大直徑大坡度連續(xù)超小半徑轉彎TBM關鍵技術研究及應用

王鵬星, 賀 飛, 寧向可, 僧雄飛

(中鐵工程裝備集團有限公司, 河南 鄭州 450000)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機(以下簡稱TBM)施工具有掘進速度快、成形質量高、安全、環(huán)保等多種優(yōu)點[1],已被廣泛運用在水利、鐵路、市政交通等領域[2-4],并積累了大量的TBM選型施工經驗。受工程需求變化影響,近年來,軍工、礦山領域和抽水蓄能電站陸續(xù)引入TBM工法。與傳統水利、鐵路等領域不同,抽水蓄能電站、礦山巷道等領域洞室建設普遍存在縱坡坡度大、轉彎半徑小、掘進路線復雜、單個隧洞掘進長度短等特點,采用常規(guī)TBM已無法滿足工況需求。

為推進TBM在這些新興領域的應用,國內外研究者開展了一些研究和應用工作。葉復萌等[5]總結了抽水蓄能電站地下洞室集群修建TBM關鍵技術,并依據該類地下隧洞的特點,提出大直徑小轉彎TBM、“精靈”TBM和大傾角斜井TBM 3項關鍵技術; 施云龍等[6]借鑒地鐵盾構相關規(guī)范,首次提出將隧道轉彎半徑R≤10D(D為隧洞直徑)作為超小半徑轉彎隧洞界定標準; 姜禮杰等[7]針對目前TBM轉彎半徑受限的問題,設計一種可實現TBM超小半徑轉彎的新型推進系統; 王洪玉等[8]介紹了抽水蓄能電站排水廊道、交通洞和斜井TBM施工關鍵技術及其在部分項目的應用情況; 王杜娟等[9]對雙護盾TBM在適應城市地鐵小轉彎方面做了相應的研究; 陳寶宗等[10]、路振剛等[11]以文登抽水蓄能電站排水廊道建設工程為例,介紹了小直徑緊湊型超小半徑轉彎TBM的研究及應用情況; 李富春等[12]對在抽水蓄能電站中如何更好地使用TBM施工進行了研究。

上述研究工作多是針對小直徑小轉彎TBM,對于大直徑大坡度超小半徑轉彎TBM關鍵技術并未涉及或深入研究應用。本文以撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道工程為背景,針對大直徑、大坡度、超小半徑轉彎的工程需求,研究開發(fā)出一種大直徑大縱坡超小半徑轉彎TBM,并通過工程應用驗證結論、提出建議,以期為大直徑超小半徑轉彎TBM在抽水蓄能電站交通洞及通風洞的后續(xù)應用提供參考。

1 工程概況及重難點分析

1.1 工程概況

撫寧抽水蓄能電站位于河北省秦皇島市撫寧區(qū),電站距秦皇島市公路里程70 km。電站安裝4臺單機容量為300 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機,總裝機容量為1 200 MW,額定發(fā)電水頭433 m。TBM主要施工進廠交通洞、通風洞及穿越廠房洞段,全長2 243.8 m,隧洞開挖直徑為9.53 m。進廠交通洞和通風洞洞口位于下水庫攔河壩下游左側Y3公路旁,交通洞長886.6 m,最大縱坡為-9%;通風洞長1 193.2 m,縱坡坡度為2.5%;廠房段長164 m。隧洞包括7處轉彎,廠房段平面轉彎半徑為90 m,其余洞段轉彎半徑為100 m。交通洞和通風洞隧道縱剖面如圖1所示,水平線路如圖2所示。

圖1 撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道縱剖面圖

圖2 撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞隧道水平線路圖(單位: m)

