大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標(biāo)TBM3的應(yīng)用

賀　飛, 曾祥盛, 齊志沖

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450016)

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大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標(biāo)TBM3的應(yīng)用

賀飛, 曾祥盛, 齊志沖

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州450016)

為了研究中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司自主研制的首臺TBM的各項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)與工程適應(yīng)性，結(jié)合TBM在引松供水工程總干線四標(biāo)段的掘進(jìn)施工情況，分析了TBM掘進(jìn)地層特點(diǎn)以及主要設(shè)計(jì)參數(shù)。引松供水工程四標(biāo)段掘進(jìn)巖層復(fù)雜多變，富含大量斷層破碎地層以及風(fēng)化灰?guī)r地層，部分地層巖石強(qiáng)度大且石英含量高，對TBM刀盤及刀具要求極高，TBM刀盤面板采用270 mm厚板設(shè)計(jì)，且刀座基座直接在刀盤面板上加工而成，刀具按非線性方式布置且刀間距控制在82～90 mm；設(shè)計(jì)了有效的TBM初期支護(hù)系統(tǒng)和材料運(yùn)輸平臺，并且搭載了激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。工程掘進(jìn)結(jié)果表明：該臺TBM刀盤設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)且能保證高效破巖，創(chuàng)造了最高月進(jìn)尺1 226 m、日進(jìn)尺70.8 m的優(yōu)異成績，TBM在不良地質(zhì)下支護(hù)高效快速，超前地質(zhì)探測結(jié)果可靠，各系統(tǒng)運(yùn)行情況良好。

引松供水工程； 大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)； 刀盤厚板技術(shù)； 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

0　引言

大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)是集掘進(jìn)、出渣、支護(hù)等功能為一體的隧道掘進(jìn)大型復(fù)雜成套設(shè)備，是國家鐵路、公路、水利、城市建設(shè)和國防建設(shè)等的隧道重要施工裝備。目前世界上TBM技術(shù)成熟的廠家有美國羅賓斯、德國維爾特(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司已收購知識產(chǎn)權(quán))和德國海瑞克等，歐美先進(jìn)的基礎(chǔ)工業(yè)為TBM生產(chǎn)廠家提供了關(guān)鍵部件及系統(tǒng)技術(shù)，使其在TBM技術(shù)上具有獨(dú)到的成熟經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)沉淀。長期以來，國內(nèi)一直在積極參與和努力發(fā)展TBM技術(shù)，并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。如文獻(xiàn)[1-5]介紹了TBM滾刀破巖機(jī)制，文獻(xiàn)[6-9]對全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)原理技術(shù)及施工進(jìn)行了相關(guān)研究。由于國家的高度支持以及部分企業(yè)的自主創(chuàng)新，國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開始研制TBM并應(yīng)用于實(shí)際工程中，但目前依然處于初步階段，因此，有必要繼續(xù)深入開展TBM設(shè)計(jì)及其施工研究，并進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和施工經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。

本文以中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的首臺TBM在吉林省中部城市引松供水工程總干線四標(biāo)段應(yīng)用為背景，分析了該項(xiàng)目的復(fù)雜地質(zhì)情況，系統(tǒng)研究了中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司研制的首臺TBM的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并對工程掘進(jìn)情況進(jìn)行總結(jié)，驗(yàn)證了TBM掘進(jìn)的可靠性和高效性，以及超前地質(zhì)探測應(yīng)用的有效性，以期為國內(nèi)TBM國產(chǎn)化以及TBM施工提供參考。

1　工程概況

吉林省中部城市引松供水工程輸水干線全長263.02 km, 總干線布置見圖1。輸水總干線采用自流輸水，豐滿水庫取水口至飲馬河為隧道，長約72 km，開挖直徑為7 930 mm，坡度1/4 300，采用3臺開敞式TBM掘進(jìn)施工。其中，TBM3由中鐵隧道集團(tuán)有限公司施工，采用了中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司提供的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的1臺CTT8030E型TBM施工，是國內(nèi)首次采用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)TBM施工。

圖1　總干線布置

TBM3工程標(biāo)段總長度22 955 m，總體走向由北東向南西，高程為264～484 m，洞室最大埋深260 m。工程施工布置主要包括引水隧道、通風(fēng)豎井、調(diào)壓井、7#施工支洞、8#施工支洞和小河沿施工豎井及其他臨時工程。采用TBM施工的主洞共分2個階段，第1階段9 683 m(71+501～66+874、66+390～61+334)，第2階段10 515 m(60+974～50+459)，TBM掘進(jìn)總長20 198 m，具體如圖2所示。

2　工程重難點(diǎn)

