高埋深隧洞TBM設(shè)備的選購

邢阿龍，王紅?

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級水電站深埋長隧洞群由2條輔助洞(17.5km)、1條施工排水洞(16.73km)和4條引水隧洞(16.67km)組成。隧洞洞群沿線上覆巖體厚度一般為1 500～2 000m，最大約2 525m，圍巖具有巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、埋深大、高地應(yīng)力、高外水壓力、高涌水量等地質(zhì)特點(diǎn)，其中1、3號引水隧洞和施工排水洞采用TBM開挖施工，其余隧洞采用傳統(tǒng)的鉆爆法開挖施工。三條隧洞采用的TBM均為敞開式TBM，其中本文涉及的東端1號引水隧洞采用由美國Robbins公司生產(chǎn)的Robbins401－319型敞開式TBM施工。

水電站東端1號引水隧洞1號TBM自2008年11月18日開始試掘進(jìn)，于2009年12月12日完成2km試掘進(jìn)后開始正式掘進(jìn)施工。2010年12月12日正式停止掘進(jìn)，合計(jì)完成TBM掘進(jìn)進(jìn)尺5 859.4 km。

2 TBM簡介

Robbins401－319為全斷面敞開式單撐靴TBM，整機(jī)全長245m，由主機(jī)、連接橋、后配套三部分組成。

主機(jī):由刀盤組件、刀盤支撐、護(hù)盾體、主梁、鞍架、撐靴、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)以及支護(hù)設(shè)備等組成，長約22m。刀盤直徑為12.43m，分6塊在現(xiàn)場拼裝焊接而成;刀盤布置81把盤形滾刀，其中8把中心刀、2把擴(kuò)挖刀(中心刀為17英寸，其它為19英寸)，刀盤驅(qū)動系統(tǒng)由14個(gè)驅(qū)動電機(jī)組成，每個(gè)電機(jī)功率為315kW。刀盤轉(zhuǎn)速 0～5.61r/min;刀盤推力2 082.6t，扭矩16 519kN·m。

連接橋:為主機(jī)與后配套臺車之間的連接結(jié)構(gòu)，長約28m。

后配套:由3個(gè)管節(jié)、10節(jié)臺車和1個(gè)斜坡道組成，總長約195m。3個(gè)管節(jié)位于連接橋后部，分別布置2臺錨桿鉆機(jī)、2臺混凝土機(jī)械噴射手和2個(gè)噴漿機(jī)械手。10節(jié)臺車分別布置整個(gè)TBM設(shè)備的高壓變電設(shè)備、配電柜、錨桿鉆機(jī)及噴混設(shè)備的液壓泵站，以及空氣凈化裝置和衛(wèi)生間、休息室等輔助設(shè)施。

3 設(shè)備改造原因、項(xiàng)目及效果分析

由于錦屏二級水電站引水隧洞群深埋于賦存高地應(yīng)力的脆性大理巖體內(nèi)，TBM法開挖完成后，如何快速完成高地應(yīng)力導(dǎo)致的大面積坍塌或巖爆的處理成為TBM掘進(jìn)施工中面臨的首要難題。

由于1號TBM設(shè)備在設(shè)計(jì)上對包括應(yīng)力坍塌在內(nèi)的塌方和巖爆的應(yīng)對手段不足，導(dǎo)致在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)上述問題的時(shí)候，無法有效處理或應(yīng)對，清理石渣和停機(jī)支護(hù)時(shí)間嚴(yán)重超過預(yù)計(jì)時(shí)間，對施工進(jìn)度產(chǎn)生了很大影響，TBM的快速掘進(jìn)優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。

1號TBM在設(shè)備改造之前的施工情況見表1。表1表明，在導(dǎo)致1號TBM停止掘進(jìn)的原因中，清渣和停機(jī)支護(hù)占用了施工總時(shí)間的34.1%，占停機(jī)總時(shí)間的47.2%，而TBM掘進(jìn)時(shí)間僅占總施工時(shí)間的14.6%。

