不良地質下的敞開式TBM設備設計改造與應用

摘要：新疆某工程敞開式TBM在掘進過程中突遇不良地質，由于大量破碎圍巖進入刀盤引起“卡機”，且撐靴處出現塌方，無法提供推進反力。為有效解決此類問題，增加鋼管片支護設計，對敞開式TBM原有刀盤驅動、護盾、輔助推進、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機等方面設計改造，大大加快了TBM設備應對不良地質段的掘進速度。敞開式+單護盾雙模TBM相互轉換模式，可輕松應對各類圍巖掘進施工。

關鍵詞：不良地質;TBM設備;刀盤;鋼管片支護;改造

1" "工程概況

新疆某標段隧洞TBM3段全長20142m，其中TBM3-1段長10624m，TBM3-2段長9518m，圍巖整體較差，軟弱圍巖段落較長。因地質條件原因等不可控因素，在TBM3-1段掘進過程中，遭遇“卡機”、撐靴圍巖塌方、泥巖裹刀等不良地質段，造成進度緩慢滯后。據統計可知，TBM3-1施工過程中共計發生過2次“卡機”。

對TBM3-1段地質補勘發現，不良地質圍巖段較長，且斷層較多，對TBM掘進施工影響極大。經過各方研究決定，在洞內對設備進行主機等各部件的改造，使敞開式TBM與單護盾TBM兩種功能模式可以并存（兼具兩種TBM模式掘進的優點），以確保其在硬巖、極軟弱圍巖、斷層破碎帶以及可能存在“卡機”風險復合區間段順利掘進。

在經過長距離、大面積不良地質段時，將其切換至單護盾TBM施工模式，采取鋼管片支護。始發階段采用兩種掘進方式配合使用，同時為TBM提供推進反力，保證單護盾掘進可靠性。敞開式+單護盾雙模TBM的設計改造和成功使用，填補了國內外的空白，為整機出廠實現雙模式TBM的應用提供了施工的應用實例，同時達到規范和引領行業發展的目的。

2" "TBM掘進存在問題及傳統處理措施

2.1" "塌方“卡機”

掌子面圍巖較為破碎，掘進過程易發生坍塌，大量破碎圍巖將刀盤包裹導致“卡機”。針對此類情況，傳統處理只能采用人工進行超前清理，在TBM護盾后方施作超前支護，拆除原有初期支護，并進行擴挖。此類措施處理難度大、勞動強度大、安全性差、效率低，進尺僅能達到10m/月左右。

2.2" "撐靴無法撐緊掘進速度受限

撐靴處圍巖較軟且破碎，易造成塌方，承壓能力較弱，導致撐靴無法撐緊，不能提供良好的推進反力。針對此類情況，傳統處理只能提前對軟巖段進行回填、固結灌漿，待等強后再進行掘進，效率較低，嚴重影響TBM掘進速度。

3" "鋼管片支護設計

3.1" "鋼管片尺寸設計

結合工程洞徑尺寸，經過與多方研究、討論，確定鋼管片與襯砌內徑間距為350mm。將鋼管片厚度確定為200mm，鋼管片環向寬度確定為450mm，鋼管片內徑確定為6540mm。每環鋼管片采用7塊進行拼裝，其中包括2塊64°的標準A塊、2塊48°的標準B塊、2塊48°的鄰接塊、1塊40°的標準K塊。底部鋼管片采用整塊牛腿設計，以確保底部鋼管片受力情況良好。鋼管片錯縫拼接如圖1所示。

經過多方研究、討論確定，在注漿間隙最小的原則上設計刀盤擴挖尺寸。鋼管片與隧洞壁之間距離為105mm（地鐵6.45m，土壓盾構機間隙為125mm），刀盤開挖洞徑為7130mm。鋼管片內徑為6540mm，TBM相關設備允許安全尺寸為6140mm，單邊至少留存200mm的安全距離，以滿足TBM安全掘進要求。

在進行拼裝隧洞環向鋼管片時，要確保撐靴在縮回時的安全距離。在不拼裝隧洞環向鋼管片時，要保證撐靴伸出的余量滿足TBM調整方向要求。根據 TBM3-1在掘進時的撐靴偏差統計分析可知，TBM撐靴處的液壓缸最大伸縮量可達到63mm。

根據擴挖后洞徑制作撐靴，對比原設計縮小40mm，安裝鋼管片回縮時最大間距可達到126mm（原7030mm洞徑回縮后的距離為155mm）。不拼裝鋼管片撐靴液壓缸撐緊洞壁后，仍將留存125mm（原7030mm洞徑回縮后的距離為225mm）的行程。

