尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目TBM設備選型

(中鐵二局工程有限公司城通分公司 四川 成都 610306)

一、引言

全斷面巖石隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM，是指在常壓情況下全斷面開挖巖石的高度機械化刀盤式機頭掘進機，主要由主機及后配套系統構成，由于其掘進速度快，地質適宜性強，在國內外長大隧道中充分應用，通常TBM分為開敞式和護盾式兩種，護盾式又分為單護盾和雙護盾類型，雙護盾TBM的最大特點是能夠實現開挖掘進與襯砌管片拼裝同時平行交叉作業。

二、工程概況

(一)工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目工程引水隧道為單線隧道，線路全長12.2km，除始發段150米采用礦山法施工外，其余部分均采用TBM工法施工。成型隧道過水斷面4.2米，坡度為3‰，設計水流量40m3/s。

(二)地質情況

該工程項目地質位于亞喜馬拉雅，也稱作西瓦利克，南部以MFT為邊界，北部以MBT為邊界。由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成。分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段(Auden，1935)。隧道與區域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要以泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬于軟巖地層，整體強度不高，最高強度為55.38MPa、最低強度為3.86MPa，出現極硬巖的可能性很小，砂巖地層石英含量豐富。

(三)水文情況

工程區地下水補給來源主要為大氣降水，地下水可分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水。孔隙潛水主要分布在第四系河床沖洪積層、坡崩積層中。基巖裂隙潛水主要分布于基巖裂隙中，在基巖裂隙中作網格狀流動。

三、施工重難點

1、砂巖地質段石英含量高，易造成 TBM 刀盤及刀具的嚴重磨損；

2、高埋深軟弱泥巖地段存在圍巖擠壓變形造成 TBM 刀盤卡機可能性；

3、在不同強度砂巖及泥巖間掘進導致巖石強度的急劇變化，造成推進參數頻繁調整；

4、通過斷層時將面臨高壓地下水和斷層失穩而導致大量涌水和掌子面坍塌的可能性。

四、TBM設備選型要素

(一)選型依據

1、TBM的設計及選型應匹配工程地質要求，從刀盤刀具、護盾設計、推進系統、拼裝系統、后配套系統等方面進行專項設計，最大程度的滿足工程地質及掘進要求，并配置能夠處理不良地層的硬件設施。

2、TBM設備的所有組件及設備系統應完整、安全可靠，不需附加任何條件即可實現工程所應具備的功能和要求，滿足足夠的掘進速度和降低刀具更換的需求，確保在工期內完工。

3、TBM的主要部件應保證連續施工15千米以上，具備良好的掘進能力，滿足隧道內的掘進、支護、超前處理、出渣、管片拼裝、背部空隙填充及灌漿等需求，確保施工的安全質量和進度。

4、全套系統設備的組裝和設計應與現場的實際情況及運輸情況匹配，滿足現場組織、步進、運輸、維修和拆卸要求。

5、TBM的通風、除塵及冷卻系統應保證洞內作業人員內有適宜的工作環境。

6、鑒于該項目的地域性，TBM的刀具需進行專項設計，綜合考慮硬度、韌性等關鍵性指標，整體為軟巖，對硬度要求不高，但不排除孤石和極端地層的存在。

(二)配置方案

1.推進系統

推進系統是為TBM向前掘進提供作用力，并將其反力傳遞給圍巖或管片。推進系統包含主推油缸、輔推油缸、撐靴油缸、撐靴組成。在雙護盾掘進模式下，推進系統有撐靴作用在圍巖上，主推油缸通過反推撐靴盾提供TBM向前掘進的推力；在單護盾掘進模式下，撐靴油缸收回固定，由輔推油缸作用在管片上，向TBM提供推進反力。尼泊爾項目主推油缸為8組，輔推油缸為10組，可通過有效的選擇油缸組合來實現TBM轉向和糾偏，最大推力為27654kN，脫困推力為38475kN。

2.刀盤刀具

刀盤為背裝式硬巖刀盤，開口率為12%。表面覆蓋碳化鉻合金鋼板，更有效的保護刀盤，刀盤結構安全系數按照最惡劣的受力條件下5倍設計，確保了在長距離掘進情況下刀盤結構的穩定性；光滑的刀具輪廓和徑向渣石鏟斗，同時減少刀盤暴露在圍巖下的距離，以減少刀盤磨損及阻力以減少軟弱圍巖下出現“卡機”的幾率。刀盤上設計1個人孔，用于觀測地質情況或處理刀盤前方故障。在TBM刀盤破巖時，粉塵較大，在刀盤上配置5個噴嘴，用于噴水降塵。

刀盤上設置33把17寸標準滾刀，其中中心雙刃滾刀4把，單刃面刀16把，單刃邊刀9把，共計33個刃口；鏟斗5個，33#刀正常開挖直徑5060mm，最大超挖直徑5130mm，刀具超前量120mm。所有刀具均為背裝式。由于整體屬于軟巖，又不排除極端地層的存在，故刀具需綜合具備高硬度、強韌性，良好的抗沖擊能力。

3.盾體設計

盾體長12米，由前盾、伸縮盾、撐靴盾及尾盾組成，由于該項目巖層較軟，存在微膨脹泥巖，為降低卡機風險，TBM盾體采用倒錐形設計，刀盤開挖直徑為5060mm，尾盾直徑為4910mm，倒錐形的設計能夠有效的降低盾體卡殼風險。