2.1掘進(jìn)距離長、掘進(jìn)平均指標(biāo)高

TBM施工的2個階段合計(jì)總長20 198 m，采用單臺TBM完成。本工程合同工期為72個月，要求第1階段掘進(jìn)平均指標(biāo)為564 m/月，第2階段掘進(jìn)平均進(jìn)度指標(biāo)為554 m/月，進(jìn)度指標(biāo)要求高[10]，對TBM的可靠性要求高。

2.2灰?guī)r段TBM施工

63+964～70+823(合計(jì)6 859 m)為灰?guī)r段，TBM于灰?guī)r段長距離施工在世界范圍內(nèi)尚屬首次，灰?guī)r巖體風(fēng)化的不均質(zhì)度較明顯，施工過程中易出現(xiàn)因掌子面不平整而引發(fā)刀具異常損壞或掌子面坍塌堵住刀盤進(jìn)渣口等情況，TBM的刀盤、出渣和支護(hù)系統(tǒng)承受著非常大的考驗(yàn)。缺乏在灰?guī)r地質(zhì)條件下的施工經(jīng)驗(yàn)，加大了本工程的施工難度。

2.3TBM斷層破碎帶施工

隧道經(jīng)過的斷層及低阻異常帶39處，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖等不良地質(zhì)段共計(jì)4 648 m，約占隧道全長的23%，初期支護(hù)量大，對TBM輔助工法設(shè)備的設(shè)計(jì)和配置要求高。其中，位于岔路河的異常帶和斷層Fw24-1、F24-2，隧道埋深淺，地下水補(bǔ)給充足，隧道開挖可能會面臨較大的涌水及塌方，對施工極為不利。

2.4巖石強(qiáng)度

TBM掘進(jìn)第2階段主要以花崗巖為主，占整個隧道的59%，巖石抗壓強(qiáng)度為80～130 MPa，石英含量34%，對TBM刀盤、刀具破巖能力和耐磨性有很高的要求[11-12]。

3　TBM設(shè)計(jì)特點(diǎn)及其研究

本工程巖石強(qiáng)度80～130 MPa，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖等不良地質(zhì)占比大，TBM開挖距離長，要求應(yīng)用于施工的TBM在具有很高的可靠性及高效破巖能力的同時，也應(yīng)兼?zhèn)渥銐虻能浫鯂鷰r通過能力。TBM整機(jī)見圖3。

圖3　TBM整機(jī)圖

3.1主要技術(shù)參數(shù)

TBM開挖直徑7 930 mm，整機(jī)質(zhì)量達(dá)1 320 t，驅(qū)動功率達(dá)3 500 kW，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

3.2TBM可靠性及高效破巖設(shè)計(jì)

1)刀盤面板采用270 mm厚板，保證刀盤力學(xué)強(qiáng)度和剛度(如圖4所示)。采用無損探傷技術(shù)檢測板材微觀結(jié)構(gòu)，確定板材內(nèi)部無缺陷，防止板材發(fā)生非正常開裂現(xiàn)象。刀盤面板采用厚板減少了不必要的焊接環(huán)節(jié)，從而減少了很多影響刀盤結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，降低了刀盤焊縫開裂的概率，提高了刀盤中心區(qū)域和刀盤的整體強(qiáng)度。

圖4　TBM刀盤中心厚面板

2)刀座基座在270 mm厚的板上直接加工而成(如圖5所示)，在加工后的刀座基座上通過螺栓安裝刀座，保證刀座和刀軸接觸表面精度。和其他刀盤的焊接式刀座相比，該方式不存在刀座焊接變形問題，保證了滾刀安裝精度，最大限度地減少了刀盤在開挖過程中焊接刀座和刀盤本體焊縫開裂的情況，降低了刀盤的故障率，提高了TBM刀盤的可靠性。

圖5　TBM刀盤刀座基座直接用厚板加工而成

3)根據(jù)排渣量和排渣速度要求，確定刀盤進(jìn)渣口12個，8個均勻分布在刀盤邊緣，4個分布在刀盤錐板，確定進(jìn)渣口尺寸分別為950 mm×450 mm和 505 mm×250 mm，以滿足最大掘進(jìn)速度除渣以及刀盤剛度要求。

4)依據(jù)刀盤傾覆力矩、徑向不平衡力、質(zhì)心偏移量等最小設(shè)計(jì)原則，TBM刀具采用非線性布置(如圖6所示)，盡量保證刀盤受力均勻，降低刀盤振動。正面及邊滾刀采用19 in滾刀，中心刀17 in。依據(jù)地質(zhì)探測結(jié)果，刀間距設(shè)計(jì)在82～90 mm，使得破巖時滾刀之間圍巖裂紋適度交匯，避免過度破碎或者裂紋不交匯，以此來提高滾刀破巖效率。

