適用于超小轉(zhuǎn)彎半徑的緊湊型TBM設計關(guān)鍵技術(shù)研究及應用
——以山東文登抽水蓄能電站排水廊道隧洞工程為例

路振剛， 王建華， 朱安平， 潘福營， 李 坤， 陳良武

(1. 國網(wǎng)新源控股有限公司， 北京 100761； 2. 中鐵電建重型裝備制造有限公司， 云南 昆明 650032； 3. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機簡稱TBM(tunnel boring machine)，它能夠滿足掘進、出渣、支護等多道工序同時作業(yè)，具有掘進速度快、成形質(zhì)量高、安全和環(huán)保等多種優(yōu)點[1]。自1964年開始，我國TBM設備研制與施工應用已有50余年，TBM應用及隧洞施工技術(shù)在各工程領域內(nèi)迅猛提升[2-3]。目前，國內(nèi)外TBM的轉(zhuǎn)彎半徑集中在200～800 m，江南線山嶺段線路的“錢南號”TBM最小轉(zhuǎn)彎半徑為400 m[4]； 黎巴嫩貝魯特供水項目采用直徑3.5 m的凱式敞開式TBM實現(xiàn)了300 m小轉(zhuǎn)彎半徑掘進[5]； 深圳地鐵6號線2期工程雙護盾TBM最小轉(zhuǎn)彎半徑為260 m[6]； 克薩斯州奧斯汀市的Parmer航線污水攔截項目采用直徑2.5 m的雙護盾TBM實現(xiàn)了150 m小轉(zhuǎn)彎半徑掘進[7]。

抽水蓄能電站工程為TBM小半徑曲線施工應用的新興領域，其施工不同于山嶺輸水隧洞，具有掘進區(qū)間短、線路曲線小、頻繁過站、場地環(huán)境受限等特點，按照原山嶺輸水隧洞TBM的設計已不再具有普遍適用性，需要根據(jù)實際環(huán)境和工程特點進行必要的選型和針對性設計。

目前，國內(nèi)學者已經(jīng)針對小半徑曲線項目TBM選型及適應性設計、抽水蓄能電站TBM施工關(guān)鍵技術(shù)和風險開展了一定研究。文獻[8]從 TBM 技術(shù)的發(fā)展和抽水蓄能電站的特性方面，初步探討了抽水蓄能電站地下硐室 TBM開挖的可行性，論述了抽水蓄能電站 TBM 開挖解決方案。文獻[9-10]簡述了國內(nèi)外抽水蓄能電站引水斜井施工現(xiàn)狀，總結(jié)了國外采用隧道掘進機進行抽水蓄能電站引水斜井施工的經(jīng)驗，討論了抽水蓄能電站引水斜井TBM施工中的幾個關(guān)鍵問題，研究了TBM 施工中的風險評估問題，并論證了TBM在抽水蓄能電站施工的可行性； 文獻[11-12]分別提出了一種可實現(xiàn)TBM超小半徑轉(zhuǎn)彎的新型推進系統(tǒng)，解決了TBM轉(zhuǎn)彎半徑受限的問題； 文獻[13-15]從TBM刀盤設計方面入手，提出了基于最小破碎比能TBM滾刀間距設計方法，在硬巖條件下“一”字布刀比“十”字布刀具有更高的破巖效率； 文獻[16-17]對掘進機過站技術(shù)進行了研究，提出平移和空推的過站方式，解決了TBM過站多次拆解、組裝、調(diào)試以及對車站影響的技術(shù)難題。

國外抽水蓄能電站起步較早，歐美、日本等發(fā)達國家于20世紀六七十年代已開始將TBM應用于抽水蓄能電站施工； 我國抽水蓄能電站的建設起步相對較晚，且主要依靠鉆爆法施工。

鑒于TBM在國內(nèi)抽水蓄能電站的應用還處于起步階段，且相關(guān)探索研究較少，同時考慮到應用環(huán)境對TBM的各項指標要求較高，本文依托山東文登抽水蓄能電站30 m轉(zhuǎn)彎半徑排水廊道項目，對緊湊型TBM在抽水蓄能電站排水廊道隧洞的應用選型技術(shù)、針對性設計、應用效果等方面進行了研究，以期對緊湊型TBM在抽水蓄能電站排水廊道的后續(xù)應用提供參考。

