TBM在軟弱圍巖施工的針對(duì)性改造技術(shù)

胡 軍

(中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司 山東濟(jì)南 250013)

1 引言

隨著山嶺隧道修建規(guī)模越來(lái)越大、條件越來(lái)越復(fù)雜，TBM隧道施工法憑借其施工安全性高、進(jìn)尺快等特點(diǎn)，已大量應(yīng)用于長(zhǎng)大山嶺隧道建設(shè)中。針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM法施工所遇到的工程技術(shù)難題，已有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究，如:陳饋等[1]對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了論述，并對(duì)其應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行了研究；洪開(kāi)榮等[2]對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。本文基于工程實(shí)例，針對(duì)炭質(zhì)粉砂巖圍巖巖性較差、遇水軟化后出現(xiàn)卡機(jī)并影響施工速度的建設(shè)難題，從鋼管片支護(hù)、刀盤(pán)擴(kuò)徑、輔助推進(jìn)等幾個(gè)方面詳細(xì)論述設(shè)備改造技術(shù)。

2 工程概況

本項(xiàng)目總長(zhǎng)約22 km，由2個(gè)TBM區(qū)段組成，計(jì)劃投入2臺(tái)TBM，其中1區(qū)段長(zhǎng)約10.7 km，2區(qū)段長(zhǎng)約8.4 km，另有3 km鉆爆區(qū)段，隧洞埋深介于60～112 m間。在1區(qū)段掘進(jìn)至7.05 km過(guò)程中，遇到2次卡機(jī)，造成約6個(gè)月停機(jī)，約600 m軟巖段平均月進(jìn)尺160 m。1區(qū)段剩余3.65 km，圍巖以Ⅳ類(lèi)圍巖為主，其中包含3條破碎帶及約600 m的Ⅴ類(lèi)圍巖。2區(qū)段Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖長(zhǎng)度7 145 m，占比約85%，含多條破碎帶。

3 掘進(jìn)中存在的問(wèn)題

3.1 塌方卡機(jī)

TBM在掘進(jìn)至破碎帶后，先后出現(xiàn)2次較為嚴(yán)重的卡機(jī)問(wèn)題。具體情況為掌子面坍塌，大量破碎圍巖進(jìn)入刀盤(pán)，導(dǎo)致卡機(jī)，超前處理困難，目前采用人工清理，勞動(dòng)強(qiáng)度大，在現(xiàn)有TBM護(hù)盾后方超前管棚作業(yè)，需要拆除初支、擴(kuò)挖，安全性差、效率低，進(jìn)尺僅為10～20 m/月。

3.2 撐靴無(wú)法撐緊，掘進(jìn)速度受限

在軟巖破碎帶中，巖性較差，TBM撐靴處易發(fā)生塌方，導(dǎo)致?lián)窝o(wú)法在圍巖處撐緊，不能提供TBM推進(jìn)反力，需要提前對(duì)撐靴周?chē)惑w進(jìn)行清理及回填注漿，并待達(dá)到強(qiáng)度后再恢復(fù)掘進(jìn)，循環(huán)效率較低，影響TBM掘進(jìn)效率。

3.3 需改造的內(nèi)容

為降低破碎圍巖塌方卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)[3]，減少對(duì)撐靴的影響，減少清渣和支護(hù)工作，決定增加鋼管片[4]支護(hù)設(shè)計(jì)，并對(duì)TBM刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)、護(hù)盾、輔助推進(jìn)[5]、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機(jī)等方面進(jìn)行改造，具體如下:

(1)刀盤(pán):根據(jù)鋼管片支護(hù)設(shè)計(jì)要求，確認(rèn)合適的開(kāi)挖直徑，確認(rèn)刀盤(pán)擴(kuò)徑改造方案。

(2)主驅(qū)動(dòng):優(yōu)化改造主驅(qū)動(dòng)扭矩，提高脫困能力。

(3)護(hù)盾:針對(duì)性改造護(hù)盾，適應(yīng)護(hù)盾內(nèi)超前鉆孔支護(hù)。

(4)輔助推進(jìn):護(hù)盾內(nèi)增加輔助推進(jìn)系統(tǒng)[6]，主梁二處增加輔助調(diào)向模塊，用于鋼管片拼裝模式推進(jìn)及調(diào)向。

