用于复杂地质条件的开敞式TBM改造技术

杭苏成

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

输水隧洞工程具有地质条件复杂、隧洞洞线长、隧洞开挖直径大、高工压、全程自流等特点[1]。全断面岩石隧洞掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)是指全断面开挖岩石的高度机械化刀盘式机头掘进机，是集机械、电气、液压、激光导向、自动控制、传感、信息等多项高新技术为一体，高度机械化及自动化的隧洞开挖掘进与衬砌专用大型成套装备[2-4]，主要由主机和后配套两大系统构成，是世界上最先进的隧洞施工机械，相较于传统化学能破岩施工法具有安全、高效、快速、环保、高度集中自动化等优势。TBM通常主要有开敞式和护盾式两种基本类型，护盾式主要分为单护盾和双护盾两类[5]。

1 工程概况

新疆EH调水工程是一项长距离输水工程，其中KS隧洞总长283.3km，为无压输水隧洞，平均埋深428m，最大埋深774m，设计流量40m3/s，纵坡1/2583。KS隧洞地质条件复杂，采用开敞式TBM(全断面硬岩掘进机)、矿山法等多种掘进方式相结合施工。KS段IV标隧洞施工方法为TBM与钻爆相结合，其中TBM掘进总长度为17.67km，开挖洞径7.0m。TBM开挖段由TBM3-1和TBM3-2组成，均由同一开敞式TBM开挖掘进。其中TBM3-1已施工完毕，期间经历多次卡机和进度受阻等情况。TBM3-1与3-2中间设置的检修洞可对TBM机器进行检修和改造。

2 双模式TBM改造原因

当开敞式TBM掘进岩性为泥盆系的凝灰质砂岩，围岩强度较低，撑靴部位围岩软弱破碎，无法为撑靴提供反支撑力，致使TBM无法掘进[6]。现场采取混凝土换填该空腔，待混凝土达到一定强度，能够为撑靴提供足够反力后继续掘进，如此往复循环。现场施工组织难度较大，掘进效率明显下降。同时开敞式TBM刀盘铲斗、滚刀刀座处有较多开口区，破碎围岩通过开口进入刀盘内部形成堆渣，最终导致刀盘卡机[7]。在TBM3-1掘进中多次出现泥盆系凝灰质砂岩软弱破碎围岩致使TBM无法掘进，施工掘进引起塌腔和突涌水导致TBM卡机2次。根据地勘资料显示，TBM3-2掘进段共发育3条较大的断裂，各级围岩占比为：6.42%(Ⅱ级围岩)、57.93%(Ⅲ级围岩)、25.6%(Ⅳ级围岩)和10.04%(Ⅴ级围岩)。且不良地质段分布相对较集中。因此可在TBM3-1与TBM3-2中间的检修洞中对开敞式TBM进行针对性改造。

3 本工程TBM改造方向

根据现场实际施工现况及地质预报情况，结合国内外实际工程经验及相关论文，如姜天宇[8]在TBM法在大伙房输水工程施工中的应用论述；陈馈、杨延栋、高黎等[9]结合贡山隧道工程对复杂地质下TBM施工进行探讨等。决定对现场开敞式TBM实施针对性改造，具体改造方案如下。

(1)通过集中不良地质段时，将开敞式TBM改造为护盾式TBM，支护型式由钢拱架+钢筋排模式切换为管片模式。

(2)考虑本段围岩较差，且现场有专业地质超前预报小组。当探测前方地质较差时，TBM设备有相应超前地质改良设备，通过注浆等手段改善不良地质段。

(3)开敞式TBM卡机时可利用脱困模式脱困，部分情况下因为主驱动扭矩不足导致脱困失败，因此本工程可对主驱动减速机减速比改造，解决TBM脱困扭矩不足问题。

(4)本工程为输水隧洞，采用护盾模式洞段与开敞式TBM洞段结构内径应保持一致，因此应结合支护体系和结构尺寸综合考虑护盾式TBM洞段开挖直径，并相应设计TBM扩挖方案。