1 工程背景及TBM設計要求

1.1 工程背景

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區(qū)，蓄能電站中的上層、中層、下層排水廊道采用TBM施工，開挖洞徑均為3.5 m，洞室布置如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電站洞室布置

上層排水廊道長928 m，隧洞布置為“啞鈴”型，過渡位置采用“S”彎設計，共包含2處30 m轉(zhuǎn)彎半徑和4處50 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段，上層排水廊道規(guī)劃示意如圖2所示。

中層及下層排水廊道長1 478 m，隧洞布置為 “螺旋回字”型，過渡位置轉(zhuǎn)彎半徑均為30 m，共包含7處30 m轉(zhuǎn)彎半徑隧洞段。中層及下層排水廊道規(guī)劃示意如圖3所示。

圍巖巖性為石英二長巖、二長花崗巖，飽和單軸抗壓強度最高200 MPa，平均110 MPa，石英質(zhì)量分數(shù)為50%～ 60%。隧洞埋深170～420 m，縱坡為40‰，斷層為f11-17、 f11-23斷層， f11-23斷層影響帶產(chǎn)狀為NE85°、SE75°，寬度為30 m。

圖2 上層排水廊道規(guī)劃示意圖

圖3 中層及下層排水廊道規(guī)劃示意圖

1.2 TBM設計要求

根據(jù)工程分析可知，TBM要具備超小轉(zhuǎn)彎半徑掘進的能力，同時在巖石強度高的情況下，要具備高效破巖的能力； 在工程距離較短的前提下，TBM要具備施工經(jīng)濟和轉(zhuǎn)場快速便捷的能力。

1)抽水蓄能電站排水廊道隧洞圍繞地下廠房修建(如圖1所示)，受線路布局等客觀條件限制，需要設計合適的曲率，與引水隧洞普遍的直線線路或者大曲率半徑線路不同，其曲線轉(zhuǎn)彎半徑要求極小，多為30～50 m。TBM設計時需著重考慮超小轉(zhuǎn)彎半徑施工的整機適應性，TBM調(diào)向、設備通過能力、皮帶機出渣等方面需特殊設計，以滿足整機小半徑轉(zhuǎn)彎的性能要求。

2)因抽水蓄能電站修建選址的特殊性，緊湊型TBM多應用在以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主的隧洞中，巖石飽和抗壓強度多為90～150 MPa，巖石質(zhì)量指標RQD值為80%～95%，圍巖完整性好，石英質(zhì)量分數(shù)高。TBM長距離掘進的情況下，對TBM的高效破巖能力、刀盤耐磨性要求較高。

3)小半徑轉(zhuǎn)彎工況時，邊緣滾刀刀圈內(nèi)側(cè)將承受較大的載荷且受力嚴重偏離了正壓力方向，會加速邊緣滾刀刀圈內(nèi)側(cè)的磨損，因此，需對邊緣滾刀進行針對性設計以延長刀具使用壽命。

4)排水廊道隧洞圍繞地下廠房螺旋分層布置，每層受交通洞、排水洞線路交叉影響，相鄰洞口間距為100～400 m，連續(xù)開挖距離較短，過站頻繁。同時，受洞內(nèi)運輸、組裝場地空間限制，無法安裝大型起重機械，TBM主機在擴大洞室組裝完成頂推掘進至始發(fā)洞室后方可進行后配套組裝。因此，應盡量縮短TBM主機、單機和整機長度，減小各部件的結(jié)構(gòu)尺寸、質(zhì)量，以方便洞內(nèi)運輸、吊運和組裝，縮短整機組裝時間。

2 緊湊型TBM針對性設計

2.1 超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM推進系統(tǒng)針對性設計

TBM的機型主要有敞開式和護盾式2種，其中，護盾式TBM受筒狀護盾與隧洞圍巖接觸限制，轉(zhuǎn)彎能力較差； 與護盾式TBM相比，敞開式TBM能夠適應的轉(zhuǎn)彎半徑較小。

根據(jù)支撐洞壁結(jié)構(gòu)的不同，敞開式TBM主要分為主梁式和凱式2種結(jié)構(gòu)形式，示意如圖4所示。

(a) 主梁式結(jié)構(gòu)

(b) 凱式結(jié)構(gòu)

