大直徑硬巖掘進機(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標TBM3的應用

賀　飛, 曾祥盛, 齊志沖

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

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大直徑硬巖掘進機(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標TBM3的應用

賀飛, 曾祥盛, 齊志沖

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州450016)

為了研究中鐵工程裝備集團有限公司自主研制的首臺TBM的各項技術特點與工程適應性，結合TBM在引松供水工程總干線四標段的掘進施工情況，分析了TBM掘進地層特點以及主要設計參數。引松供水工程四標段掘進巖層復雜多變，富含大量斷層破碎地層以及風化灰巖地層，部分地層巖石強度大且石英含量高，對TBM刀盤及刀具要求極高，TBM刀盤面板采用270 mm厚板設計，且刀座基座直接在刀盤面板上加工而成，刀具按非線性方式布置且刀間距控制在82～90 mm；設計了有效的TBM初期支護系統和材料運輸平臺，并且搭載了激發極化超前地質預報系統。工程掘進結果表明：該臺TBM刀盤設計可靠性強且能保證高效破巖，創造了最高月進尺1 226 m、日進尺70.8 m的優異成績，TBM在不良地質下支護高效快速，超前地質探測結果可靠，各系統運行情況良好。

引松供水工程； 大直徑硬巖掘進機(TBM)； 刀盤厚板技術； 超前地質預報

0　引言

大直徑硬巖掘進機(TBM)是集掘進、出渣、支護等功能為一體的隧道掘進大型復雜成套設備，是國家鐵路、公路、水利、城市建設和國防建設等的隧道重要施工裝備。目前世界上TBM技術成熟的廠家有美國羅賓斯、德國維爾特(中鐵工程裝備集團有限公司已收購知識產權)和德國海瑞克等，歐美先進的基礎工業為TBM生產廠家提供了關鍵部件及系統技術，使其在TBM技術上具有獨到的成熟經驗和技術沉淀。長期以來，國內一直在積極參與和努力發展TBM技術，并積累了一定的經驗。如文獻[1-5]介紹了TBM滾刀破巖機制，文獻[6-9]對全斷面巖石隧道掘進機系統原理技術及施工進行了相關研究。由于國家的高度支持以及部分企業的自主創新，國內企業已經開始研制TBM并應用于實際工程中，但目前依然處于初步階段，因此，有必要繼續深入開展TBM設計及其施工研究，并進行相關技術和施工經驗的總結。

本文以中鐵工程裝備集團有限公司研制的首臺TBM在吉林省中部城市引松供水工程總干線四標段應用為背景，分析了該項目的復雜地質情況，系統研究了中鐵工程裝備集團有限公司研制的首臺TBM的設計特點，并對工程掘進情況進行總結，驗證了TBM掘進的可靠性和高效性，以及超前地質探測應用的有效性，以期為國內TBM國產化以及TBM施工提供參考。

1　工程概況

吉林省中部城市引松供水工程輸水干線全長263.02 km, 總干線布置見圖1。輸水總干線采用自流輸水，豐滿水庫取水口至飲馬河為隧道，長約72 km，開挖直徑為7 930 mm，坡度1/4 300，采用3臺開敞式TBM掘進施工。其中，TBM3由中鐵隧道集團有限公司施工，采用了中鐵工程裝備集團有限公司提供的具有自主知識產權的1臺CTT8030E型TBM施工，是國內首次采用具有自主知識產權的國產TBM施工。

圖1　總干線布置

TBM3工程標段總長度22 955 m，總體走向由北東向南西，高程為264～484 m，洞室最大埋深260 m。工程施工布置主要包括引水隧道、通風豎井、調壓井、7#施工支洞、8#施工支洞和小河沿施工豎井及其他臨時工程。采用TBM施工的主洞共分2個階段，第1階段9 683 m(71+501～66+874、66+390～61+334)，第2階段10 515 m(60+974～50+459)，TBM掘進總長20 198 m，具體如圖2所示。