(5)应有效控制刀盘进渣及设置辅助推进系统等。

4 TBM改造方案

4.1 管片支护体系

4.1.1管片材料选择

目前护盾式TBM采用管片材料通常为混凝土管片和钢管片[10]。混凝土管片具有耐久性好、结构强度高、工程造价较低等优势。但本工程掘进机均采用开敞式TBM，施工现场没有混凝土管片厂，如采用混凝土管片，需要增设管片场，投资过大。而且混凝土管片自重较大，对管片拼装机功率等要求较高，对TBM主驱电机等改造难度相应增大。综合考虑后选取钢管片作为本工程护盾式开挖段支护体系。

4.1.2管片支护

(1)管片参数

管片外径采用6940mm，内径为6540mm，管片厚度200mm。根据现场施工进度及施工组织分析，最终确定管片宽度为900mm。管片拼装方式为错缝拼装，连接方式为螺栓连接。管片均采用Q235B型钢材。管片安装时底部放置预制混凝土垫块，垫块由3个20°小块组成。

管片一环由3片A块，B、C及K块组成。其中A块角度为72°，B、C块为84°，K块为36°，整环注浆孔个数为10个。为方便现场安装，管片设置定位销，定位销按相邻夹角18°设置。管片宽度为900，中间设置2道加强板，板厚为10mm。管片端板采用16mm钢板。外弧板采用12mm钢板。其中吊装孔加强板采用12mm钢板。整环管片重约5t。具体参数见表1—2。

表1 钢管片基本信息表

表2 钢管片钢材具体参数表

(2)防腐处理

管片制作完成后，外弧板、端板的外露表面均需涂无溶剂超厚膜型环氧涂料二度，具体要求如下：涂环氧涂料前钢管片表面应作除锈处理，除锈质量达到S3级。除锈后的钢管片外弧板、端板在管片厂先涂702环氧富锌底漆20μm(一涂)，待固化后再涂无溶剂超厚膜型环氧涂料，800μm(约二涂)。内弧板、筋板和环纵向加强板除锈后在管片厂涂702环氧富锌底漆20μm(一涂)。

(3)管片结构验算

根据TBM3-1已掘进现场实际情况分析，施工掘进期间隧洞局部段顶部会形成小塌腔，塌腔高度为1.5m左右。因为本设备改造与传统护盾式TBM构造不同(护盾非整环且盾尾刷效果不佳)，管片不能同步注浆，因此管片刚出护盾时壁后未注浆，管片腰部、顶部等均与围岩脱离，此时结构受力不利。运行期工况，钢管片需承担围岩荷载，因此计算时应考虑运行期工况和管片拼装完成但未壁后注浆工况。其中围岩压力各项值详见表3。

表3 荷载计算(设计值)成果表

模型由Midas GTS NX建模并计算钢管片受力情况，钢管片均采用实体单元模拟，运行期工况计算结果如图1—3所示。

根据图1—3三维结构模型计算结果可知：运行期工况钢管片变形较小，且在未考虑内部衬砌的情况下钢管片应力最大值为127MPa<215MPa(Q235钢板抗拉强度设计值)。钢管片结构满足设计要求。

图1 管片竖向位移云图

出护盾壁后未注浆工况计算结果如图4—6所示。

根据图4—6三维结构模型计算结果可知：出护盾壁后未注浆工况钢管片变形较小，塌方1.5m松散体直接作用在钢管片的情况下钢管片应力为32～129MPa(模型网格划分大小原因，出现局部结果奇异点，占比均小于1%)<215MPa(Q235钢板抗拉强度设计值)。钢管片结构满足设计要求。

图2 管片水平位移云图

图3 管片有效应力云图

图4 管片竖向位移云图

图5 管片水平位移云图

图6 管片有效应力云图

4.2 增设超前钻注一体机

在现有锚杆钻机的轨道架设超前钻注一体机，可根据超前地质预报有针对性的对前方不良地质段进行超前注浆、施工管棚等。钻注一体机工作空间为拱顶120°，外插角为6°，同时在护盾相应工作范围内设置超前预留孔，钻机及注浆管均利用该孔作业。本钻注一体机在独立支架的基础上还需配备齿圈，周向旋转等均利用马达驱动，操作简便。超前钻注一体机作业时，在达到钻进里程时，钻进到达计划深度后，退出钻机及钻杆，前端钻头与套管留在孔内。当钻孔完毕后，将凿岩钻杆退出，安装好止浆塞及管路，进行注浆。具体施工工序详如图7所示。