表1 1號TBM設(shè)備改造之前掘進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析 min

為了增強(qiáng)TBM的防護(hù)能力、支護(hù)能力和清渣能力，增加TBM對水電站高埋深隧洞的適應(yīng)能力，同時(shí)鑒于1號TBM設(shè)備總體性能達(dá)不到合同要求及招標(biāo)條件的約定，經(jīng)參建各方充分、慎重的分析和研究后，最終決定針對1號TBM試掘進(jìn)過程中暴露的一些具體問題，對TBM設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化和改造。

3.1 設(shè)備改造項(xiàng)目及對應(yīng)效果分析

3.1.1 加強(qiáng)并延長護(hù)盾，增加護(hù)盾的防護(hù)范圍和能力

TBM原護(hù)盾為指形護(hù)盾，在試掘進(jìn)過程中指形護(hù)盾多次遭到塌落的巖石破壞，已經(jīng)嚴(yán)重變形，部分指形護(hù)盾徹底損壞，對下方設(shè)備的保護(hù)作用被嚴(yán)重削弱。

本次設(shè)備改造主要是將原有指形護(hù)盾拆掉，在邊頂拱270°范圍焊接新的2m長的護(hù)盾。另外將側(cè)護(hù)盾兩舌板刨掉，焊接新舌板。

新的護(hù)盾不但為下方設(shè)備提供全面的防護(hù)，也同時(shí)為McNally系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)存儲倉提供了設(shè)備基礎(chǔ)，并使圍巖在出露護(hù)盾后便能及時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)施工，使得1號TBM在L1區(qū)的整體防護(hù)能力和支護(hù)能力均得到了大幅提升。

3.1.2 McNally系統(tǒng)

McNally系統(tǒng)是在新增護(hù)盾外側(cè)制作鋼排存儲倉，用來存儲提前預(yù)制鋼排(在3根長3～6m、直徑12mm的鋼筋中間用長0.2m、直徑12mm的短鋼筋橫向連接加固制作成的鋼排)。

McNally系統(tǒng)的使用方法是:在頂部圍巖出現(xiàn)塌方或大面積掉塊時(shí)，拉出護(hù)盾存儲倉內(nèi)的鋼排(鋼排數(shù)量根據(jù)塌方面積需要來定)，并用局部拱架將鋼排一端固定在圍巖上。隨著TBM掘進(jìn)，鋼排會隨圍巖一起出露護(hù)盾，并將塌方體攔截在鋼排上方;等鋼排另一端即將出露護(hù)盾時(shí)，在用一榀局部拱架進(jìn)行固定，使鋼排、局部拱架和圍巖牢固連接。

McNally系統(tǒng)和局部鋼拱架、預(yù)應(yīng)力中空錨桿聯(lián)合使用，將頂部的表層圍巖坍塌形成的碎石固定在支護(hù)系統(tǒng)之上，既避免了巖石塌落可能造成對人員和設(shè)備的損傷，減少了清渣工程量，也減少了塌方對后續(xù)支護(hù)、鋼枕架設(shè)和掘進(jìn)施工的干擾。它不但有效解決了錦屏二級高埋深隧洞條件下大面積的應(yīng)力坍塌問題，還解決了1號TBM清渣能力不足的設(shè)備缺陷，可謂是一舉兩得。

3.1.3 改進(jìn)鋼筋網(wǎng)安裝方式并擴(kuò)大L1區(qū)錨桿作業(yè)范圍

1號TBM設(shè)備改造之前所配置的鋼筋網(wǎng)安裝器作業(yè)效率低，基本沒有投入使用，并且閑置的鋼筋網(wǎng)安裝器占用L1區(qū)的錨桿鉆機(jī)作業(yè)空間，使得圍巖出露護(hù)盾后不能及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)。

為使錨桿鉆機(jī)的作業(yè)空間增大，實(shí)現(xiàn)圍巖出露護(hù)盾后盡快實(shí)施錨桿支護(hù)，同時(shí)提高L1區(qū)頂拱鋼筋網(wǎng)的安裝效率，在設(shè)備改造過程中拆除了未使用的鋼筋網(wǎng)安裝器，在L1區(qū)頂部護(hù)盾內(nèi)側(cè)增加了鋼筋網(wǎng)儲存?zhèn)}，同時(shí)將錨桿鉆機(jī)環(huán)前移，擴(kuò)大L1區(qū)錨桿支護(hù)范圍，使得圍巖出露護(hù)盾后便能及時(shí)進(jìn)行錨桿支護(hù)。