5)主驅(qū)動加強(qiáng)型密封設(shè)計(jì)(如圖7所示)，采用迷宮+3道(內(nèi)外)唇形密封，密封位置可移動設(shè)計(jì)，密封跑道設(shè)計(jì)采用耐磨材料熱裝而成(如圖8所示)，以增強(qiáng)密封的可靠性。

圖6　刀盤刀具非線性布置

圖7　TBM密封系統(tǒng)

圖8　密封跑道

3.3初期支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)配置了實(shí)用性強(qiáng)、操作便捷的鋼拱架安裝系統(tǒng)，大大提高了安裝速度；作業(yè)平臺寬敞且能前后移動，便于現(xiàn)場作業(yè)。

2)配置了鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)(如圖9所示)和網(wǎng)片存儲倉(如圖10所示)，防止拱頂坍塌、剝落。

3)應(yīng)急噴射混凝土系統(tǒng)方案。在設(shè)備橋上配置應(yīng)急噴射輸送泵，提前安裝好管線，遇到不良地質(zhì)時及時支護(hù)，使用方便可靠。

4)混凝土噴射機(jī)械手既能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂伸縮(如圖11所示)，又能實(shí)現(xiàn)大車行走，大車設(shè)計(jì)伸縮6 m，伸縮臂伸縮2 m，降低伸縮臂伸出噴射混凝土?xí)r因自重產(chǎn)生收不回去的風(fēng)險(xiǎn)，減少故障率。

3.4材料運(yùn)輸通道和平臺設(shè)計(jì)

1)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的主機(jī)平臺和材料輸送系統(tǒng)既能從主機(jī)下部輸送鋼拱架(如圖12所示)，也可從主機(jī)上部進(jìn)行輸送，在設(shè)備橋處設(shè)置垂折臂吊機(jī)運(yùn)輸，安全、快捷(如圖13所示)。

圖9　鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)

圖10　TBM網(wǎng)片存儲倉

圖11　混凝土噴射系統(tǒng)

圖12　TBM物料運(yùn)輸通道

2)最大限度地增加主機(jī)平臺的通行高度、寬度以及設(shè)備橋平臺寬度，確保物料運(yùn)輸暢通，人員操作空間大，物料存儲空間大。

3.5激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

TBM搭載了與山東大學(xué)共同研制的激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，采用多同性源陣列激發(fā)極化觀測模式，理論上具有減弱電極附近異常體干擾的優(yōu)勢，且能壓制掌子面近處異常體的敏感性，不需隨著隧道開挖連續(xù)探測，陣列電極的接收模式可以實(shí)現(xiàn)異常體的三維反演成像。

圖13　TBM物料轉(zhuǎn)運(yùn)

刀盤上安裝測量電極14個，護(hù)盾及其后方圍巖安裝供電電極20個、無窮遠(yuǎn)電極2個，依靠液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電極伸縮，對不良地質(zhì)涌水、溶洞等進(jìn)行探測，如圖14和圖15所示。

(a)

(b)

4　掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)

4.1TBM掘進(jìn)情況

四標(biāo)段地質(zhì)條件是全線地質(zhì)條件最復(fù)雜的標(biāo)段，作為首例采用大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)在灰?guī)r地層施工的隧道工程，TBM從2015年6月1日始發(fā)至2016年7月3日，TBM掘進(jìn)后裸露的圍巖呈現(xiàn)出溶腔溶洞發(fā)育、圍巖變化頻繁、地層軟硬不均、涌水多發(fā)等不良地質(zhì)條件。TBM安全穿越了7 km灰?guī)r、12處斷層破碎帶、5處低阻異常帶，最大斷層影響寬度200 m，并且成功穿越了53 m的全斷面碳質(zhì)板巖段，攻克了圍巖強(qiáng)度低、易塌方、巖體泥化粘刀盤、撐靴打滑、調(diào)向困難等諸多難題。在施工中，TBM掘進(jìn)整體保持了連續(xù)、快速、穩(wěn)定的態(tài)勢，刀盤、刀座均未發(fā)生影響施工的損傷，刀盤出渣能力得到了充分驗(yàn)證，完成了7 346.8 m的掘進(jìn)任務(wù)，創(chuàng)造了自主研發(fā)硬巖掘進(jìn)機(jī)平均月進(jìn)尺600 m、最高月進(jìn)尺1 226 m、最高周進(jìn)尺351.9 m、單班組最高進(jìn)尺38.5 m、最高日進(jìn)尺70.8 m的優(yōu)異成績，TBM表現(xiàn)出高效的破巖能力(如圖16所示)和不良地質(zhì)條件下高效快速支護(hù)能力(如圖17所示)，各系統(tǒng)設(shè)計(jì)運(yùn)行情況良好，各參數(shù)滿足工程掘進(jìn)要求。