图7 超前钻注一体机施工工序图

4.3 改造主驱动减速机减速比

根据地勘报告，TBM3-2段断裂带范围主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩，刀盘卡机的风险较高，因此可对刀盘驱动进行改造，提高TBM脱困扭矩达到轻微卡机时自行脱困目的。本工程开敞式TBM主驱动设计额定扭矩为4410kN·m，正常掘进时扭矩为2000～2400kN·m。根据TBM3-1刀盘卡机脱困模式下掘进数据分析(如图8所示)，刀盘脱困扭矩最大时达到6620kN·m。故遇到破碎带等不良地质卡机时需要提高困能力。通过改造，将减速比改造为i=26后，额定扭矩为6090kN·m，脱困最大扭矩可达9130kN·m，脱困能力可提升约1.38倍[11]。

图8 TBM3-1脱困模式扭矩数据图

4.4 刀盘扩径改造

TBM改造后支护型式由钢拱架+钢筋排改为钢管片型式，钢拱架+钢筋排段喷混厚度为150～180mm，管片厚度为200mm。本工程为输水隧洞，为保证水流稳态，管片施工段衬砌内径应与开敞式TBM掘进段一致。同时考虑TBM盾尾间隙及盾壳厚度等因素，确定TBM护盾模式段开挖直径为7130mm，相较原开挖直径扩挖100mm。TBM卡机地层撑靴撑靴最大调向量约为63mm。TBM原撑靴全部缩回后，到钢管片内弧面最小距离125.7mm，满足通过要求。通过现场局部调整TBM后配套与钢管片直径安全距离可以维持在200mm。因此护盾模式段开挖直径为7130mm符合改造要求。

考虑新开挖直径相较原开挖直径增加100mm，且根据地勘报告可知TBM3-2洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩相对较集中。本次TBM改造扩挖段较短，综合分析后考虑本次改造采用刀盘垫块扩挖的方式(如图9所示)。本方式相对常规更换刀盘边缘刀座扩径方式有施工简便、快速、经济等优势。

图9 滚刀超挖示意图

4.5 刀盘进渣量控制改造

开敞式TBM在破碎围岩中掘进时，破碎岩块极易通过刀盘铲斗区域进入刀盘造成TBM卡机。针对该现象，本次改造拟在铲斗区域设计封板，调节铲斗开口，在滚刀刀座开口区域增加封板，减小滚刀刀座处的开口率，减少石块进入刀座的概率。具体设计如图10—11所示。

图10 铲斗区域增设封板示意图

图11 滚刀刀座处增设封板示意图

4.6 护盾及辅助推进系统改造

本开敞式TBM改造后为开敞式+护盾式双模式TBM，当TBM采用护盾式模式掘进时，支护体系为钢管片体系。管片拼装及TBM推进系统等均需操作空间，因此护盾需改造。通过施工组织分析，决定改造后的护盾长度为5170mm，长度相较原护盾增加了500mm。单护盾模式掘进时，在护盾内部拼装钢管片，通过钢管片提供推进反力，因此对护盾进行针对性改造设计，增加辅助推进油缸，同时护盾处因预留超前注浆孔和化学灌浆孔。盾壳尾部做成指形护盾结构，不影响锚杆钻机打孔。通过TBM3-1推进数据可知：2019年1月卡机，查询此时间段内，TBM在不良地质段推力范围为7000～8000kN。2020年3—4月，TBM恢复施工以后，TBM围岩转好，推力范围9800～12000kN。根据TBM护盾结构在顶护盾、搭接护盾、侧护盾均设计导向座加强结构，并布置油缸。护盾周圈布置油缸14根，油缸规格Φ200/φ180-1100。额定推力13854.4kN@315bar、最大推力15393.8kN@350bar，在本工程较破碎围岩下掘进时，总推力余量为28.28%。