4 TBM設(shè)備改造技術(shù)

4.1 鋼管片支護(hù)

(1)鋼管片選擇

在保證TBM通過(guò)性及正常掘進(jìn)時(shí)的適應(yīng)性，需采取合適的鋼管片尺寸及刀盤(pán)開(kāi)挖直徑。經(jīng)多方論證，鋼管片與二襯內(nèi)徑間距350 mm。鋼管片[7]厚度200 mm，管片環(huán)寬900 mm，管片內(nèi)徑6 540 mm，管片外徑6 940 mm。管片采用6分塊形式，3塊標(biāo)準(zhǔn)A塊、2塊鄰接塊、1塊K塊，底部采用整塊牛腿設(shè)計(jì)，確保底塊受力情況良好。

單環(huán)分塊拼裝順序?yàn)橄绕囱b3塊標(biāo)準(zhǔn)塊再拼裝2塊鄰接塊，最后拼裝K塊，相鄰分塊使用3顆M24螺栓連接緊固。

環(huán)與環(huán)拼裝根據(jù)K塊的位置可分為3種角位，分別為K塊居中位、左偏36°位和右偏36°位，相鄰環(huán)K塊角位不同，每連續(xù)3環(huán)K塊角位位置循環(huán)一次，相鄰兩環(huán)間拼裝先使用銷(xiāo)軸準(zhǔn)確定位后再使用螺栓連接，兩相鄰連接螺栓孔角度為18°，均布在整環(huán)上，K塊角位不同，不影響螺栓連接。

依據(jù)盡量減小注漿層厚度的原則重新設(shè)計(jì)刀盤(pán)開(kāi)挖直徑，管片與隧洞壁之間間隙采用105 mm，開(kāi)挖直徑7 150 mm。管片內(nèi)徑6 540 mm，TBM橋架及后配套安全輪廓6 140 mm，單邊200 mm安全間隙，滿(mǎn)足TBM正常掘進(jìn)需求。

拼裝鋼管片時(shí)，要保證撐靴縮回的安全間隙；不拼裝鋼管片時(shí)，要保證撐靴伸出余量足夠調(diào)向。根據(jù)該TBM在2019年4月份撐靴位置偏差統(tǒng)計(jì)，撐靴油缸左右最大調(diào)向量為63mm。

按照新開(kāi)挖直徑新制撐靴，較原設(shè)計(jì)厚度減小40 mm，安裝鋼管片時(shí)回縮最大間隙126 mm(原7 030 mm開(kāi)挖直徑拼裝管片200 mm厚時(shí)回縮后間隙為155 mm)，不拼裝鋼管片撐靴油缸撐緊洞壁后仍保留125 mm(原7 030 mm開(kāi)挖直徑時(shí)為225 mm)伸出行程。

(2)壁后填充

①在連接橋區(qū)域配置混凝土輸送泵，用于管片背后回填細(xì)石混凝土。鐵建重工神東補(bǔ)連塔單護(hù)盾TBM、蘭州水源地雙護(hù)盾TBM均采用細(xì)石混凝土填充底部管片，效果良好。輸送泵參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土輸送泵參數(shù)

A、B、C分塊管片上布置有1個(gè)吊裝孔兼注漿孔，2個(gè)注漿孔，K分塊管片上布置有1個(gè)吊裝孔兼注漿孔。可以實(shí)現(xiàn)在多個(gè)部位進(jìn)行注漿，避免漿體流動(dòng)差填充不密實(shí)的情況。

②連接橋區(qū)域配置雙液注漿泵，用于間隔注漿成環(huán)封閉，避免串漿。雙液注漿設(shè)備見(jiàn)圖1，參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 雙液注漿設(shè)備

表2 雙液注漿設(shè)備參數(shù)

(3)鋼管片使用的原則

鋼管片主要使用在撐靴無(wú)法撐緊且斷層破碎帶塌方量小的地層。判斷原則:一是通過(guò)工程地質(zhì)初步判斷哪一段需要鋼管片支護(hù)；二是通過(guò)本工程使用的TBM掘進(jìn)參數(shù)識(shí)別圍巖及塌方軟件，可實(shí)時(shí)判斷掌子面塌方情況，是否需要采用鋼管片支護(hù)。