2種支撐結(jié)構(gòu)的TBM調(diào)向原理類似，通過撐靴油缸行程差迫使TBM中心線偏移隧洞中心線，從而實現(xiàn)TBM轉(zhuǎn)向。但二者也有所不同，凱式TBM掘進過程中無法調(diào)向，需要在一個掘進行程結(jié)束換步時調(diào)向，轉(zhuǎn)彎時開挖線路為弦線； 主梁式TBM開挖線路理論上可以和曲線隧洞的設計軸線保持一致，但實際執(zhí)行過程中并不是每時每刻都在調(diào)向，而是間斷性地調(diào)向，開挖線路是一條首尾相接的多段連續(xù)線段。

上述2種結(jié)構(gòu)形式的敞開式TBM在洞徑3.5 m時可適應半徑大于300 m的轉(zhuǎn)彎，例如： 黎巴嫩貝魯特供水隧洞采用開挖直徑3.5 m的凱式敞開式TBM，隧洞最小轉(zhuǎn)彎半徑為300 m，已順利貫通。但對于30 m的超小轉(zhuǎn)彎半徑隧洞，上述2種結(jié)構(gòu)均無法滿足。

針對30 m的超小轉(zhuǎn)彎半徑隧洞，為增強小半徑曲線轉(zhuǎn)彎通過性，對TBM在結(jié)構(gòu)上進行了創(chuàng)新性改革，摒棄傳統(tǒng)的設計理念，采用新的空間結(jié)構(gòu)形式，首次在雙護盾TBM的基礎上，取消尾盾、輔推油缸、管片拼裝機等設計，結(jié)合敞開式TBM的錨網(wǎng)噴支護系統(tǒng)設計了緊湊型TBM推進系統(tǒng)。

將刀盤、前盾、主驅(qū)動作為設備前端部分，支撐盾和撐靴作為設備后端部分，小直徑TBM中間通過多根V型推進油缸連接(大直徑可以采用轉(zhuǎn)矩梁和平行油缸的結(jié)構(gòu)形式連接)，油缸端頭采用球型鉸接形式。這樣既能保證設備的穩(wěn)定性和可靠性，又具備靈活性和超大轉(zhuǎn)角性。推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

當TBM需要轉(zhuǎn)彎時，在一次調(diào)向中主機移動距離為Δl(Δl<

(1)

圖6 緊湊型TBM轉(zhuǎn)彎示意圖

2.2 超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM導向系統(tǒng)針對性設計

針對超小轉(zhuǎn)彎半徑隧洞的特殊施工環(huán)境，尤其是30 m轉(zhuǎn)彎半徑和主控室遠程控制等特點，提出了一種新型TBM激光自動導向系統(tǒng)。其具有以下創(chuàng)新：

1)與主控室通過光纖遠程連接控制。

2)采用間接測量的方式，將支撐盾體作為測量對象，結(jié)合推進油缸行程進行主機姿態(tài)的推算。

3)通過控制推進油缸行程差，進行盾體姿態(tài)的調(diào)整。

TBM激光自動導向系統(tǒng)主要的硬件設備包括防震型激光標靶(EIS-1225-T)、中央控制箱(CBHFM-0601)、無線信號電臺(ZTRS-19)、網(wǎng)端盒(ZTWD-19)、中繼盒(RS/EIS)、全站儀(TS16)、帶有導向系統(tǒng)的工業(yè)電腦以及PLC控制系統(tǒng)等，其原理如圖7所示。

圖7 適用于超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM的激光自動導向系統(tǒng)原理圖

激光自動導向系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

圖8 激光自動導向系統(tǒng)工作流程

2.3 超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM物料運輸及后配套系統(tǒng)針對性設計

TBM在小半徑曲線施工過程中，會因隧洞曲率的變化造成皮帶機跑偏撒料、物料運輸不連續(xù)、后配套臺車受側(cè)向力滾轉(zhuǎn)、設備通過曲線時異常碰撞損壞。為增強緊湊型TBM對小半徑曲線的適應能力，需對出渣系統(tǒng)的適應性和后配套系統(tǒng)的通過性等進行針對性設計。

1)皮帶機的主要功能是將刀盤開挖的渣石運送到TBM后配套后部的渣車上。由于空間限制問題，皮帶機采用液壓馬達驅(qū)動、重錘張緊局部收縮的一體式設計形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2條皮帶機布置方式。

