長距離掘進軟弱圍巖的TBM刀盤擴挖技術

田彥朝， 賀 飛， 張 嘯， 楊添任

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著隧道建設和地下工程的蓬勃發展，全斷面巖石隧道掘進機(TBM)由于其安全、高效、環保等優勢被廣泛應用于大長隧道施工[1]。由于我國隧道逐漸向長距離、大埋深、大直徑方向發展，TBM面臨的地質風險問題愈發嚴峻[2]。

工程實踐表明，TBM在通過“大埋深、高圍壓、斷層、破碎帶、軟弱圍巖”等不良地段時所經常出現的卡機問題，已成為增大施工風險、延后施工進度、提高施工成本的重大問題，亟須從機制、施工和裝備設計等多個方面進行解決[3-4]。

在機制研究方面，劉泉聲等[5]、溫森等[6]針對大埋深長隧道TBM卡機問題進行了研究，揭示出卡機機制為： 圍巖變形量超過開挖預留變形量，并基于Hoek-Brown準則提出了相應的卡機狀態判據。在施工方法方面，許多項目從施工角度對深埋長隧道建設進行了改進，在TBM施工技術上積累了大量經驗[7-8]。王立川等[9]、房敦敏等[10]、ZHANG Chuanqi等[11]針對先導后擴的施工方法進行了理論和工程實踐研究，認為該方法可在一定程度上減輕軟弱圍巖地層下的卡機和高地應力圍巖下的巖爆風險。針對現有的TBM在深埋長隧道使用中的諸多局限性問題[12]，從TBM設計角度提出針對性解決方案，將極大地提升TBM地質適應性[13-14]。在裝備設計方面，GENG Qi等[15]提出了一種多級TBM刀盤結構，以期通過該刀盤的逐級掘進而減緩地應力釋放速度，從而降低巖爆卡機風險，然而該結構尚未實際應用。對于現有的平面式TBM刀盤，一般是通過邊緣滾刀擴挖方式預防卡機事故，然而針對該方法的具體報道并不多見，亟須相關研究為實際工程提供參考依據。

高黎貢山隧道地質條件極其復雜，具有“三高四活躍”的特點[16]，可能由于圍巖收斂擠壓變形而遭遇卡機和支護被破壞風險。本文對長距離掘進軟弱圍巖的刀盤擴挖技術展開研究，為高黎貢山隧道正洞采用的“彩云號”TBM提出了針對性設計方案。

1 隧道工程概況

高黎貢山隧道是大瑞鐵路的關鍵性隧道工程，隧道全長34.5 km，是目前國內在建第一鐵路長隧。隧道出口段采用TBM掘進，其中TBM主洞開挖直徑9.03 m，掘進全長 12.37 km，最大埋深為1 155 m。TBM 施工穿越地層主要為8.8 km的燕山期花崗巖，其余為白云巖、灰巖夾石英砂巖、片巖、板巖、千枚巖夾石英巖和變質砂巖等。圍巖等級以Ⅲ級為主，但Ⅳ、V級圍巖占比高達40%。

高黎貢山隧道埋深大，存在高地應力，在片巖、板巖、千枚巖夾石英巖和變質砂巖等軟弱圍巖地層掘進極可能發生軟質巖擠壓變形。預計隧道軟巖大變形段總長為3 185 m，其中輕微大變形段長1 435 m，斷層破碎帶中局部斷層黏粒易發生中等大變形，長度為1 750 m[16]。圍巖收斂變形量過大時，極易造成TBM護盾被卡，影響TBM掘進作業。當初期變形過大超過預留變形量時會影響二次襯砌厚度，并且如果后期圍巖持續變形，則可能導致二次襯砌開裂，嚴重影響施工質量。

高黎貢山隧道主洞采用的“彩云號”TBM進行了大量針對性設計，以提升TBM的地質適應性。為解決上述軟弱大變形圍巖地層施工風險，TBM采用刀盤抬升和擴挖組合設計方案，實現在軟弱地層的長距離大直徑擴挖掘進。刀盤最大半徑擴挖量達到100 mm時，可減少TBM卡機風險，利于對局部斷面采用不同支護和襯砌厚度，保證了施工質量。

2 刀盤擴挖方案設計

TBM刀盤開挖直徑決定了理論開挖洞徑，其由最外側邊緣滾刀開挖輪廓直徑確定。正常情況下，忽略滾刀磨損的影響，刀盤開挖直徑選定后一般是唯一固定的，但是出于工程需要，通過增大最外側邊緣滾刀開挖輪廓直徑的方式可以使刀盤具備一定的擴挖能力。半徑方向擴挖量一般為50 mm，擴挖量越大,技術難度越大。

2.1 常見的刀盤擴挖方式

TBM刀盤變徑擴挖常用的技術手段一般有： 更換大尺寸的刀盤邊塊； 安裝液壓擴挖刀； 邊滾刀加高外移； 預留擴挖刀箱。為實現較好的擴挖效果，往往會多種擴挖手段組合使用。

