TB803E支護系統的配備研究

摘 要：TBM是一臺系統配備能力全面的機械設備，它可以滿足TBM掘進、支護、噴砼等要求，同時集開挖、初期支護、出碴等功能于一體。各套系統相互制約又相互平衡，最大的發揮設備的功能。文章以大伙房TBM2標為例，投入本標段施工的是德國WIRTH公司生產的TB803敞開式TBM。該套設備的支護系統包括：超前鉆機系統、拱架安裝系統、錨桿支護系統、砼射系統。

關鍵詞：支護系統；支護能力；地質圍巖

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0140-03

我國使用全斷面隧道掘進機（TBM）進行長大隧道施工起步時間比較晚，這與我國的國情和國家的綜合實力有很大的關系，這是一個國家綜合整機裝備能力的體現，鐵道部率先于1997年購買2臺德國wirth公司生產的全斷面隧道掘進機（TBM）進行西康線秦嶺隧道的開挖，開創了國內用TBM施工的先河。中鐵隧道集團參與了這一宏大的工程，實踐證明在長大隧道硬巖掘進的過程中采用TBM施工是比較經濟合理的一種掘進方式。有鑒于此，在遼寧省重大水利工程大伙房輸水工程系統中，應業主要求采用TBM施工，這是中鐵隧道局第二次使用TBM施工，中鐵隧道局高度重視該項目，從全局員工中抽調骨干精英會戰參加該項目的施工。與1997年的TBM880有很大不同，各系統的性能更為優良，故障率更低。特別是應對水力系統更高質量要求，對掘進前方的圍巖探察更直接，其初期支護方式，斷面噴砼方式更為先進快速。隨著國內機械整機裝備能力的加強，對大型設備的管理模式更加的成熟，國內將會更多的引進TBM進行長大硬巖隧道開挖。本文簡要介紹TB803E的支護系統能力的配備，為國內TBM施工支護系統提供借鑒的經驗。

支護系統的作業順序為：①當出現圍巖變壞的征兆時，用超前鉆機探察地質情況，以制定出合理的施工方案和措施，也可以進行超前支護（超前注漿、超前管棚等）處理；②根據圍巖情況和設計要求，需要安裝鋼拱架時用拱架安裝系統安裝鋼拱架來加固圍巖，防止圍巖坍塌，或利用設在主機區域的應急噴漿系統對圍巖進行封閉處理；③根據圍巖情況和設計要求用錨桿鉆機進行錨桿施工作業對圍巖縱深進行加固；④用設在后配套區域的砼噴射系統進性砼噴射作業，對圍巖進行封閉處理。

1 TBM配套系統的配置原則

TB803E配備力求國際上最好，技術上最先進的設備。超前鉆機采用芬蘭湯姆洛克生產的。其采用液壓控制，控制準確，故障率低。設計的工作能力完全能夠滿足TB803掘進中的需要。拱架安裝器安裝在TB803E護盾后部，由液壓油缸控制其前后行走，左右旋轉由液壓馬達控制，作業時間短，工作平穩，無噪聲。根據設計的要求，能夠滿足掘進過程中安裝拱架的需要。錨桿鉆機采用電控液技術，使用操作手柄遠程控制，解決了工作中對人員的傷害，所有的執行元件都采用液壓控制，控制所有的電磁閥，并將信息反饋到操作手柄。雖然工作環境惡劣，但故障率低。由安裝在后配套拖車平臺上的輸送泵，泵送砼，通過砼射系統均勻的進行砼射作業。砼射系統也是由液壓控制，由液壓馬達進行縱向行走，橫向行走，通過液壓油缸實現噴頭的縱向位移，本身噴頭亦可進行360°回轉，保證在噴射的過程中洞壁外圓內實。

2 支護系統

2.1 超前鉆機系統

該臺鉆機的型號為：HL300，可施鉆孔徑范圍φ43～φ64。該套系統的安裝是根據地質情況而定的，如遇到圍巖較軟的地質，通過超前鉆機施鉆，確定掘進前方的圍巖類別。在TBM主機上部安裝一套超前鉆機，廠家名：TAMROCK，中文名：湯姆洛克，該品牌的鉆機是全球質量最好，安全性最高的鉆機。利用超前鉆機施鉆，進行地質鉆孔，然后分析圍巖的類別和石質的穩定性決定采用何種掘進參數，并及時調整掘進中出現的各種問題，防止刀盤卡住，并為后期的拱架安裝和錨桿支護提供依據，同時也便于合理利用勞動力資源。

2.2 拱架安裝系統

根據設計院圖紙要求和工作經驗，由土木值班工程師下達指令，必須對不穩定或是容易塌方的松散圍巖，通過安裝整體式拱架進行初期支護，拱架按照其結構特點分為：鋼拱架和花拱架。對于圍巖較軟的地質，根據設計要求，采用φ160鋼拱架，120 cm間距均勻安裝，對于圍巖較硬的地質，根據工作經驗和設計要求，可隨機安裝花拱架。由拱架來承受圍巖壓力，并防止大塊的石頭塌方，達到初期支護的要求。拱架的安裝過程是通過拱架安裝器來實現的，拱架安裝器是由液壓驅動。其工作原理如下：由主泵站提供高壓液壓油，并通過一些控制閥塊（如可調節流閥，高壓溢流閥，調壓閥等），來提供滿足設計需要的壓力及流量。拱架安裝器的前后移動是通過工程油缸來實現，上下移動是通過舉升油缸來實現，順、逆時針轉動是通過液壓馬達帶動傳動齒輪在齒條上行走實現的。根據設計圖紙要求以及實際工作經驗，對Ⅳ類圍巖必須立拱，設計要求為1.2 m/榀，5節/榀。由拱架安裝器進行立拱時，立拱時間：20 min/榀。TB803E設計參數：貫入度0.01 m/rad，掘進速度1.8 m/環，設計最快掘進時間：36min/環，基本上可滿足實際施工的需要。

