緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用
——以文登抽水蓄能電站排水廊道建設(shè)工程為例

陳寶宗， 徐艷群， 尚海龍， 陶仁太， 崔利衛(wèi)

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 山東文登抽水蓄能有限公司， 山東 威海 264200； 3. 中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100024)

0 引言

近30年來，我國TBM施工及設(shè)計(jì)制造技術(shù)迅猛發(fā)展[1]。1997年，鐵路領(lǐng)域首次引進(jìn)德國Wirth公司生產(chǎn)的直徑8.8 m敞開式TBM用于西康鐵路秦嶺隧道施工[2]； 2015年，我國自主研制的2臺(tái)直徑8.0 m級(jí)的敞開式TBM成功下線, 用于引松工程隧洞掘進(jìn)施工[3]； 2016年，我國自主研制的2臺(tái)直徑5.47 m的雙護(hù)盾硬巖TBM成功下線, 并投入到蘭州水源地工程隧洞掘進(jìn)施工中[4]。目前，我國在TBM工程應(yīng)用中已積累了大量的TBM選型[5-7]、設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)[8-11]。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)TBM的需求越來越大，目前已被廣泛應(yīng)用于水利、鐵路、市政交通等領(lǐng)域[12]。抽水蓄能電站包括引水系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、交通通風(fēng)系統(tǒng)等地下洞室，其中引水系統(tǒng)為大坡度斜井(≥45°)，輸水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、交通通風(fēng)系統(tǒng)均為平洞，排水廊道屬于排水系統(tǒng)。在抽水蓄能電站領(lǐng)域，已經(jīng)完成了地下洞室采用TBM施工的部分可行性研究[13]，但受限于洞室建設(shè)的轉(zhuǎn)彎半徑小、距離短、坡度大等特點(diǎn)，一直沒有引入TBM施工的工程案例。目前，該領(lǐng)域的洞室普遍采用鉆爆法、爬罐法或反井鉆法施工，存在機(jī)械化程度低、作業(yè)環(huán)境差、安全風(fēng)險(xiǎn)大、施工效率低等問題。

TBM是集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)等功能于一體的隧洞掘進(jìn)大型復(fù)雜成套設(shè)備，以往TBM體積龐大且運(yùn)輸拆裝困難，不能滿足抽水蓄能電站領(lǐng)域的建設(shè)使用要求。本文以應(yīng)用于文登抽水蓄能電站排水廊道建設(shè)工程的緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM為對(duì)象，結(jié)合工程特點(diǎn)，分析緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用情況，并提出一些建議，以期為后續(xù)TBM在抽水蓄能電站平洞領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及施工提供一定參考。

1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū)，蓄能電站中的上層、中層、下層排水廊道采用TBM施工, 如圖1所示。上層排水廊道長928 m，隧洞布置為“啞鈴”形，過渡位置采用“S”彎設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎半徑分別為30 m和50 m，共包含2處30 m轉(zhuǎn)彎半徑、4處50 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段，如圖2所示。中層及下層排水廊道長1 478 m，隧洞布置為 “螺旋回字”形，過渡位置轉(zhuǎn)彎半徑均為30 m，共包含7處30 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段，如圖3所示。排水廊道開挖洞徑均為3.5 m。

圖1 抽水蓄能電站洞室布置

圖2 上層排水廊道規(guī)劃示意圖

圖3 中、下層排水廊道規(guī)劃示意圖

隧洞地層巖性為石英二長巖、二長花崗巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度最高為200 MPa，平均為110 MPa，石英含量為50%～60%，如圖4所示。隧洞埋深為170～420 m，縱坡為40‰，斷層為f11-17、 f11-23等， f11-23影響帶產(chǎn)狀為NE85°、SE75°，寬度為30 m。

2 工程重難點(diǎn)

