大直徑大坡度連續超小半徑轉彎TBM關鍵技術研究及應用

王鵬星, 賀 飛, 寧向可, 僧雄飛

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450000)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機(以下簡稱TBM)施工具有掘進速度快、成形質量高、安全、環保等多種優點[1],已被廣泛運用在水利、鐵路、市政交通等領域[2-4],并積累了大量的TBM選型施工經驗。受工程需求變化影響,近年來,軍工、礦山領域和抽水蓄能電站陸續引入TBM工法。與傳統水利、鐵路等領域不同,抽水蓄能電站、礦山巷道等領域洞室建設普遍存在縱坡坡度大、轉彎半徑小、掘進路線復雜、單個隧洞掘進長度短等特點,采用常規TBM已無法滿足工況需求。

為推進TBM在這些新興領域的應用,國內外研究者開展了一些研究和應用工作。葉復萌等[5]總結了抽水蓄能電站地下洞室集群修建TBM關鍵技術,并依據該類地下隧洞的特點,提出大直徑小轉彎TBM、“精靈”TBM和大傾角斜井TBM 3項關鍵技術; 施云龍等[6]借鑒地鐵盾構相關規范,首次提出將隧道轉彎半徑R≤10D(D為隧洞直徑)作為超小半徑轉彎隧洞界定標準; 姜禮杰等[7]針對目前TBM轉彎半徑受限的問題,設計一種可實現TBM超小半徑轉彎的新型推進系統; 王洪玉等[8]介紹了抽水蓄能電站排水廊道、交通洞和斜井TBM施工關鍵技術及其在部分項目的應用情況; 王杜娟等[9]對雙護盾TBM在適應城市地鐵小轉彎方面做了相應的研究; 陳寶宗等[10]、路振剛等[11]以文登抽水蓄能電站排水廊道建設工程為例,介紹了小直徑緊湊型超小半徑轉彎TBM的研究及應用情況; 李富春等[12]對在抽水蓄能電站中如何更好地使用TBM施工進行了研究。

上述研究工作多是針對小直徑小轉彎TBM,對于大直徑大坡度超小半徑轉彎TBM關鍵技術并未涉及或深入研究應用。本文以撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道工程為背景,針對大直徑、大坡度、超小半徑轉彎的工程需求,研究開發出一種大直徑大縱坡超小半徑轉彎TBM,并通過工程應用驗證結論、提出建議,以期為大直徑超小半徑轉彎TBM在抽水蓄能電站交通洞及通風洞的后續應用提供參考。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

撫寧抽水蓄能電站位于河北省秦皇島市撫寧區,電站距秦皇島市公路里程70 km。電站安裝4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機,總裝機容量為1 200 MW,額定發電水頭433 m。TBM主要施工進廠交通洞、通風洞及穿越廠房洞段,全長2 243.8 m,隧洞開挖直徑為9.53 m。進廠交通洞和通風洞洞口位于下水庫攔河壩下游左側Y3公路旁,交通洞長886.6 m,最大縱坡為-9%;通風洞長1 193.2 m,縱坡坡度為2.5%;廠房段長164 m。隧洞包括7處轉彎,廠房段平面轉彎半徑為90 m,其余洞段轉彎半徑為100 m。交通洞和通風洞隧道縱剖面如圖1所示,水平線路如圖2所示。

圖1 撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道縱剖面圖

圖2 撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道水平線路圖(單位: m)

隧洞埋深為13～300 m,巖性以混合花崗巖和鉀長花崗巖為主,圍巖的單軸飽和抗壓強度平均為150 MPa,最大為240 MPa。隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖為1 262.4 m,占比56%; Ⅳ類圍巖為819.2 m,占比37%; Ⅴ類圍巖為162.2 m,占比7%。各類圍巖占比餅狀圖如圖3所示。隧洞多位于地下水位以下,巖體具有弱—微透水性,斷層、節理密集發育部位為中等—強透水性,施工過程中局部可能存在暫時性承壓水、涌水。推斷穿越通風洞和交通洞沿線的斷層分別有13條和8條,斷層及影響帶寬度2 m以上的有4條,其中,J1斷層影響帶寬5.5 m,J2斷層影響帶寬10～15 m。

圖3 TBM掘進段各類圍巖占比

1.2 重難點分析

本工程TBM施工具有開挖直徑大、坡度大且頻繁變坡、連續超小半徑轉彎、不良地質段占比高等特點,采用TBM施工存在如下難題:

1)連續超小半徑轉彎TBM結構設計難。在超小半徑轉彎曲線段,TBM各系統部件之間、各系統部件與洞壁之間均會產生較大的相對位置變化,容易產生結構干涉,特別是主機,如不能適應超小半徑曲線,容易“卡死”,后配套拖車在超小半徑轉彎曲線段存在傾斜、輪對脫軌等風險。

