鄂北工程寶林隧洞TBM設(shè)備選型及應(yīng)用研究

劉 怡，羅應(yīng)貴，潘亞輝

（1.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌），430071，武漢；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，430070，武漢）

鄂北工程寶林隧洞TBM設(shè)備選型及應(yīng)用研究

劉 怡1，羅應(yīng)貴，潘亞輝2

（1.鄂北地區(qū)水資源配置工程建設(shè)與管理局（籌），430071，武漢；2.湖北省水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)院，430070，武漢）

鄂北地區(qū)水資源配置工程寶林隧洞長13.84 km，中段10.56 km采用1臺直徑4 m敞開式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工，刷新了國內(nèi)開敞式最小洞徑TBM新紀(jì)錄。結(jié)合具體的工程地質(zhì)條件，系統(tǒng)介紹了寶林隧洞工程施工方案選取及TBM選型方法，分析比較開敞式和護(hù)盾式TBM的適用性，探討合理選擇TBM機(jī)型的依據(jù)，并總結(jié)TBM在鄂北工程應(yīng)用中取得的經(jīng)驗(yàn)，以供類似工程TBM選型參考。

鄂北地區(qū)水資源配置工程；敞開式TBM；輸水隧洞；選型

鄂北地區(qū)水資源配置工程為Ⅱ等大（2）型工程，線路全長269.67 km，其中輸水干渠寶林隧洞全長13.84 km，隧洞比降 1∶9 600，進(jìn)口段 2 890 m以及出口段390 m，斷面形式為城門洞形，開挖斷面尺寸5～5.8 m，采用鉆爆法施工；隧洞中部10.56 km，斷面形式為圓形，開挖洞徑4 m，采用TBM工法施工。

一、鉆爆法與TBM工法的比較與選擇

寶林隧洞施工難點(diǎn)主要是洞線長（13.84 km），洞徑?。? m），上覆國家森林公園，地勢高，山體厚，無合適的施工支洞布置條件。隧洞沿線埋深較大，洞室圍巖多以Ⅱ、Ⅲ類為主，進(jìn)出口斷層破碎帶和淺埋段為Ⅳ、Ⅴ類，成洞條件相對較差，需支護(hù)和襯砌。根據(jù)寶林隧洞的工程特點(diǎn)，初步選用全段鉆爆法、TBM法+鉆爆法兩種施工方案。

通過對這兩種施工方案在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)境影響等方面的綜合比較（見表1），TBM+鉆爆法在多方面要優(yōu)于全段鉆爆法，同時兼顧了鉆爆法可以機(jī)動靈活處理不良地質(zhì)條件的優(yōu)勢，因此寶林隧洞最終采用1臺TBM與鉆爆法聯(lián)合施工方案。

二、掘進(jìn)機(jī)型式選擇

寶林隧洞確定采用TBM+鉆爆法施工后，對TBM掘進(jìn)機(jī)具體型式進(jìn)行了選擇。按照護(hù)盾型式的不同，TBM可分為開敞式和護(hù)盾式，其中護(hù)盾式又可分為單護(hù)盾和雙護(hù)盾。這三種型式的TBM有著不同的適用范圍。

1.開敞式TBM適用范圍

開敞式TBM主要適用于巖石整體較完整、有較好自穩(wěn)性的中硬巖地層（單軸抗壓強(qiáng)度 50～350 MPa），當(dāng)采取有效支護(hù)手段后，也可適用于軟巖隧洞，其中永久性的襯砌待全線貫通后集中進(jìn)行。

表1 TBM法與鉆爆法施工方案對比表

2.單護(hù)盾TBM適用范圍

對于地質(zhì)條件較為復(fù)雜的隧洞，單護(hù)盾TBM較為適用。尤其是當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較低 （巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于50 MPa），隧洞以軟弱圍巖為主，且大多數(shù)情況下都采用單護(hù)盾模式工作，無法充分發(fā)揮雙護(hù)盾TBM作業(yè)優(yōu)勢情況時，采用單護(hù)盾TBM更合適。

3.雙護(hù)盾TBM適用范圍

雙護(hù)盾TBM主要適用于圍巖軟硬變化頻繁、同時又有較多斷層破碎帶的隧洞。因?yàn)殡p護(hù)盾TBM不僅能有效地切削單軸抗壓強(qiáng)度5～250 MPa的巖石 （30～120 MPa最為理想），還能有利于縮短工期，因此對于那些工期比較緊張、前期成本投入較為充裕的隧洞工程，選用雙護(hù)盾TBM具有更大的優(yōu)勢。

