用于復雜地質條件的開敞式TBM改造技術

杭蘇成

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

輸水隧洞工程具有地質條件復雜、隧洞洞線長、隧洞開挖直徑大、高工壓、全程自流等特點[1]。全斷面巖石隧洞掘進機(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)是指全斷面開挖巖石的高度機械化刀盤式機頭掘進機，是集機械、電氣、液壓、激光導向、自動控制、傳感、信息等多項高新技術為一體，高度機械化及自動化的隧洞開挖掘進與襯砌專用大型成套裝備[2-4]，主要由主機和后配套兩大系統構成，是世界上最先進的隧洞施工機械，相較于傳統化學能破巖施工法具有安全、高效、快速、環保、高度集中自動化等優勢。TBM通常主要有開敞式和護盾式兩種基本類型，護盾式主要分為單護盾和雙護盾兩類[5]。

1 工程概況

新疆EH調水工程是一項長距離輸水工程，其中KS隧洞總長283.3km，為無壓輸水隧洞，平均埋深428m，最大埋深774m，設計流量40m3/s，縱坡1/2583。KS隧洞地質條件復雜，采用開敞式TBM(全斷面硬巖掘進機)、礦山法等多種掘進方式相結合施工。KS段IV標隧洞施工方法為TBM與鉆爆相結合，其中TBM掘進總長度為17.67km，開挖洞徑7.0m。TBM開挖段由TBM3-1和TBM3-2組成，均由同一開敞式TBM開挖掘進。其中TBM3-1已施工完畢，期間經歷多次卡機和進度受阻等情況。TBM3-1與3-2中間設置的檢修洞可對TBM機器進行檢修和改造。

2 雙模式TBM改造原因

當開敞式TBM掘進巖性為泥盆系的凝灰質砂巖，圍巖強度較低，撐靴部位圍巖軟弱破碎，無法為撐靴提供反支撐力，致使TBM無法掘進[6]。現場采取混凝土換填該空腔，待混凝土達到一定強度，能夠為撐靴提供足夠反力后繼續掘進，如此往復循環。現場施工組織難度較大，掘進效率明顯下降。同時開敞式TBM刀盤鏟斗、滾刀刀座處有較多開口區，破碎圍巖通過開口進入刀盤內部形成堆渣，最終導致刀盤卡機[7]。在TBM3-1掘進中多次出現泥盆系凝灰質砂巖軟弱破碎圍巖致使TBM無法掘進，施工掘進引起塌腔和突涌水導致TBM卡機2次。根據地勘資料顯示，TBM3-2掘進段共發育3條較大的斷裂，各級圍巖占比為：6.42%(Ⅱ級圍巖)、57.93%(Ⅲ級圍巖)、25.6%(Ⅳ級圍巖)和10.04%(Ⅴ級圍巖)。且不良地質段分布相對較集中。因此可在TBM3-1與TBM3-2中間的檢修洞中對開敞式TBM進行針對性改造。

3 本工程TBM改造方向

根據現場實際施工現況及地質預報情況，結合國內外實際工程經驗及相關論文，如姜天宇[8]在TBM法在大伙房輸水工程施工中的應用論述；陳饋、楊延棟、高黎等[9]結合貢山隧道工程對復雜地質下TBM施工進行探討等。決定對現場開敞式TBM實施針對性改造，具體改造方案如下。

(1)通過集中不良地質段時，將開敞式TBM改造為護盾式TBM，支護型式由鋼拱架+鋼筋排模式切換為管片模式。

(2)考慮本段圍巖較差，且現場有專業地質超前預報小組。當探測前方地質較差時，TBM設備有相應超前地質改良設備，通過注漿等手段改善不良地質段。

(3)開敞式TBM卡機時可利用脫困模式脫困，部分情況下因為主驅動扭矩不足導致脫困失敗，因此本工程可對主驅動減速機減速比改造，解決TBM脫困扭矩不足問題。

(4)本工程為輸水隧洞，采用護盾模式洞段與開敞式TBM洞段結構內徑應保持一致，因此應結合支護體系和結構尺寸綜合考慮護盾式TBM洞段開挖直徑，并相應設計TBM擴挖方案。

