錦屏二級水電站TBM穿越1#引水隧洞部分斷面采用的掘進施工技術

黃 翮， 李衛國

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河灣的天然落差，通過4條平行的引水隧洞(單條洞長度約16．67km)截彎取直，獲得水頭約310m。引水隧洞地處高地應力區，隧洞沿線上覆巖體一般埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m，引水隧洞具有高埋深、高地應力、大斷面、線路長、富含高承壓地下水的特點。隧洞沿線巖石具有高儲能性質，具備發生高地應力破壞的強度條件。在引水隧洞開挖中，以輕微～中等巖爆為主，部分洞段發生了強烈～極強巖爆。引水隧洞中部洞段地層為白山組(T2b)大理巖，巖石脆硬，該段隧洞埋深超過2000m，最大主應力σm≥40MPa，巖石強度應力比 Rb/σm＜2，地應力等級為極高地應力，屬于巖爆高發洞段，其強烈程度以輕微～中等為主，局部洞段發生了強烈～極強巖爆。巖爆的發生嚴重威脅施工人員及設備的安全，影響施工進度，甚至造成隧道掘進機(TBM)停機。為了保證TBM順利通過巖爆洞段，同時得到TBM通過巖爆洞段的優化掘進參數，在施工現場采用了鉆爆法導洞預處理后、TBM再掘進剩余斷面的施工方法。

1．1 TBM設備簡介

錦屏二級水電站1#引水隧洞采用由美國羅賓斯公司生產的敞開式硬巖掘進機(簡稱TBM)施工，整機長度為255m，主機和后配套重量約為3400t，共裝有78把直徑為483mm的滾刀，單把滾刀的最大切削載荷為311kN，推薦的刀盤推力為22703kN，可承受的最大推力為24260kN，刀盤驅動的總功率為4410kW，刀盤轉速為0～5．6 rpm，刀盤扭矩(2．4rpm 時)為16519kN·m，刀盤扭矩(5rpm時)為7509kN·m，掙脫扭矩為24778kN·m(3．3倍高速扭矩)。

1．2 部分斷面的斷面形式及其支護

為了保證1#引水隧洞施工順利通過潛在強巖爆施工洞段，在1#引水隧洞引(1)12+127～11+976、引(1)10+981～10+892段進行了部分斷面TBM的試驗掘進施工。在試驗掘進洞段，采取了2種不同型式的斷面，一種斷面為底部預留1 m高度(圖1)，一種斷面為底部預留7．4m的上導洞斷面型式(圖2)。

圖中鉆爆法開挖部分是通過相鄰的2#引水隧洞及其橫通道施工完成。預留1m斷面的開挖半徑較TBM開挖半徑大30cm，邊墻范圍為避免TBM開挖至該段以后支護系統對TBM刀盤的損壞，采用長度為3m的玻璃纖維錨桿進行臨時支護，在每一根錨桿上掛線后進行噴射混凝土施工;為確保噴射混凝土的平整度滿足撐靴通過的要求，其余部位采用砂漿錨桿并噴射20cm厚混凝土進行系統支護;預留7．4m斷面導洞頂部90°范圍開挖半徑較TBM開挖半徑大30cm，采用砂漿錨桿并噴射20cm厚混凝土進行支護，邊墻撐靴部位預留不開挖，采用3m長的玻璃纖維錨桿進行臨時支護。

2 TBM穿越部分斷面的掘進施工

2．1 掘進參數的選取

TBM穿越部分斷面掘進時，空腔部位可能使得頂護盾和側護盾與巖石表面沒有接觸而造成TBM穩定性減弱，同時，刀盤部分面積與巖石沒有接觸，導致刀盤和刀具受力不均，刀盤、主軸承及主梁等部件會受到偏心扭矩，可能會導致刀具、鏟齒以及刀盤結構所受到的沖擊載荷加大，因此，必須采取合理的掘進參數，減小刀具的損壞，確保主軸承及主機結構完好。

TBM操作參數中能直接控制的兩個變量為推進流量和刀盤轉速。實際操作中，在推進流量恒定的情況下，推進壓力隨圍巖狀況變化并影響推進速度;刀盤轉速對出渣量影響明顯，在一定程度上影響推進力及推進速度，故對參數的選擇僅限于推進力及刀盤轉速。

掘進參數應通過理論計算并結合施工經驗確定初始參數，再通過現場試驗后進行最終掘進參數的選取。

2．1．1 初始掘進參數的選取

推進力由兩部分組成，即刀盤的總壓力以及推進的摩擦阻力。推進的摩擦阻力由主機重量和側護盾撐緊產生的摩擦力組成(后配套牽引處于浮動狀態，不計)。摩擦系數根據現場實際情況選擇0．35，則推進摩擦阻力為5320kN。