2.1 超小轉(zhuǎn)彎半徑

排水廊道圍繞電站主廠房設(shè)計(jì)，水平轉(zhuǎn)彎半徑為30 m。傳統(tǒng)的山嶺隧洞用TBM施工時(shí)的水平轉(zhuǎn)彎半徑多在500 m以上，城市地鐵建設(shè)用TBM施工時(shí)的最小水平轉(zhuǎn)彎半徑不小于200 m。

(a) 花崗巖

2.2 高強(qiáng)度巖石

TBM掘進(jìn)段圍巖為石英二長巖、二長花崗巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度最高為200 MPa，平均為110 MPa，石英含量為50%～60%，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比90%以上。TBM掘進(jìn)段圍巖占比如圖5所示。

圖5 TBM掘進(jìn)段圍巖占比

2.3 短距離施工

TBM掘進(jìn)段總長度約2.4 km，其中上層排水廊道長度僅有928 m。根據(jù)國內(nèi)外TBM施工經(jīng)驗(yàn)，TBM單位施工成本會(huì)隨掘進(jìn)長度的增加而降低。TBM施工期間需要2次拆裝機(jī)，短距離施工對(duì)TBM的便捷性和靈活性同樣存在不利影響。

3 TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)及功能

根據(jù)工程分析，TBM要具備超小轉(zhuǎn)彎半徑掘進(jìn)的能力；在巖石強(qiáng)度高的情況下，具備高效破巖的能力； 在工程距離較短的前提下，具備施工經(jīng)濟(jì)和轉(zhuǎn)場快速便捷的能力。結(jié)合工程特點(diǎn)，首次在雙護(hù)盾TBM基礎(chǔ)上，取消尾盾、輔推油缸、管片拼裝機(jī)等設(shè)計(jì)，結(jié)合敞開式TBM的錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行TBM整機(jī)集成設(shè)計(jì)。鑒于工程地質(zhì)條件較好，TBM整機(jī)設(shè)計(jì)以掘進(jìn)、出渣功能為主。TBM整機(jī)如圖6所示，TBM主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖6 TBM整機(jī)

表1 TBM主要技術(shù)參數(shù)

3.1 推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)超小轉(zhuǎn)彎半徑掘進(jìn)，推進(jìn)系統(tǒng)采用了“V”形設(shè)計(jì)，由8根推進(jìn)油缸組成，推進(jìn)油缸周向布置在前盾與支撐盾之間，與前盾、支撐盾球鉸連接，相鄰2個(gè)推進(jìn)油缸呈“V”形設(shè)置，如圖7所示。該推進(jìn)系統(tǒng)將主機(jī)剛性結(jié)構(gòu)件柔性連接，增大了主機(jī)靈活性，縮短了主機(jī)長度，有效避免了轉(zhuǎn)彎時(shí)主機(jī)尾部偏移量過大問題。通過控制推進(jìn)油缸，實(shí)現(xiàn)TBM的小轉(zhuǎn)彎調(diào)向和糾偏。主機(jī)轉(zhuǎn)彎模擬如圖8所示。

1)TBM正常掘進(jìn)時(shí)，撐靴高壓撐緊在洞壁上，依靠撐靴與洞壁之間的摩擦力提供掘進(jìn)推進(jìn)反力，推進(jìn)油缸高壓伸出，推動(dòng)刀盤向前掘進(jìn)。

圖7 推進(jìn)油缸布置圖

圖8 主機(jī)轉(zhuǎn)彎模擬圖

2)TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)，通過各區(qū)域推進(jìn)油缸伸出速度的調(diào)節(jié)，帶動(dòng)前盾和刀盤系統(tǒng)做出相應(yīng)擺動(dòng)，改變刀盤及盾體的姿態(tài)。即TBM轉(zhuǎn)向時(shí)，控制位于轉(zhuǎn)向反方向上的推進(jìn)油缸伸出速度增大，或控制位于轉(zhuǎn)向方向上的推進(jìn)油缸伸出速度減小，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)向。

