引水工程隧洞卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)段TBM升級(jí)改造研究

趙向波，李銘杰，林 鵬

(1.新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團(tuán))有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.山東大學(xué)齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(簡稱TBM)，自20世紀(jì)90年代在云南西洱河一級(jí)水電站引水隧洞[1]、廣西天生橋二級(jí)水電站引水隧洞[2]、甘肅-青海引大入秦工程[3]等投入使用以來，我國TBM裝備與施工技術(shù)得到了顯著的提升，如后續(xù)建成的山西萬家寨引黃入晉工程[4-5]、遼寧大伙房輸水隧洞[6]、甘肅引洮供水工程[7]、西康鐵路秦嶺隧道工程[8]等。但隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，TBM在隧道(洞)在修建的過程中面臨著更加復(fù)雜的地質(zhì)條件，巖爆[9]、涌水泥沙[10]、圍巖大變形[11]、隧道坍塌[12]等工程問題時(shí)有發(fā)生。這些常見的工程問題，常導(dǎo)致工期延誤、設(shè)備損毀、施工成本增加，嚴(yán)重時(shí)甚至造成人員傷亡[13]，如廣東京珠高速靠椅山隧道，因塌方導(dǎo)致隧道被迫停工[14]。

在過去30多年里，我國TBM在水利、水電、鐵路、公路等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是水利、水電、鐵路等行業(yè)，應(yīng)用規(guī)模更大，積累豐富的TBM應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)的施工技術(shù)[15]。雖應(yīng)對(duì)此類問題已有一定的技術(shù)方案和對(duì)策，但絕大部分停留在理論層面，仍需大量的工程實(shí)踐來驗(yàn)證；同時(shí)各區(qū)域的地貌、環(huán)境、氣候、地質(zhì)條件差異，不能以偏概全，應(yīng)對(duì)各個(gè)地區(qū)的問題，要有針對(duì)性。某引水工程，氣候溫差大，距離長，埋深大，面臨的工程問題更為突出，TBM卡機(jī)現(xiàn)象更為頻繁[16]。面對(duì)嚴(yán)峻復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，TBM升級(jí)改造問題亟待解決，根據(jù)以往的TBM施工和改造經(jīng)驗(yàn)[17-20]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)工程問題，對(duì)TBM進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)改造。

1 工程概況

1.1 工程背景

某引水工程全長540km，本文研究對(duì)象為其中一個(gè)標(biāo)段。該標(biāo)段全長50余km，由2臺(tái)TBM(TBM2，TBM3)同時(shí)施工[16]。TBM3掘進(jìn)洞主洞樁號(hào)為58+508—79+153，長度20.645km(含503m轉(zhuǎn)場(chǎng)鉆爆洞)，開挖洞徑7.0m(TBM改造前)，隧洞埋深為184～270m。根據(jù)以往地質(zhì)調(diào)查資料、鉆孔數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)圍巖揭露情況分析，該洞段圍巖巖性主要為泥盆系凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖，石炭系鈣質(zhì)砂巖。該段共發(fā)育11條次級(jí)斷裂(f22-f27，f29-f33)，斷層產(chǎn)狀以40～70°NW∠45～70°、275°NE∠45°、295°～310°SW∠50°～74°等角度為主，斷層帶內(nèi)主要發(fā)育糜棱巖、碎裂巖等軟巖，巖體強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，以Ⅳ類和Ⅴ類圍巖為主；根據(jù)勘查結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該段還發(fā)育數(shù)條小-微斷裂，寬度一般0.5～5m，帶內(nèi)以糜棱巖和碎裂巖為主，規(guī)模較小。該洞段圍巖整體穩(wěn)定性一般，以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主，斷層帶及影響帶為Ⅴ類圍巖。其中Ⅱ類圍巖長682.4m，占3.39%；Ⅲ類圍巖長7412.8m，占36.80%；Ⅳ類圍巖長9284.2m，占46.09%；Ⅴ類圍巖長2762.6m，占13.72%。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)揭露情況

TBM3-1洞段開挖過程中，受隧洞地質(zhì)條件影響，多次發(fā)生卡機(jī)等事故，嚴(yán)重延誤工期。

其中，63+819處在2019年4月20日—2019年6月27日期間，發(fā)生第一次卡機(jī)，處理耗時(shí)78d；64+412處在2019年9月5日—2020年2月3日期間，發(fā)生第二次卡機(jī)，處理耗時(shí)151d；撐靴換填累計(jì)635m，累計(jì)施工耗時(shí)157d，期間平均日進(jìn)尺4m。

