TB803E支護(hù)系統(tǒng)的配備研究

摘 要：TBM是一臺系統(tǒng)配備能力全面的機械設(shè)備，它可以滿足TBM掘進(jìn)、支護(hù)、噴砼等要求，同時集開挖、初期支護(hù)、出碴等功能于一體。各套系統(tǒng)相互制約又相互平衡，最大的發(fā)揮設(shè)備的功能。文章以大伙房TBM2標(biāo)為例，投入本標(biāo)段施工的是德國WIRTH公司生產(chǎn)的TB803敞開式TBM。該套設(shè)備的支護(hù)系統(tǒng)包括：超前鉆機系統(tǒng)、拱架安裝系統(tǒng)、錨桿支護(hù)系統(tǒng)、砼射系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：支護(hù)系統(tǒng)；支護(hù)能力；地質(zhì)圍巖

中圖分類號：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）20-0140-03

我國使用全斷面隧道掘進(jìn)機（TBM）進(jìn)行長大隧道施工起步時間比較晚，這與我國的國情和國家的綜合實力有很大的關(guān)系，這是一個國家綜合整機裝備能力的體現(xiàn)，鐵道部率先于1997年購買2臺德國wirth公司生產(chǎn)的全斷面隧道掘進(jìn)機（TBM）進(jìn)行西康線秦嶺隧道的開挖，開創(chuàng)了國內(nèi)用TBM施工的先河。中鐵隧道集團(tuán)參與了這一宏大的工程，實踐證明在長大隧道硬巖掘進(jìn)的過程中采用TBM施工是比較經(jīng)濟(jì)合理的一種掘進(jìn)方式。有鑒于此，在遼寧省重大水利工程大伙房輸水工程系統(tǒng)中，應(yīng)業(yè)主要求采用TBM施工，這是中鐵隧道局第二次使用TBM施工，中鐵隧道局高度重視該項目，從全局員工中抽調(diào)骨干精英會戰(zhàn)參加該項目的施工。與1997年的TBM880有很大不同，各系統(tǒng)的性能更為優(yōu)良，故障率更低。特別是應(yīng)對水力系統(tǒng)更高質(zhì)量要求，對掘進(jìn)前方的圍巖探察更直接，其初期支護(hù)方式，斷面噴砼方式更為先進(jìn)快速。隨著國內(nèi)機械整機裝備能力的加強，對大型設(shè)備的管理模式更加的成熟，國內(nèi)將會更多的引進(jìn)TBM進(jìn)行長大硬巖隧道開挖。本文簡要介紹TB803E的支護(hù)系統(tǒng)能力的配備，為國內(nèi)TBM施工支護(hù)系統(tǒng)提供借鑒的經(jīng)驗。

支護(hù)系統(tǒng)的作業(yè)順序為：①當(dāng)出現(xiàn)圍巖變壞的征兆時，用超前鉆機探察地質(zhì)情況，以制定出合理的施工方案和措施，也可以進(jìn)行超前支護(hù)（超前注漿、超前管棚等）處理；②根據(jù)圍巖情況和設(shè)計要求，需要安裝鋼拱架時用拱架安裝系統(tǒng)安裝鋼拱架來加固圍巖，防止圍巖坍塌，或利用設(shè)在主機區(qū)域的應(yīng)急噴漿系統(tǒng)對圍巖進(jìn)行封閉處理；③根據(jù)圍巖情況和設(shè)計要求用錨桿鉆機進(jìn)行錨桿施工作業(yè)對圍巖縱深進(jìn)行加固；④用設(shè)在后配套區(qū)域的砼噴射系統(tǒng)進(jìn)性砼噴射作業(yè)，對圍巖進(jìn)行封閉處理。

1 TBM配套系統(tǒng)的配置原則

TB803E配備力求國際上最好，技術(shù)上最先進(jìn)的設(shè)備。超前鉆機采用芬蘭湯姆洛克生產(chǎn)的。其采用液壓控制，控制準(zhǔn)確，故障率低。設(shè)計的工作能力完全能夠滿足TB803掘進(jìn)中的需要。拱架安裝器安裝在TB803E護(hù)盾后部，由液壓油缸控制其前后行走，左右旋轉(zhuǎn)由液壓馬達(dá)控制，作業(yè)時間短，工作平穩(wěn)，無噪聲。根據(jù)設(shè)計的要求，能夠滿足掘進(jìn)過程中安裝拱架的需要。錨桿鉆機采用電控液技術(shù)，使用操作手柄遠(yuǎn)程控制，解決了工作中對人員的傷害，所有的執(zhí)行元件都采用液壓控制，控制所有的電磁閥，并將信息反饋到操作手柄。雖然工作環(huán)境惡劣，但故障率低。由安裝在后配套拖車平臺上的輸送泵，泵送砼，通過砼射系統(tǒng)均勻的進(jìn)行砼射作業(yè)。砼射系統(tǒng)也是由液壓控制，由液壓馬達(dá)進(jìn)行縱向行走，橫向行走，通過液壓油缸實現(xiàn)噴頭的縱向位移，本身噴頭亦可進(jìn)行360°回轉(zhuǎn)，保證在噴射的過程中洞壁外圓內(nèi)實。