通過上述改進(jìn)，使得1號TBM在后續(xù)掘進(jìn)施工過程中L1區(qū)圍巖錨桿和鋼筋網(wǎng)支護(hù)的及時(shí)性得到極大的提高，既有利于施工和工程安全，也在很大程度上減少了停機(jī)進(jìn)行圍巖支護(hù)的時(shí)間。

3.1.4 改進(jìn)鋼拱架安裝器和安裝拱架輸送器

1號TBM原拱架安裝器較為笨重，作用效率低下，一旦要進(jìn)行拱架安裝，即意味著要有將近一個(gè)班次的停機(jī)時(shí)間，極大地制約了TBM處理不良地質(zhì)條件的速度和質(zhì)量。

在本次設(shè)備改造過程中，為提高鋼拱架的作業(yè)效率，拆除了原拱架安裝器和原鋼筋網(wǎng)齒圈(原鋼筋網(wǎng)安裝器已拆除)，安裝新拱架安裝器，并增加了安裝拱架輸送器。拱架輸送器的作用是將拱架從連接橋吊機(jī)上輸送到L1區(qū)的鋼拱架安裝器處。

新的拱架安裝系統(tǒng)作業(yè)效率和安裝質(zhì)量較原拱架安裝器有所提升，但因新的拱架安裝器操作復(fù)雜、設(shè)備本身故障率較高等問題，并未得到操作工人和技術(shù)人員的認(rèn)可。在后續(xù)施工中，減少了拱架安裝數(shù)量，進(jìn)而采用局部拱架配合McNally系統(tǒng)和鋼筋網(wǎng)、預(yù)應(yīng)力錨桿、水漲錨桿、濕噴鋼纖維混凝土等支護(hù)措施加強(qiáng)L1區(qū)的支護(hù)強(qiáng)度，同樣確保了施工安全。

3.1.5 改造噴射混凝土系統(tǒng)

噴射混凝土系統(tǒng)改造主要在兩個(gè)方面:一是改進(jìn)現(xiàn)有L1區(qū)的噴混系統(tǒng)，使其作業(yè)范圍擴(kuò)大到撐靴位置;二是改變混凝土輸送泵的位置。

由于L1區(qū)現(xiàn)有的應(yīng)急噴混機(jī)械手只能滿足緊急情況下局部圍巖(基本限制在L1區(qū)護(hù)盾與撐靴之間的頂拱120°范圍)的少量混凝土噴射施工，在掘進(jìn)過程中不能完成大面積的噴射混凝土工作。但實(shí)際施工過程中，L1區(qū)撐靴兩側(cè)的圍巖經(jīng)常出現(xiàn)片幫和掉塊，需要在L1區(qū)頻繁、大量的噴射混凝土進(jìn)行封閉處理，以保證撐靴安全順利通過，并減少在撐靴撐壓過后圍巖進(jìn)一步塌方及掉塊。

原混凝土噴射系統(tǒng)存在管路過長、彎頭過多、變徑過多的問題，混凝土從9號臺車的混凝土輸送泵到L1區(qū)的應(yīng)急混凝土噴射手距離長達(dá)200多米，直角彎頭 5個(gè)，變徑 3處(直徑 220mm泵管變200mm，200mm泵管又變180mm，從180mm的泵管經(jīng)過噴頭時(shí)管徑再次縮小)，在試掘進(jìn)過程中頻繁發(fā)生堵管現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了支護(hù)的及時(shí)性和掘進(jìn)時(shí)間，并由于管路太長、處理堵管難度極大，每次堵管都會對施工人員的工作情緒產(chǎn)生極大的影響。

本次設(shè)備改造在L1區(qū)拆除了原應(yīng)急混凝土噴射手，另設(shè)一個(gè)移動式混凝土噴射頭，方便工人在需要時(shí)將噴射頭移動到任何具備操作條件的位置，使得L1區(qū)的應(yīng)急噴混范圍擴(kuò)大到了撐靴后部、連接橋的端頭處，解決了長期困擾施工人員的L1區(qū)噴混問題。