2 TBM施工情況及存在問題

TBM3-1段已于2021年3月5日貫通，累計(jì)掘進(jìn)10624m(如圖1所示)，其中Ⅱ類圍巖682.4m，約占6%；Ⅲa類圍巖1966.03m，約占19%；Ⅲb類圍巖4188.77m，約占39%；Ⅳ類圍巖2720.2m，約占26%；Ⅴ類圍巖1066.6m，約占10%。其巖石類型主要為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、石炭系鈣質(zhì)砂礫巖、石炭系鈣質(zhì)粉砂巖夾炭質(zhì)粉砂巖和斷層帶，期間由于卡機(jī)、撐靴回填等不利因素，累計(jì)耗時(shí)約386d，嚴(yán)重滯后施工進(jìn)度。

圖1 TBM施工情況圖

截至目前TBM3已改造完成，并于2021年6月1日具備掘進(jìn)條件。TBM3-2段圍巖與前段基本一致。若按照以往方式進(jìn)行掘進(jìn)必然無法在要求時(shí)間內(nèi)完成施工。

3 TBM卡機(jī)問題分析

3.1 地質(zhì)問題

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)資料分析，該段落Ⅲ類圍巖約1258m，約占13%，Ⅳ類圍巖6564m，約占69%，Ⅴ類圍巖1696m，約占18%。其中發(fā)育1段泥巖約148m(69+635—69+783)，2段碳質(zhì)粉砂巖，分別為900m(70+500—71+400)和648m(72+000—72+648)，發(fā)育5條斷層(見表1)。其中，斷層帶發(fā)育，易引發(fā)塌方等地質(zhì)災(zāi)害導(dǎo)致卡機(jī)；圍巖遇水易軟化，會(huì)引發(fā)圍巖大變形等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致?lián)窝o法撐緊等工程問題。相較于TBM3-1段，TBM3-2段圍巖條件更差。

表1 TBM3-2段斷層發(fā)育情況 單位:mm

3.2 設(shè)備問題

TBM設(shè)計(jì)初衷，在圍巖地質(zhì)條件較好的情況下，可以滿足施工要求；但由于現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜地質(zhì)情況，TBM無法滿足施工要求或難以發(fā)揮TBM施工的最大優(yōu)勢(shì)。因此，為節(jié)約施工成本、保證施工效率，TBM改造勢(shì)在必行。

4 TBM改造

在確保安全的前提下，高效通過1696m不良地質(zhì)段和5個(gè)斷層破碎帶，避免TBM卡機(jī)，降低撐靴換填程度等影響，保證總工期，TBM改造勢(shì)在必行。

4.1 TBM改造思路

設(shè)備改造首要解決的問題：①易卡機(jī)圍巖的超前處理配套設(shè)備改造；②軟巖條件下的快速掘進(jìn)的配套設(shè)備改造；③結(jié)合撐靴位置圍巖自穩(wěn)情況的多模式快速切換技術(shù)研發(fā)其關(guān)鍵技術(shù)問題是如何順利通過軟弱圍巖段和高效低成本通過圍巖穩(wěn)定段，具體改造思路如圖2所示。

圖2 TBM改造思路

4.2 TBM改造方案

根據(jù)現(xiàn)有TBM揭露的卡機(jī)、撐靴無法撐緊、軟巖大變形、長距離破碎帶、TBM掘進(jìn)效率低下等典型問題，進(jìn)程針對(duì)性設(shè)計(jì)改造(如圖3所示)。

圖3 TBM改造整體方案圖

4.2.1TBM脫困與超前處置

(1)主動(dòng)脫困方案

當(dāng)前TBM主驅(qū)動(dòng)為8電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減速機(jī)減速比為i=18.8，額定扭矩4410kNm，脫困扭矩6620kN·m。改造后8臺(tái)減速機(jī)減速比為i=26，額定扭矩為6090kN·m，脫困扭矩9130kN·m。無需新增其余配置，脫困能力提升1.38倍(如圖4所示)。