隧洞埋深為13～300 m,巖性以混合花崗巖和鉀長花崗巖為主,圍巖的單軸飽和抗壓強度平均為150 MPa,最大為240 MPa。隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖為1 262.4 m,占比56%; Ⅳ類圍巖為819.2 m,占比37%; Ⅴ類圍巖為162.2 m,占比7%。各類圍巖占比餅狀圖如圖3所示。隧洞多位于地下水位以下,巖體具有弱—微透水性,斷層、節(jié)理密集發(fā)育部位為中等—強透水性,施工過程中局部可能存在暫時性承壓水、涌水。推斷穿越通風洞和交通洞沿線的斷層分別有13條和8條,斷層及影響帶寬度2 m以上的有4條,其中,J1斷層影響帶寬5.5 m,J2斷層影響帶寬10～15 m。

圖3 TBM掘進段各類圍巖占比

1.2 重難點分析

本工程TBM施工具有開挖直徑大、坡度大且頻繁變坡、連續(xù)超小半徑轉彎、不良地質段占比高等特點,采用TBM施工存在如下難題:

1)連續(xù)超小半徑轉彎TBM結構設計難。在超小半徑轉彎曲線段,TBM各系統部件之間、各系統部件與洞壁之間均會產生較大的相對位置變化,容易產生結構干涉,特別是主機,如不能適應超小半徑曲線,容易“卡死”,后配套拖車在超小半徑轉彎曲線段存在傾斜、輪對脫軌等風險。

2)連續(xù)超小半徑轉彎TBM皮帶機出渣難。在超小半徑轉彎曲線段,由于皮帶內弧線與外弧線所受張力不同,皮帶容易出現跑偏、漏渣、異常磨損、翻帶等現象,影響TBM正常掘進。

3)連續(xù)超小半徑轉彎TBM導向難。在超小半徑轉彎曲線段,TBM姿態(tài)控制困難,加之為適應小轉彎,TBM主機采用多段式鉸接、多自由度空間結構設計,導向系統定位難、解算難、穩(wěn)定難。

4)大坡度頻變縱坡、連續(xù)多次轉彎工況下出渣系統和物料運輸系統設計難。TBM掘進線路最大縱坡坡度為-9%和+6.6%,且整個線路共7個轉彎。常規(guī)有軌列車編組最大適應縱坡坡度約為4%,無法滿足本項目大縱坡坡度要求;常規(guī)連續(xù)皮帶機出渣方式力無法適應連續(xù)多次超小半徑轉彎。

5)大直徑超小半徑轉彎隧洞TBM通過斷層破碎帶難。同等地質條件下,直徑越大,TBM在斷層破碎帶洞段支護工作量越大,圍巖收斂變形越大。因此大直徑TBM在超小半徑轉彎洞段通過斷層破碎帶更為困難,更容易與洞壁產生干涉。

2 TBM針對性設計

撫寧抽水蓄能電站交通洞和通風洞開挖直徑為9 530 mm,線路共設計7處轉彎,最小轉彎半徑僅為90 m。直徑8 m級以上大斷面TBM最小轉彎半徑多在500 m以上,90 m超小半徑轉彎尚屬世界首例,如表1所示。這種開挖斷面大、轉彎半徑超小、轉彎次數多且采用TBM施工的工程國內外尚無先例,TBM的設計也無可參考案例。

表1 國內外部分直徑8 m級以上TBM轉彎半徑統計

同時,該項目縱坡坡度大且變化頻繁,Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比達44%,存在斷層破碎帶等不良地質,需要考慮隧洞初期支護后便于TBM通過。因此,綜合本項目特點,對TBM進行針對性設計。

2.1 采用“雙護盾主機結構+錨網噴支護相結合”的創(chuàng)新整機集成設計

TBM從結構形式上分為敞開式TBM和護盾式TBM。敞開式TBM又可細分為水平支撐主梁式TBM和雙X型支撐凱式TBM。大量施工經驗表明,敞開式TBM由于主機剛性結構長,轉彎適應能力弱,水平支撐主梁式TBM能夠適應的最小轉彎半徑一般不小于50倍開挖洞徑,雙X型支撐凱式TBM能夠適應的最小轉彎半徑一般不小于30倍開挖洞徑。護盾式TBM又可細分為單護盾TBM和雙護盾TBM,護盾式TBM由于主機剛性結構短,轉彎適應能力強,再通過特殊設計,可實現最小轉彎半徑小于10倍開挖洞徑的目標。

