基于卡機原因探討巖石隧道掘進機的選型

張 晶, 高 強

(中國水利水電第十工程局有限公司,四川 成都 611830)

1 概 述

目前國內大型隧道工程的建設大多采用敞開式巖石隧道掘進機進行掘進施工,究其原因主要是在掘進機選型時擔心雙護盾巖石隧道掘進機在施工過程中容易出現因卡機影響而造成施工工期不可控的問題;其次,由于雙護盾巖石隧道掘進機為近些年發展起來的掘進類型,整條隧道均需要安裝管片,其相對于敞開式巖石隧道掘進機的支護成本較高。但雙護盾巖石隧道掘進機具有獨特的施工特點,其管片在盾體內部安裝后推出盾體形成隧道支護結構,施工人員基本與圍巖分隔,能夠有效提高施工人員和設備的安全性,在越來越重視施工安全的前提下,雙護盾巖石隧道掘進機的特點更符合當代施工技術發展的趨勢。

通常巖石隧道掘進機施工出現的卡機[1]按照被卡部位大體可分為刀盤卡機、盾體卡機、后配套與支護結構卡機幾大類。此次研究的課題是影響最大且不易處理的盾體卡機,而對于其他兩類卡機原因暫不做探討。

巖石隧道掘進機盾體卡機主要有以下幾種情況:(1)因塌方量過大造成的巖石隧道掘進機卡機;(2)因圍巖收斂變形[2]速度快而導致的巖石隧道掘進機卡機;(3)因其掘進半徑小于設計轉彎半徑造成的巖石隧道掘進機卡機。地層原因導致巖石隧道掘進機卡機的主要原因:(1)塌方體或圍巖收斂作用在盾體上的壓力產生的摩擦力大于巖石隧道掘進機所能提供的推進力;(2)圍巖收斂地層在巖石隧道掘進機盾體通過前其圍巖已收縮擠壓盾體且作用于盾體上的壓力產生的摩擦力已超過巖石隧道掘進機所能提供的最大推力;(3)巖石隧道掘進機掘進的隧道半徑小于機械結構允許的最小轉彎半徑。

某公路工程項目隧道為單洞雙向行車隧道,隧道設計內輪廓直徑為8.1 m,最大埋深約820 m,以混合片麻巖為主,該隧道施工遇到的主要工程地質問題包括軟巖和斷層帶及擠壓破碎帶等問題。通過了解該隧道在設備選型期間由掘進機生產廠家針對該隧道所設計的敞開式巖石隧道掘進機和雙護盾巖石隧道掘進機提供的相關參數,筆者主要從兩個方面對兩種掘進機在塌方、圍巖收斂方面進行了分析與研究,暫且不考慮對盾體與圍巖之間的間隙通過擴挖等方式進行改良。其中一方面是對隧道掘進機克服圍巖阻力的性能進行分析;另一方面是對兩種隧道掘進機在不良圍巖條件下的施工效率進行分析,以計算出圍巖收斂時忽略圍巖接觸盾體至盾體表面壓力超過最大推動壓力過程所需的時間。

2 兩種巖石隧道掘進機性能的比較

2.1 敞開式巖石隧道掘進機

敞開式巖石隧道掘進機主要由主機、連接橋、后配套組成。敞開式巖石隧道掘進機的主機[3]主要由刀盤、溜渣槽、主機帶式輸送機、護盾、主驅動單元、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、主梁、撐靴、后支撐、推進液壓缸等組成。敞開式巖石隧道掘進機主機結構見圖1。其后配套主要由臺車、供電、通訊、供水、排水、通風、除塵、供風、供氣、控制系統、激光導向系統、出渣運輸設備系統等組成。