1)更換刀盤邊塊方案。該方案適用于具有刀盤邊塊的分塊形式刀盤。根據隧道變徑需求，需要設計相應尺寸的刀盤邊塊。正常開挖時使用原設計刀盤邊塊，在擴挖段更換大尺寸刀盤邊塊。采用此設計方案，可實現較大直徑的變截面擴挖，不僅變徑范圍大，并且可以適應長距離擴挖掘進作業,但是針對不同洞徑擴挖要求，需要相應制作一套刀盤邊塊。

需要擴挖作業時，需人工將刀盤區域洞室擴大，將原刀盤邊塊依次拆除并運輸至洞外后，重新安裝新刀盤邊塊。TBM后配套必須預留足夠空間，以保證刀盤邊塊順利運輸至主機段。在洞內更換刀盤邊塊操作復雜，拆裝工作量極大，更換成本高,并且不可能根據不同擴挖要求而多次更換刀盤邊塊，變徑尺寸有限。

2)安裝液壓擴挖刀。圖1為液壓擴挖刀工作原理圖。在液壓擴挖刀刀座后部安裝有液壓油缸，正常掘進時油缸呈縮回狀態，需要擴挖作業時，依據擴挖量，液壓油缸伸出對應長度，然后采用機械限位鎖死，可以實現一定范圍內無極變徑。此方式一般僅適于短距離或者臨時擴挖作業。

采用液壓擴挖刀的不足之處在于： 由于刀盤振動劇烈，液壓油缸易損壞,且后置油缸占據空間較大，結構設計復雜。滾刀多采用前裝式，導致換刀困難。僅依靠液壓擴挖滾刀擴挖時，該滾刀破巖量大，滾刀頻繁損壞。

3)邊滾刀外移方案。此方案是通過外移邊緣滾刀，實現刀盤徑向開挖輪廓變大。邊緣滾刀外移可以采用多種技術手段實現，主要有滾刀刀箱整體向外滑移、墊高滾刀支座以及更換大厚度滾刀支座等形式。由于滾刀刀箱形式多種多樣，具體實現細節會略有差異。邊滾刀外移方案操作相對簡單靈活，所需要的制造成本較低。

圖2示出一種采用L型塊的滾刀刀箱設計，其滾刀外移有2種常見形式： ①L型塊下部安裝一定厚度墊塊，墊塊不宜過厚，滾刀外移量受到限制； ②采用加厚的L型塊，相對采用增加墊塊形式可以實現更大的滾刀外移量，但是墊塊需要重新制作，靈活性降低。

(a) 液壓擴挖刀縮回狀態

(b) 液壓擴挖刀伸出狀態

(a) 安裝墊塊

(b) 更換L型塊

4)預留擴挖刀箱。刀盤可以預留1～2組擴挖刀箱,需要擴挖時通過安裝滾刀實現變徑擴挖。預留擴挖刀箱有2種位置選擇，一種是安裝在邊緣滾刀最外側位置，對擴挖洞徑起決定性作用； 一種是安裝在邊緣滾刀中間位置，邊緣滾刀外移后導致刀間距變大，該擴挖刀用以彌補邊緣滾刀刀間距。

2.2 高黎貢山TBM刀盤擴挖設計

高黎貢山TBM刀盤開挖直徑9 030 mm，采用 “4+1”分塊形式，即1個中心塊連接4個刀盤邊塊，如圖3所示。邊緣滾刀采用了L型塊結構的19英寸(48.26 cm)滾刀，共12把。為彌補由圍巖收斂造成的開挖直徑減小，刀盤半徑方向最大擴挖量設計值為100 mm。

圖3 高黎貢山TBM刀盤

刀盤擴挖設計采用了邊緣滾刀外移和預留擴挖刀箱2種組合方案。刀盤半徑方向擴挖量設計為50 mm和100 mm 2種尺寸。需要擴挖時，在最外側預留的2組擴挖刀箱安裝20英寸(50.8 cm)偏刃滾刀。擴挖滾刀L型塊根據擴挖量50 mm和100 mm設計有2種型號，通過該擴挖滾刀刀圈保證所需的最大擴挖量。邊緣滾刀根據擴挖滾刀刀圈位置相應向外移動，外移量需保證邊緣滾刀分布圓弧平滑過渡。根據滾刀外移量大小選擇安裝墊塊或更換擴挖用L型塊方式。

以刀盤半徑方向擴挖100 mm為例進行說明，如圖4所示。由7#至1#邊緣滾刀，滾刀需要依次調高，調整量需保證擴挖輪廓線平滑過渡。其中1#至4#邊緣滾刀采用加厚制作的L型塊調高，5#至7#邊緣滾刀采用增加墊塊的形式調高。在2組預留刀箱位置CW1和CW2處安裝20英寸(50.8 cm)偏刃擴挖滾刀，CW2刀圈外沿與擴挖洞徑重合。

