔設(shè)計(jì)

TBM在盾體上預(yù)留的注漿孔數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)TBM預(yù)留數(shù)量，共計(jì)34個孔。其中：

(1)盾上預(yù)留6個傾角22°和8個傾角7°的超前孔，用于超前地質(zhì)預(yù)報及處理；

(2)在伸縮盾預(yù)留6個徑向潤滑孔，用于徑向盾體潤滑，防止卡機(jī)；

(3)在撐靴盾預(yù)留14個傾角7°的超前孔，用于超前地質(zhì)預(yù)報及處理。

2、配置超前地質(zhì)鉆機(jī)

在TBM的A橋架位置布置阿特拉斯鉆機(jī)，可以通過撐靴盾的14個7°的預(yù)留注漿孔進(jìn)行超前鉆孔和注漿，可實(shí)現(xiàn)至少30米的超前加固；另一方面，利用小型鉆機(jī)通過前盾的預(yù)留超前孔進(jìn)行超前地質(zhì)處理。

3、超聲波地質(zhì)預(yù)報器

采用HSP超聲波探測系統(tǒng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，原理是通過收集刀盤開挖的聲源，向前方發(fā)射信號，通過反射波走時計(jì)算前方地質(zhì)界面的位置，通過反射波排列的形態(tài)推測前方地質(zhì)界面的形態(tài)、方位，通過反射波的幅值、極性判斷前方地質(zhì)界面的物理性質(zhì)。

13.后配套系統(tǒng)

鑒于成型隧道直徑僅有4.2米，相對狹小，后配套系統(tǒng)采用臺車式的設(shè)計(jì)方式，相較于門架式設(shè)計(jì)，臺車式后配套有更為寬大的平臺，在便于日常維護(hù)的同時由于平臺相連提高空間利用率，可以保證有更為通暢的安全通道，提高安全性。

五、結(jié)束語

由于TBM的高度機(jī)械化及自動化，可以實(shí)現(xiàn)管片襯砌和開挖掘進(jìn)的平行交叉作業(yè)，逐漸成為長大隧道的主要開挖設(shè)備，廣泛的運(yùn)用于隧道施工。但是TBM也存在一定局限性，特別是面臨復(fù)雜地質(zhì)條件等不利因素時，如果不能準(zhǔn)確地預(yù)估面臨的諸多風(fēng)險，及時采取有效應(yīng)對措施，可能導(dǎo)致TBM卡機(jī)停機(jī)、進(jìn)度滯后、結(jié)構(gòu)失事等問題，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人身安全。所以對TBM選型極為重要，首先需考慮TBM設(shè)備與地質(zhì)條件的一致性，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況對TBM進(jìn)行相應(yīng)的針對性設(shè)計(jì)；其次需綜合考慮經(jīng)濟(jì)分析；最后應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及選型原則，合理設(shè)計(jì)TBM機(jī)型、技術(shù)參數(shù)、輔助設(shè)備等。