敞開式巖石隧道掘進機的工作原理:在推進油缸的推力作用下,主驅動帶動刀盤刀具對巖石進行滾壓,待巖石達到破裂極限時,逐步開裂、剝落呈片狀的巖渣掉落到刀盤底部,再由刀盤鏟牙將巖渣鏟起裝入皮帶機內轉運至運送物料的小火車中的專用裝渣板車或連續皮帶機上運送至洞外;同時,巖石隧道掘進機配套的支護系統完成隧道的初期支護工作,由后續模板臺車完成隧道的二襯工作。

(1)敞開式巖石隧道掘進機在正常掘進過程中的主要阻力來自于其頂部和底部護盾穩定器引起的摩擦力、巖石隧道掘進機主機自重的摩擦力、掘進刀盤推進力以及后配套系統拖拉力的總和。

根據對廠家提供的敞開式巖石隧道掘進機的參數進行分析得出:敞開式巖石隧道掘進機盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P敞=209.2 kN/m2。

(2)敞開式巖石隧道掘進機的盾體長度為4.83 m,開挖洞體與盾體的平均單側間隙可達165 mm。按照40 mm/min的掘進速度,采用敞開式巖石隧道掘進機掘進通過盾體長度所需要的掘進時間約為120 min;對于圍巖不穩定段需要全圓進行初期鋼拱架、錨桿、初噴等初期支護的洞段,根據以往的施工經驗,錨桿鉆孔需要約140 min;錨桿灌藥和錨桿施工需要約140 min;初噴混凝土4.83 m需時約160 min,二次噴混凝土襯砌需時約120 min,其中錨桿鉆孔、灌藥、錨桿安裝、初噴無法與其他工序同步施工。巖石隧道掘進機從開挖到出盾體范圍需時7.3 h,故其圍巖收縮率在22.6 mm/h范圍以內時敞開式巖石隧道掘進機不存在卡機風險。

2.2 雙護盾巖石隧道掘進機

雙護盾巖石隧道掘進機是在敞開式巖石隧道掘進機(硬巖機)和盾構機(軟巖機)理念上發展起來的新型機型,其延續了敞開式巖石隧道掘進機在硬巖條件下的撐靴撐緊巖壁來提供反作用力的掘進模式(雙護盾掘進模式),同時又結合了盾構機利用已安裝的管片提供反作用力的掘進模式(單護盾掘進模式),故雙護盾巖石隧道掘進機具備穿越硬巖和軟巖隧道的能力。雙護盾巖石隧道掘進機的開挖與襯砌可以同步進行,具有安全、快速、應對巖爆和斷層破碎帶[4]能力強的特點。

雙護盾巖石隧道掘進機由主機和后配套組成。雙護盾巖石隧道掘進機的主機主要包括刀盤、溜渣槽、前護盾、主驅動單元、穩定器、推進液壓缸、反扭距梁、外伸縮護盾、內伸縮護盾、鉸接液壓缸、支撐護盾、撐靴、輔助推進液壓缸、尾護盾、超前鉆機、管片拼裝機、主機帶式輸送機等,雙護盾巖石隧道掘進機的主機結構見圖2。其后配套系統包括供電、供水、供氣、供風、液壓、控制、除塵、出渣、回填等系統。

1.護盾;2.刀盤;3.撐靴;4.輔助推進油缸;5.管片。圖2 雙護盾巖石隧道掘進機主機示意圖

雙護盾巖石隧道掘進機具有的施工特點:開挖與襯砌同步進行,采用管片支護,支護速度快,隧道一次成型;其在硬巖地層掘進的適應性與敞開式巖石隧道掘進機相同,在軟弱圍巖地層掘進時可采用單護盾模式掘進,比敞開式具有更好的適應性。與敞開式巖石隧道掘進機相比其對地質條件變化的適應能力更強,而且設備與人員處于巖石隧道掘進機盾體和管片的保護下安全性好。