4.寶林隧洞TBM機(jī)型選擇

分析以上3種TBM掘進(jìn)機(jī)適用范圍，對比寶林隧洞的地質(zhì)條件和施工條件，可基本排除單護(hù)盾TBM的適用性，進(jìn)一步從對地質(zhì)條件的適應(yīng)性、初期支護(hù)與混凝土襯砌、不良洞段的處理方式、施工占地、環(huán)境影響及施工地質(zhì)描述等方面對開敞式TBM和雙護(hù)盾式TBM進(jìn)行充分比較（見表2）。通過綜合比較，寶林隧洞最終選用開敞式TBM機(jī)型。

三、掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)選擇

在TBM的基本型式確定后，還需結(jié)合隧洞的具體情況經(jīng)計(jì)算確定合理的總體技術(shù)參數(shù)與性能，如總推力、扭矩、刀具的型式、數(shù)量和布置方式、一次掘進(jìn)行程、刀具的切深、刀盤轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)功率、出渣方式和出渣運(yùn)輸能力、吊裝件最大重量、運(yùn)輸件最大尺寸以及排水、供電、通風(fēng)、支護(hù)、襯砌、方向控制能力、安全保護(hù)措施等。這些主要技術(shù)參數(shù)必須合理匹配才能使整個系統(tǒng)得以順利地制造、運(yùn)輸、安裝并發(fā)揮滿足工程要求的預(yù)期效果。

經(jīng)過對變頻電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動和雙速電機(jī)驅(qū)動這3種刀盤驅(qū)動方式的綜合比較，寶林隧洞最終選擇具有較低能源消耗、較高傳動效率、針對不同圍巖具有良好調(diào)速性能的變頻電機(jī)驅(qū)動方式。

表2 開敞式TBM與雙護(hù)盾TBM對寶林隧洞特點(diǎn)的適應(yīng)性對比表

寶林隧洞不僅洞線長，而且洞徑小，根據(jù)這個特點(diǎn)最終選用出渣運(yùn)輸能力強(qiáng)、能夠持續(xù)運(yùn)輸且洞內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)方便、有利于施工安全的連續(xù)皮帶機(jī)作為出渣運(yùn)輸方式，皮帶寬度650mm，輸送能力250t/h。

TBM的主要技術(shù)參數(shù)如推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)行程長度、安裝功率等，主要取決于TBM制造業(yè)的不斷發(fā)展。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果及工程經(jīng)驗(yàn)，一臺高效的TBM（開挖直徑為D）的技術(shù)參數(shù)通常按如下規(guī)律進(jìn)行選擇：

推力：P=D·α（α=1 800～2 200）kN

扭矩：M=D2·b（b=50～60） kNm

轉(zhuǎn)速：n=c/D（c=40～50） r/min

行程：1.5～2.0 m

驅(qū)動功率：N=M×n÷9.55÷η，η 取0.95

寶林隧洞TBM開挖直徑4.03 m，刀盤型式采用面板式硬巖刀盤，不含刀具的刀盤重量約30 t，刀盤尺寸4 030 mm，刀具共28把，分別為中心4把雙刃滾刀、12把正滾刀、8把邊滾刀，滾刀直徑均為432 mm，刀具額定荷載225kN，最大荷載250kN。

根據(jù)刀盤刀具參數(shù)以及上述經(jīng)驗(yàn)公式，復(fù)核計(jì)算寶林隧洞TBM主要技術(shù)參數(shù)如表3所示，證明寶林隧洞所選TBM掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)能夠滿足本工程施工需求。

四、探討TBM選型的合理依據(jù)及流程

基于對開敞式TBM在鄂北工程寶林隧洞的應(yīng)用以及國內(nèi)外使用掘進(jìn)機(jī)的情況研究，筆者認(rèn)為TBM選型應(yīng)遵循以下四個原則：①按照安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性的順序考慮，并取得相對統(tǒng)一；②與隧洞開挖長度、直徑、埋深、圍巖條件、周圍地形以及洞口施工條件等相匹配；③滿足工程在質(zhì)量、安全、工期、環(huán)保、文明施工以及經(jīng)濟(jì)投資等方面的要求；④所選配套設(shè)備應(yīng)滿足能耗小、效率高的特點(diǎn)，確保與主機(jī)工作性能相匹配、工作狀態(tài)相適應(yīng)，不僅要滿足生產(chǎn)能力和掘進(jìn)速度的要求，還應(yīng)具有施工安全、結(jié)構(gòu)簡單、布置合理和易于維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