(5)應有效控制刀盤進渣及設置輔助推進系統等。

4 TBM改造方案

4.1 管片支護體系

4.1.1管片材料選擇

目前護盾式TBM采用管片材料通常為混凝土管片和鋼管片[10]。混凝土管片具有耐久性好、結構強度高、工程造價較低等優勢。但本工程掘進機均采用開敞式TBM，施工現場沒有混凝土管片廠，如采用混凝土管片，需要增設管片場，投資過大。而且混凝土管片自重較大，對管片拼裝機功率等要求較高，對TBM主驅電機等改造難度相應增大。綜合考慮后選取鋼管片作為本工程護盾式開挖段支護體系。

4.1.2管片支護

(1)管片參數

管片外徑采用6940mm，內徑為6540mm，管片厚度200mm。根據現場施工進度及施工組織分析，最終確定管片寬度為900mm。管片拼裝方式為錯縫拼裝，連接方式為螺栓連接。管片均采用Q235B型鋼材。管片安裝時底部放置預制混凝土墊塊，墊塊由3個20°小塊組成。

管片一環由3片A塊，B、C及K塊組成。其中A塊角度為72°，B、C塊為84°，K塊為36°，整環注漿孔個數為10個。為方便現場安裝，管片設置定位銷，定位銷按相鄰夾角18°設置。管片寬度為900，中間設置2道加強板，板厚為10mm。管片端板采用16mm鋼板。外弧板采用12mm鋼板。其中吊裝孔加強板采用12mm鋼板。整環管片重約5t。具體參數見表1—2。

表1 鋼管片基本信息表

表2 鋼管片鋼材具體參數表

(2)防腐處理

管片制作完成后，外弧板、端板的外露表面均需涂無溶劑超厚膜型環氧涂料二度，具體要求如下：涂環氧涂料前鋼管片表面應作除銹處理，除銹質量達到S3級。除銹后的鋼管片外弧板、端板在管片廠先涂702環氧富鋅底漆20μm(一涂)，待固化后再涂無溶劑超厚膜型環氧涂料，800μm(約二涂)。內弧板、筋板和環縱向加強板除銹后在管片廠涂702環氧富鋅底漆20μm(一涂)。

(3)管片結構驗算

根據TBM3-1已掘進現場實際情況分析，施工掘進期間隧洞局部段頂部會形成小塌腔，塌腔高度為1.5m左右。因為本設備改造與傳統護盾式TBM構造不同(護盾非整環且盾尾刷效果不佳)，管片不能同步注漿，因此管片剛出護盾時壁后未注漿，管片腰部、頂部等均與圍巖脫離，此時結構受力不利。運行期工況，鋼管片需承擔圍巖荷載，因此計算時應考慮運行期工況和管片拼裝完成但未壁后注漿工況。其中圍巖壓力各項值詳見表3。

表3 荷載計算(設計值)成果表

模型由Midas GTS NX建模并計算鋼管片受力情況，鋼管片均采用實體單元模擬，運行期工況計算結果如圖1—3所示。

根據圖1—3三維結構模型計算結果可知：運行期工況鋼管片變形較小，且在未考慮內部襯砌的情況下鋼管片應力最大值為127MPa<215MPa(Q235鋼板抗拉強度設計值)。鋼管片結構滿足設計要求。

圖1 管片豎向位移云圖

出護盾壁后未注漿工況計算結果如圖4—6所示。

根據圖4—6三維結構模型計算結果可知：出護盾壁后未注漿工況鋼管片變形較小，塌方1.5m松散體直接作用在鋼管片的情況下鋼管片應力為32～129MPa(模型網格劃分大小原因，出現局部結果奇異點，占比均小于1%)<215MPa(Q235鋼板抗拉強度設計值)。鋼管片結構滿足設計要求。

圖2 管片水平位移云圖

圖3 管片有效應力云圖

圖4 管片豎向位移云圖

圖5 管片水平位移云圖

圖6 管片有效應力云圖

4.2 增設超前鉆注一體機

在現有錨桿鉆機的軌道架設超前鉆注一體機，可根據超前地質預報有針對性的對前方不良地質段進行超前注漿、施工管棚等。鉆注一體機工作空間為拱頂120°，外插角為6°，同時在護盾相應工作范圍內設置超前預留孔，鉆機及注漿管均利用該孔作業。本鉆注一體機在獨立支架的基礎上還需配備齒圈，周向旋轉等均利用馬達驅動，操作簡便。超前鉆注一體機作業時，在達到鉆進里程時，鉆進到達計劃深度后，退出鉆機及鉆桿，前端鉆頭與套管留在孔內。當鉆孔完畢后，將鑿巖鉆桿退出，安裝好止漿塞及管路，進行注漿。具體施工工序詳如圖7所示。

