厄瓜多爾CCS項目輸水隧洞TBM1掘進(jìn)施工技術(shù)分析

程艷娜

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽110003)

1 工程概況

厄瓜多爾CSS 項目輸水隧洞工程K1 +100.95～K9 +878.18 及2#支洞KA0 +450 ～KA1 +644.54采用雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，開挖直徑為9 110 mm，安裝新刀時，開挖直徑增加為9 130 mm。開挖后，進(jìn)行預(yù)制混凝土管片的拼裝和襯砌，管片的寬度為1.8 m、內(nèi)徑8.2 m，厚度為300 mm，由6 +1 塊組成;采用豆礫石填充洞壁與管片的空隙，隨后回填灌漿。隧洞出渣采用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)送至洞外，并經(jīng)由轉(zhuǎn)渣皮帶機(jī)轉(zhuǎn)至渣場入口，最后用自卸汽車運(yùn)往棄渣場，洞內(nèi)運(yùn)輸部分采用柴油機(jī)車牽引編組列車。

2 TBM1 掘進(jìn)施工模式與基本流程

雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)有單、雙護(hù)盾兩種掘進(jìn)模式，在施工過程中，需要根據(jù)超前地質(zhì)探測、前序掘進(jìn)參數(shù)、石渣、地質(zhì)圖紙等準(zhǔn)確判斷掌子面圍巖狀態(tài)，并以此作為掘進(jìn)參數(shù)和模式的選擇依據(jù)。TBM 施工采用三班制，一班負(fù)責(zé)維護(hù)，兩班負(fù)責(zé)掘進(jìn)，其中，維護(hù)班每班工作時間為4h，掘進(jìn)班每班工作時間為8h，維護(hù)工作于每日上午進(jìn)行。圖1 為TBM1 掘進(jìn)施工作業(yè)流程圖。

3 掘進(jìn)準(zhǔn)備階段

掘進(jìn)準(zhǔn)備階段需要做以下工作:

1)接通TBM 主機(jī)變壓器、洞外變壓器間的電源，并在隧洞內(nèi)提供照明。

2)接通TBM 變壓器開關(guān)，待其工作狀態(tài)穩(wěn)定后，接通二次側(cè)電源輸出開關(guān)，同時對TBM 所需的各種電壓進(jìn)行檢查，并接通TBM 及配套照明系統(tǒng)，并檢查漏電監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀況［1］。

3)對氣體、火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行檢查，為施工安全提供保障。

4)確定全部調(diào)速旋鈕處于零位狀態(tài)，確定全部聲音、燈光指示元件正常工作。

5)檢查液壓和潤滑系統(tǒng)油位，若不足則添加油料。

6)確定供水和通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)作。

7)接通TBM 控制電源，對TBM 給水水泵、液壓動力站、通風(fēng)機(jī)等的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查。

8)確定各類輔助施工設(shè)施進(jìn)入掘進(jìn)工況。

9)確定測量導(dǎo)向儀器能夠提供正確的導(dǎo)向和位置參數(shù)。

10)通過超前地質(zhì)預(yù)報探測前方圍堰情況，為掘進(jìn)工作的開展提供參考和借鑒的依據(jù)。

11)結(jié)合測量導(dǎo)向系統(tǒng)反饋的TBM 位置參數(shù)，對其作業(yè)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保方向偏差始終處于設(shè)計允許的范圍內(nèi)。

圖1 TBM1 掘進(jìn)施工作業(yè)流程圖

4 雙護(hù)盾掘進(jìn)模式

所謂雙護(hù)盾掘進(jìn)，是指在硬巖條件下的隧洞開挖時，TBM 依靠支撐盾上的支撐靴支撐于洞壁之上，在掘進(jìn)的同時，也可進(jìn)行尾盾拼裝管片、豆礫石回填等作業(yè)［2］。

4.1 掘進(jìn)步驟

雙護(hù)盾掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)主要分為2個階段:

4.1.1 階段一:換步與調(diào)向

掘進(jìn)行程結(jié)束后停止推進(jìn)與刀盤旋轉(zhuǎn)，將撐靴油缸收回，使刀盤底部支撐于洞底。主推進(jìn)油缸收回帶動支撐盾向前移動，同時輔助推進(jìn)油缸撐緊已拼裝好的管片。在支撐盾到達(dá)預(yù)定位置后，對各位置推進(jìn)油缸和掘進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，待TBM 方向調(diào)整結(jié)束后，使撐靴再次撐緊洞壁，換步至此完成。

4.1.2 階段二:在掘進(jìn)的過程中完成管片拼裝

推進(jìn)油缸推進(jìn)旋轉(zhuǎn)的刀盤向前掘進(jìn)1.5m，掘進(jìn)反力傳遞到撐緊于洞壁的撐靴，出渣車設(shè)置在后配套區(qū)域，切削下的石渣通過主機(jī)皮帶機(jī)以及后配套皮帶機(jī)卸入連續(xù)皮帶機(jī)，最終通過自卸汽車運(yùn)往棄渣場。同時，進(jìn)行預(yù)制混凝土管片的拼裝，以及回填豆礫石、灌漿等作業(yè)。

4.2 雙護(hù)盾作業(yè)流程

雙護(hù)盾模式下的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 雙護(hù)盾模式下的作業(yè)流程圖

4.2.1 對掌子面圍巖狀態(tài)進(jìn)行判斷

參考上一循環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)、工程地質(zhì)圖紙、石渣狀態(tài)等對掌子面圍巖狀況進(jìn)行判斷，分析前方圍巖的含水量、發(fā)育程度、巖性、整體性等。若有需要，還可以通過超前地質(zhì)探測的方式對其進(jìn)行進(jìn)一步的明確。

4.2.2 換步與調(diào)向

換步調(diào)向操作如前文所述，在換步過程中，TBM主司機(jī)應(yīng)結(jié)合測量導(dǎo)向系統(tǒng)顯示的上一循環(huán)結(jié)束時TBM 的方位以及本掘進(jìn)循環(huán)調(diào)向參考值對TBM 姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使掘進(jìn)方向始終處于有效控制的狀態(tài)下。

4.2.3 掘進(jìn)參數(shù)選擇

根據(jù)預(yù)先判定的掌子面圍堰狀態(tài)，對刀盤轉(zhuǎn)速、撐靴壓力、推力等參數(shù)進(jìn)行選擇。

4.2.4 掘進(jìn)及拼裝管片

掘進(jìn)過程中，結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)的實(shí)際變化情況對圍巖變化進(jìn)行判斷并進(jìn)行及時調(diào)整，同時，結(jié)合以往的施工經(jīng)驗確保圍巖狀況、掘進(jìn)參數(shù)始終處于最佳匹配狀態(tài)［3］。

5 單護(hù)盾掘進(jìn)模式

所謂單護(hù)盾掘進(jìn)，就是指在軟巖條件下的隧洞開挖時，撐靴不再撐緊洞壁，主推進(jìn)油缸不收回，支撐盾、前盾作為一個整體動作，在掘進(jìn)過程中輔助推進(jìn)油缸頂緊已經(jīng)拼裝好的管片提供推理。

由于管片的拼裝無法在TBM 掘進(jìn)時進(jìn)行，因此只能在掘進(jìn)完成并停止后完成管片的拼裝以及換步調(diào)向工序。

5.1 掘進(jìn)步驟

單護(hù)盾掘進(jìn)作業(yè)循環(huán)主要分為3個階段:

1)階段一:調(diào)向。在上一循環(huán)管片拼裝結(jié)束后，即可開始本循環(huán)作業(yè)，此時，輔助推進(jìn)油缸的回收已經(jīng)完成，及換步結(jié)束。