2　工程重難點

2.1掘進距離長、掘進平均指標高

TBM施工的2個階段合計總長20 198 m，采用單臺TBM完成。本工程合同工期為72個月，要求第1階段掘進平均指標為564 m/月，第2階段掘進平均進度指標為554 m/月，進度指標要求高[10]，對TBM的可靠性要求高。

2.2灰巖段TBM施工

63+964～70+823(合計6 859 m)為灰巖段，TBM于灰巖段長距離施工在世界范圍內尚屬首次，灰巖巖體風化的不均質度較明顯，施工過程中易出現因掌子面不平整而引發刀具異常損壞或掌子面坍塌堵住刀盤進渣口等情況，TBM的刀盤、出渣和支護系統承受著非常大的考驗。缺乏在灰巖地質條件下的施工經驗，加大了本工程的施工難度。

2.3TBM斷層破碎帶施工

隧道經過的斷層及低阻異常帶39處，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖等不良地質段共計4 648 m，約占隧道全長的23%，初期支護量大，對TBM輔助工法設備的設計和配置要求高。其中，位于岔路河的異常帶和斷層Fw24-1、F24-2，隧道埋深淺，地下水補給充足，隧道開挖可能會面臨較大的涌水及塌方，對施工極為不利。

2.4巖石強度

TBM掘進第2階段主要以花崗巖為主，占整個隧道的59%，巖石抗壓強度為80～130 MPa，石英含量34%，對TBM刀盤、刀具破巖能力和耐磨性有很高的要求[11-12]。

3　TBM設計特點及其研究

本工程巖石強度80～130 MPa，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖等不良地質占比大，TBM開挖距離長，要求應用于施工的TBM在具有很高的可靠性及高效破巖能力的同時，也應兼備足夠的軟弱圍巖通過能力。TBM整機見圖3。

圖3　TBM整機圖

3.1主要技術參數

TBM開挖直徑7 930 mm，整機質量達1 320 t，驅動功率達3 500 kW，主要技術參數見表1。

表1　主要技術參數

3.2TBM可靠性及高效破巖設計

1)刀盤面板采用270 mm厚板，保證刀盤力學強度和剛度(如圖4所示)。采用無損探傷技術檢測板材微觀結構，確定板材內部無缺陷，防止板材發生非正常開裂現象。刀盤面板采用厚板減少了不必要的焊接環節，從而減少了很多影響刀盤結構的薄弱點，降低了刀盤焊縫開裂的概率，提高了刀盤中心區域和刀盤的整體強度。

圖4　TBM刀盤中心厚面板

2)刀座基座在270 mm厚的板上直接加工而成(如圖5所示)，在加工后的刀座基座上通過螺栓安裝刀座，保證刀座和刀軸接觸表面精度。和其他刀盤的焊接式刀座相比，該方式不存在刀座焊接變形問題，保證了滾刀安裝精度，最大限度地減少了刀盤在開挖過程中焊接刀座和刀盤本體焊縫開裂的情況，降低了刀盤的故障率，提高了TBM刀盤的可靠性。

圖5　TBM刀盤刀座基座直接用厚板加工而成

3)根據排渣量和排渣速度要求，確定刀盤進渣口12個，8個均勻分布在刀盤邊緣，4個分布在刀盤錐板，確定進渣口尺寸分別為950 mm×450 mm和 505 mm×250 mm，以滿足最大掘進速度除渣以及刀盤剛度要求。

4)依據刀盤傾覆力矩、徑向不平衡力、質心偏移量等最小設計原則，TBM刀具采用非線性布置(如圖6所示)，盡量保證刀盤受力均勻，降低刀盤振動。正面及邊滾刀采用19 in滾刀，中心刀17 in。依據地質探測結果，刀間距設計在82～90 mm，使得破巖時滾刀之間圍巖裂紋適度交匯，避免過度破碎或者裂紋不交匯，以此來提高滾刀破巖效率。