與此同時(shí)，為解決堵管問題，在設(shè)備改造時(shí)，將L2區(qū)2臺輸送泵移動到T2車前部新增平臺，并新增2臺混凝土攪拌罐(容量6m3)，改造現(xiàn)有管路，形成兩套獨(dú)立的噴混凝土系統(tǒng)，具備L1區(qū)和L2區(qū)同時(shí)進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)的能力。改造完成后從混凝土輸送泵到達(dá)L1區(qū)的距離大大縮小，并減少了彎管和變徑數(shù)量。此次改造不但解決了噴射混凝土堵管的問題，提高了噴射混凝土作業(yè)效率，還使得TBM具備前后同時(shí)作業(yè)的能力，使得停機(jī)進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)的現(xiàn)象基本消失。

3.1.6 L1區(qū)支護(hù)平臺

TBM設(shè)備改造之前沒有方便的錨桿及掛網(wǎng)施工作業(yè)平臺，工人進(jìn)行支護(hù)作業(yè)時(shí)操作非常困難，甚至L1區(qū)錨桿和掛網(wǎng)作業(yè)需要工人腳踩錨桿鉆機(jī)的大臂端頭部位才能完成，使得本來就非常危險(xiǎn)的支護(hù)作業(yè)變得更加困難和危險(xiǎn)。

本次設(shè)備改造在L1區(qū)和L2區(qū)分別增設(shè)了錨桿和掛網(wǎng)工作平臺。新的工作平臺不但方便了工人施工，提高了工作效率，更重要的是使得作業(yè)的安全性得到大幅提高，體現(xiàn)了施工的人性化。

3.1.7 改進(jìn)L1區(qū)清渣設(shè)備及出渣方式

依照招標(biāo)文件附件三中的設(shè)備介紹，TBM配備一套渣土提升皮帶機(jī)和清渣設(shè)備(具體性能未介紹)，但是TBM進(jìn)場后實(shí)際配備的為一套渣土提升料斗和一個(gè)螺旋輸送機(jī)以及清渣小挖機(jī)。由于渣土提升料斗和螺旋輸送機(jī)作業(yè)效率較低，并且清渣的小挖機(jī)因?yàn)樽鳂I(yè)空間受限不能投入使用，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)清渣進(jìn)度不能滿足掘進(jìn)需要的情況。

為了解決TBM掘進(jìn)過程中底部渣土清理和轉(zhuǎn)運(yùn)影響TBM掘進(jìn)的問題，在本次設(shè)備改造過程中，在刮板機(jī)尾端增加一條清渣皮帶機(jī)，并新增1臺挖斗裝渣機(jī)(LDZ100T)。

新的清渣設(shè)備在一定程度上提升了TBM的清渣能力，加快清渣進(jìn)度;但距離TBM快速掘進(jìn)的要求還有很大差距，清渣能力與TBM快速掘進(jìn)能力之間的差距僅靠設(shè)備改造已無法彌補(bǔ)。這也導(dǎo)致后續(xù)施工中繼續(xù)出現(xiàn)長時(shí)間停機(jī)清渣的情況和鋼枕下部到處堆渣的問題。

3.1.8 在TBM后增加移動支護(hù)臺架

由于TBM設(shè)備錨桿支護(hù)能力有限，而引水隧洞的支護(hù)要求又較高，鑒于兩者之間的巨大差距，為發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢，在設(shè)備改造前后均會不同程度地遺留系統(tǒng)錨桿需要在TBM通過后補(bǔ)打。

為解決目前TBM支護(hù)設(shè)備優(yōu)化和改造前因設(shè)備原因遺留的部分短錨桿和6m的長錨桿，同時(shí)為解決TBM設(shè)備改造后達(dá)到招標(biāo)條件約定的設(shè)備性能后仍然可能遺留的錨噴支護(hù)施工問題，本次設(shè)備改造在TBM后部新增了4臺移動支護(hù)臺架并配置相應(yīng)的錨桿支護(hù)設(shè)備。