圖7 超前鉆注一體機施工工序圖

4.3 改造主驅動減速機減速比

根據地勘報告，TBM3-2段斷裂帶范圍主要為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，刀盤卡機的風險較高，因此可對刀盤驅動進行改造，提高TBM脫困扭矩達到輕微卡機時自行脫困目的。本工程開敞式TBM主驅動設計額定扭矩為4410kN·m，正常掘進時扭矩為2000～2400kN·m。根據TBM3-1刀盤卡機脫困模式下掘進數據分析(如圖8所示)，刀盤脫困扭矩最大時達到6620kN·m。故遇到破碎帶等不良地質卡機時需要提高困能力。通過改造，將減速比改造為i=26后，額定扭矩為6090kN·m，脫困最大扭矩可達9130kN·m，脫困能力可提升約1.38倍[11]。

圖8 TBM3-1脫困模式扭矩數據圖

4.4 刀盤擴徑改造

TBM改造后支護型式由鋼拱架+鋼筋排改為鋼管片型式，鋼拱架+鋼筋排段噴混厚度為150～180mm，管片厚度為200mm。本工程為輸水隧洞，為保證水流穩態，管片施工段襯砌內徑應與開敞式TBM掘進段一致。同時考慮TBM盾尾間隙及盾殼厚度等因素，確定TBM護盾模式段開挖直徑為7130mm，相較原開挖直徑擴挖100mm。TBM卡機地層撐靴撐靴最大調向量約為63mm。TBM原撐靴全部縮回后，到鋼管片內弧面最小距離125.7mm，滿足通過要求。通過現場局部調整TBM后配套與鋼管片直徑安全距離可以維持在200mm。因此護盾模式段開挖直徑為7130mm符合改造要求。

考慮新開挖直徑相較原開挖直徑增加100mm，且根據地勘報告可知TBM3-2洞段Ⅳ、Ⅴ類圍巖相對較集中。本次TBM改造擴挖段較短，綜合分析后考慮本次改造采用刀盤墊塊擴挖的方式(如圖9所示)。本方式相對常規更換刀盤邊緣刀座擴徑方式有施工簡便、快速、經濟等優勢。

圖9 滾刀超挖示意圖

4.5 刀盤進渣量控制改造

開敞式TBM在破碎圍巖中掘進時，破碎巖塊極易通過刀盤鏟斗區域進入刀盤造成TBM卡機。針對該現象，本次改造擬在鏟斗區域設計封板，調節鏟斗開口，在滾刀刀座開口區域增加封板，減小滾刀刀座處的開口率，減少石塊進入刀座的概率。具體設計如圖10—11所示。

圖10 鏟斗區域增設封板示意圖

圖11 滾刀刀座處增設封板示意圖

4.6 護盾及輔助推進系統改造

本開敞式TBM改造后為開敞式+護盾式雙模式TBM，當TBM采用護盾式模式掘進時，支護體系為鋼管片體系。管片拼裝及TBM推進系統等均需操作空間，因此護盾需改造。通過施工組織分析，決定改造后的護盾長度為5170mm，長度相較原護盾增加了500mm。單護盾模式掘進時，在護盾內部拼裝鋼管片，通過鋼管片提供推進反力，因此對護盾進行針對性改造設計，增加輔助推進油缸，同時護盾處因預留超前注漿孔和化學灌漿孔。盾殼尾部做成指形護盾結構，不影響錨桿鉆機打孔。通過TBM3-1推進數據可知：2019年1月卡機，查詢此時間段內，TBM在不良地質段推力范圍為7000～8000kN。2020年3—4月，TBM恢復施工以后，TBM圍巖轉好，推力范圍9800～12000kN。根據TBM護盾結構在頂護盾、搭接護盾、側護盾均設計導向座加強結構，并布置油缸。護盾周圈布置油缸14根，油缸規格Φ200/φ180-1100。額定推力13854.4kN@315bar、最大推力15393.8kN@350bar，在本工程較破碎圍巖下掘進時，總推力余量為28.28%。