底部預留1m斷面的TBM開挖部分的面積為4．6m2，占全斷面開挖面積的4%，接觸巖面的刀的數量最多時為3個，最少時為1個。在此工況下，TBM掘進的控制要素為單刀能夠承受的最大荷載，因此，為保護刀具，刀盤的總壓力為單刀最大載荷315kN，考慮到推進時的摩擦阻力，將最大推進定力為5635kN。

底部預留7．4m斷面的TBM開挖部分的面積為80．6m2，占全斷面開挖面積的67%，接觸巖面的滾刀數量為50～57個。在此工況下，主軸承為偏心受力，應以主軸承滾柱對滾道的接觸壓力不高于正常掘進時的最大滾壓為前提，根據斷面的偏心距離、主軸承的抵抗矩、允許的最大滾壓按照以下公式計算出單把滾刀的荷載，再根據接觸巖面的滾刀數量計算出刀盤的允許最大推力。

公式:單刀荷載×巖面接觸面滾刀數量/主軸承滾柱的接觸面積+單刀荷載×巖面接觸面滾刀數量×偏心距/主軸承抵抗矩=最大滾壓

經計算，底部預留7．4m斷面的單刀荷載為198kN。為保護主軸承，刀盤的總壓力最大為9900kN(50×單刀荷載)，考慮到推進時的摩擦阻力，則其最大推進力為15220kN。為了確保TBM設備安全，考慮到TBM制造廠家的建議，選取了一定的安全系數，將初始掘進推力選為10 000kN，最大不超過14600kN。

刀盤轉速從2rpm逐漸遞增，將最高轉速控制在3rpm，并根據實際刀具、刀牙的損壞及主機振動情況選擇最為合適的轉速。

2．1．2 實際采用的掘進參數

以選定的初始參數為基礎，進行了6個工況(每個工況對應不同的刀盤推力和刀盤轉速)的掘進測試，每個工況掘進距離為20～40cm，其中重點對轉速2．5～3r/min之間的推力進行了測試。

每次推力試驗的第一組均進行空推試驗，即將刀盤后退，頂護盾和側護盾正常施壓，啟動刀盤到即定的轉速后，開始向前推進，當其達到需要的推進速度時，記錄其推進力。實際測得的推進摩擦阻力值變化較大，范圍為3300～8500kN。

通過對不同掘進參數下設備狀況的監控及掘進效果(貫入度的大小)的比較，并最終選擇出適合于1#引水隧洞部分斷面開挖的掘進參數(表1)。

2．2 TBM穿越部分斷面掘進采用的施工措施

2．2．1 掘進前的準備

(1)為保護刀具及刀盤部件，在TBM掘進施工前，安排專人及設備將超前導洞預處理段的大石塊運出并檢查是否有鐵器遺留，及時清理。

(2)為保證設備安全、獲得最合理的掘進參數，提前制定了監測方案并提前在全斷面掘進段取得相應的監測數據。

(3)加強對掘進姿態的控制。TBM抵達部分斷面掘進段前，其掘進軸線應盡量接近隧洞設計軸線。

(4)確保對鉆爆施工預留1m斷面撐靴部位的支護措施、施工工效以及噴層尺寸控制效果，以保證撐靴的正常支撐。

(5)考慮到可能出現的備件損耗，施工前需及時儲備，以保證不影響正常施工。

2．2．2 掘進過程中的要點

每循環控制調向1～2次，以防止損壞刀具。由于兩側護盾能正常撐緊至洞壁，故軸向水平方向容易控制，而頂護盾因無法接觸到洞壁，則調向重點在軸向垂直方向，需防止機器上漂。當發現機器有上揚趨勢時應及時向下調向。通過采取上述措施，在錦屏二級水電站部分斷面TBM開挖過程中的實際軸線控制均在允許偏差范圍內。

掘進過程中安排專人觀察刀盤及刀具的工作狀況，同時觀察刀盤前部巖石的積渣情況，若有大塊石堆積，及時進行處理。在實際掘進過程中，可根據刀盤出渣塊度的均勻程度和刀盤抖動情況適當調整掘進參數。

2．3 TBM穿越部分斷面掘進的設備狀態監測

2．3．1 設備狀態檢測的主要內容

在主軸承上端共布置了4個測點，測試主軸承不同工況下(全斷面、預留1m斷面和預留7．4 m斷面)的振動速度。通過對測試數據進行分析，確定主軸承的振動優勢頻率及特征頻率，據此判斷主軸承的工作狀態是否正常，是否存在其它振源干擾產生的振動疊加;通過振動速度幅值的計算，確定主軸承的振動烈度，并將不同工況下的數值進行對比，提供合理的掘進參數。