2)連續超小半徑轉彎TBM皮帶機出渣難。在超小半徑轉彎曲線段,由于皮帶內弧線與外弧線所受張力不同,皮帶容易出現跑偏、漏渣、異常磨損、翻帶等現象,影響TBM正常掘進。

3)連續超小半徑轉彎TBM導向難。在超小半徑轉彎曲線段,TBM姿態控制困難,加之為適應小轉彎,TBM主機采用多段式鉸接、多自由度空間結構設計,導向系統定位難、解算難、穩定難。

4)大坡度頻變縱坡、連續多次轉彎工況下出渣系統和物料運輸系統設計難。TBM掘進線路最大縱坡坡度為-9%和+6.6%,且整個線路共7個轉彎。常規有軌列車編組最大適應縱坡坡度約為4%,無法滿足本項目大縱坡坡度要求;常規連續皮帶機出渣方式力無法適應連續多次超小半徑轉彎。

5)大直徑超小半徑轉彎隧洞TBM通過斷層破碎帶難。同等地質條件下,直徑越大,TBM在斷層破碎帶洞段支護工作量越大,圍巖收斂變形越大。因此大直徑TBM在超小半徑轉彎洞段通過斷層破碎帶更為困難,更容易與洞壁產生干涉。

2 TBM針對性設計

撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞開挖直徑為9 530 mm,線路共設計7處轉彎,最小轉彎半徑僅為90 m。直徑8 m級以上大斷面TBM最小轉彎半徑多在500 m以上,90 m超小半徑轉彎尚屬世界首例,如表1所示。這種開挖斷面大、轉彎半徑超小、轉彎次數多且采用TBM施工的工程國內外尚無先例,TBM的設計也無可參考案例。

表1 國內外部分直徑8 m級以上TBM轉彎半徑統計

同時,該項目縱坡坡度大且變化頻繁,Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比達44%,存在斷層破碎帶等不良地質,需要考慮隧洞初期支護后便于TBM通過。因此,綜合本項目特點,對TBM進行針對性設計。

2.1 采用“雙護盾主機結構+錨網噴支護相結合”的創新整機集成設計

TBM從結構形式上分為敞開式TBM和護盾式TBM。敞開式TBM又可細分為水平支撐主梁式TBM和雙X型支撐凱式TBM。大量施工經驗表明,敞開式TBM由于主機剛性結構長,轉彎適應能力弱,水平支撐主梁式TBM能夠適應的最小轉彎半徑一般不小于50倍開挖洞徑,雙X型支撐凱式TBM能夠適應的最小轉彎半徑一般不小于30倍開挖洞徑。護盾式TBM又可細分為單護盾TBM和雙護盾TBM,護盾式TBM由于主機剛性結構短,轉彎適應能力強,再通過特殊設計,可實現最小轉彎半徑小于10倍開挖洞徑的目標。

本項目開挖洞徑為9.53 m,最小轉彎半徑為90 m,敞開式TBM主機結構顯然無法滿足超小半徑轉彎需求,因此從轉彎適應性方面考慮,宜選用護盾式主機結構。本項目存在斷層破碎帶等不良地質,按照隧道支護設計要求,Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均需進行初期支護,支護占比達60%以上。從本工程地質特點、支護結構和施工成本方面考慮,宜采用錨網噴支護形式。單護盾TBM必須通過管片提供反力進行掘進,無法適用于錨網噴支護形式。因此,TBM整機方案采用雙護盾主機結構+錨噴支護相結合的創新集成設計。

同時,為適應半徑90 m小轉彎,對雙護盾式主機結構做如下特殊設計:

1)取消尾盾和輔推油缸,縮短主機長度;

2)盾體中心與刀盤中心采用下偏心設計,由此獲得較大的盾體與洞壁間隙,便于轉彎;

3)針對性設計盾體尺寸鏈和內、外伸縮盾間隙,盾體直徑前大后小,呈倒錐式結構;

4)前盾布置穩定器,掘進時采用低壓模式減少震動,換步時采用高壓模式穩定盾體,更利于TBM在超小半徑轉彎段掘進換步;

5)撐靴采用“三點支撐”結構,增大支撐盾內部空間,為主機皮帶機在超小半徑轉彎段預留足夠的跑偏調整空間;