通過對輔助推進(jìn)油缸的調(diào)整，使主機(jī)以刀盤底部接觸洞底的部位支點(diǎn)在豎直、水平兩個方向旋轉(zhuǎn)，從而使TBM 的掘進(jìn)方向得到調(diào)整。

2)階段二:掘進(jìn)。輔助推進(jìn)油缸推動旋轉(zhuǎn)刀片向前掘進(jìn)1.5m，掘進(jìn)反力傳遞到拼裝好的管片，與后配套區(qū)域設(shè)置出渣列車，切削下來的石渣通過通過主機(jī)皮帶機(jī)以及后配套皮帶機(jī)卸入連續(xù)皮帶機(jī)，最終通過自卸汽車運(yùn)往棄渣場。同時，進(jìn)行回填豆礫石、灌漿等作業(yè)。

3)階段三:拼裝管片與換步。

5.2 單護(hù)盾作業(yè)流程

單護(hù)盾模式下的作業(yè)流程如圖3 所示。

相對于雙護(hù)盾模式而言，單護(hù)盾模式更適合斷層破碎帶、軟弱圍巖等地質(zhì)洞段，在實(shí)際操作時，應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝流程及相關(guān)具體要求，做好超前地質(zhì)探測預(yù)報，針對性選擇各類加固措施，為TBM 能夠安全、快速的通過提供最大程度的保障。

圖3 單護(hù)盾模式下的作業(yè)流程圖

6 TBM 掘進(jìn)技術(shù)要點(diǎn)

在掘進(jìn)開始前，應(yīng)對液壓儀表盤的壓力進(jìn)行全面檢查，包括壓力是否處于正常水平、指針是否回零、查看最新的故障、運(yùn)行、檢修記錄等，確保無任何異常現(xiàn)象存在。

將鑰匙開關(guān)插入并旋轉(zhuǎn)至開啟位置，隨后按下系統(tǒng)復(fù)位按鈕，確認(rèn)人機(jī)界面無報警信息或警告。將報警器按鈕按下，并保持至少10 s，同時通知全部作業(yè)人員刀盤即將啟動。

隨后，將全部液壓驅(qū)動電機(jī)和馬達(dá)以及潤滑油泵開啟，將兩個后支撐撐腳與巖壁接觸，將前支撐油缸選擇在低壓位置撐出，確認(rèn)冷卻水路、供水系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)［4］。

報警10 s后，啟動后配套皮帶機(jī)、TBM 皮帶機(jī)和刀盤電機(jī)。

啟動主推進(jìn)油缸開始掘進(jìn)，在掘進(jìn)過程中，操作人員必須對設(shè)備的運(yùn)行路線、坡度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

TBM 導(dǎo)向設(shè)備或激光靶標(biāo)/激光束可用于TBM運(yùn)行線路、坡度的監(jiān)測，在掘進(jìn)過程中，操作人員應(yīng)以監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，對TBM 的方向控制進(jìn)行合理修正。

人機(jī)界面電流表會用紅線表示最大安全運(yùn)行電流等級，任何電機(jī)不得在高于該電流等級的工況下運(yùn)行，并且全部電流表度數(shù)應(yīng)盡可能保持一致。若不同電流表讀數(shù)存在顯著差異，或是某些電機(jī)在高于其電流等級的工況下運(yùn)行，應(yīng)立即對問題的產(chǎn)生原因進(jìn)行檢查。

一般來說，這種問題是在電流過大的同時存在較高的掘進(jìn)推力造成的，在對主驅(qū)動電機(jī)電流以及推進(jìn)力進(jìn)行監(jiān)視的基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)速度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，即可獲得更為理想的掘進(jìn)速率。

液壓動力系統(tǒng)中，掘進(jìn)最高壓力值可以通過減壓閥進(jìn)行限定，而PLC 則能將掘進(jìn)壓力限制在一定程度以下。若掘進(jìn)壓力超過該值，設(shè)備將自動中止掘進(jìn)并在人機(jī)界面上提示錯誤信息。