本項目開挖洞徑為9.53 m,最小轉彎半徑為90 m,敞開式TBM主機結構顯然無法滿足超小半徑轉彎需求,因此從轉彎適應性方面考慮,宜選用護盾式主機結構。本項目存在斷層破碎帶等不良地質,按照隧道支護設計要求,Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均需進行初期支護,支護占比達60%以上。從本工程地質特點、支護結構和施工成本方面考慮,宜采用錨網噴支護形式。單護盾TBM必須通過管片提供反力進行掘進,無法適用于錨網噴支護形式。因此,TBM整機方案采用雙護盾主機結構+錨噴支護相結合的創(chuàng)新集成設計。

同時,為適應半徑90 m小轉彎,對雙護盾式主機結構做如下特殊設計:

1)取消尾盾和輔推油缸,縮短主機長度;

2)盾體中心與刀盤中心采用下偏心設計,由此獲得較大的盾體與洞壁間隙,便于轉彎;

3)針對性設計盾體尺寸鏈和內、外伸縮盾間隙,盾體直徑前大后小,呈倒錐式結構;

4)前盾布置穩(wěn)定器,掘進時采用低壓模式減少震動,換步時采用高壓模式穩(wěn)定盾體,更利于TBM在超小半徑轉彎段掘進換步;

5)撐靴采用“三點支撐”結構,增大支撐盾內部空間,為主機皮帶機在超小半徑轉彎段預留足夠的跑偏調整空間;

6)取消管片拼裝機,在支撐盾上集成設計鋼筋排存儲裝置,在支撐盾尾部設計主梁,在主梁上集成設計拱架拼裝機、錨桿鉆機及超前鉆機系統。

“撫寧號”TBM整機如圖4所示,主機如圖5所示,TBM主要技術參數見表2。

表2 TBM主要技術參數

圖4 “撫寧號”TBM整機

圖5 “撫寧號”TBM主機

2.2 采用“多分段、短機架、機架上下左右可調”的TBM皮帶機設計

為適應R=90 m超小半徑轉彎,TBM皮帶機做如下針對性設計:

1)皮帶機架采用多分段設計,縮短單節(jié)皮帶架長度,同時皮帶機架采用搭接非固定式設計,左右可移動調整,便于小轉彎段左右移動皮帶架來調整皮帶跑偏,如圖6所示。

圖6 搭接非固定式皮帶架

2)皮帶機設計上下膠帶壓輥及擋輥,如圖7所示,解決小曲線段掘進皮帶由于內外存在張力差造成跑偏、翻帶問題。

圖7 皮帶機擋輥、壓輥示意圖

3)增大主機皮帶機落料斗與后配套皮帶機接渣斗左右搭接量,避免超小轉彎段兩者發(fā)生相對位移而造成漏渣,如圖8所示。

圖8 超小半徑轉彎段落料斗與接渣斗錯位示意圖

2.3 采用“激光靶+雙目相機融合”的自動導向系統

為解決超小半徑轉彎TBM掘進導向系統存在的“定位難、解算難、穩(wěn)定難” 3大難題,采用“激光靶+雙目相機融合”的自動導向系統,如圖9所示。

圖9 “激光靶+雙目相機融合” 的自動導向系統

綜合解決方案如下:

1)傳遞測量。先用激光靶測量出支撐盾姿態(tài),再用支撐盾姿態(tài)測量前盾。

2)視覺測量。安裝在支撐盾前端的雙目相機測量前盾尾的Mark燈組,利用布爾莎模型解算前盾7參數。

3)高速捕捉。配置具有高速捕捉功能的相機,可實現對前盾體Mark燈組瞬時捕捉,實現瞬時解算前盾姿態(tài)的功能。

2.4 采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣及物料運輸方式

常規(guī)有軌列車編組出渣方式及常規(guī)連續(xù)皮帶機出渣方式均無法滿足本項目大縱坡坡度、連續(xù)多次小半徑轉彎的實際工況,因此本項目進行創(chuàng)新,首次在TBM施工上采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣及物料運輸方式,如圖10所示。