3.2" "鋼管片壁后填充設計

每塊鋼管片上設置1個吊裝孔、2 個注漿孔。注漿時可以實現多個位置同時進行注漿，避免漿體流動差不能注實。注漿區域放置注漿泵，用于防止成環時發生串漿情況。注漿施工過程按同步注漿工序過程進行。注漿漿液為水泥砂漿，注漿時采用小流量、低壓力的方法進行注入，注漿壓力：0.2～0.3MPa，注漿流量為20～30L/min。

4" "TBM設備設計改造

為了降低破碎塌方圍巖“卡機”風險，減少軟弱圍巖對撐靴的影響，通過研究討論，采用創新設計理念進行TBM設計改造。對敞開式TBM原有刀盤驅動、護盾、輔助推進、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機等進行設計改造，形成敞開式+單護盾雙模TBM，使其可根據地質情況進行相互切換。TBM設備設計改造如圖2所示。

4.1" "刀盤設計改造

刀盤是TBM的主要工作部件，由刀盤鋼結構、刀具、回轉接頭和接渣斗等組成，其主要作用是切削掌子面、破碎巖石。針對圍巖破碎等不良地質段，對刀盤進行如下設計改造：

考慮到敞開式+單護盾雙模TBM可持續轉換的可靠性，敞開式TBM在原本7030mm開挖洞徑基礎上，利用更換大圓環外周4個滾刀刀座方式進行擴徑，刀盤上其余位置滾刀刀座不改變，擴徑后開挖洞徑達到7130mm。TBM刀盤設計改造如圖3所示。

4.2" "刀盤驅動設計改造

原敞開式TBM主驅動設計額定扭矩為4410kN·m

（5.5r/min），TBM在正常掘進時的扭矩一般小于2000kN·m，轉速<8r/min。采集原敞開式“卡機”過程中刀盤扭矩數據（見圖4），對TBM3-1刀盤脫困時掘進數據進行分析，刀盤脫困時扭矩最大可達到 6620kN·m，遠超過遠設計額定扭矩數值。故遇到不良地質段時，提高“卡機”脫困能力，才能順利脫困，加快脫困速度。

根據以上情況，并結合TBM3-1后續施工圍巖情況，認為掌子面圍巖塌方導致刀盤”卡機”的情況較大。為有效解決此類情況，對TBM刀盤驅動進行優化設計改造，對TBM設備減速機進行設計改造，增大TBM減速機的減速比，增加設計扭矩及“卡機”脫困最大扭矩，全面提高刀盤對不良地質段圍巖適應能力。

原TBM減速機減速比為18.8，設計改造后減速機減速比達到26，且設計改造后，TBM額定扭矩可達到6090kN·m

（5.5r/min），“卡機”脫困時扭矩可達到9130kN·m，脫困能力整整提高了1.38倍。且刀盤處于最高轉速8r/min時扭矩為3045kN·m，與TBM改造前數據一致，滿足TBM通過硬巖地層需要的低扭矩高轉速。TBM刀盤驅動設計改造前、后對比如圖5所示。

4.3" TBM護盾設計改造

4.3.1" "輔助推進設計改造

在原敞開式TBM護盾內部增設鋼管片，通過撐靴頂進鋼管片為TBM提供推進反力，因此需要增加TBM輔助推進的液壓缸。在輔助推進液壓缸底部增加導向座，使TBM護盾與變速箱相互連接，傳遞推進反力。導向座內部增設定位銷，起到固定作用。護盾頂部、左右側與主驅動之間增設行程傳感器，實時監測護盾伸縮行程變化。TBM護盾設計改造如圖6所示。

4.3.2" "超前注漿孔設計

在護盾頂部150°范圍內增設超前注漿孔，用于TBM掘進時的超前支護及超前注漿。超前注漿支護孔設計如圖7所示。

4.4" "輔助推進設計改造

4.4.1" "推進力的確定

掘進推力主要由刀盤的掘進推力、護盾和后配套掘進阻力組成，經過計算掘進推進力為18240kN。根據現場TBM掘進數據分析可知。在TBM圍巖破碎“卡機”期間段，在不良地質段掘進時推力范圍為7000～8000kN。TBM恢復正常掘進后，掌子面情況轉好時，推力范圍為9800～12000kN。TBM設備改造鋼管片設計輔助推進主要作用在不良地質段，但考慮局部存在較好圍巖段，因此TBM輔助的推力不得小于最大推力12000kN。

