尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目TBM設(shè)備選型

(中鐵二局工程有限公司城通分公司 四川 成都 610306)

一、引言

全斷面巖石隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM，是指在常壓情況下全斷面開挖巖石的高度機械化刀盤式機頭掘進機，主要由主機及后配套系統(tǒng)構(gòu)成，由于其掘進速度快，地質(zhì)適宜性強，在國內(nèi)外長大隧道中充分應(yīng)用，通常TBM分為開敞式和護盾式兩種，護盾式又分為單護盾和雙護盾類型，雙護盾TBM的最大特點是能夠?qū)崿F(xiàn)開挖掘進與襯砌管片拼裝同時平行交叉作業(yè)。

二、工程概況

(一)工程簡介

尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程項目工程引水隧道為單線隧道，線路全長12.2km，除始發(fā)段150米采用礦山法施工外，其余部分均采用TBM工法施工。成型隧道過水斷面4.2米，坡度為3‰，設(shè)計水流量40m3/s。

(二)地質(zhì)情況

該工程項目地質(zhì)位于亞喜馬拉雅，也稱作西瓦利克，南部以MFT為邊界，北部以MBT為邊界。由中新世中期至更新世早期的河流沉積組成。分為西瓦利克下段、西瓦利克中段和西瓦利克上段(Auden，1935)。隧道與區(qū)域巖體分層線基本垂直，沿線貫穿西瓦利克上中下地層，主要以泥巖、砂巖、礫巖組成，總體屬于軟巖地層，整體強度不高，最高強度為55.38MPa、最低強度為3.86MPa，出現(xiàn)極硬巖的可能性很小，砂巖地層石英含量豐富。

(三)水文情況

工程區(qū)地下水補給來源主要為大氣降水，地下水可分為孔隙潛水和基巖裂隙潛水。孔隙潛水主要分布在第四系河床沖洪積層、坡崩積層中。基巖裂隙潛水主要分布于基巖裂隙中，在基巖裂隙中作網(wǎng)格狀流動。

三、施工重難點

1、砂巖地質(zhì)段石英含量高，易造成 TBM 刀盤及刀具的嚴重磨損；

2、高埋深軟弱泥巖地段存在圍巖擠壓變形造成 TBM 刀盤卡機可能性；

3、在不同強度砂巖及泥巖間掘進導(dǎo)致巖石強度的急劇變化，造成推進參數(shù)頻繁調(diào)整；

4、通過斷層時將面臨高壓地下水和斷層失穩(wěn)而導(dǎo)致大量涌水和掌子面坍塌的可能性。

四、TBM設(shè)備選型要素

(一)選型依據(jù)

1、TBM的設(shè)計及選型應(yīng)匹配工程地質(zhì)要求，從刀盤刀具、護盾設(shè)計、推進系統(tǒng)、拼裝系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)等方面進行專項設(shè)計，最大程度的滿足工程地質(zhì)及掘進要求，并配置能夠處理不良地層的硬件設(shè)施。

2、TBM設(shè)備的所有組件及設(shè)備系統(tǒng)應(yīng)完整、安全可靠，不需附加任何條件即可實現(xiàn)工程所應(yīng)具備的功能和要求，滿足足夠的掘進速度和降低刀具更換的需求，確保在工期內(nèi)完工。

3、TBM的主要部件應(yīng)保證連續(xù)施工15千米以上，具備良好的掘進能力，滿足隧道內(nèi)的掘進、支護、超前處理、出渣、管片拼裝、背部空隙填充及灌漿等需求，確保施工的安全質(zhì)量和進度。

4、全套系統(tǒng)設(shè)備的組裝和設(shè)計應(yīng)與現(xiàn)場的實際情況及運輸情況匹配，滿足現(xiàn)場組織、步進、運輸、維修和拆卸要求。

5、TBM的通風、除塵及冷卻系統(tǒng)應(yīng)保證洞內(nèi)作業(yè)人員內(nèi)有適宜的工作環(huán)境。

6、鑒于該項目的地域性，TBM的刀具需進行專項設(shè)計，綜合考慮硬度、韌性等關(guān)鍵性指標，整體為軟巖，對硬度要求不高，但不排除孤石和極端地層的存在。

(二)配置方案

1.推進系統(tǒng)