①主機區(qū)域伸縮段皮帶機采用浮動支撐取代傳統(tǒng)的軌道輪組的形式；

②皮帶機內(nèi)外側(cè)高低可調(diào)(如圖9(a)所示)，在轉(zhuǎn)彎階段通過抬高內(nèi)側(cè)防止膠帶跑偏；

③內(nèi)側(cè)增加壓輥，強制內(nèi)側(cè)膠帶沿波浪線運行以減小內(nèi)外側(cè)張力差，減小內(nèi)側(cè)膠帶的波動及跑偏狀況；

④縮短皮帶機長度，通過調(diào)節(jié)左右螺桿(如圖9(b)所示)減小皮帶機夾角。

(a) 上下調(diào)節(jié)螺桿 (b) 左右調(diào)節(jié)螺桿

皮帶機小半徑曲線針對性設計可以實現(xiàn)隨刀盤掘進向前延伸和后退換刀的需求。TBM設備內(nèi)部無轉(zhuǎn)渣點，掘進剝落的渣石經(jīng)集渣斗落入皮帶機直接輸送到TBM尾部，節(jié)省皮帶機搭接空間。

2)物料小車與行走軌道匹配。在后配套臺車鉸接位置，軌道采用斜口錯縫搭接的形式，滿足曲線要求，確保不發(fā)生脫軌。

3)后配套臺車與掘進曲線匹配。TBM后配套采用緊湊型設計，設備布置在后配套臺車兩側(cè)，中間預留人行通道。后配套臺車設備布置在安全線內(nèi)，且在后配套臺車前后端部設有防護梁，在給定的線路上，后配套臺車設備與洞壁留有安全余量，臺車與臺車的鉸接滿足曲線要求。后配套設備布置見圖10。

圖10 后配套設備布置圖

2.4 硬巖地層刀盤高效破巖針對性設計

高效破巖是TBM施工考慮的首要問題，直接決定了TBM與地質(zhì)的適應性。高效破巖取決于刀盤刀具的設計合理性、質(zhì)量可靠性、性能穩(wěn)定性，主要包括以下幾個方面：

1)刀盤高強度設計。TBM刀盤盤體一般分為薄板拼焊和厚板鍛造2種方式。二者相比，厚板鍛造盤體剛度和強度較高，具有良好的韌性。基于抽水蓄能電站排水廊道小洞徑工況，刀盤采用整塊結(jié)構(gòu)設計、重型焊接鋼結(jié)構(gòu)形式，刀盤面板選用Q345D鋼板(鍛造370 mm厚板)，刀盤法蘭為鍛造環(huán)件。

2)刀間距合理布置設計。刀盤刀具的布置及選型充分考慮了工程地質(zhì)條件和施工要求。合理的刀間距設計有利于滾刀破巖，還可確保刀盤在掘進過程中受力均勻，無較大的應力集中，產(chǎn)生的振動相對較小，進而可以提高刀盤的工作壽命，降低刀具消耗。本工程刀具布置為非線性形式，刀盤中心刀間距為84 mm，正滾刀間距為75 mm，刀具布置均勻。

3)“一”字中心刀布置設計。中心刀的布置分為“一”字布置(見圖11)和“十”字布置(見圖12)2種方式。厚板刀盤采用一字布刀方式，可將中心刀間距由89 mm優(yōu)化為84 mm，縮小刀間距可以充分利用盤體表面，增加刀具數(shù)量，提高破巖效率。

(a) “一”字中心刀布置圖

(b) “一”字中心刀間距示意圖(單位： mm)

4)偏刃刀圈結(jié)構(gòu)設計。邊緣滾刀安裝在刀盤最外側(cè)，采用斜裝方式，受力特殊，存在較大偏載，如圖13所示。在切削破巖過程中邊刀失效形式一般為偏磨。

由刀圈側(cè)邊受力模型和邊緣滾刀破巖機制可知，轉(zhuǎn)彎段邊刀內(nèi)側(cè)受力可能最大，因為刀圈內(nèi)側(cè)接觸的巖石面積最大。對邊刀刀圈轉(zhuǎn)彎段受力進行簡要分析，受力示意如圖14所示。由圖可以看出，邊緣滾刀刀圈受力嚴重偏離了正壓力方向，刀圈內(nèi)側(cè)為主要受力面。這將導致刀圈內(nèi)側(cè)磨損嚴重，刀圈使用壽命縮短。