圖4 更換減速機(jī)前后扭矩對(duì)比圖

(2)超前處理方案

①超前鉆機(jī)外插角8°方案

采用鋼管片支護(hù)，新做護(hù)盾，盾殼內(nèi)預(yù)留超前注漿孔，注漿孔直徑120mm，外插角8°，覆蓋角度120°，最大鉆孔直徑φ108mm，超前鉆機(jī)安裝在錨桿鉆機(jī)齒圈上，錨桿鉆機(jī)在鋼管片拼裝機(jī)之間行走，行程900mm，錨桿鉆機(jī)距離盾殼尾部919mm。如圖5所示。

圖5 超前鉆注一體機(jī)外插角8°方案

②超前鉆機(jī)外插角4°方案

不采用鋼管片支護(hù)，新做護(hù)盾，護(hù)盾預(yù)留注漿孔外插角4°，新做超前鉆注一體機(jī)軌道，安裝至主梁頂部。錨桿鉆機(jī)有效行程可達(dá)到1700mm。如圖6所示。

圖6 超前鉆注一體機(jī)外插角4°方案

4.2.2鋼管片支護(hù)改造方案

(1)開挖直徑確定

撐靴完全回縮后最小直徑為6315mm，與洞壁的最小安全距離150mm，通過的最小直徑為6615mm。后支撐、連接橋、后配套布置的直徑為6200mm，與洞壁最小安全距離200mm，能夠通過的最小直徑為6600mm。TBM整機(jī)安全通過的最小直徑為6615mm。

設(shè)計(jì)鋼管片內(nèi)徑6620mm，管片厚度200mm，鋼管片外徑7020mm。盾殼厚度50mm，鋼管片與盾殼之間安裝間隙40mm，則護(hù)盾直徑為7200mm，刀盤開挖直徑7230mm。刀盤改造單邊擴(kuò)挖量最小100mm。

(2)刀盤擴(kuò)挖方案

開挖直徑7130mm改造是將邊緣4個(gè)邊刀座刨掉，重新定位安裝，達(dá)到擴(kuò)徑R50mm的要求，鏟刀座做相同處理。拆除最外面S47、S48兩把滾刀可將開挖直徑恢復(fù)到φ7030mm。后續(xù)若需要擴(kuò)徑R100mm，可通過更換相應(yīng)的墊塊、楔塊和滾刀來實(shí)現(xiàn)

(3)管片設(shè)計(jì)與壁后充填

①有限元分析

建立鋼管片力學(xué)模型，模擬撐靴位置施加撐緊力與重力，應(yīng)力集中區(qū)域在撐靴下方鋼管片上，當(dāng)撐靴撐緊力360t時(shí)，鋼管片最大應(yīng)力158MPa，若鋼管片選用Q235材料制作，安全系數(shù)為1.5，此時(shí)的撐靴無桿腔壓力為63.3bar。

②鋼管片拼裝

旋轉(zhuǎn)環(huán)縮小，適應(yīng)護(hù)盾推進(jìn)油缸，撐緊機(jī)構(gòu)集成至旋轉(zhuǎn)環(huán)，6個(gè)撐緊臂，2個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，可進(jìn)行鋼拱架、鋼瓦片、骨架型鋼管片等多種支護(hù)。加強(qiáng)鋼拱架拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在鋼拱架拼裝機(jī)上，增加一套鋼管片抓舉、拼裝系統(tǒng)，可進(jìn)行較重管片拼裝、精確定位，滿足快速拼裝要求(如圖7所示)。

圖7 鋼管片拼接機(jī)構(gòu)

③鋼管片壁后回填

單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，鋼管片背后可采用細(xì)石混凝土、豆礫石、雙液注漿等回填方式。

④設(shè)備改造

豆粒石回填：單護(hù)盾模式掘進(jìn)時(shí)，鋼管片背后可采用細(xì)石混凝土、豆礫石、雙液注漿等回填方式。利用原2#、3#臺(tái)車空間，布置1臺(tái)雙液注漿泵、2臺(tái)豆礫石噴射機(jī)、1套豆礫石皮帶機(jī)及豆礫石。