推進系統(tǒng)是為TBM向前掘進提供作用力，并將其反力傳遞給圍巖或管片。推進系統(tǒng)包含主推油缸、輔推油缸、撐靴油缸、撐靴組成。在雙護盾掘進模式下，推進系統(tǒng)有撐靴作用在圍巖上，主推油缸通過反推撐靴盾提供TBM向前掘進的推力；在單護盾掘進模式下，撐靴油缸收回固定，由輔推油缸作用在管片上，向TBM提供推進反力。尼泊爾項目主推油缸為8組，輔推油缸為10組，可通過有效的選擇油缸組合來實現(xiàn)TBM轉(zhuǎn)向和糾偏，最大推力為27654kN，脫困推力為38475kN。

2.刀盤刀具

刀盤為背裝式硬巖刀盤，開口率為12%。表面覆蓋碳化鉻合金鋼板，更有效的保護刀盤，刀盤結(jié)構(gòu)安全系數(shù)按照最惡劣的受力條件下5倍設(shè)計，確保了在長距離掘進情況下刀盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；光滑的刀具輪廓和徑向渣石鏟斗，同時減少刀盤暴露在圍巖下的距離，以減少刀盤磨損及阻力以減少軟弱圍巖下出現(xiàn)“卡機”的幾率。刀盤上設(shè)計1個人孔，用于觀測地質(zhì)情況或處理刀盤前方故障。在TBM刀盤破巖時，粉塵較大，在刀盤上配置5個噴嘴，用于噴水降塵。

刀盤上設(shè)置33把17寸標準滾刀，其中中心雙刃滾刀4把，單刃面刀16把，單刃邊刀9把，共計33個刃口；鏟斗5個，33#刀正常開挖直徑5060mm，最大超挖直徑5130mm，刀具超前量120mm。所有刀具均為背裝式。由于整體屬于軟巖，又不排除極端地層的存在，故刀具需綜合具備高硬度、強韌性，良好的抗沖擊能力。

3.盾體設(shè)計

盾體長12米，由前盾、伸縮盾、撐靴盾及尾盾組成，由于該項目巖層較軟，存在微膨脹泥巖，為降低卡機風險，TBM盾體采用倒錐形設(shè)計，刀盤開挖直徑為5060mm，尾盾直徑為4910mm，倒錐形的設(shè)計能夠有效的降低盾體卡殼風險。

4.刀盤驅(qū)動

根據(jù)該項目的大埋深，斷層及軟弱圍巖多，巖石強度變化頻繁，部分洞段圍巖存在軟弱圍巖收斂變形的地質(zhì)特點。刀盤驅(qū)動配置6臺防護等級為IP67的330kW主驅(qū)動電機，系統(tǒng)脫困扭矩為額定扭矩的1.5倍，具備足夠的扭矩儲備，以應(yīng)對巖石強度的頻繁變換及可能的極端地質(zhì)狀況。

5.主軸承及主密封系統(tǒng)

采用直徑為3285mm的大直徑軸承，軸承直徑與開挖洞徑比率高達 0.65，同時軸承和齒圈為分體式設(shè)計。大的軸承直徑與開挖直徑比率將有效的提高刀盤的扭矩和軸承壽命，是長距離連續(xù)掘進的有效保證。分體式設(shè)計較整體式設(shè)計維護性、可靠性更好的同時使得采用大的軸承直徑與開挖洞徑比率得以實現(xiàn)。

6.管片拼裝機

管片拼裝及為單體回轉(zhuǎn)式，帶有六個自由度的管片安裝器和管片存儲系統(tǒng)，可以在 15 分鐘完成一整環(huán)的安裝，確保軟弱圍巖下的快速通過。拼裝機采用無線遠控式，同時配備線控式操作盤。

7.管片背部空隙填充系統(tǒng)

該項目管片背部填充系統(tǒng)為豆礫石填充系統(tǒng)和砂漿灌漿系統(tǒng)，豆礫石填充系統(tǒng)能夠快速填充管片與隧道壁之間的間隙，固定管片位置，確保設(shè)備快速掘進；底拱管片的灌漿采用 Hany ZMP 710V 灌漿泵，最大粒徑 8mm，最大灌漿能力 3.9m3/h；同時在后配套尾部配備一套二次注漿系統(tǒng)用以填補留下的間隙，二次注漿采用施威英泵，最大泵送能力為 12m3/h。

8.糾偏裝置

針對雙護盾 TBM 在軟弱圍巖情況下易偏轉(zhuǎn)的情況，該項目TBM首先在前盾位置設(shè)置穩(wěn)定器，保證TBM刀盤在高轉(zhuǎn)速、高貫入度的情況下前盾的穩(wěn)定，同時還通過扭矩臂的調(diào)節(jié)實現(xiàn)糾偏以及在單護盾模式下采用糾偏環(huán)糾偏。

9.操作及控制系統(tǒng)