3)TBM糾滾時(shí)，通過對(duì)各推進(jìn)油缸伸出速度的調(diào)節(jié)，調(diào)整刀盤偏轉(zhuǎn)方向的滾動(dòng)角度，校正刀盤，使刀盤回歸設(shè)定位置繼續(xù)開挖。

3.2 刀盤設(shè)計(jì)

為應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度巖石掘進(jìn)，刀盤應(yīng)具有較高強(qiáng)度、剛度及強(qiáng)大的破巖能力。

1)刀盤面板及刀盤主驅(qū)動(dòng)連接法蘭均采用鍛造厚板，厚板刀盤減少了主焊縫的數(shù)量，不僅能提高刀盤的剛度及強(qiáng)度，也能夠延長刀盤的疲勞壽命。

2)采用小刀間距設(shè)計(jì)，中心刀、正滾刀及邊滾刀均采用432 mm(17英寸)滾刀，共布置26把刀，其中中心刀6把，正滾刀及邊滾刀20把。正滾刀刀間距為75～80 mm，邊滾刀采用密集布置設(shè)計(jì)。小刀間距不但利于破巖，還可以有效降低刀盤振動(dòng)、延長刀具的使用壽命。刀盤小刀間距設(shè)計(jì)如圖9所示。

ZX1、ZX2、…、ZX6為中心刀； 1#、2#、…、20#為正滾刀及邊滾刀。

3)組合式耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)。刀盤面板及弧板位置采用耐磨復(fù)合鋼板，刀盤大圓環(huán)位置采用硬質(zhì)合金配合HARDOX板，進(jìn)渣口位置則采用HARDOX板配合耐磨焊層設(shè)計(jì)。不同的部位采取不同的耐磨保護(hù)，可以有效提高刀盤的耐磨性。組合式耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖10 組合式耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)

3.3 緊湊型整機(jī)設(shè)計(jì)

為適應(yīng)本項(xiàng)目要求，改變傳統(tǒng)TBM設(shè)備龐大的特點(diǎn)，在滿足施工要求的前提下，對(duì)TBM整機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

通過研究本工程TBM功能需求，優(yōu)化空間布置，精簡冗余設(shè)備。TBM整機(jī)長度縮短至37 m，整機(jī)質(zhì)量為250 t，減少了TBM組裝、步進(jìn)洞室的空間要求，降低了設(shè)備組裝、轉(zhuǎn)場的工作量，提高了短小隧洞工程中TBM施工的經(jīng)濟(jì)性。部分小直徑TBM整機(jī)長度見表2。

表2 部分小直徑TBM 整機(jī)長度

3.4 皮帶機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)皮帶機(jī)超小轉(zhuǎn)彎的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。以往TBM皮帶機(jī)多采用固定式設(shè)計(jì)，將皮帶機(jī)架栓接或焊接在主體結(jié)構(gòu)上，皮帶機(jī)架不可調(diào)節(jié)，難以滿足超小轉(zhuǎn)彎情況下的出渣要求。新型皮帶機(jī)上層皮帶上方的左右兩側(cè)均設(shè)置有上壓輥和側(cè)擋輥； 上壓輥豎向可調(diào)，布置在上層皮帶的上方； 側(cè)擋輥布置在上層皮帶的側(cè)方。皮帶機(jī)架設(shè)計(jì)有豎向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)皮帶內(nèi)外側(cè)高度的調(diào)整。通過橫向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)皮帶轉(zhuǎn)彎角度的調(diào)整； 通過設(shè)置側(cè)擋輥和上壓輥實(shí)現(xiàn)皮帶的內(nèi)側(cè)波浪式折彎傳動(dòng)，解決TBM曲線掘進(jìn)時(shí)皮帶內(nèi)外張力差過大問題，降低膠帶跑偏風(fēng)險(xiǎn)，從而保證皮帶運(yùn)行平穩(wěn)可靠。皮帶機(jī)系統(tǒng)布置如圖11所示。