細(xì)石混凝土回填：通過混凝土輸送泵輸送細(xì)石混凝土，在TBM連接橋區(qū)域增加1套接力泵，用于細(xì)石混凝土注入。

(4)護(hù)盾及輔助推進(jìn)改造方案

鋼管片拼裝模式，新制TBM護(hù)盾，護(hù)盾周圈布置輔助推進(jìn)油缸，利用鋼管片提供推進(jìn)反力，實(shí)現(xiàn)撐靴不撐緊洞壁掘進(jìn)。同時(shí)，護(hù)盾布置推進(jìn)油缸位置，護(hù)盾與主驅(qū)動(dòng)箱之間均設(shè)計(jì)可伸縮導(dǎo)向座，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，適應(yīng)長距離輔助推進(jìn)油缸掘進(jìn)。

(5)支撐推進(jìn)系統(tǒng)改造方案

①輔助推進(jìn)模式鞍架改造

輔助推進(jìn)過程中，撐靴油缸一般不撐緊鋼管片，在鞍架底部安裝支腿，支腿底部采用弧形鋼板連接，掘進(jìn)過程中，支腿伸出，TBM主機(jī)重量由支腿承載，主推進(jìn)油缸切換到隨動(dòng)模式，鞍架與主梁之間相對(duì)滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)主機(jī)整體前進(jìn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)TBM刀盤卡機(jī)脫困模式下掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析，刀盤脫困扭矩最大時(shí)達(dá)到7000kN·m，左側(cè)扭矩油缸有桿腔壓力124bar，無桿腔129bar，扭矩力為1330kN。右側(cè)扭矩油缸有桿腔108bar，無桿腔96bar，扭矩力為788kN，力臂1424mm。鞍架提供的反扭矩M1為：

鞍架提供反扭矩M1=(F1+F2)×L1=(1330+788)×1.424=3016(kN·m)

護(hù)盾提供反扭矩為7000-3016=3084(kN·m)

增加鞍架底部支撐后，底部支撐承載TBM主機(jī)40%重力，約200t，摩擦系數(shù)0.1，可提供的反扭矩力為2000kN(200t)，力臂3410mm(鋼管片內(nèi)圓半徑)，底部支撐可提供的反扭矩M2=F3×L2×μ=2000×3.41×0.15=1023(kN·m)；TBM可提供反扭矩M3=3084+1023=4107(kN·m)。

TBM3-1段撐靴位置坍塌時(shí)，刀盤扭矩為1000～3000kN·m，恢復(fù)掘進(jìn)后，刀盤扭矩范圍1000～2000kN·m。

根據(jù)以上計(jì)算可得，若刀盤扭矩在4000kN·m以下時(shí)，TBM撐靴可不撐鋼管片掘進(jìn)。

若TBM進(jìn)入脫困，脫困扭矩達(dá)到最高9130kN·m，則撐靴需提供反扭矩M3=5023kN·m。

單個(gè)撐靴撐緊力F4=4910kN。

因此，當(dāng)單個(gè)撐靴撐緊力大于4910kN時(shí)，TBM可實(shí)現(xiàn)不撐緊鋼管片脫困。

②TBM調(diào)向

在不注漿的情況下，使撐靴油缸以較小的壓力撐住鋼管片，此時(shí)撐靴下鋼管片作用力主要為TBM主機(jī)40%重力、撐靴撐緊力。

由上可得，撐靴油缸撐緊鋼管片壓力在約60bar左右時(shí)，鋼管片應(yīng)力158MPa，安全系數(shù)為1.5。

TBM輔助推進(jìn)調(diào)向過程中，首先停止推進(jìn)，利用鞍架下部支腿進(jìn)行上下調(diào)向，撐靴使用較小的撐緊力(撐靴油缸壓力約60bar)撐緊洞壁鋼管片，實(shí)現(xiàn)上下調(diào)向。收回支腿，可通過撐靴油缸與扭矩油缸進(jìn)行左右調(diào)向與糾滾動(dòng)作。

5 施工成本控制

5.1 成本控制

TBM改造前，根據(jù)TBM3-1段掘進(jìn)進(jìn)程，Ⅲa類圍巖，平均月進(jìn)尺630m，Ⅲb類圍巖，平均月進(jìn)尺477m，Ⅳ類圍巖，平均月進(jìn)尺450m，V類圍巖與不良地質(zhì)撐靴換填段，平均月進(jìn)尺140m，其中V類圍巖與不良地質(zhì)撐靴換填段嚴(yán)重滯后施工進(jìn)度。經(jīng)過本次TBM改造后，在保證Ⅲ、Ⅳ類圍巖的掘進(jìn)效率的同時(shí)，在V類圍巖與不良地質(zhì)撐靴換填段，可實(shí)現(xiàn)平均月進(jìn)尺可提升至420m。