5)主驅動加強型密封設計(如圖7所示)，采用迷宮+3道(內外)唇形密封，密封位置可移動設計，密封跑道設計采用耐磨材料熱裝而成(如圖8所示)，以增強密封的可靠性。

圖6　刀盤刀具非線性布置

圖7　TBM密封系統

圖8　密封跑道

3.3初期支護系統設計

1)配置了實用性強、操作便捷的鋼拱架安裝系統，大大提高了安裝速度；作業平臺寬敞且能前后移動，便于現場作業。

2)配置了鋼筋排支護系統(如圖9所示)和網片存儲倉(如圖10所示)，防止拱頂坍塌、剝落。

3)應急噴射混凝土系統方案。在設備橋上配置應急噴射輸送泵，提前安裝好管線，遇到不良地質時及時支護，使用方便可靠。

4)混凝土噴射機械手既能實現機械臂伸縮(如圖11所示)，又能實現大車行走，大車設計伸縮6 m，伸縮臂伸縮2 m，降低伸縮臂伸出噴射混凝土時因自重產生收不回去的風險，減少故障率。

3.4材料運輸通道和平臺設計

1)優化設計后的主機平臺和材料輸送系統既能從主機下部輸送鋼拱架(如圖12所示)，也可從主機上部進行輸送，在設備橋處設置垂折臂吊機運輸，安全、快捷(如圖13所示)。

圖9　鋼筋排支護系統

圖10　TBM網片存儲倉

圖11　混凝土噴射系統

圖12　TBM物料運輸通道

2)最大限度地增加主機平臺的通行高度、寬度以及設備橋平臺寬度，確保物料運輸暢通，人員操作空間大，物料存儲空間大。

3.5激發極化超前地質預報系統設計

TBM搭載了與山東大學共同研制的激發極化超前地質預報系統，采用多同性源陣列激發極化觀測模式，理論上具有減弱電極附近異常體干擾的優勢，且能壓制掌子面近處異常體的敏感性，不需隨著隧道開挖連續探測，陣列電極的接收模式可以實現異常體的三維反演成像。

圖13　TBM物料轉運

刀盤上安裝測量電極14個，護盾及其后方圍巖安裝供電電極20個、無窮遠電極2個，依靠液壓控制系統實現電極伸縮，對不良地質涌水、溶洞等進行探測，如圖14和圖15所示。

(a)

(b)

4　掘進機應用特點

4.1TBM掘進情況

四標段地質條件是全線地質條件最復雜的標段，作為首例采用大直徑硬巖掘進機在灰巖地層施工的隧道工程，TBM從2015年6月1日始發至2016年7月3日，TBM掘進后裸露的圍巖呈現出溶腔溶洞發育、圍巖變化頻繁、地層軟硬不均、涌水多發等不良地質條件。TBM安全穿越了7 km灰巖、12處斷層破碎帶、5處低阻異常帶，最大斷層影響寬度200 m，并且成功穿越了53 m的全斷面碳質板巖段，攻克了圍巖強度低、易塌方、巖體泥化粘刀盤、撐靴打滑、調向困難等諸多難題。在施工中，TBM掘進整體保持了連續、快速、穩定的態勢，刀盤、刀座均未發生影響施工的損傷，刀盤出渣能力得到了充分驗證，完成了7 346.8 m的掘進任務，創造了自主研發硬巖掘進機平均月進尺600 m、最高月進尺1 226 m、最高周進尺351.9 m、單班組最高進尺38.5 m、最高日進尺70.8 m的優異成績，TBM表現出高效的破巖能力(如圖16所示)和不良地質條件下高效快速支護能力(如圖17所示)，各系統設計運行情況良好，各參數滿足工程掘進要求。

圖15　激發極化三維成像圖(單位：Ω·m)

(a)

(b)