鑒于新增支護(hù)臺架與TBM施工完全分離，互不干擾，施工時(shí)間也不受TBM限制，故不再詳細(xì)論述。

3.1.9 其它設(shè)備改造

其它設(shè)備改造項(xiàng)目如更換新操作室、L1區(qū)錨桿鉆機(jī)控制閥塊位置的改變、連接橋處風(fēng)筒改造、底層單軌吊機(jī)的改造、拱架吊機(jī)改造、撐靴改造、增設(shè)水箱和刀盤修整等均屬于設(shè)備本身的改造，與高埋深隧洞條件無關(guān)，本文不再詳細(xì)論述和分析。

3.2 設(shè)備改造過程

1號TBM設(shè)備改造在試掘進(jìn)期間進(jìn)行，具體時(shí)間為2009年8月10日開始進(jìn)行停機(jī)改造，歷時(shí)48天，于2009年9月27日TBM改造基本完成。

4 設(shè)備改造總體效果分析

本次設(shè)備改造不僅進(jìn)行了防護(hù)能力、支護(hù)能力、清渣能力等方面改造，同時(shí)也針對設(shè)備本身工作能力進(jìn)行了相關(guān)改造，如刀盤、撐靴等。鑒于本文主要討論TBM對高埋深隧洞的適應(yīng)能力方面的改造效果，故現(xiàn)僅從改造前后掘進(jìn)期間塌方或巖爆處理時(shí)間、停機(jī)支護(hù)時(shí)間、清渣時(shí)間的變化或所占掘進(jìn)時(shí)間的變化入手進(jìn)行改造效果分析，下面通過表格用對比的方式進(jìn)行詳細(xì)說明。

從表2和表3可以看出，1號TBM在設(shè)備改造之后，在導(dǎo)致停止掘進(jìn)的原因中，清渣和停機(jī)支護(hù)占用了施工總時(shí)間的20.9%，比改造前降低了13.2%;占停機(jī)總時(shí)間的34.6%，比改造前降低了12.6%;而TBM掘進(jìn)時(shí)間占總施工時(shí)間的比例已提高到24.1%，比改造前提高了9.5%。

表2 1號TBM設(shè)備改造后掘進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析 min

表3 設(shè)備改造前后參數(shù)對比分析%

可見，1號TBM設(shè)備改造總體來說是成功的。TBM改造完成后，掘進(jìn)時(shí)間得到了大幅提升，于2009年12月12日順利完成了2 000m試掘進(jìn)工作，并開始正式掘進(jìn)施工，而且在2010年2月份創(chuàng)造了月進(jìn)尺547m的佳績。

5 結(jié)束語

TBM作為全斷面隧道開挖的掘進(jìn)設(shè)備，其優(yōu)勢在于快速掘進(jìn)。而在高埋深隧洞的高地應(yīng)力條件下，TBM在不同的圍巖條件下將會面臨不同的不良地質(zhì)條件，要么圍巖太差導(dǎo)致塌方破壞，要么圍巖較好則出現(xiàn)應(yīng)力坍塌或巖爆，因此，TBM對不良地質(zhì)條件的應(yīng)對手段和處理措施是否能夠滿足其快速掘進(jìn)的要求將會對總體施工進(jìn)度產(chǎn)生決定性影響。錦屏二級TBM的改造雖為安全與順利掘進(jìn)發(fā)揮了有效的作用，但仍不能達(dá)到在強(qiáng)巖爆等不良地質(zhì)洞段安全、順利掘進(jìn)的要求。錦屏二級引水隧洞TBM的選購與其施工實(shí)況可為我們在今后其它高埋深隧洞TBM選型提供參考。

綜上，在TBM設(shè)備選型時(shí)，首先應(yīng)弄清楚隧洞的總體地質(zhì)情況，然后根據(jù)可能會發(fā)生的不同地質(zhì)情況做好TBM防護(hù)、支護(hù)和清渣設(shè)備設(shè)計(jì)，使得TBM應(yīng)對不良地質(zhì)條件的能力能夠和其快速掘進(jìn)的能力相匹配，或者使這個(gè)差距盡可能的縮小，以獲得整體的設(shè)備優(yōu)勢，避免出現(xiàn)因清渣和支護(hù)能力不足的短板效應(yīng)影響整體施工進(jìn)度。