2.3 錨桿支護系統

錨桿支護系統是通過錨桿鉆機施鉆，在洞室圍巖不穩定的地段進行錨桿作業，選擇合理的錨桿類型與參數，在圍巖中有效形成承載環。錨桿鉆機是一套集液壓、電氣、機械于一體的設備，錨桿鉆機是由主泵站中4#、5#、6#泵驅動，并提供高壓液壓油，通過執行元件來控制錨桿鉆機前后、上下行走，完成一個整體的施鉆過程。對所有圍巖，都必須進行錨桿作業，具體技術要求見表1 TBM施工段支護參數表。在支護要求最高的情況下，錨桿鉆機的作業要求為間距1.0 m×1.0 m，長度為2.5 m，根據錨桿鉆機的設計最大能力，錨桿鉆機的作業時間30 min/循環，TB803E設計的最快速度36 min/循環，錨桿的作業時間可滿足施工的需要。

2.4 噴砼支護系統

噴砼支護是在噴漿橋位置施工，通過噴漿機械手將由輸送泵泵送過來的砼均勻的噴射到洞壁。噴漿機械手由主泵站的6#，7#泵驅動提供高壓液壓油，通過執行元件（馬達）控制噴漿機械手前后、左右行走，同時在噴漿過程中噴射部分也可360°轉動，保證最合理的噴射位置，同時亦保證最佳的噴射效果，確保洞壁外圓內實，美觀大方。噴砼支護系統是TBM支護系統的最后一個環節。對噴砼的最大技術要求：Ⅳ類圍巖下厚度為16 cm，實際需要砼方量為3.941 m3，每循環需要砼方量為：7.0938 m3，根據輸送泵的最大泵送能力為23 m3/h，根據工作經驗，一般選擇15 m3/h，故輸送泵實際需要的泵送時間為28.5min/循環，設計的最快掘進時間為36 min/循環，同樣可以滿足掘進的需要。TB803E配備的輸送泵型號：AL278/AL279，是由瑞典Aliva公司制造的，是世界上最先進的輸送泵，采用S擺閥換向，換向過程平穩，快速，液壓控制方式采用閉環控制方式，精準，快速，電氣控制方式采用PLC程序控制，故障率低，故障顯示直觀，故障排除時間短。

3 不同類別圍巖的工程性質

遼寧省大伙房輸水工程TBM2標段TBM施工地質圍巖類別可分為4種，即：Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲb類、Ⅳ類。

①Ⅱ類圍巖：堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整；長期穩定，偶有掉塊。

②Ⅲa類圍巖：堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；穩定數月，可發生局部塊體位移及小至中坍方。

③Ⅲb類圍巖：較軟巖，巖體完整；穩定數日，可發生局部塊體位移及小至中坍方。

④Ⅳ類圍巖：堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體破碎～較破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主；巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整；一般無自穩能力，數日至數月內可發生松動變形、小坍方，進而發展為中至大坍方。埋深大時，有明顯的塑性流動變形和擠壓破壞。

綜上所述，Ⅱ類與Ⅲa類圍巖易形成自然平衡拱，基本穩定，Ⅲb類與Ⅳ類圍巖基本無自穩能力。也就是說，Ⅱ類與Ⅲa類圍巖壓力較小、Ⅲb類與Ⅳ類圍巖壓力較大。

4 選擇支護結構的類型

支護結構的基本作用就是保持隧道斷面的使用凈空，防止巖體質量的進一步惡化，和圍巖一起組成一個有足夠安全度的隧道結構體系，承受可能出現的各種荷載。此外，支護結構必須提供一個能滿足使用要求的工作環境。在大伙房輸水工程中，采用復合式支護結構。復合式支護結構是柔性支護（噴錨支護）與剛性支護（現澆混凝土支護）的組合支護結構，最終支護是剛性支護。即初期支護采用噴錨支護，讓圍巖釋放掉大部分變形和壓力，然后再施加二次襯砌，承受余下的圍巖變形和地壓，以維持圍巖穩定。

5 支護參數的選擇

選擇完支護結構后，應根據不同類別圍巖的穩定情況選擇合理的支護類型與參數使其充分發揮功效。不同圍巖類別支護結構參數大體是按下述原則確定：支護類型的確定應根據圍巖地質特點、工程斷面大小和使用條件要求等綜合考慮；選擇合理的錨桿類型與參數，在圍巖中有效形成承載環。

根據以上原則，大伙房輸水工程對不同圍巖類別采用的初期支護參數如表1和圖1所示。

6 結 語

隨著國內鐵路施工，水力系統，公路系統等隧道施工的投入加大，國內采用TBM進行長大隧道進行施工已是大勢所趨。掌握TBM施工各環節的注意事項，加強隧道支護參數，為安全，快速的掘進支護提供保障，這是TBM施工急需解決的問題。了解并掌握TBM支護系統的配備，可為采購以及熟悉TBM支護系統提供技術上的支持。

參考文獻：

[1] 路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京:機械工業出版社，2003.

[2] 李衛兵.TBM在超長隧道施工中的應用研究[D].吉林:吉林大學，2005.

[3] 王浩.敞開式全斷面巖石掘進機連續掘進原理的研究[D].北京:華北電力大學，2006.