根據TBM護盾的結構形式在護盾頂部、搭接處、側面均增設導向座，并增設推進液壓缸，同時護盾底部增設4根推進液壓缸，增加底部推進能力，共計布設液壓缸14根。液壓缸位置及液壓缸加強設計如圖8所示。

推進液壓缸采用規格為Φ200/Φ180-1050的標準液壓缸。經過計算，單根液壓缸額定推力為989.6kN，單根液壓缸最大推力為1099.56kN。單根液壓缸在達到最大推力時，根據對TBM 護盾結構進行有限元分析，確定其滿足要求。推進液壓缸額定總推力為13854kN，推進液壓缸最大總推力為15393.8kN。綜上，輔助推進設計額定推進力為13854.4kN，最大推進力為15393.8kN，在不良地質段掘進時，總推力余量可達到28%。

4.4.2" "反扭矩的確定

通過 TBM 實際掘進參數推測刀盤扭矩，計算鞍架底部支撐、護盾可提供反扭矩。計算輔推液壓缸可提供反扭矩，鋼管片本身可以承受反扭矩，正常掘進反扭矩是否滿足。脫困時應該采取何種措施，才能提供足夠反扭矩，保證鋼管片不能被扭轉。

一是確定底護盾可提供的反扭矩。TBM3-1刀盤“卡機”脫困時最大扭矩達6620kNm時，左側扭矩有桿腔液壓缸壓力為12.4MPa，無桿腔液壓缸壓力為12.9MPa，扭矩力為1330kN。右側扭矩有桿腔液壓缸壓力為10.8MPa，無桿腔液壓缸壓力為9.6MPa，扭矩力為788kN，力臂為1424mm。經過計算，鞍架可提供的反扭矩為3016kN·m，護盾底部與洞壁摩擦產生的反扭矩為3604kN·m。

二是確定鞍架底部支撐可提供的最大反扭矩。為增大反扭矩力，需在鞍架底部增加支撐。鞍架底部可以承載TBM主機質量的40%，約200t，可提供的反扭矩力為2000kN，鋼與鋼摩擦系數取0.15，力臂為3410mm。經過計算，得到支撐可提供的反扭矩為1023kN·m。

三是確定鋼管片可承受的最大反扭矩。鋼管片底部與巖石摩擦可提供反扭矩，鋼管片總質量約75t，可提供的反扭矩力為750kN。鞍架底部支撐可提供的反扭矩力為2000kN，鋼材質與巖石的摩擦系數為0.3，力臂為3500mm。經過計算，鋼管片可承受的最大反扭矩為2888kN·m。

四是確定輔推液壓缸可傳遞的最大反扭矩。TBM3-1在不良地質段時，輔助推力變化范圍為4000～10000kN。輔助推進液壓缸頂進鋼管片，輔助推進液壓缸的撐靴與鋼管片之間的摩擦力，也可提供TBM掘進反扭矩。橡膠與鋼的摩擦系數為0.5，液壓缸分布半徑為3.4m。經過計算，確定輔推液壓缸可傳遞的最大反扭矩為6840～17100kN·m。根據上述結論，輔助推進液壓缸至少可以傳遞6840kN·m的扭矩，遠大于2888kN·m鋼管片所能承受的反扭矩。故鋼管片背后的注漿需及時，以確保初凝后的注漿材料與鋼管片之間產生的摩擦，可抵抗刀盤的反扭矩。

4.4.3" "調向的設計

調向系統設計主要由鞍架下部的上下伸縮支腿、伸縮液壓缸、底撐靴、左右輔助撐靴、以及附屬的防滾動機構組成。鞍架支撐結構設計如圖9所示。上下伸縮支腿、伸縮液壓缸和底撐靴的主要功能包括以下幾點：掘進過程中，伸出撐緊洞底，支撐主機后部質量。通過兩側伸縮液壓缸的同時伸縮，實現TBM上下調向。通過伸縮液壓缸一側伸出，一側縮回實現TBM糾滾。

4.4.4" " 掘進施工操作方案

敞開式TBM模式正常掘進時，整機操作模式與改造前一致。改造后的單護盾TBM模式施工掘進操作如下：

推進：TBM設備鋼管片拼裝器拼裝鋼管片之后，利用輔助推進液壓缸頂推已安裝好的鋼管片，為TBM提供推進反力。鞍架輔助支撐撐緊底部鋼管片，主梁二在鞍架內部滑進。每個推進行程要求控制在一環鋼管片寬度范圍內。