圖10 旋轉棧臺+膠輪自卸車

其次,為保障出渣作業(yè)連續(xù)性,在TBM尾部皮帶機落渣處設計分渣裝置,如圖11所示。

圖11 分渣裝置

為保障膠輪自卸車在隧洞內安全行駛和錯車,在旋轉棧臺后部區(qū)域配備裝載機,利用洞渣及時回填洞底形成平臺,如圖12所示。

圖12 裝載機鋪底作業(yè)

2.5 采用“寬踏面+可旋轉”的后配套輪對設計

為適應R=90 m超小半徑轉彎,“撫寧號”后配套輪對采用“寬踏面+可旋轉”設計,如圖13所示?！皩捥っ妗笨墒馆唽υ谲壍郎暇哂懈笳{整量,“可旋轉”使輪對與后配套主結構框架具有一定角度調整,兩者配合,使后配套更易適應超小半徑轉彎曲線。

圖13 “撫寧號”輪對示意圖

2.6 采用“大間隙”鉸接耳座設計

縱坡發(fā)生變化時,鉸接耳座前后部件會產生上下高差錯位,縱坡坡度變化越大,上下高差錯位越多。為適應本工程大坡度頻變縱坡工程需求,鉸接耳座設計時,耳板之間預留大間隙,如圖14所示。

(a)

3 應用效果

3.1 TBM應用情況

“撫寧號”TBM為國內首臺應用于抽水蓄能電站交通洞和通風洞的大直徑小轉彎TBM,該TBM從2021年10月25日始發(fā)掘進,歷時1年,于2022年10月24日貫通,累計掘進2 243.8 m,最高日進尺21.2 m,最高月進尺303 m。TBM現場施工圖片如圖15所示。

(a) TBM始發(fā)

實際掘進施工揭露的地質條件好于初設地勘,以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主,Ⅲ類圍巖約占85%、Ⅳ類圍巖約占15%,無Ⅴ類圍巖;交通洞、通風洞沿線實際共穿越斷層和破碎帶28條,主要寬度小于1.0 m,未發(fā)生卡機、突涌水等問題。隧洞圍巖如圖16所示。

(a) Ⅲ類圍巖

3.2 出渣運輸體系設計優(yōu)化

“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣運輸體系設計在施工初期切實解決了大縱坡坡度、連續(xù)多次轉彎工況下TBM出渣及物料運輸難題,但隨著掘進里程的增加,其缺點也逐漸暴露,主要體現在以下4個方面:

1)膠輪自卸車在旋轉棧臺上調頭、后退、錯車及洞內往返需要時間,運渣效率較低,影響TBM掘進速度。

2)受洞內空間限制,2輛自卸膠輪車并排停放時,占用TBM尾部進入TBM前部的通道,影響支護材料等物料運輸,同時也影響施工人員通行,存在施工安全風險。

3)自卸車運渣過程中,漏渣漏水,道路泥濘,影響運輸安全和文明施工。

4)“撫寧號”TBM整機長約85 m,屬于緊湊機型,旋轉棧臺長約70 m,TBM拖拉旋轉棧臺后整體長度達到135 m(設備重合約20 m),設備整體長度增長,不利于小轉彎段設備整體通過性,小轉彎時,旋轉棧臺輪對易脫軌。

基于上述原因,在撫寧抽水蓄能電站進廠交通洞和通風洞施工后期,優(yōu)化設計,改用組合式皮帶機出渣。通過實際工程應用,驗證在連續(xù)小轉彎工況下組合式皮帶機出渣方案是否可行。