雙護盾巖石隧道掘進機有兩套推進系統:主推進系統和輔助推進系統,在雙護盾模式推進過程中可以同時完成管片拼裝。由于撐靴與巖壁之間的摩擦力為主推進系統掘進提供反力,在此模式下的掘進過程中只有前護盾和伸縮護盾存在位移,而其后配套系統所需的拖拉力也由撐靴與巖壁之間的摩擦力提供,因此,此模式掘進所需克服的阻力來自于頂部穩定器引起的摩擦力、巖石隧道掘進機前護盾和伸縮護盾部分自重產生的摩擦力、圍巖對前護盾和伸縮護盾的水平和垂直載荷的摩擦力以及掘進刀盤推進力的總和。

2.2.1 雙護盾模式

在雙護盾模式掘進過程中,撐靴撐緊,其與巖壁產生的摩擦力為掘進提供了其所需要推力的反作用力和管片安裝提供推力的反作用力、后配套拉力的反作用力,而撐靴護盾、后配套等向前移動的推力則由輔助推進油缸在換步過程中提供。此模式在掘進過程中的阻力來自于頂部穩定器引起的摩擦力、巖石隧道掘進機主機的刀盤、前護盾、伸縮護盾外盾部分自重的摩擦力以及掘進刀盤推進力的總和。

根據對廠家提供的雙護盾巖石隧道掘進機的參數進行分析后得出:雙護盾巖石隧道掘進機在雙護盾模式下其盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙主=1 003.8 kN/m2。

2.2.2 單護盾模式

在單護盾模式掘進過程中,撐靴收回后與巖壁之間不產生摩擦力,掘進所需要的所有推力由輔助推進系統撐緊管片提供,此模式下需待掘進完成后方可進行管片的拼裝,此模式掘進過程中的阻力來自于頂部穩定器引起的摩擦力、巖石隧道掘進機主機自重產生的摩擦力、掘進刀盤推進力和后配套系統拖拉力的總和。

根據對廠家提供的雙護盾巖石隧道掘進機的參數進行分析得出:雙護盾巖石隧道掘進機在單護盾模式下其盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙單=515 kN/m2。

2.2.3 特殊模式

在撐靴可以提供反力的情況下,雙護盾巖石隧道掘進機可以采用另外一種模式進行掘進,該模式可以將雙護盾主機看作完全獨立的兩部分:(1)前護盾和伸縮護盾部分;(2)撐靴護盾和尾盾部分。兩部分進行掘進施工,其中主推進系統為前護盾和伸縮護盾提供推進力;輔助推進系統為撐靴護盾和尾盾提供推進力。

根據對廠家提供的雙護盾巖石隧道掘進機的參數進行分析得出:雙護盾巖石隧道掘進機在特殊模式下其前護盾和伸縮護盾的盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙特1=P雙主=1 003.8 kN/m2。

撐靴護盾和尾護盾盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙特2=1 207.6 kN/m2。

2.2.4 輔助推進系統超高壓模式

在雙護盾巖石隧道掘進機設計時,一般在考慮卡機的情況下會在輔助推進系統中單獨布設超高壓液壓系統,該系統壓力可達500 bar以進行脫困。這種模式與上述特殊模式類似,其區別在于輔助系統的最大推力可達104 411 kN。

雙護盾巖石隧道掘進機在超高壓模式下其前護盾和伸縮護盾盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙超1=P雙主=1 003.8 kN/m2。

撐靴護盾和尾護盾盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷P雙超2=1 746.5 kN/m2。

2.2.5 掘進工效分析

采用雙護盾模式掘進以1.8 m為一個掘進循環,其掘進按照40 mm/min的掘進速度實施,一個循環需要45 min;管片拼裝根據已有經驗一般需時25～40 min;換步時間為5 min;雙護盾模式在掘進過程中同時拼裝管片,故一個循環的時間大約為50 min。雙護盾的盾體長度為11.9～13.7 m,預計從開挖到出盾尾的時間需要約6.3 h;且因雙護盾巖石隧道掘進機設計的開挖直徑與盾尾之間的平均間隙為95 mm,故圍巖收縮率在15.1 mm/h范圍以內,雙護盾巖石隧道掘進機不存在卡機風險。