換步：掘進完成一個推進行程后開始進行換步，后支腿伸出緊撐底部鋼管片。推進液壓缸回縮，收回鞍架支撐。輔推液壓缸開始收回，進行拼裝完成下一環鋼管片。

4.5" "鋼管片拼裝器設計

4.5.1" "鋼管片拼裝器設計

新設計鋼管片拼裝器主要包括行走軌道、行走機架、回轉機架、安裝在回轉機架前部的鋼管片安裝機構、安裝在回轉機架外側的鋼拱架抓取臂機構等。前后行走由液壓液壓缸驅動，回轉由液壓馬達驅動。鋼管片拼裝器設計改造如圖10所示。

鋼管片安裝機構通過提升液壓缸固定在回轉機架上，通過對液壓馬達和液壓液壓缸的比例控制，可實現鋼管片安裝機構的徑向移動、橫向移動、縱向移動、俯仰、回轉和橫搖的動作，迅速完成鋼管片的定位和安裝。

鋼管片安裝機構的控制方式有無線遙控和有線控制兩種，兩種方式都可以對每個動作進行單獨控制，也可同時控制多個動作，控制精確度較高。鋼管片抓取機構具有6個自由度。

4.5.2" "鋼管片拼裝

鋼管片的安裝通過固定在回轉機架上的6個抓取臂配合完成，抓取臂包括伸縮臂、連桿、抓取頭。伸縮臂通過液壓缸驅動進行控制，可精確抓取，可沿隧洞徑向進行伸縮，行程可達到600mm。連桿用于伸縮臂和抓取頭的連接，以確保整個結構運轉的流暢性，避免與其他部件發生干涉。抓取頭主要功能為抓取，同時具有沿X、Y、Z軸向轉動的能力，能夠完成±4°的俯仰、±3°的水平擺動及±4°左右擺動。

具體操作步驟如下：①將第一片鋼管片就位，使用抓取臂頭部鉤爪夾緊第一片鋼管片。②讓與第一片鋼管片最近的撐緊臂伸出，將鉤爪上的銷子旋轉卡住鋼管片，之后兩個勾爪提上，將鋼管片安裝到位。③回轉機架旋轉，將第一片鋼管片旋轉到側面。第二片鋼管片就位，將第二片鋼管片一端與第一片鋼管片一端連接在一起。之后與第二片鋼管片最近的撐緊臂伸出，將勾爪上銷子旋轉卡住鋼管片，撐開鋼管片，貼近洞壁，繼續旋轉一環鋼管片的角度。循環操作，將剩余鋼管片依次拼裝好。④移動機架后移，將鋼管片平移至指定位置，同時可以旋轉鋼管片。當隧道積水較多時，將缺口避開積水區域，最后將鋼管片完全撐緊至指定位置。

4.6" "超前鉆注一體機設計

在TBM上新增超前鉆注一體機，可通過護盾內超前注漿孔進行超前鉆孔及注漿施工。該鉆注一體機通過液壓馬達驅動，可沿獨立軌道周向運動，鉆孔范圍覆蓋隧道頂部150°范圍。

考慮TBM內部空間尺寸，頂護盾、搭接護導向座占用寬度約140mm，共計4處;頂護盾與搭接護盾鉸接占用寬度240mm，共計4處;輔助推進液壓缸占用寬度250mm，共計4處。若超前注漿孔外140mm，同一規格兩孔間距400mm，兩孔間剩余間隙260mm，無法在此區域內再布置另一路超前注漿孔，因此在護盾預留4°超前注漿孔。

超前鉆注一體機外插角4°實施方案如下：利用拱架支護，增設護盾，超前鉆機孔徑120mm、覆蓋150°，將新制超前鉆機齒圈與軌道，安裝至主梁頂部。鉆機前后行程約1700mm。

5" "結語

通過敞開式TBM設備設計改造，可完成不良地質段掘進施工任務。增加鋼管片支護設計，對敞開式TBM原有刀盤驅動、護盾、輔助推進、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機等方面設計改造，大大加快了TBM設備應對不良地質段的掘進速度。敞開式+單護盾雙模TBM相互轉換模式，可應對各類圍巖掘進施工。

敞開式TBM設備設計改造于2021年3月5日開始，經過刀盤驅動、護盾、輔助推進、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機等方面設計改造，最終于2021年6月5日完工。改造后進行首段單護盾TBM模式掘進，實現單日單機最高掘進18環（長度16.20m），單月掘進超過200m的優良業績。單護盾TBM模式轉換完成后，標段工程全線、鐵建重工及川藏線的項目建設工單位都到該項目進行觀摩，并給與高度贊揚，取得良好的社會效益。

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