4.2 刀盤(pán)擴(kuò)徑改造方案

為滿(mǎn)足鋼管片使用，本工程TBM刀盤(pán)開(kāi)挖直徑從原來(lái)的7 030 mm改造為7 150 mm，半徑增加60 mm?？紤]到長(zhǎng)距離使用的可靠性，采用更換邊緣滾刀刀座方式進(jìn)行刀盤(pán)開(kāi)挖擴(kuò)徑，具體方案如下:將原刀盤(pán)邊滾刀刀座S37～S48全部刨除，重新布置刀座S37～S48，達(dá)到擴(kuò)徑60 mm(見(jiàn)圖2)。擴(kuò)徑后，邊滾刀刀間距逐漸遞減，不影響刀盤(pán)在本區(qū)段掘進(jìn)時(shí)的破巖效率。刀盤(pán)上其余滾刀刀座不變動(dòng)。

圖2 滾刀改造前后尺寸(單位:mm)

由于開(kāi)挖半徑增加60 mm，為滿(mǎn)足開(kāi)挖時(shí)鏟刀軌跡要求，將所有正面鏟刀刀座刨除，將新鏟刀刀座向外移動(dòng)60 mm進(jìn)行安裝。

4.3 刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方案

本工程TBM主驅(qū)動(dòng)原設(shè)計(jì)額定扭矩4 410 kN·m@5.5 r/min，脫困扭矩6 620 kN·m，正常掘進(jìn)時(shí)的TBM扭矩一般小于2 000 kN·m，轉(zhuǎn)速<8 r/min。而對(duì)2019年4月11日刀盤(pán)卡機(jī)脫困模式下掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析，刀盤(pán)脫困扭矩最大時(shí)達(dá)到6 620 kN·m，遇到破碎帶等不良地質(zhì)卡機(jī)時(shí)需要提高脫困能力。

考慮到本標(biāo)段剩余掘進(jìn)里程Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖居多，且存在多處斷層及破碎帶，刀盤(pán)卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)較高[8]，因此對(duì)刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化改造[9]，通過(guò)更換減速機(jī)，增大減速比的方式，提高額定扭矩及脫困扭矩，提高刀盤(pán)適應(yīng)能力[10]。具體方案如下:原減速機(jī)減速比18.8，更改后減速機(jī)減速比26。改造后，額定扭矩為6 090 kN·m@4 r/min，脫困扭矩為9 130 kN·m，脫困能力提高了38%。同時(shí)，刀盤(pán)最高轉(zhuǎn)速8 r/min時(shí)扭矩為3 045 kN·m(與改造前一樣)，滿(mǎn)足硬巖地層高轉(zhuǎn)速低扭矩掘進(jìn)的需求。更改前后的主驅(qū)動(dòng)扭矩曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 改造前后額定扭矩及脫困扭矩

4.4 護(hù)盾方案

(1)輔助推進(jìn)

單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，在護(hù)盾內(nèi)部拼裝鋼管片，通過(guò)鋼管片提供推進(jìn)反力，因此對(duì)護(hù)盾進(jìn)行針對(duì)性改造設(shè)計(jì)，增加輔助推進(jìn)油缸。每組輔助推進(jìn)油缸區(qū)域增加導(dǎo)向座[11]，連接護(hù)盾與變速箱，用于傳遞推進(jìn)反力。導(dǎo)向座內(nèi)部設(shè)計(jì)定位銷(xiāo)，用于單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)固定護(hù)盾外圓。

(2)超前注漿孔設(shè)計(jì)

護(hù)盾頂部140°范圍內(nèi)設(shè)計(jì)超前注漿孔，用于單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)超前管棚注漿支護(hù)。

5 改造后的推進(jìn)方案

5.1 推進(jìn)力的確定

根據(jù)之前TBM在破碎段卡機(jī)時(shí)掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析，TBM在不良地質(zhì)段推力范圍為7 000～8 000 kN。TBM恢復(fù)施工以后，圍巖轉(zhuǎn)好，推力范圍為9 800～12 000 kN。