(a) “十”字中心刀布置圖

(b) “十”字中心刀間距示意圖(單位： mm)

圖13 邊緣滾刀工作特征

根據(jù)小半徑轉(zhuǎn)彎條件下的邊刀受力情況和滾刀破巖機制可知，在刀圈半徑和貫入度固定時，減小接觸區(qū)徑向角度有利于減小接觸區(qū)應力，進而減少刀圈磨損[18]。在常規(guī)刀圈的基礎上，增加了偏刃刀圈邊刀主要受力一面的厚度，偏刃刀圈示意如圖15所示。減小接觸區(qū)徑向角度，增加刀圈的受力面積，可能有利于提高刀圈的使用壽命。

圖15 偏刃刀圈示意圖

3 緊湊型TBM研制及工程應用

3.1 TBM主要技術(shù)參數(shù)

鑒于工程地質(zhì)條件較好，TBM整機設計以小半徑曲線掘進、出渣功能為主。TBM整機如圖16所示，主要參數(shù)見表1。

圖16 超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM整機

3.2 超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM掘進技術(shù)及參數(shù)

3.2.1 適應于超小轉(zhuǎn)彎半徑的TBM掘進姿態(tài)控制技術(shù)

超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM施工時必須保證能夠?qū)崟r監(jiān)測TBM的位置、TBM的軸線與隧洞設計軸線在水平和垂直方向的偏差以及趨勢，以便TBM司機能夠依據(jù)導向系統(tǒng)顯示的偏差數(shù)據(jù)和趨勢及時控制并調(diào)整TBM掘進方向，確保TBM沿設計軸線方向掘進。為此，為TBM每組推進油缸設計了單獨操作功能并配置了行程測量傳感器。依據(jù)每根油缸位移傳感器測量的行程值，自動導向系統(tǒng)通過油缸分布角度計算出每組油缸的軸向行程值，操作手根據(jù)掘進需求調(diào)節(jié)油缸的軸向行程差值，達到調(diào)整控制掘進方向的目的。

表1 TBM主要技術(shù)參數(shù)

以TBM在半徑為30 m的圓曲線掘進為例，隧洞橫斷面直徑為3.5 m，內(nèi)外側(cè)油缸行程差值示意如圖17所示，則每環(huán)推進油缸行程差值計算如下：

d1-d2=LD/R=350 mm。

式中：d1為內(nèi)側(cè)油缸行程值；d2為外側(cè)油缸行程值；L為掘進1個循環(huán)到達油缸最大行程時前盾與支撐盾中心的距離，取3 m；D為開挖直徑；R為轉(zhuǎn)彎半徑。

圖17 轉(zhuǎn)彎半徑為30 m時內(nèi)外側(cè)油缸行程差值示意圖

3.2.2 掘進參數(shù)的選擇

文登抽水蓄能電站上層排水廊道上覆巖體厚度為170～280 m，圍巖為石英二長巖及二長花崗巖。通過對已有排水廊道TBM小轉(zhuǎn)彎施工情況的統(tǒng)計可知，圍巖類別主要為Ⅱ類，部分為Ⅲ類，少量為Ⅳ類(斷層及影響帶)。其中，Ⅳ類圍巖長度約占6%。施工中不同類別圍巖對應的掘進參數(shù)如表2所示。

表2 不同類別圍巖對應的掘進參數(shù)

Ⅱ類圍巖節(jié)理裂隙不發(fā)育，單軸抗壓強度高，滾刀破巖能力較弱，掌子面阻力較大，貫入度為3～5 mm/r。掘進中推力偏大，選擇推力為額定推力的80%以上，刀盤轉(zhuǎn)速選擇為最大轉(zhuǎn)速的70%～75%。圍巖強度高且完整，貫入度較小，刀盤的轉(zhuǎn)動負載小，所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩低，為刀盤額定轉(zhuǎn)矩的25%～30%，掘進速度可達到最大掘進速度的30%～40%。

Ⅲ類圍巖微風化或弱風化，裂隙發(fā)育，強度偏低，滾刀破巖效率較高，貫入度為7～9 mm/r，掘進速度相比Ⅱ類圍巖較大，能達到最大掘進速度的50%～70%。根據(jù)掘進速度、皮帶機的承載狀態(tài)綜合調(diào)整刀盤轉(zhuǎn)速為10～12.5 r/min，能實現(xiàn)TBM掘進效率的最大化。根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、出渣情況綜合調(diào)整掘進推力，將其控制在7 500 kN左右。由于貫入度大，刀盤的轉(zhuǎn)動負載大，所需的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩比Ⅱ類圍巖條件下偏高，可達刀盤額定轉(zhuǎn)矩的55%～65%。