圖15　激發(fā)極化三維成像圖(單位：Ω·m)

(a)

(b)

圖17　TBM強(qiáng)大的軟弱圍巖支護(hù)能力

4.2超前地質(zhì)探測應(yīng)用情況

吉林引松供水工程主干線永盛興至出口段洞線長809 m，地貌為丘陵和溝谷，地面高程257～338 m，隧道埋深35～116 m。穿越地層巖性為石炭系余富屯組凝灰?guī)r、燕山早期鈉長斑巖侵入體和三疊系大醬缸組砂礫巖。為了解TBM施工掌子面前方的地質(zhì)情況，采用搭載于TBM設(shè)備的前向三維激發(fā)極化探測系統(tǒng)，對施工隧道進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，本次預(yù)報(bào)掌子面樁號為71+424.5(如圖18所示)。

本次探測的激發(fā)極化三維成像圖如圖19所示。激發(fā)極化預(yù)報(bào)結(jié)果如下：1) 71+424.5～+407.5段落，三維反演圖像中掌子面范圍內(nèi)電阻率值相對較高，左側(cè)區(qū)域出現(xiàn)相對低電阻區(qū)域，二電流半衰時之差數(shù)據(jù)局部為正值，結(jié)合掌子面地質(zhì)分析，推斷圍巖與掌子面揭露情況相近，富水性不強(qiáng)，與掌子面相比含水性無明顯變化，局部可能發(fā)育裂隙滲水。2) 71+407.5～+

394.5段落，三維反演圖像中此段落范圍電阻率值逐漸增大，且二電流半衰時之差大部分為負(fù)值，結(jié)合地質(zhì)情況，可推斷該段落圍巖裂隙發(fā)育，較上一段落圍巖富水性變差。開挖記錄對比與預(yù)報(bào)結(jié)果對比如圖20所示。由圖20可知，與探測結(jié)果較為吻合。

(a)

(b)

(a)(b)

圖19激發(fā)極化三維成像圖(單位：Ω·m)

Fig. 193D imaging of induced polarization (Ω·m)

5　結(jié)論與建議

大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四標(biāo)的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了我國自主研發(fā)的首臺TBM設(shè)計(jì)中的刀盤厚板技術(shù)、刀具非線性布置、初期支護(hù)系統(tǒng)布置、運(yùn)輸通道和平臺布置、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的合理性與可靠性，擺脫了我國硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)長期依賴進(jìn)口、核心技術(shù)受制于國外制造商的困難局面。當(dāng)然，要滿足國家大規(guī)?；A(chǔ)建設(shè)對TBM需求迅猛發(fā)展的要求，還需對以下技術(shù)進(jìn)行完善和提升。

圖20　開挖結(jié)果與探測結(jié)果對比

Fig. 20Comparison between excavated results and predicted results

1) 雖然在刀具布置方面采取了一些優(yōu)化減振措施，但TBM在掘進(jìn)過程中，刀盤甚至整機(jī)都表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的振動，給工作環(huán)境以及TBM整機(jī)壽命帶來很大危害，研究TBM減振措施是急需解決的問題。

2) TBM在硬巖掘進(jìn)過程中，提升TBM刀具耐磨性能和使用壽命有待進(jìn)一步研究。

3) TBM主軸承目前依然以進(jìn)口為主，突破主軸承技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主軸承國產(chǎn)化應(yīng)是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

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Application of Large-diameter Hard Rock Tunnel Boring Machine (TBM) to TBM-3 Section of No. 4 Bid of Songhua River Water Conveyance Project in Middle Jilin Province

HE fei, ZENG Xiangsheng, QI Zhichong

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The characteristics and main design parameters of large-diameter hard rock TBM used in No. 4 Bid Section of the Songhua River Water Conveyance Project are analyzed. The rock strata of the project are complicate; there are many fracture zones and limestone and quartz locally; and it requires high-performance of TBM cutterhead and cutting tools. As a result, the TBM cutterhead is manufactured by 270 mm thickness plate; the nonlinear distance among cutting tools is 82-90 mm; effective primary supporting system and material transportation platform are designed; and advance geology prediction system is adopted. The construction practice shows that the TBM cutterhead designed is reliable and high-efficient; the supporting efficiency of TBM in bad geological conditions is high; and the advance geology prediction results are reliable.

Songhua River Water Conveyance Project; large-diameter hard rock tunnel boring machine (TBM); cutterhead manufactured by thick plate; advance geology prediction

2015-11-25；

2016-03-17

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“863計(jì)劃”(2012AA041801)

賀飛(1984—)，男，貴州石阡人，2007年畢業(yè)于貴州大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)主要從事隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)工作。E-mail: tbm666@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.019

U 455.3+2

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1672-741X(2016)08-1016-07