2 支護(hù)系統(tǒng)

2.1 超前鉆機系統(tǒng)

該臺鉆機的型號為：HL300，可施鉆孔徑范圍φ43～φ64。該套系統(tǒng)的安裝是根據(jù)地質(zhì)情況而定的，如遇到圍巖較軟的地質(zhì)，通過超前鉆機施鉆，確定掘進(jìn)前方的圍巖類別。在TBM主機上部安裝一套超前鉆機，廠家名：TAMROCK，中文名：湯姆洛克，該品牌的鉆機是全球質(zhì)量最好，安全性最高的鉆機。利用超前鉆機施鉆，進(jìn)行地質(zhì)鉆孔，然后分析圍巖的類別和石質(zhì)的穩(wěn)定性決定采用何種掘進(jìn)參數(shù)，并及時調(diào)整掘進(jìn)中出現(xiàn)的各種問題，防止刀盤卡住，并為后期的拱架安裝和錨桿支護(hù)提供依據(jù)，同時也便于合理利用勞動力資源。

2.2 拱架安裝系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計院圖紙要求和工作經(jīng)驗，由土木值班工程師下達(dá)指令，必須對不穩(wěn)定或是容易塌方的松散圍巖，通過安裝整體式拱架進(jìn)行初期支護(hù)，拱架按照其結(jié)構(gòu)特點分為：鋼拱架和花拱架。對于圍巖較軟的地質(zhì)，根據(jù)設(shè)計要求，采用φ160鋼拱架，120 cm間距均勻安裝，對于圍巖較硬的地質(zhì)，根據(jù)工作經(jīng)驗和設(shè)計要求，可隨機安裝花拱架。由拱架來承受圍巖壓力，并防止大塊的石頭塌方，達(dá)到初期支護(hù)的要求。拱架的安裝過程是通過拱架安裝器來實現(xiàn)的，拱架安裝器是由液壓驅(qū)動。其工作原理如下：由主泵站提供高壓液壓油，并通過一些控制閥塊（如可調(diào)節(jié)流閥，高壓溢流閥，調(diào)壓閥等），來提供滿足設(shè)計需要的壓力及流量。拱架安裝器的前后移動是通過工程油缸來實現(xiàn)，上下移動是通過舉升油缸來實現(xiàn)，順、逆時針轉(zhuǎn)動是通過液壓馬達(dá)帶動傳動齒輪在齒條上行走實現(xiàn)的。根據(jù)設(shè)計圖紙要求以及實際工作經(jīng)驗，對Ⅳ類圍巖必須立拱，設(shè)計要求為1.2 m/榀，5節(jié)/榀。由拱架安裝器進(jìn)行立拱時，立拱時間：20 min/榀。TB803E設(shè)計參數(shù)：貫入度0.01 m/rad，掘進(jìn)速度1.8 m/環(huán)，設(shè)計最快掘進(jìn)時間：36min/環(huán)，基本上可滿足實際施工的需要。

2.3 錨桿支護(hù)系統(tǒng)

錨桿支護(hù)系統(tǒng)是通過錨桿鉆機施鉆，在洞室圍巖不穩(wěn)定的地段進(jìn)行錨桿作業(yè)，選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效形成承載環(huán)。錨桿鉆機是一套集液壓、電氣、機械于一體的設(shè)備，錨桿鉆機是由主泵站中4#、5#、6#泵驅(qū)動，并提供高壓液壓油，通過執(zhí)行元件來控制錨桿鉆機前后、上下行走，完成一個整體的施鉆過程。對所有圍巖，都必須進(jìn)行錨桿作業(yè)，具體技術(shù)要求見表1 TBM施工段支護(hù)參數(shù)表。在支護(hù)要求最高的情況下，錨桿鉆機的作業(yè)要求為間距1.0 m×1.0 m，長度為2.5 m，根據(jù)錨桿鉆機的設(shè)計最大能力，錨桿鉆機的作業(yè)時間30 min/循環(huán)，TB803E設(shè)計的最快速度36 min/循環(huán)，錨桿的作業(yè)時間可滿足施工的需要。

2.4 噴砼支護(hù)系統(tǒng)