圖11 皮帶機(jī)系統(tǒng)布置圖

2)一體式皮帶機(jī)設(shè)計(jì)。改變以往TBM皮帶機(jī)采用主機(jī)皮帶機(jī)配合后配套皮帶機(jī)的設(shè)計(jì)，將主機(jī)皮帶機(jī)與后配套皮帶機(jī)一體式設(shè)計(jì)，皮帶機(jī)機(jī)尾伸入刀盤內(nèi)部，機(jī)頭延伸至TBM尾部。皮帶機(jī)可直接將刀盤位置的巖渣運(yùn)送至設(shè)備尾部，再由隧洞內(nèi)的運(yùn)輸車輛轉(zhuǎn)運(yùn)至洞外。該設(shè)計(jì)工序簡潔，能降低成本，并減少皮帶輸送系統(tǒng)故障率。

3.5 遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目首次采用遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主控室放置在TBM掘進(jìn)洞室外，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)了解TBM的掘進(jìn)參數(shù)動(dòng)態(tài)，對(duì)TBM實(shí)時(shí)控制，保存施工及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。該設(shè)計(jì)是TBM少人化、無人化作業(yè)趨勢下的理論實(shí)踐。

3.6 其他設(shè)計(jì)

盾體系統(tǒng)采用雙護(hù)盾通用盾體設(shè)計(jì)，盾體設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)，刀盤中心線相對(duì)前盾向上偏心設(shè)計(jì)，使得在初始狀態(tài)下盾體頂部、盾體兩側(cè)與洞壁具有較大間隙，避免TBM轉(zhuǎn)彎時(shí)盾體與洞壁產(chǎn)生干涉。

后配套臺(tái)車采用滑靴式臺(tái)車和輪對(duì)式臺(tái)車相結(jié)合的設(shè)計(jì)，縮短臺(tái)車長度，臺(tái)車與臺(tái)車之間采用雙鉸接連接。結(jié)合特定轉(zhuǎn)彎半徑，匹配臺(tái)車行走輪對(duì)與軌道的運(yùn)動(dòng)軌跡，臺(tái)車輪對(duì)輪緣始終行走在軌道上且留有余量。

4 工程應(yīng)用

文登抽水蓄能電站在國內(nèi)首次將TBM工法引入抽水蓄能領(lǐng)域，TBM于2019年10月13日始發(fā)掘進(jìn)；截至2020年7月7日，TBM已完成上層排水廊道施工和設(shè)備轉(zhuǎn)場，正在進(jìn)行中下層排水廊道施工，直線段日最高進(jìn)尺20.5 m，曲線段日最高進(jìn)尺15.4 m，成功應(yīng)對(duì)了圍巖單軸抗壓強(qiáng)度高、超小曲線調(diào)向、掘進(jìn)姿態(tài)控制、皮帶機(jī)超小曲線出渣等諸多施工難題，完成了5處30 m半徑、4處50 m半徑小轉(zhuǎn)彎施工。TBM施工現(xiàn)場圖片如圖12所示。

(a) TBM始發(fā)

5 結(jié)論與建議

緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM在文登抽水蓄能電站建設(shè)工程中的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了抽水蓄能電站隧洞群采用TBM法施工是可行的，結(jié)合工程特點(diǎn)采用的針對(duì)性設(shè)計(jì)是可靠的。基于工程的應(yīng)用，TBM在超小曲線隧洞的掘進(jìn)速度是人工鉆爆法的4～5倍，對(duì)隧洞施工的質(zhì)量、安全、環(huán)保等方面均展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

隨著抽水蓄能電站及類似工程的不斷發(fā)展，TBM在該領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)不斷進(jìn)步，建議結(jié)合本項(xiàng)目的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，在工程前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中，充分考慮TBM工法應(yīng)用的可行性，優(yōu)化洞室布置設(shè)計(jì)，將緊湊型超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM在后續(xù)的抽水蓄能電站或類似工程中進(jìn)一步推廣和應(yīng)用，促進(jìn)該領(lǐng)域地下洞室群機(jī)械化施工水平的提高。