4.刀盤驅動

根據該項目的大埋深，斷層及軟弱圍巖多，巖石強度變化頻繁，部分洞段圍巖存在軟弱圍巖收斂變形的地質特點。刀盤驅動配置6臺防護等級為IP67的330kW主驅動電機，系統脫困扭矩為額定扭矩的1.5倍，具備足夠的扭矩儲備，以應對巖石強度的頻繁變換及可能的極端地質狀況。

5.主軸承及主密封系統

采用直徑為3285mm的大直徑軸承，軸承直徑與開挖洞徑比率高達 0.65，同時軸承和齒圈為分體式設計。大的軸承直徑與開挖直徑比率將有效的提高刀盤的扭矩和軸承壽命，是長距離連續掘進的有效保證。分體式設計較整體式設計維護性、可靠性更好的同時使得采用大的軸承直徑與開挖洞徑比率得以實現。

6.管片拼裝機

管片拼裝及為單體回轉式，帶有六個自由度的管片安裝器和管片存儲系統，可以在 15 分鐘完成一整環的安裝，確保軟弱圍巖下的快速通過。拼裝機采用無線遠控式，同時配備線控式操作盤。

7.管片背部空隙填充系統

該項目管片背部填充系統為豆礫石填充系統和砂漿灌漿系統，豆礫石填充系統能夠快速填充管片與隧道壁之間的間隙，固定管片位置，確保設備快速掘進；底拱管片的灌漿采用 Hany ZMP 710V 灌漿泵，最大粒徑 8mm，最大灌漿能力 3.9m3/h；同時在后配套尾部配備一套二次注漿系統用以填補留下的間隙，二次注漿采用施威英泵，最大泵送能力為 12m3/h。

8.糾偏裝置

針對雙護盾 TBM 在軟弱圍巖情況下易偏轉的情況，該項目TBM首先在前盾位置設置穩定器，保證TBM刀盤在高轉速、高貫入度的情況下前盾的穩定，同時還通過扭矩臂的調節實現糾偏以及在單護盾模式下采用糾偏環糾偏。

9.操作及控制系統

TBM操作系統采用最新的現場總線控制技術，使得設備的操作、控制，故障診斷更加簡單易行，并采用中英文雙語操作界面，方便中外操作手操作簡單直觀的操作TBM。同時PLC 系統可以采集設備的各類數據，適時故障診斷及報警，并提供安全聯鎖保護，保證設備的精準操作。

10.瓦斯探測系統

地質情況復雜且地勘粗糙是TBM隧道的通性，為確保人員安全，避免氣體中毒，該項目在TBM主機伸縮盾、操作室及除塵管路出口分別設置有3個甲烷探測器，在操作室附近設置5個CO、CO2、H2S、SO2 、O2等探測器，對TBM掘進過程中的有毒有害氣體進行適時監控。

11.除塵通風系統

為保持隧道內在產生氣體情況下進行工作的安全性，該項目隧道除塵通風按照洞外和洞內分別布置，洞外采用4×90kW的串聯式變頻風機通過懸掛于隧道頂部的φ1400mm的風管向洞內送風，洞內設置循環風機，將盾體前方的廢氣、灰塵輸送到車架尾部，實現空氣對流，達到通風除塵效果。

12.超前地質處理系統

由于該項目地質條件較為復雜，為確保TBM安全順利的掘進，在必要的情況需對地層進行超前處理，在TBM設計時，該項目主要通過增加預留注漿孔設計、配置超前地質鉆機、配置超聲波地質預報儀等措施進行超前地質預報及處理。

1、增加預留注漿孔設計

TBM在盾體上預留的注漿孔數量已經遠遠大于常規TBM預留數量，共計34個孔。其中：

(1)盾上預留6個傾角22°和8個傾角7°的超前孔，用于超前地質預報及處理；

(2)在伸縮盾預留6個徑向潤滑孔，用于徑向盾體潤滑，防止卡機；

(3)在撐靴盾預留14個傾角7°的超前孔，用于超前地質預報及處理。

2、配置超前地質鉆機

在TBM的A橋架位置布置阿特拉斯鉆機，可以通過撐靴盾的14個7°的預留注漿孔進行超前鉆孔和注漿，可實現至少30米的超前加固；另一方面，利用小型鉆機通過前盾的預留超前孔進行超前地質處理。

3、超聲波地質預報器

采用HSP超聲波探測系統進行超前地質預報，原理是通過收集刀盤開挖的聲源，向前方發射信號，通過反射波走時計算前方地質界面的位置，通過反射波排列的形態推測前方地質界面的形態、方位，通過反射波的幅值、極性判斷前方地質界面的物理性質。

13.后配套系統

鑒于成型隧道直徑僅有4.2米，相對狹小，后配套系統采用臺車式的設計方式，相較于門架式設計，臺車式后配套有更為寬大的平臺，在便于日常維護的同時由于平臺相連提高空間利用率，可以保證有更為通暢的安全通道，提高安全性。

五、結束語

由于TBM的高度機械化及自動化，可以實現管片襯砌和開挖掘進的平行交叉作業，逐漸成為長大隧道的主要開挖設備，廣泛的運用于隧道施工。但是TBM也存在一定局限性，特別是面臨復雜地質條件等不利因素時，如果不能準確地預估面臨的諸多風險，及時采取有效應對措施，可能導致TBM卡機停機、進度滯后、結構失事等問題，導致經濟損失，甚至是人身安全。所以對TBM選型極為重要，首先需考慮TBM設備與地質條件的一致性，應根據地質情況對TBM進行相應的針對性設計；其次需綜合考慮經濟分析；最后應根據地質條件及選型原則，合理設計TBM機型、技術參數、輔助設備等。