由于TBM鋼管片輔助推進(jìn)主要在破碎圍巖，推力范圍在7 000～8 000 kN，考慮到局部圍巖轉(zhuǎn)好推力增加，TBM輔助推進(jìn)能力應(yīng)不低于12 000 kN。護(hù)盾周圈布置油缸14根，油缸規(guī)格 φ200/φ180－1050。根據(jù)TBM護(hù)盾結(jié)構(gòu)在頂護(hù)盾、搭接護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾均設(shè)計(jì)導(dǎo)向座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并布置油缸，如圖4所示，底護(hù)盾布置4根油缸。輔助推進(jìn)系統(tǒng)額定推力為13 854.4 kN@315 bar、最大推力 15 393.8 kN@ 350 bar，在本工程較破碎圍巖下掘進(jìn)時(shí)，總推力余量為28.28%。

圖4 輔助推進(jìn)油缸

5.2 反扭矩的確定

TBM掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)切削的反扭矩[12]由鞍架底部支撐、護(hù)盾等提供，在計(jì)算反扭矩的同時(shí)需要考慮鋼管片的抗扭是否滿(mǎn)足要求。

(1)底護(hù)盾可提供的反扭矩

根據(jù)2019年04月11日，刀盤(pán)卡機(jī)脫困扭矩達(dá)6 620 kN·m時(shí)，左側(cè)扭矩油缸有桿腔壓力124 bar，無(wú)桿腔129 bar，扭矩力為1 330 kN；右側(cè)扭矩油缸有桿腔108 bar，無(wú)桿腔96 bar，扭矩力為788 kN，力臂1 424 mm。計(jì)算得，鞍架提供的反扭矩M鞍架＝3 016 kN·m。

根據(jù)鞍架處反扭矩反推可得，底護(hù)盾與洞壁摩擦力產(chǎn)生的反扭矩為:M護(hù)盾＝M脫困－M鞍架＝6 620－3 016＝3 604 kN·m。

底護(hù)盾承受主機(jī)重量約5 000 kN，鋼與巖石的摩擦系數(shù)取0.3，可計(jì)算出護(hù)盾可提供的反扭矩為5 000×0.3×3.5＝5 250 kN·m。

(2)鞍架底部支撐可提供的反扭矩

增加鞍架底部支撐后，底部支撐承載TBM主機(jī)40%重力，約2 000 kN，鋼與鋼摩擦系數(shù)0.15，計(jì)算得，底部支撐可提供的反扭矩M支撐＝2 000×3.41×0.15＝1 023 kN·m。

(3)鋼管片可承受的反扭矩

假設(shè)從護(hù)盾到后支撐(15 m)所有的管片均為灌漿凝固，只有底管片與巖石摩擦力來(lái)提供反扭矩，此時(shí)管片總重約750 kN，鞍架底部支撐承載為2 000 kN，鋼與巖石的摩擦系數(shù)為0.3，計(jì)算可得管片可承受的反扭矩為2 750×0.3×3.5＝2 888 kN·m。

(4)輔推油缸可傳遞的反扭矩

TBM在破碎圍巖條件下，推力變化范圍為4 000～10 000 kN，輔推油缸撐靴與鋼管片接觸面采用聚氨酯材料，與鋼的摩擦系數(shù)為0.5，油缸分布半徑3.4 m，計(jì)算輔推油缸可傳遞的扭矩為(4 000～10 000)×0.5×3.4＝(6 840～17 100)kN·m。

采用輔助推進(jìn)時(shí)，刀盤(pán)產(chǎn)生的反扭矩會(huì)第一時(shí)間通過(guò)輔助推進(jìn)油缸傳遞給撐靴，根據(jù)上述計(jì)算，輔推油缸可以傳遞至少6 840 kN·m的扭矩，遠(yuǎn)大于鋼管片可以承受的2 888 kN·m反扭矩。

因此，鋼管片背后注漿灌漿效果尤為重要，保證初凝后的混凝土與鋼管片產(chǎn)生的摩擦力足以抵抗刀盤(pán)的反扭矩。

5.3 調(diào)向的實(shí)現(xiàn)

鞍架底部曾設(shè)鞍架底部支撐及輔助撐靴，分別用于上下和左右調(diào)向。單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，優(yōu)先對(duì)底部3塊鋼管片進(jìn)行壁厚回填注漿，用于提供調(diào)向所需的反力。