TBM操作系統(tǒng)采用最新的現(xiàn)場總線控制技術(shù)，使得設(shè)備的操作、控制，故障診斷更加簡單易行，并采用中英文雙語操作界面，方便中外操作手操作簡單直觀的操作TBM。同時PLC 系統(tǒng)可以采集設(shè)備的各類數(shù)據(jù)，適時故障診斷及報警，并提供安全聯(lián)鎖保護，保證設(shè)備的精準操作。

10.瓦斯探測系統(tǒng)

地質(zhì)情況復(fù)雜且地勘粗糙是TBM隧道的通性，為確保人員安全，避免氣體中毒，該項目在TBM主機伸縮盾、操作室及除塵管路出口分別設(shè)置有3個甲烷探測器，在操作室附近設(shè)置5個CO、CO2、H2S、SO2 、O2等探測器，對TBM掘進過程中的有毒有害氣體進行適時監(jiān)控。

11.除塵通風系統(tǒng)

為保持隧道內(nèi)在產(chǎn)生氣體情況下進行工作的安全性，該項目隧道除塵通風按照洞外和洞內(nèi)分別布置，洞外采用4×90kW的串聯(lián)式變頻風機通過懸掛于隧道頂部的φ1400mm的風管向洞內(nèi)送風，洞內(nèi)設(shè)置循環(huán)風機，將盾體前方的廢氣、灰塵輸送到車架尾部，實現(xiàn)空氣對流，達到通風除塵效果。

12.超前地質(zhì)處理系統(tǒng)

由于該項目地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為確保TBM安全順利的掘進，在必要的情況需對地層進行超前處理，在TBM設(shè)計時，該項目主要通過增加預(yù)留注漿孔設(shè)計、配置超前地質(zhì)鉆機、配置超聲波地質(zhì)預(yù)報儀等措施進行超前地質(zhì)預(yù)報及處理。

1、增加預(yù)留注漿孔設(shè)計

TBM在盾體上預(yù)留的注漿孔數(shù)量已經(jīng)遠遠大于常規(guī)TBM預(yù)留數(shù)量，共計34個孔。其中：

(1)盾上預(yù)留6個傾角22°和8個傾角7°的超前孔，用于超前地質(zhì)預(yù)報及處理；

(2)在伸縮盾預(yù)留6個徑向潤滑孔，用于徑向盾體潤滑，防止卡機；

(3)在撐靴盾預(yù)留14個傾角7°的超前孔，用于超前地質(zhì)預(yù)報及處理。

2、配置超前地質(zhì)鉆機

在TBM的A橋架位置布置阿特拉斯鉆機，可以通過撐靴盾的14個7°的預(yù)留注漿孔進行超前鉆孔和注漿，可實現(xiàn)至少30米的超前加固；另一方面，利用小型鉆機通過前盾的預(yù)留超前孔進行超前地質(zhì)處理。

3、超聲波地質(zhì)預(yù)報器

采用HSP超聲波探測系統(tǒng)進行超前地質(zhì)預(yù)報，原理是通過收集刀盤開挖的聲源，向前方發(fā)射信號，通過反射波走時計算前方地質(zhì)界面的位置，通過反射波排列的形態(tài)推測前方地質(zhì)界面的形態(tài)、方位，通過反射波的幅值、極性判斷前方地質(zhì)界面的物理性質(zhì)。

13.后配套系統(tǒng)

鑒于成型隧道直徑僅有4.2米，相對狹小，后配套系統(tǒng)采用臺車式的設(shè)計方式，相較于門架式設(shè)計，臺車式后配套有更為寬大的平臺，在便于日常維護的同時由于平臺相連提高空間利用率，可以保證有更為通暢的安全通道，提高安全性。

五、結(jié)束語

由于TBM的高度機械化及自動化，可以實現(xiàn)管片襯砌和開挖掘進的平行交叉作業(yè)，逐漸成為長大隧道的主要開挖設(shè)備，廣泛的運用于隧道施工。但是TBM也存在一定局限性，特別是面臨復(fù)雜地質(zhì)條件等不利因素時，如果不能準確地預(yù)估面臨的諸多風險，及時采取有效應(yīng)對措施，可能導(dǎo)致TBM卡機停機、進度滯后、結(jié)構(gòu)失事等問題，導(dǎo)致經(jīng)濟損失，甚至是人身安全。所以對TBM選型極為重要，首先需考慮TBM設(shè)備與地質(zhì)條件的一致性，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況對TBM進行相應(yīng)的針對性設(shè)計；其次需綜合考慮經(jīng)濟分析；最后應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件及選型原則，合理設(shè)計TBM機型、技術(shù)參數(shù)、輔助設(shè)備等。