Ⅳ類圍巖斷裂及軟弱結(jié)構(gòu)面較多，呈碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，局部呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，控制巖體貫入度為3～5 mm/r。在刀盤破巖的擾動下，掌子面可能出現(xiàn)大塊巖石塌落。為降低刀具和皮帶機損壞風險，根據(jù)刀盤轉(zhuǎn)矩的變化情況及時調(diào)整掘進速度，控制其為最大掘進速度的40%～55%。掘進中采用較小的推力，推力一般控制在3 500 kN以下，同時適當降低刀盤轉(zhuǎn)速，提高刀盤的實時輸出最大轉(zhuǎn)矩，以應對突發(fā)破碎情況。由于圍巖破碎，掌子面圍巖可能出現(xiàn)塌方，導致刀盤的轉(zhuǎn)動負載波動范圍較大，一般可達到刀盤額定轉(zhuǎn)矩的35%～40%。

3.2.3 適應于超小轉(zhuǎn)彎半徑的TBM掘進換步

換步是TBM每個施工循環(huán)結(jié)束的必要環(huán)節(jié)，同時也是保證、調(diào)整TBM掘進方向的重要步驟。TBM換步作業(yè)流程如圖18所示。通過前盾垂直油缸使頂護盾與隧洞拱頂貼緊產(chǎn)生摩擦，為收縮推進油缸前移支撐盾提供反作用力，推進油缸回縮1個行程，拖拉油缸拉動拖車跟隨支撐盾前移來實現(xiàn)換步，換步過程中需要注意以下4點。

圖18 TBM換步作業(yè)流程圖

1)通過兩側(cè)油缸調(diào)整，使支撐盾的左右側(cè)垂直于隧洞中心線方向，有利于TBM掘進過程中的方向控制； 同時，增加撐靴與巖壁的接觸面積，防止推進過程中撐靴打滑。

2)根據(jù)導向系統(tǒng)上顯示的TBM水平偏差趨勢，控制左右油缸行程差與換步前保持一致，確保TBM水平姿態(tài)沿隧洞設計方向。

3)確保TBM垂直姿態(tài)沿隧洞設計縱坡方向，油缸上下行程差與換步前保持一致，減小刀盤的位移差。

4)可單獨操作奇偶數(shù)油缸調(diào)節(jié)滾動，防止?jié)L動過大導致設備與隧洞壁發(fā)生碰撞。

3.3 過站工藝針對性設計

排水廊道開挖線路會與進場交通洞交叉，整體線路被分割為多個區(qū)間且交通洞開挖建設早于排水廊道，TBM在前一個區(qū)間施工完成后，需過站向第2個區(qū)間施工。

3.3.1 過站原則

由于TBM在抽水蓄能電站排水廊道隧洞施工中具有彎度多、距離短的特點，導致善于長距離、快速掘進的TBM在過站時不能耗費過多時間，同時還要確保在曲線環(huán)境中過站的軸線軌跡不能產(chǎn)生任何偏移，否則將無法順利進入接收洞。這也是超小轉(zhuǎn)彎半徑TBM過站的難點和風險所在。TBM 過站應遵循“快速、 安全、精準、干擾小、控成本”的原則，既要滿足施工質(zhì)量控制又要保證施工工期節(jié)點，故TBM過站采取的原則如下。

1)TBM過站方案應結(jié)合施工現(xiàn)場設計綜合考慮,其技術(shù)需具備先進、精確、實用、可靠、快速、經(jīng)濟等特點。

2)TBM過站方式與過站段隧洞開挖相互配合,過站段施工應優(yōu)先考慮為TBM過站提供快速通過條件，同時防止過站過程中本段隧洞施工產(chǎn)生擾動。

3)在滿足安全的前提下，過站技術(shù)應優(yōu)先考慮最快速通過，將施工工序干擾降到最低程度。

4)具備空推過站條件時優(yōu)先整機空推通過,避免TBM洞內(nèi)拆裝的安全風險和工期影響。

3.3.2 總體方案

本項目主要采用步進過站的方法，首先對步進段現(xiàn)場水電條件進行配置，清理洞內(nèi)積水，配備照明及其他動力設備電源，步進段隧洞地板進行硬化處理。按照步進通過設計要確保洞門與步進段高差符合要求，然后開始安裝好步進架，TBM開始步進通過，同時對水、電管線進行延伸，進入下段始發(fā)洞至掌子面后步進完成。由于在曲線上步進，此過程需特別注意TBM空推步進的姿態(tài)調(diào)整不能產(chǎn)生偏差。TBM步進過站流程如圖19所示。