TBM改造后，工作效率將得到極大的提升(見表2)，有效地降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，縮短工期，最多可縮短8.2個(gè)月，同時(shí)可避免因處理卡機(jī)、撐靴回填產(chǎn)生的額外成本。

5.2 改造后掘進(jìn)情況

69+635—69+953段：Ⅴ類圍巖，其中69+635—69+651巖性為石炭系泥巖和砂質(zhì)泥巖，層狀，軟弱(69+906處抗壓強(qiáng)度僅為9.6MPa)，遇水軟化，具膨脹性，在刀盤縫隙、護(hù)盾縫隙、出渣口處觀察發(fā)現(xiàn)有凝灰質(zhì)砂巖硬巖塊和軟弱夾層(炭質(zhì)粉砂巖、破碎凝灰質(zhì)砂巖)，塊徑5～20cm；69+651—69+953巖性為石炭系泥質(zhì)砂巖，灰黑、灰色，層狀，中硬，手不可掰動(dòng)，水泡后分解，從巖渣分析，層內(nèi)夾有軟弱夾層。圍巖裂隙發(fā)育，完整性差或破碎，圍巖掉塊較多，圍巖軟硬層位更替比較快(更替間隔50～70m，據(jù)TBM參數(shù)推測(cè))。本段正常掘進(jìn)0.9m花費(fèi)時(shí)間約0.5h，每環(huán)管片正常支護(hù)時(shí)間1～1.5h，掌子面向上游方向約有100m支護(hù)過的管片未出現(xiàn)變形或明顯變形。正常平均日進(jìn)尺10m左右。

69+953—70+228段：Ⅳ類圍巖，巖性為石炭系灰色鈣質(zhì)砂巖和灰黑色炭質(zhì)砂巖，夾薄層砂礫巖(非鈣泥質(zhì)膠結(jié))、灰黑色炭質(zhì)粉砂巖；通過出渣情況分析，巖石為較軟-中硬(69+958處抗壓強(qiáng)度42.6MPa)；通過兩組水泡實(shí)驗(yàn)得出，超過24小時(shí)后巖石無崩解現(xiàn)象；刀盤向掌子面觀察，圍巖以較破碎居多，出渣口巖塊尺寸5～20cm，注漿孔多被碎巖塊堵塞，頂護(hù)盾壓力10～40bar，左護(hù)盾壓力20～83bar，右護(hù)盾壓力196bar(由TBM向右糾斜所致)。灰黑色凝灰質(zhì)砂巖中裂隙發(fā)育，裂面光滑平直，巖屑充填或無充填，灰色中砂巖相對(duì)較完整，裂隙不發(fā)育；TBM掘進(jìn)時(shí)，推力6180～9180kN，貫入度5～15mm/r；刀盤轉(zhuǎn)速2.5～3.5rpm；刀盤扭矩270～630kNm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)情況，Ⅳ類圍巖，可以保持改造前高效率掘進(jìn)；Ⅴ類圍巖，目前已實(shí)現(xiàn)月平均進(jìn)尺300m左右，較改造前掘進(jìn)效率提高了一倍，但距離預(yù)期月進(jìn)尺420m尚存在一定差距。

6 結(jié)語

TBM施工安全系數(shù)和成本控制是企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要經(jīng)濟(jì)表現(xiàn)，本文以某引水工程中其中一臺(tái)TBM為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況及圍巖地質(zhì)條件，對(duì)TBM進(jìn)行升級(jí)改造。TBM穿越不良地質(zhì)段時(shí)，飽受塌方、圍巖破碎等工程問題困擾，本研究在TBM脫困、刀盤擴(kuò)挖、超前注漿、洞壁回填、不撐緊巖壁前進(jìn)等方面，對(duì)TBM進(jìn)行創(chuàng)新性升級(jí)改造，使TBM更加適用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，滿足工程需求。本次升級(jí)改造，提高了TBM施工效率，降低施工成本，縮短工期8.2個(gè)月。本文是工程現(xiàn)不良地質(zhì)環(huán)境針對(duì)性研究，對(duì)與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境相似的工程具有一定的適用性，對(duì)沉積巖、變質(zhì)巖等地層尚存在一定局限性。