單護盾模式掘進亦以1.8 m為一個循環,其掘進過程主要分為掘進、管片拼裝。但單護盾模式在掘進完成后方可拼裝管片,管片拼裝完成后即可掘進下一個循環。單護盾模式下,其伸縮護盾為收縮狀態,盾體總長度為11.9 m,故其一個循環時間大約為85 min,從開挖到出盾尾的時間需要9.3 h。故其圍巖收縮率在10.2 mm/h范圍以內不存在卡機風險。

3 對比分析

對不同原因造成的巖石隧道掘進機盾體卡機和兩種巖石隧道掘進機參數配置等方面進行綜合分析后得出以下觀點:

(1)雙護盾巖石隧道掘進機除了在單護盾模式下其盾體單位面積上不卡機所允許的塌方或圍巖收斂載荷是敞開式巖石隧道掘進機的2.4倍以外,在其余模式下,其均為敞開式巖石隧道掘進機4.7倍以上的載荷量,故在塌方和圍巖收斂載荷方面,雙護盾巖石隧道掘進機相較于敞開式巖石隧道掘進機不易發生卡機。

(2)從開挖面開始到盾尾通過,在圍巖收縮率小于15.1 mm/h時雙護盾巖石隧道掘進機不易卡機,而在圍巖收縮率小于22.6 mm/h的地層掘進時敞開式巖石隧道掘進機不易卡機。相比而言,敞開式巖石隧道掘進機在圍巖收斂地層掘進時相較于雙護盾巖石隧道掘進機具有一定優勢。

(3)雙護盾巖石隧道掘進機主機分為兩部分,其最長盾體(撐靴護盾和尾盾)的總長度為6.8 m,可以實現的最小設計轉彎半徑為400 m;而敞開式巖石隧道掘進機的最小設計轉彎半徑為500 m,對于掘進糾偏方面造成卡機的風險而言:雙護盾巖石隧道掘進機優于敞開式巖石隧道掘進機。

(4)在通過隧道收斂性圍巖段時,敞開式巖石隧道掘進機和雙護盾巖石隧道掘進機均可以通過增加刀盤的開挖直徑來增加允許圍巖收斂的厚度,進而給巖石隧道掘進機預留出了盡可能多的施工時間。常見的刀盤擴挖方式[5]包括更換刀盤邊塊方案、安裝液壓擴挖刀、邊滾刀外移方案、預留擴挖刀箱方案等。由于邊滾刀外移方案所需要的制造成本較低且調整過程較短,其在施工中的使用最為常見。

4 雙護盾巖石隧道掘進機的實際應用情況

該工程隧道最終選擇了采用雙護盾巖石隧道掘進機施工,在其進洞約1.3 km處遇到長度約為120 m的圍巖收斂、塌方破碎帶地層,導致雙護盾巖石隧道掘進機盾體五次被圍巖卡死。通過采用邊滾刀外移方案進行擴挖、人工開挖清理盾體和改變掘進模式等措施,最短花費了1 d即處理完卡機并恢復了正常掘進,最長花費了10 d即處理完前護盾、伸縮護盾、撐靴護盾和尾護盾上的圍巖后恢復了掘進;經過對五次卡機進行處理,總結出雙護盾巖石隧道掘進機在圍巖收斂、塌方破碎帶地層施工的工作要點和經驗,并在后續隧道施工應用中得到了充分的驗證;同時亦證實了雙護盾巖石隧道掘進機在圍巖收斂、塌方破碎帶地層中具有很強的適應性。

5 結 語

綜上所述,雙護盾巖石隧道掘進機通過有針對性的設計后,相較敞開式巖石隧道掘進機在塌方破碎帶等卡機地層中具有更強的適應性,但其在圍巖收斂地層中的適應性稍弱。因此,對于隧道施工中Ⅳ類、Ⅴ類圍巖占比較多的情況,采用雙護盾巖石隧道掘進機施工效率更高。