前進(jìn)速度設(shè)定后，若在油泵輸出功率保持一定的情況下出現(xiàn)推進(jìn)壓力增加的問題，則說明圍巖的硬度開始增加。

此時，如果刀盤電機(jī)電流接近紅線，則操作人員應(yīng)適當(dāng)提升推進(jìn)油泵的輸出功率;若在油泵輸出功率保持一定的情況下出現(xiàn)推進(jìn)壓力減少的問題，則說明圍巖的硬度開始見效，可適當(dāng)降低油泵的輸出功率。

一旦推進(jìn)油缸活塞桿推出至行程極限，就必須停機(jī)，使油缸活塞桿能夠順利回收。

停機(jī)前，應(yīng)使刀盤繼續(xù)保持一小段時間的轉(zhuǎn)動，以便對鏟斗、刀盤上的渣料得到清理，隨后按下刀盤電機(jī)停機(jī)按鈕。在確定皮帶機(jī)上無渣料存在后，可終止皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

準(zhǔn)備換步時，將前支撐高壓伸出撐向巖壁，完全回收后支撐油缸，確保輔助油缸承推環(huán)完全推向最后安裝的管片環(huán)，打開主機(jī)操作室操作臺快速復(fù)位控制開關(guān)，快速收回主推進(jìn)油缸，輔助推進(jìn)油缸同時快速回收，最后將護(hù)盾復(fù)位。

將兩個后支撐的撐腳撐住巖壁，將前支撐油缸選擇在低壓位置撐出，將報警器按鈕按下至少10s，同時通知全部工作人員，刀盤即將啟動。

按此操作順序繼續(xù)進(jìn)行正常的啟動和推進(jìn)作業(yè)。

停機(jī)時，終止全部潤滑電機(jī)和液壓電機(jī)的運(yùn)行，將控制電源開關(guān)旋至關(guān)閉位置。

終止機(jī)器的全部功能。

7 施工中的注意事項

在TBM 掘進(jìn)過程中，全部輔助作業(yè)都應(yīng)作為主機(jī)掘進(jìn)的輔助，若無特殊情況，不能對主機(jī)的掘進(jìn)作業(yè)產(chǎn)生影響。

施工中的注意事項有:

1)對車輛調(diào)度進(jìn)行合理安排，確保豆礫石、注漿料、管片能夠及時運(yùn)往指定地點(diǎn)。

2)鋼軌、風(fēng)管儲藏筒等特殊材料的運(yùn)輸應(yīng)在最短時間內(nèi)完成。

3)若遭遇不良地質(zhì)條件，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行TBM 操作規(guī)程，不得為保障施工進(jìn)度而已掘進(jìn)機(jī)的損壞為代價。

4)掘進(jìn)設(shè)備的操作應(yīng)由專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行。

5)施工操作應(yīng)嚴(yán)格按照TBM 的各項技術(shù)規(guī)定。

6)施工中應(yīng)注意液壓設(shè)備、電器設(shè)備的防火防水，電氣控制裝置在防水的同時還應(yīng)配備防塵設(shè)施。

7)若有害氣體監(jiān)測儀報警，應(yīng)立即啟動瓦斯洞段施工預(yù)案，確保人員和設(shè)備的安全。

［1］李貞婷. 雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)止水新工藝［J］. 科技與企業(yè)，2013(16):238 －238.

［2］張利民. 引洮單護(hù)盾TBM 掘進(jìn)通過不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)［J］. 甘肅農(nóng)業(yè)，2012(17):101 －102.

［3］阮懷勇. 單護(hù)盾TBM 通過不良地質(zhì)洞段應(yīng)對措施探討［J］. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012(03):117 －118.

［4］李進(jìn)平. 雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)S301 操作總結(jié)［J］. 山西水利科技，2013(01):14 －16.