在6#、9#主驅動電機上共布置了4個測點，以測試主驅動電機不同工況下的振動加速度，通過觀測主驅動電機的振動，可以確定刀盤掘進過程是否平穩。

在不同掘進工況下，對主軸承、主驅動變速箱、主液壓系統等處潤滑油的油樣進行理化指標(粘度、水分)分析、鐵譜分析、污染度檢測、光譜分析，并根據設備油液的分析情況判斷設備的振動程度及狀態。

2．3．2 設備狀態監測的分析結果

(1)與全斷面掘進相比，部分斷面掘進時，主軸承振動速度和加速度有效值均有所減小，主梁振動速度也有所減小，初步分析判斷其為推力減小所致。

(2)根據對部分斷面測試數據進行的分析，全斷面掘進與部分斷面掘進時主電機的振動加速度相差不多。

(3)與全斷面掘進相比，部分斷面掘進時，主梁上部主要受拉應力，下部主要受壓應力，主梁的偏載稍大，但未超過一個數量級。

(4)1m高斷面由于推力較小，故其各個測點的振動加速度值與速度值均很小。但與全斷面和部分斷面相比，主梁所受到的偏載并未減小，且在同種工況下略有增加。

(5)磁濾芯檢查、取油樣進行理化指標檢測及鐵譜分析表明:主軸承潤滑油及主驅動電機減速箱潤滑油運動粘度、水分、污染度均在許可范圍內，外觀呈棕色透亮，油液質量良好，油液中含有的異常磨粒數量較少，尺寸較小，均屬于正常磨損。主軸承處于平穩運行狀態，主軸承磨損正常。

對上述部分斷面狀態監測數據進行分析表明:部分斷面掘進時偏載情況確實存在，數值略微超過全斷面，但不會影響到主體結構的強度和安全;全斷面與部分斷面測點的振動值在水平方向稍小，垂直方向較大且相關，對于主電機沒有影響且不相關;所選定的掘進參數對于設備而言是安全的，對部分斷面的掘進是可行的，但需嚴格控制掘進參數。

2．4 TBM穿越部分斷面掘進時備件的消耗情況

在掘進試驗段施工時，刀具未發生損壞，刀牙損壞平均值為0．32個/m，相比前期刀牙損壞1．95個/m要低很多，由此說明掘進參數的選擇合理，貫入度及轉刀盤速控制合理。

在巖爆洞段部分斷面掘進過程中刀具損壞3把(2把刀圈開裂，1把擋圈脫落)，刀牙未見損壞，雖然比試驗段有所增加，但與全斷面掘進相比，損耗量仍很少，屬正常范圍。因此，刀具檢查時間可縮短至每班一次。

2．5 TBM穿越部分斷面掘進的進尺情況

1#引水隧洞引(1)12+127～11+976試驗掘進段:底部預留1m斷面共施工了14d，施工段長為104m，最高日進尺為11．58m/d，平均日進尺為7．42m/d，最高掘進速度為 0．84m/h，平均掘進速度為0．78m/h;底部預留7．4m斷面共施工了8d，施工段長47m，最高日進尺為12．01m/d，平均日進尺為5．88m/d。

在引(1)10+981～10+892強巖爆洞段:全部為底部預留7．4m斷面，共長89m，施工了5 d，平均每天進尺為17．8m/d，最高日進尺達到了21．6m/d。該段進尺大幅度提高得益于掘進段試驗所取得的經驗，一方面，合理地優化了掘進參數;另一方面，適當減少了刀具檢查頻次，將試驗掘進段每循環檢查調整為每班檢查，從而使TBM掘進的利用率得到了大幅度提高，達到了40%。

3 結語

(1)根據部分斷面的斷面形式以及TBM設備的受力特點，通過理論計算和現場掘進相結合的方法，合理選擇部分斷面的掘進參數進行TBM部分斷面的掘進施工是安全、可行的。

(2)TBM穿越部分斷面的掘進施工應通過理論計算和現場實際試驗，綜合選取最優的掘進參數，并應通過對TBM的狀態進行監測分析后對TBM設備的安全性進行分析評估。

(3)TBM穿越部分斷面掘進時，刀具、刀牙等備品備件的消耗水平比全斷面掘進的消耗水平低。因此，在控制好掘進參數的情況下，TBM部分斷面的掘進進尺仍然可以達到較高的水平。