各組邊緣滾刀間距會由于擴挖調整而改變，其改變量隨著擴挖量的增加而增加。如4#與5#滾刀設計刀間距為50.6 mm，當刀盤半徑方向擴挖50 mm時，刀間距增加為52.2 mm； 當刀盤半徑方向擴挖100 mm時，刀間距增加為55 mm。整體而言，由于外側2把擴挖刀箱的存在，擴挖時各組邊緣滾刀調整量相對較小，對刀間距影響均較小。

(a) 半徑方向擴挖50 mm

(b) 半徑方向擴挖100 mm

3 TBM長距離擴挖掘進設計

通過刀盤變徑擴挖后，刀盤開挖直徑將超出護盾底部，導致主機隨著掘進不斷下沉。為保證主機不因為底部擴挖而 “栽頭”， TBM掘進時需要保持刀盤上仰掘進姿態。此方式可以臨時擴挖作業使用，但不適應長距離擴挖作業。

3.1 刀盤抬升設計

為適應長距離擴挖掘進作業，高黎貢山TBM在設計刀盤擴挖功能之外，在底護盾與驅動箱之間增加了同步抬升機構，通過抬升刀盤避免隧道底部超挖。

在底護盾兩側安裝了4組抬升油缸，實現刀盤抬升功能，如圖5所示。抬升油缸通過一套同步控制系統，保證抬升和降落過程的精準同步。在底護盾中央處，驅動箱和底護盾之間設計1個導向柱，導向柱與底護盾滑軌之間只允許存在豎直方向位移，保證抬升和降落過程方向垂直并抵抗偏載。抬升油缸僅僅是在驅動升降過程提供動力，在掘進過程中均處于卸載狀態，驅動箱和底護盾仍然依靠機械鎖死，保證長距離掘進可靠性。圖6為高黎貢山TBM抬升油缸安裝實物圖。

圖5 刀盤抬升結構設計

圖6 抬升油缸安裝位置

正常狀態下，底護盾與驅動箱之間通過螺栓剛性連接。需要變直徑開挖時，首先需拆除底護盾與驅動箱之間的連接螺栓，通過抬升油缸將驅動箱抬起一定高度，在驅動箱和底護盾之間安裝墊板，墊板的厚度與刀盤半徑方向擴挖量一致，并布置與連接螺栓相匹配的圓形孔，抬升油缸緩慢同步卸載后，使用加長螺栓重新連接驅動箱、墊板和底護盾，此時，刀盤跟隨驅動箱抬升到指定高度。與正常開挖狀態相比，刀盤擴挖后，仍能保證開挖洞徑最底部與底護盾最底部位置關系不變。

刀盤抬升擴挖原理如圖7所示。刀盤僅經過擴徑改裝后，擴挖洞徑底部將低于護盾底部。通過抬升機構將刀盤抬升后，擴挖洞徑圓心由點O變成點O′，擴挖洞徑底部與原洞徑底部平齊，避免了主機“栽頭”。隧道擴挖量由底部向頂部逐漸遞增，通過將刀盤擴挖量向隧道頂部偏移，不僅更加利于應對圍巖收斂，還利于提高隧道支護厚度，提升工程質量。

3.2 抬升擴挖步驟

刀盤由正常開挖模式轉變為擴挖掘進模式，需要經過一些必備步驟，以刀盤半徑方向擴挖100 mm為例加以說明。

刀盤由掌子面向后退約1.2 m，將該區域通過人工擴挖出直徑9 230 mm的斷面，擴挖斷面圓心參照原洞徑中心向上偏移100 mm。該區域人工擴挖的目的在于為刀盤變徑和抬升提供空間。

(a) 刀盤抬升擴挖示意圖

(b) 刀盤抬升擴挖截面

刀盤重新向前推進約1.1 m； 頂護盾向內收縮100 mm，防止驅動抬升時護盾卡死； 拆掉底護盾與驅動箱體連接螺栓，通過抬升系統將刀盤抬升110 mm，插入預先制作的厚度為100 mm墊板，抬升油缸卸載； 更換加長的螺栓，重新連接底護盾、墊板和驅動箱； 將需要調整的邊滾刀安裝對應的墊塊或者更高的L型塊，在預留刀箱安裝2把擴挖用滾刀，同時更換刀盤外緣刮板，實現滾刀半徑方向擴挖100 mm； TBM完成擴挖掘進模式轉變工作。

4 結論與討論

本文針對高黎貢山隧道軟弱圍巖地質，提出了適應長距離掘進的TBM刀盤擴挖技術，得到了以下結論：

1)通過外移邊緣滾刀和預留擴挖刀箱的組合方式，實現刀盤擴挖功能，半徑方向最大擴挖量達到100 mm。

2)結合一套同步抬升油缸系統和中間導向柱實現了刀盤的抬升設計，避免了由于底部擴挖導致的主機“栽頭”現象，實現了TBM長距離擴挖掘進作業。

由于高黎貢山隧道當前未掘進到軟弱大變形地層，此擴挖技術的實際應用效果尚待進一步考驗。