圖19 TBM步進過站流程

3.4 緊湊型TBM應用效果

TBM在擴大洞室內(nèi)采用35 t龍門吊組裝的方式。主機組裝完成后，頂推進入始發(fā)洞室開始后配套組裝。TBM組裝洞室如圖20所示。

圖20 TBM組裝洞室圖

受場地限制，現(xiàn)場采用“梭式礦車+轉(zhuǎn)渣皮帶機”的方式進行巖渣的轉(zhuǎn)運輸送(見圖21)。

為提高出渣效率，在后配套尾部增加1節(jié)梭式礦車(見圖22)作為儲料倉臨時存儲掘進渣土，大大縮短了等待出渣梭式礦車的時間。

緊湊型TBM自2019年10月始發(fā)掘進，2020年8月30日實現(xiàn)全線貫通，累計掘進長度為2 314 m，掘進速度為23～35 mm/min，推力為5 000～7 000 kN。直線段最高日進尺 20.548 m，曲線段最高日進尺11.165 m。

在以Ⅱ、Ⅲ類為主的花崗巖地層中，TBM平均月進尺約為300 m(含曲線段)，出洞軸線偏差控制在50 mm以內(nèi)，設備完好率92.53%。各軸線段刀具磨損值見表3。

圖21 TBM渣土輸運圖

圖22 儲料梭式礦車

表3 各軸線段刀具磨損值

在偏刃刀應用方面，以19#和20#刀位刀圈為研究對象，進行初裝刀圈(C1、C2)與偏刃刀圈(P1、P2)的磨損量和磨損速率對比，結(jié)果如表4所示。在相同地層掘進145.43 m后，19#和20#刀位的偏刃刀圈較常規(guī)刀圈的磨損速率分別降低了7.4%和17.5%。

表4 C1、C2和P1、P2刀圈的磨損量、磨損速率對比

4 結(jié)論與建議

山東文登抽水蓄能電站排水廊道隧洞工程采用1臺緊湊型TBM施工，自2019年10月始發(fā)掘進，2020年8月30日實現(xiàn)全線貫通，累計掘進長度為2 314 m，直線段最高日進尺為20.548 m，曲線段最高日進尺為11.165 m。本工程為我國TBM施工領域首個小半徑曲線施工項目，不僅實現(xiàn)了洞內(nèi)始發(fā)、到達、過站和轉(zhuǎn)場，也實現(xiàn)了30 m的超小半徑曲線掘進。主要結(jié)論與建議如下：

1)抽水蓄能電站等小半徑曲線隧洞施工采用緊湊型TBM切實可行，具有施工安全性高、環(huán)境優(yōu)良、速度快等多項優(yōu)勢。

2)緊湊型TBM應用于抽水蓄能電站超小轉(zhuǎn)彎半徑隧洞施工時，應重點考慮刀盤高效破巖能力和小半徑曲線適應性，針對抽水蓄能電站地質(zhì)圍巖完整性好、強度高的特性進行針對性設計與創(chuàng)新。

3)緊湊型TBM相比其他形式的TBM具有更小的轉(zhuǎn)彎半徑，可以滿足超小曲率半徑施工要求。

4)新型TBM激光自動導向系統(tǒng)可以滿足超小轉(zhuǎn)彎半徑的施工需求，且精度較高。

5)偏刃刀技術(shù)可以降低刀圈磨損速率，增加刀圈使用壽命，提高 TBM 的掘進效率。

6)在TBM出渣方面，采用梭式礦車+皮帶機的出渣方式，并通過增加儲料梭式礦車縮短出渣等待時間。在后續(xù)應用中，建議對小半徑曲線、小洞徑TBM掘進出渣等施工配套技術(shù)開展研究，以提高施工效率。