5.4 掘進(jìn)模式

(1)敞開(kāi)式模式

敞開(kāi)式模式掘進(jìn)時(shí)，整機(jī)操作模式及參數(shù)與改造前無(wú)差別。

(2)單護(hù)盾模式

單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，推進(jìn):鋼管片拼裝機(jī)在護(hù)盾內(nèi)拼裝鋼管片，輔推油缸頂推鋼管片，提供推進(jìn)反力。推進(jìn)過(guò)程中，收回后支撐，鞍架輔助支撐撐緊底部管片，主梁二在鞍架內(nèi)滑移前進(jìn)。一個(gè)推進(jìn)行程為一環(huán)管片寬度900 mm。換步:掘完一個(gè)掘進(jìn)行程后開(kāi)始換步，后支腿伸出撐緊底部管片。鞍架輔助支撐收回，脫離底部管片。推進(jìn)油缸回縮，收回鞍架完成。輔助推進(jìn)油缸收回，拼裝完成下一環(huán)管片。

6 拼裝機(jī)改進(jìn)

原鋼拱架拼裝機(jī)由旋轉(zhuǎn)環(huán)和撐緊環(huán)組成，旋轉(zhuǎn)環(huán)與主驅(qū)動(dòng)固定，不具備行走功能，撐緊環(huán)具備行走及撐緊功能，但不具備旋轉(zhuǎn)功能，僅能拼裝鋼拱架，無(wú)法拼裝鋼管片。

6.1 鋼拱架拼裝

新做鋼拱架拼裝機(jī)，回轉(zhuǎn)及撐緊一體化設(shè)計(jì)。

移動(dòng)架:油缸驅(qū)動(dòng)整機(jī)前后移動(dòng)，移動(dòng)行程1.8 m。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu):液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，帶動(dòng)撐緊臂在移動(dòng)架外周360°旋轉(zhuǎn)。

撐緊臂:6個(gè)撐緊臂用于抓取和撐緊拱架，單個(gè)撐緊臂可提供6 t撐緊力。

6.2 鋼管片拼裝

當(dāng)需要拼裝鋼管片時(shí)，在拱架拼裝器回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)前端安裝鋼管片拼裝機(jī)構(gòu)，主要組成部分有:

(1)伸縮臂。通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)，控制抓取頭沿隧道斷面徑向伸縮，伸縮行程600 mm。

(2)連桿。連接伸縮臂與抓取頭，保證整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)合理性，避免與其他部件干涉。

(3)抓取頭。用于抓取鋼管片，同時(shí)具備沿X、Y、Z轉(zhuǎn)動(dòng)功能，使鋼管片能夠前后俯仰±4°；水平擺動(dòng) ±3°；左右擺動(dòng) ±4°。

鋼管片拼裝機(jī)構(gòu)各部分之間通過(guò)螺栓連接，最大件重量約0.4 t，最大件長(zhǎng)度約1.8 m，方便拆裝。當(dāng)不拼裝鋼管片時(shí)，將管片拼裝機(jī)構(gòu)拆除，錨桿鉆機(jī)及鋼拱架拼裝均可以正常使用，前后移動(dòng)行程1.8 m。當(dāng)拼裝鋼管片時(shí)，將管片拼裝機(jī)構(gòu)安裝到位，鋼管片拼裝機(jī)構(gòu)可以前后移動(dòng)1.35 m，滿(mǎn)足鋼管片拼裝需求。

7 結(jié)論

在軟弱破碎帶地層，采用鋼管片支護(hù)圍巖，解決了撐靴撐緊力不足的問(wèn)題，保證了TBM掘進(jìn)的安全性?，F(xiàn)場(chǎng)更換刀箱，擴(kuò)大了成型TBM刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑，提供了鋼管片安裝空間；優(yōu)化護(hù)盾結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了拼裝機(jī)、輔助推進(jìn)系統(tǒng)、超前鉆機(jī)的布置空間，實(shí)現(xiàn)了鋼管片拼裝、提高TBM推力、滿(mǎn)足護(hù)盾內(nèi)超前鉆孔支護(hù)圍巖等功能的實(shí)現(xiàn)；現(xiàn)場(chǎng)更換大速比主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)提高了TBM刀盤(pán)脫困扭矩，為軟弱圍巖TBM脫困提供了扭矩保證。TBM改造后順利、快速地穿過(guò)圍巖破碎帶，妥善解決了軟弱圍巖(破碎帶)卡機(jī)的問(wèn)題，實(shí)際工程驗(yàn)證了TBM現(xiàn)場(chǎng)改造方案的可行性。