表3 TBM技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總表

綜合以上，在TBM的設(shè)備選型過程中，以下因素應(yīng)予以重點(diǎn)考慮：

①隧洞斷面形狀與大小。隧洞斷面形狀不僅對TBM的設(shè)備型式以及刀盤、護(hù)盾、撐靴、主梁（或內(nèi)外機(jī)架）等主要部件的結(jié)構(gòu)與尺寸產(chǎn)生直接影響，還對配套的布置形式、施工材料運(yùn)輸方式以及出渣等具有較大影響。

②圍巖地質(zhì)條件。圍巖的巖性與自穩(wěn)能力對TBM型式選擇具有決定性的作用。其中巖性、抗壓強(qiáng)度、石英含量等地質(zhì)特征決定了刀盤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、選材、開口率，以及刀具的布置、規(guī)格、數(shù)量、驅(qū)動功率的參數(shù)等；圍巖的裂隙、節(jié)理、斷層、破碎帶等地質(zhì)條件則決定了TBM的支護(hù)方式以及支護(hù)設(shè)備的選型、數(shù)量、布置方式等。

③隧洞坡度、曲線半徑等因素。主要對TBM主機(jī)、連接橋及配套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大影響。

④隧洞掘進(jìn)長度。主要對掘進(jìn)機(jī)的供電方式和關(guān)鍵部件的壽命計(jì)算具有決定作用。

⑤隧洞的平均埋深、最大埋深、地應(yīng)力大小、圍巖收斂性。主要影響TBM擴(kuò)挖量的設(shè)計(jì)。

⑥隧洞沿線穿越煤系底層時，要考慮圍巖的瓦斯含量，TBM電氣系統(tǒng)應(yīng)按照要求采取防爆措施，配備氣體監(jiān)控裝置等有關(guān)設(shè)備。

⑦圍巖地質(zhì)條件、掘進(jìn)長度、工期要求都是影響TBM掘進(jìn)速度設(shè)計(jì)的因素。

綜合考慮以上選型基本原則及重點(diǎn)影響因素，形成了TBM選型的合理依據(jù)。

五、應(yīng)用情況

寶林隧洞于2017年4月5日正式開始試掘進(jìn)，至2017年7月15日，TBM總進(jìn)尺為1 313 m，日平均進(jìn)尺13.54m，最高日進(jìn)尺32.9m（6月4日），平均月進(jìn)尺381m，最高月進(jìn)尺520m。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2017年4月5日至6月30日，寶林隧洞TBM因電氣、液壓、機(jī)械等系統(tǒng)設(shè)備處于調(diào)試期，停機(jī)時間較長；6月30日系統(tǒng)調(diào)試基本結(jié)束，TBM進(jìn)入正常掘進(jìn)階段后設(shè)備利用率基本達(dá)到國際先進(jìn)水平，除查刀、換刀、正常維護(hù)外無事故停機(jī)發(fā)生。

從目前的應(yīng)用情況來看，所選TBM基本適應(yīng)寶林隧洞的掘進(jìn)需要，但因?qū)嶋H巖石硬度（160 MPa）及完整性高于初期勘探情況，不利于破巖，導(dǎo)致掘進(jìn)速度低于預(yù)期，下一步需針對地質(zhì)情況研究調(diào)整TBM相關(guān)技術(shù)參數(shù)，以提高掘進(jìn)速度。

[1]喬世珊，茅承覺，劉春，等.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2005.

[2]王夢恕，等.巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工及工程實(shí)例［M］.北京：中國鐵道出版社，2004.

[3]高乃東，陳中竹，寧鵬飛.敞開式TBM在吉林省中部城市引松供水工程的應(yīng)用 ［J］.黑龍江水利科技，2012，40（10）.

[4]姜兵，楊強(qiáng).大伙房輸水工程TBM選型研究［J］.科技風(fēng)，2011(21).

[5]琚時軒.全斷面隧道巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM） 選型的探討 ［J］.隧道建設(shè)，2007，27(6).

Selection of Tunnel Boring Machine for Baolin Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province and its application study

Liu Yi,Luo Yinggui,Pan Yahui

Baolin Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province has a length of 13.84 km.An open-type Tunnel Boring Machine(TBM)with a diameter of 4m was adopted for constructing 10.56 km middle section of the tunnel that set the record of minimum tunnel diameter of China.In the light of geological conditions of the project,a systematic introduction is made on the selection of construction options and TBM for Baolin Tunnel.The suitability of open-type and shield-type TBM are compared so as to provide a base for rational selection of TBM type.Practical experiences of TBM utilization obtained from this project have been summarized so that other similar projects can take it as reference.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;open-type Tunnel Boring Machine;water-conveyance tunnel;model selection

TV68+TV554.2

B

1000-1123（2017）22-0055-04

2017-10-11

劉怡，工程師。

責(zé)任編輯 韋鳳年