圖17　TBM強大的軟弱圍巖支護能力

4.2超前地質探測應用情況

吉林引松供水工程主干線永盛興至出口段洞線長809 m，地貌為丘陵和溝谷，地面高程257～338 m，隧道埋深35～116 m。穿越地層巖性為石炭系余富屯組凝灰巖、燕山早期鈉長斑巖侵入體和三疊系大醬缸組砂礫巖。為了解TBM施工掌子面前方的地質情況，采用搭載于TBM設備的前向三維激發極化探測系統，對施工隧道進行了超前地質預報，本次預報掌子面樁號為71+424.5(如圖18所示)。

本次探測的激發極化三維成像圖如圖19所示。激發極化預報結果如下：1) 71+424.5～+407.5段落，三維反演圖像中掌子面范圍內電阻率值相對較高，左側區域出現相對低電阻區域，二電流半衰時之差數據局部為正值，結合掌子面地質分析，推斷圍巖與掌子面揭露情況相近，富水性不強，與掌子面相比含水性無明顯變化，局部可能發育裂隙滲水。2) 71+407.5～+

394.5段落，三維反演圖像中此段落范圍電阻率值逐漸增大，且二電流半衰時之差大部分為負值，結合地質情況，可推斷該段落圍巖裂隙發育，較上一段落圍巖富水性變差。開挖記錄對比與預報結果對比如圖20所示。由圖20可知，與探測結果較為吻合。

(a)

(b)

(a)(b)

圖19激發極化三維成像圖(單位：Ω·m)

Fig. 193D imaging of induced polarization (Ω·m)

5　結論與建議

大直徑硬巖掘進機(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標的成功應用，驗證了我國自主研發的首臺TBM設計中的刀盤厚板技術、刀具非線性布置、初期支護系統布置、運輸通道和平臺布置、超前地質預報技術的合理性與可靠性，擺脫了我國硬巖掘進機(TBM)長期依賴進口、核心技術受制于國外制造商的困難局面。當然，要滿足國家大規模基礎建設對TBM需求迅猛發展的要求，還需對以下技術進行完善和提升。

圖20　開挖結果與探測結果對比

Fig. 20Comparison between excavated results and predicted results

1) 雖然在刀具布置方面采取了一些優化減振措施，但TBM在掘進過程中，刀盤甚至整機都表現出了強烈的振動，給工作環境以及TBM整機壽命帶來很大危害，研究TBM減振措施是急需解決的問題。

2) TBM在硬巖掘進過程中，提升TBM刀具耐磨性能和使用壽命有待進一步研究。

3) TBM主軸承目前依然以進口為主，突破主軸承技術，實現主軸承國產化應是后續研究的重點。

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Application of Large-diameter Hard Rock Tunnel Boring Machine (TBM) to TBM-3 Section of No. 4 Bid of Songhua River Water Conveyance Project in Middle Jilin Province

HE fei, ZENG Xiangsheng, QI Zhichong

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The characteristics and main design parameters of large-diameter hard rock TBM used in No. 4 Bid Section of the Songhua River Water Conveyance Project are analyzed. The rock strata of the project are complicate; there are many fracture zones and limestone and quartz locally; and it requires high-performance of TBM cutterhead and cutting tools. As a result, the TBM cutterhead is manufactured by 270 mm thickness plate; the nonlinear distance among cutting tools is 82-90 mm; effective primary supporting system and material transportation platform are designed; and advance geology prediction system is adopted. The construction practice shows that the TBM cutterhead designed is reliable and high-efficient; the supporting efficiency of TBM in bad geological conditions is high; and the advance geology prediction results are reliable.

Songhua River Water Conveyance Project; large-diameter hard rock tunnel boring machine (TBM); cutterhead manufactured by thick plate; advance geology prediction

2015-11-25；

2016-03-17

國家高技術研究發展計劃“863計劃”(2012AA041801)

賀飛(1984—)，男，貴州石阡人，2007年畢業于貴州大學，機械設計制造及自動化專業，本科，工程師，現主要從事隧道掘進機設計研發工作。E-mail: tbm666@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.019

U 455.3+2

B

1672-741X(2016)08-1016-07