6)取消管片拼裝機,在支撐盾上集成設計鋼筋排存儲裝置,在支撐盾尾部設計主梁,在主梁上集成設計拱架拼裝機、錨桿鉆機及超前鉆機系統。

“撫寧號”TBM整機如圖4所示,主機如圖5所示,TBM主要技術參數見表2。

表2 TBM主要技術參數

圖4 “撫寧號”TBM整機

圖5 “撫寧號”TBM主機

2.2 采用“多分段、短機架、機架上下左右可調”的TBM皮帶機設計

為適應R=90 m超小半徑轉彎,TBM皮帶機做如下針對性設計:

1)皮帶機架采用多分段設計,縮短單節皮帶架長度,同時皮帶機架采用搭接非固定式設計,左右可移動調整,便于小轉彎段左右移動皮帶架來調整皮帶跑偏,如圖6所示。

圖6 搭接非固定式皮帶架

2)皮帶機設計上下膠帶壓輥及擋輥,如圖7所示,解決小曲線段掘進皮帶由于內外存在張力差造成跑偏、翻帶問題。

圖7 皮帶機擋輥、壓輥示意圖

3)增大主機皮帶機落料斗與后配套皮帶機接渣斗左右搭接量,避免超小轉彎段兩者發生相對位移而造成漏渣,如圖8所示。

圖8 超小半徑轉彎段落料斗與接渣斗錯位示意圖

2.3 采用“激光靶+雙目相機融合”的自動導向系統

為解決超小半徑轉彎TBM掘進導向系統存在的“定位難、解算難、穩定難” 3大難題,采用“激光靶+雙目相機融合”的自動導向系統,如圖9所示。

圖9 “激光靶+雙目相機融合” 的自動導向系統

綜合解決方案如下:

1)傳遞測量。先用激光靶測量出支撐盾姿態,再用支撐盾姿態測量前盾。

2)視覺測量。安裝在支撐盾前端的雙目相機測量前盾尾的Mark燈組,利用布爾莎模型解算前盾7參數。

3)高速捕捉。配置具有高速捕捉功能的相機,可實現對前盾體Mark燈組瞬時捕捉,實現瞬時解算前盾姿態的功能。

2.4 采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣及物料運輸方式

常規有軌列車編組出渣方式及常規連續皮帶機出渣方式均無法滿足本項目大縱坡坡度、連續多次小半徑轉彎的實際工況,因此本項目進行創新,首次在TBM施工上采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣及物料運輸方式,如圖10所示。

圖10 旋轉棧臺+膠輪自卸車

其次,為保障出渣作業連續性,在TBM尾部皮帶機落渣處設計分渣裝置,如圖11所示。

圖11 分渣裝置

為保障膠輪自卸車在隧洞內安全行駛和錯車,在旋轉棧臺后部區域配備裝載機,利用洞渣及時回填洞底形成平臺,如圖12所示。

圖12 裝載機鋪底作業

2.5 采用“寬踏面+可旋轉”的后配套輪對設計

為適應R=90 m超小半徑轉彎,“撫寧號”后配套輪對采用“寬踏面+可旋轉”設計,如圖13所示。“寬踏面”可使輪對在軌道上具有更大調整量,“可旋轉”使輪對與后配套主結構框架具有一定角度調整,兩者配合,使后配套更易適應超小半徑轉彎曲線。

圖13 “撫寧號”輪對示意圖

2.6 采用“大間隙”鉸接耳座設計

縱坡發生變化時,鉸接耳座前后部件會產生上下高差錯位,縱坡坡度變化越大,上下高差錯位越多。為適應本工程大坡度頻變縱坡工程需求,鉸接耳座設計時,耳板之間預留大間隙,如圖14所示。

(a)

3 應用效果

3.1 TBM應用情況

“撫寧號”TBM為國內首臺應用于抽水蓄能電站交通洞和通風洞的大直徑小轉彎TBM,該TBM從2021年10月25日始發掘進,歷時1年,于2022年10月24日貫通,累計掘進2 243.8 m,最高日進尺21.2 m,最高月進尺303 m。TBM現場施工圖片如圖15所示。

(a) TBM始發

實際掘進施工揭露的地質條件好于初設地勘,以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主,Ⅲ類圍巖約占85%、Ⅳ類圍巖約占15%,無Ⅴ類圍巖;交通洞、通風洞沿線實際共穿越斷層和破碎帶28條,主要寬度小于1.0 m,未發生卡機、突涌水等問題。隧洞圍巖如圖16所示。

(a) Ⅲ類圍巖

3.2 出渣運輸體系設計優化

“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣運輸體系設計在施工初期切實解決了大縱坡坡度、連續多次轉彎工況下TBM出渣及物料運輸難題,但隨著掘進里程的增加,其缺點也逐漸暴露,主要體現在以下4個方面:

1)膠輪自卸車在旋轉棧臺上調頭、后退、錯車及洞內往返需要時間,運渣效率較低,影響TBM掘進速度。

2)受洞內空間限制,2輛自卸膠輪車并排停放時,占用TBM尾部進入TBM前部的通道,影響支護材料等物料運輸,同時也影響施工人員通行,存在施工安全風險。

3)自卸車運渣過程中,漏渣漏水,道路泥濘,影響運輸安全和文明施工。

4)“撫寧號”TBM整機長約85 m,屬于緊湊機型,旋轉棧臺長約70 m,TBM拖拉旋轉棧臺后整體長度達到135 m(設備重合約20 m),設備整體長度增長,不利于小轉彎段設備整體通過性,小轉彎時,旋轉棧臺輪對易脫軌。

基于上述原因,在撫寧抽水蓄能電站進廠交通洞和通風洞施工后期,優化設計,改用組合式皮帶機出渣。通過實際工程應用,驗證在連續小轉彎工況下組合式皮帶機出渣方案是否可行。

撫寧隧洞組合式皮帶機整體采用“3段固定式皮帶機+1段連續式皮帶機搭接”的方案,如圖17所示,組合式皮帶機基本參數如表3所示。

表3 組合式皮帶機基本參數

圖17 組合式皮帶機方案

“旋轉棧臺+膠輪自卸車”與組合式皮帶機2種出渣方式施工數據統計如表4所示。圖18示出2種出渣方式TBM掘進利用率分析。

表4 2種出渣方式施工數據統計

(a) “旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣

從表4和圖18可知: 采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣,TBM平均日進尺6.2 m,最高月進尺255 m,平均掘進速度為0.9 m/h; 采用組合式皮帶機出渣,TBM平均日進尺8.6 m,最高月進尺303 m,平均掘進速度1.4 m/h,采用組合式皮帶機出渣,出渣效率提高55.5%。該數據對比驗證了在連續超小半徑轉彎工況下采用組合式皮帶機的出渣方案是可行的,且能夠明顯提高TBM平均掘進速度。

通過數據對比還可看出,采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣TBM掘進利用率為36.1%,采用組合式皮帶機出渣TBM掘進利用率為31.6%,主要原因在于: 1)組合式皮帶機屬于首次應用,附帶試驗性質,初期使用階段,轉彎段皮帶跑偏調整不徹底,特別是4號連續皮帶,進出轉彎段掘進換步時需頻繁對皮帶進行跑偏調整,耗時較長; 2)組合式皮帶機采用較為復雜的“多級控制、順序啟停”控制系統,前期使用出現多次故障,這2點主要因素影響了TBM掘進利用率。

同時,改為組合式皮帶機的出渣方案后,TBM出渣與物料運輸及人員通行互不干涉,文明施工顯著提高。圖19示出了采用2種出渣方式時洞內文明施工對比。

(a) “旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣 (b) 組合式皮帶機出渣

4 結論與建議

“撫寧號”TBM是大直徑連續超小半徑轉彎TBM首次成功應用在抽水蓄能電站交通洞、通風洞領域,為后續類似大直徑連續超小半徑轉彎TBM施工應用積累了經驗。同時,施工后期組合式皮帶機出渣方案的成功應用,驗證了其在連續超小轉彎工況下的可行性,為后續連續超小半徑轉彎隧洞施工出渣方式的選擇提供了新的參考。主要結論與建議如下:

1)在抽水蓄能電站進廠交通洞和通風洞采用大直徑超小半徑轉彎TBM施工切實可行,且具有施工效率高、環境破壞小、綠色低碳等優點。

2)采用雙護盾主機并結合錨噴支護形式創新集成設計的TBM能夠適應大直徑超小半徑轉彎工況。

3)在雙護盾TBM的支撐盾上集成設計鋼筋排存儲系統的方案是可行的。

4)“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣運輸體系設計能夠解決大縱坡坡度、連續多次轉彎工況下TBM出渣及物料運輸難題,且施工成本相對較低,故障率相對較少,但影響TBM掘進速度、阻礙物料運輸及人員通行、文明施工較差。

5)在連續超小半徑轉彎工況下采用組合式皮帶機的出渣方案是可行的,且組合式皮帶機出渣方案在提高TBM掘進速度方面具有突出的優勢,但超小半徑轉彎皮帶跑偏調整技術和“多級控制、順序啟停”的控制系統有待進一步研究。

針對后續抽水蓄能電站交通洞及通風洞隧洞建設,如采用TBM施工,建議進一步加強對施工配套技術的研究,如對“雙向駕駛物料運輸車+連續皮帶機”的物料運輸體系進行研究。同時,建議加強對TBM智能化的研究,如研究智能噴漿系統、刀具狀態實時監測等。