撫寧隧洞組合式皮帶機整體采用“3段固定式皮帶機+1段連續(xù)式皮帶機搭接”的方案,如圖17所示,組合式皮帶機基本參數如表3所示。

表3 組合式皮帶機基本參數

圖17 組合式皮帶機方案

“旋轉棧臺+膠輪自卸車”與組合式皮帶機2種出渣方式施工數據統計如表4所示。圖18示出2種出渣方式TBM掘進利用率分析。

表4 2種出渣方式施工數據統計

(a) “旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣

從表4和圖18可知: 采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣,TBM平均日進尺6.2 m,最高月進尺255 m,平均掘進速度為0.9 m/h; 采用組合式皮帶機出渣,TBM平均日進尺8.6 m,最高月進尺303 m,平均掘進速度1.4 m/h,采用組合式皮帶機出渣,出渣效率提高55.5%。該數據對比驗證了在連續(xù)超小半徑轉彎工況下采用組合式皮帶機的出渣方案是可行的,且能夠明顯提高TBM平均掘進速度。

通過數據對比還可看出,采用“旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣TBM掘進利用率為36.1%,采用組合式皮帶機出渣TBM掘進利用率為31.6%,主要原因在于: 1)組合式皮帶機屬于首次應用,附帶試驗性質,初期使用階段,轉彎段皮帶跑偏調整不徹底,特別是4號連續(xù)皮帶,進出轉彎段掘進換步時需頻繁對皮帶進行跑偏調整,耗時較長; 2)組合式皮帶機采用較為復雜的“多級控制、順序啟?！笨刂葡到y,前期使用出現多次故障,這2點主要因素影響了TBM掘進利用率。

同時,改為組合式皮帶機的出渣方案后,TBM出渣與物料運輸及人員通行互不干涉,文明施工顯著提高。圖19示出了采用2種出渣方式時洞內文明施工對比。

(a) “旋轉棧臺+膠輪自卸車”出渣 (b) 組合式皮帶機出渣

4 結論與建議

“撫寧號”TBM是大直徑連續(xù)超小半徑轉彎TBM首次成功應用在抽水蓄能電站交通洞、通風洞領域,為后續(xù)類似大直徑連續(xù)超小半徑轉彎TBM施工應用積累了經驗。同時,施工后期組合式皮帶機出渣方案的成功應用,驗證了其在連續(xù)超小轉彎工況下的可行性,為后續(xù)連續(xù)超小半徑轉彎隧洞施工出渣方式的選擇提供了新的參考。主要結論與建議如下:

1)在抽水蓄能電站進廠交通洞和通風洞采用大直徑超小半徑轉彎TBM施工切實可行,且具有施工效率高、環(huán)境破壞小、綠色低碳等優(yōu)點。

2)采用雙護盾主機并結合錨噴支護形式創(chuàng)新集成設計的TBM能夠適應大直徑超小半徑轉彎工況。

3)在雙護盾TBM的支撐盾上集成設計鋼筋排存儲系統的方案是可行的。

4)“旋轉棧臺+膠輪自卸車”的出渣運輸體系設計能夠解決大縱坡坡度、連續(xù)多次轉彎工況下TBM出渣及物料運輸難題,且施工成本相對較低,故障率相對較少,但影響TBM掘進速度、阻礙物料運輸及人員通行、文明施工較差。

5)在連續(xù)超小半徑轉彎工況下采用組合式皮帶機的出渣方案是可行的,且組合式皮帶機出渣方案在提高TBM掘進速度方面具有突出的優(yōu)勢,但超小半徑轉彎皮帶跑偏調整技術和“多級控制、順序啟?！钡目刂葡到y有待進一步研究。

針對后續(xù)抽水蓄能電站交通洞及通風洞隧洞建設,如采用TBM施工,建議進一步加強對施工配套技術的研究,如對“雙向駕駛物料運輸車+連續(xù)皮帶機”的物料運輸體系進行研究。同時,建議加強對TBM智能化的研究,如研究智能噴漿系統、刀具狀態(tài)實時監(jiān)測等。