噴砼支護(hù)是在噴漿橋位置施工，通過噴漿機械手將由輸送泵泵送過來的砼均勻的噴射到洞壁。噴漿機械手由主泵站的6#，7#泵驅(qū)動提供高壓液壓油，通過執(zhí)行元件（馬達(dá)）控制噴漿機械手前后、左右行走，同時在噴漿過程中噴射部分也可360°轉(zhuǎn)動，保證最合理的噴射位置，同時亦保證最佳的噴射效果，確保洞壁外圓內(nèi)實，美觀大方。噴砼支護(hù)系統(tǒng)是TBM支護(hù)系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)。對噴砼的最大技術(shù)要求：Ⅳ類圍巖下厚度為16 cm，實際需要砼方量為3.941 m3，每循環(huán)需要砼方量為：7.0938 m3，根據(jù)輸送泵的最大泵送能力為23 m3/h，根據(jù)工作經(jīng)驗，一般選擇15 m3/h，故輸送泵實際需要的泵送時間為28.5min/循環(huán)，設(shè)計的最快掘進(jìn)時間為36 min/循環(huán)，同樣可以滿足掘進(jìn)的需要。TB803E配備的輸送泵型號：AL278/AL279，是由瑞典Aliva公司制造的，是世界上最先進(jìn)的輸送泵，采用S擺閥換向，換向過程平穩(wěn)，快速，液壓控制方式采用閉環(huán)控制方式，精準(zhǔn)，快速，電氣控制方式采用PLC程序控制，故障率低，故障顯示直觀，故障排除時間短。

3 不同類別圍巖的工程性質(zhì)

遼寧省大伙房輸水工程TBM2標(biāo)段TBM施工地質(zhì)圍巖類別可分為4種，即：Ⅱ類、Ⅲa類、Ⅲb類、Ⅳ類。

①Ⅱ類圍巖：堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整；長期穩(wěn)定，偶有掉塊。

②Ⅲa類圍巖：堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及小至中坍方。

③Ⅲb類圍巖：較軟巖，巖體完整；穩(wěn)定數(shù)日，可發(fā)生局部塊體位移及小至中坍方。

④Ⅳ類圍巖：堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體破碎～較破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主；巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整；一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日至數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小坍方，進(jìn)而發(fā)展為中至大坍方。埋深大時，有明顯的塑性流動變形和擠壓破壞。

綜上所述，Ⅱ類與Ⅲa類圍巖易形成自然平衡拱，基本穩(wěn)定，Ⅲb類與Ⅳ類圍巖基本無自穩(wěn)能力。也就是說，Ⅱ類與Ⅲa類圍巖壓力較小、Ⅲb類與Ⅳ類圍巖壓力較大。

4 選擇支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型

支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本作用就是保持隧道斷面的使用凈空，防止巖體質(zhì)量的進(jìn)一步惡化，和圍巖一起組成一個有足夠安全度的隧道結(jié)構(gòu)體系，承受可能出現(xiàn)的各種荷載。此外，支護(hù)結(jié)構(gòu)必須提供一個能滿足使用要求的工作環(huán)境。在大伙房輸水工程中，采用復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)是柔性支護(hù)（噴錨支護(hù)）與剛性支護(hù)（現(xiàn)澆混凝土支護(hù)）的組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，最終支護(hù)是剛性支護(hù)。即初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，讓圍巖釋放掉大部分變形和壓力，然后再施加二次襯砌，承受余下的圍巖變形和地壓，以維持圍巖穩(wěn)定。

5 支護(hù)參數(shù)的選擇

選擇完支護(hù)結(jié)構(gòu)后，應(yīng)根據(jù)不同類別圍巖的穩(wěn)定情況選擇合理的支護(hù)類型與參數(shù)使其充分發(fā)揮功效。不同圍巖類別支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)大體是按下述原則確定：支護(hù)類型的確定應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)特點、工程斷面大小和使用條件要求等綜合考慮；選擇合理的錨桿類型與參數(shù)，在圍巖中有效形成承載環(huán)。

根據(jù)以上原則，大伙房輸水工程對不同圍巖類別采用的初期支護(hù)參數(shù)如表1和圖1所示。

6 結(jié) 語

隨著國內(nèi)鐵路施工，水力系統(tǒng)，公路系統(tǒng)等隧道施工的投入加大，國內(nèi)采用TBM進(jìn)行長大隧道進(jìn)行施工已是大勢所趨。掌握TBM施工各環(huán)節(jié)的注意事項，加強隧道支護(hù)參數(shù)，為安全，快速的掘進(jìn)支護(hù)提供保障，這是TBM施工急需解決的問題。了解并掌握TBM支護(hù)系統(tǒng)的配備，可為采購以及熟悉TBM支護(hù)系統(tǒng)提供技術(shù)上的支持。

參考文獻(xiàn)：

[1] 路甬祥.液壓氣動技術(shù)手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李衛(wèi)兵.TBM在超長隧道施工中的應(yīng)用研究[D].吉林:吉林大學(xué)，2005.

[3] 王浩.敞開式全斷面巖石掘進(jìn)機連續(xù)掘進(jìn)原理的研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2006.