制護盾，周圈布置輔助推進油缸，利用鋼管片提供推進反力，實現不撐緊洞壁掘進。護盾具體參數詳見表4。

表4 護盾結構參數表

護盾與主驅動箱之間增加伸縮導向座，并增加機械限位，加強結構強度，適應長距離輔助推進。頂護盾與左右護盾安裝行程傳感器，便于實時監控盾體內腔尺寸，保證管片成環拼裝。導向座內部設計定位銷，同時安裝機械限位裝置，用于單護盾模式掘進時固定護盾外圓。護盾頂部140°范圍內設計超前注漿孔，用于單護盾模式掘進時超前管棚注漿支護。輔助推進油缸布置避開鋼管片錯縫位置。輔助推進系統支撐力由首環鋼管片安裝的反力支架以及撐靴進入鋼管片前壁后注漿穩固鋼管片的方式提供。

4.7 安裝多功能拼裝機

原開敞式TBM配備的鋼拱架拼裝機由旋轉環和撐緊環組成，旋轉環與主驅動固定，不具備行走功能，撐緊環具備行走及撐緊功能，但不具備旋轉功能。因此該拼裝機僅能拼裝鋼拱架，無法拼裝鋼管片。改造后的鋼拱架拼裝機，具有回轉及撐緊多功能一體化。其中移動架中油缸驅動整機前后移動，移動行程1.8m左右。原V型軌道結構強度不滿足鋼管片重量拼裝要求，因此本次改造將原軌道結構改為管片拼裝機軌道形式，同時保留錨桿鉆機V型軌道，當TBM恢復開敞式模式時錨桿鉆機仍可正常工作。在移動架回轉機構上安裝管片舉升抓舉裝置，本裝置采用分段設計，便于現場拆裝。鋼管片抓舉機構采用小盾構機成熟的抓舉裝置，結構緊湊，體積小。可實現多自由度調整，保證拼裝精度。其中本工程采用的抓舉頭規格應與鋼管片設計吻合，同時滿足現場快速安裝的效果。當TBM恢復開敞式模式時，鋼管片拼裝模式停用，此時可在現場快速拆除抓舉頭和舉升油缸。因本拼裝機未全部拆除，錨桿鉆機前后行程為1.8m。

5 改造前后現場效果

(1)改造后TBM現場施工進度明顯改善。當通過不良地質段時，開敞式TBM月進尺約為160m，護盾式TBM月進尺為350m。開敞式TBM通過不良地質段需人工支模及灌注混凝土，鋼管片模式時管片拼裝、灌漿等均采用機械自動化模式，大大提高施工效率和施工安全。

(2)當TBM3-2開挖至KS70+210時，刀盤正常啟動時瞬間扭矩過大無法轉動。該情況于2019年9月8日TBM3-1開挖KS64+412處已有發生。當時采用脫困模式和反轉模式均無法轉動。本次改造對主驅動減速機進行改造，TBM啟動時采用脫困模式，脫困扭矩瞬間達到10100kN·m，刀盤即可正常轉動，之后快速進行正常掘進工作。揭露出的不良地質段開挖斷面可盡早推進至噴混橋處，達到快速封閉開挖面的目的。

(3)當TBM3-2開挖至KS70+210時，超前地質預報顯示前端存在破碎圍巖段，現場通過分析后及時采用超前鉆注一體機進行超前地質灌漿處理。通過掘進該破碎帶推力及護盾處壓力分析，本次超前地質處理效果明顯，達到預期效果。超前鉆注一體機的使用改變施工隊伍對不良地質段被動的情況，通過超前地質灌漿，變被動為主動，為安全快速施工提供強有力地保障。

(4)現場管片拼裝后完整性較好(如圖12所示)，通過陣列式位移計監測數據可知管片最大沉降發生于KS70+940，最大沉降值為7.07mm。水平最大位移發生于KS70+432，水平最大位移為10.95mm。管片變形均在設計要求范圍內，滿足設計要求。

圖12 管片拼裝后現場效果圖

6 結語

(1)本工程為國內長距離調水項目極少數采用鋼管片案例，且采用鋼管片2299環，洞段長度約為2.07km，長度較為罕見，后續將對管片防腐效果及變形等進行詳細跟蹤監測，為其他類似工程提供參考借鑒。

(2)本次TBM改造成功為TBM發展提供新方向，將為TBM形式帶來新的突破。后續面臨復雜地質條件的地下隧洞工程，開敞式+護盾式的雙模式TBM必將成為首選。

(3)通過現場驗證本次TBM改造達到預計效果，月進尺由150m提高為400m。順利解決了開敞式TBM通過不良地質段卡機的問題，為類似工程提供TBM改造方向。