制护盾，周圈布置辅助推进油缸，利用钢管片提供推进反力，实现不撑紧洞壁掘进。护盾具体参数详见表4。

表4 护盾结构参数表

护盾与主驱动箱之间增加伸缩导向座，并增加机械限位，加强结构强度，适应长距离辅助推进。顶护盾与左右护盾安装行程传感器，便于实时监控盾体内腔尺寸，保证管片成环拼装。导向座内部设计定位销，同时安装机械限位装置，用于单护盾模式掘进时固定护盾外圆。护盾顶部140°范围内设计超前注浆孔，用于单护盾模式掘进时超前管棚注浆支护。辅助推进油缸布置避开钢管片错缝位置。辅助推进系统支撑力由首环钢管片安装的反力支架以及撑靴进入钢管片前壁后注浆稳固钢管片的方式提供。

4.7 安装多功能拼装机

原开敞式TBM配备的钢拱架拼装机由旋转环和撑紧环组成，旋转环与主驱动固定，不具备行走功能，撑紧环具备行走及撑紧功能，但不具备旋转功能。因此该拼装机仅能拼装钢拱架，无法拼装钢管片。改造后的钢拱架拼装机，具有回转及撑紧多功能一体化。其中移动架中油缸驱动整机前后移动，移动行程1.8m左右。原V型轨道结构强度不满足钢管片重量拼装要求，因此本次改造将原轨道结构改为管片拼装机轨道形式，同时保留锚杆钻机V型轨道，当TBM恢复开敞式模式时锚杆钻机仍可正常工作。在移动架回转机构上安装管片举升抓举装置，本装置采用分段设计，便于现场拆装。钢管片抓举机构采用小盾构机成熟的抓举装置，结构紧凑，体积小。可实现多自由度调整，保证拼装精度。其中本工程采用的抓举头规格应与钢管片设计吻合，同时满足现场快速安装的效果。当TBM恢复开敞式模式时，钢管片拼装模式停用，此时可在现场快速拆除抓举头和举升油缸。因本拼装机未全部拆除，锚杆钻机前后行程为1.8m。

5 改造前后现场效果

(1)改造后TBM现场施工进度明显改善。当通过不良地质段时，开敞式TBM月进尺约为160m，护盾式TBM月进尺为350m。开敞式TBM通过不良地质段需人工支模及灌注混凝土，钢管片模式时管片拼装、灌浆等均采用机械自动化模式，大大提高施工效率和施工安全。

(2)当TBM3-2开挖至KS70+210时，刀盘正常启动时瞬间扭矩过大无法转动。该情况于2019年9月8日TBM3-1开挖KS64+412处已有发生。当时采用脱困模式和反转模式均无法转动。本次改造对主驱动减速机进行改造，TBM启动时采用脱困模式，脱困扭矩瞬间达到10100kN·m，刀盘即可正常转动，之后快速进行正常掘进工作。揭露出的不良地质段开挖断面可尽早推进至喷混桥处，达到快速封闭开挖面的目的。

(3)当TBM3-2开挖至KS70+210时，超前地质预报显示前端存在破碎围岩段，现场通过分析后及时采用超前钻注一体机进行超前地质灌浆处理。通过掘进该破碎带推力及护盾处压力分析，本次超前地质处理效果明显，达到预期效果。超前钻注一体机的使用改变施工队伍对不良地质段被动的情况，通过超前地质灌浆，变被动为主动，为安全快速施工提供强有力地保障。

(4)现场管片拼装后完整性较好(如图12所示)，通过阵列式位移计监测数据可知管片最大沉降发生于KS70+940，最大沉降值为7.07mm。水平最大位移发生于KS70+432，水平最大位移为10.95mm。管片变形均在设计要求范围内，满足设计要求。

图12 管片拼装后现场效果图

6 结语

(1)本工程为国内长距离调水项目极少数采用钢管片案例，且采用钢管片2299环，洞段长度约为2.07km，长度较为罕见，后续将对管片防腐效果及变形等进行详细跟踪监测，为其他类似工程提供参考借鉴。

(2)本次TBM改造成功为TBM发展提供新方向，将为TBM形式带来新的突破。后续面临复杂地质条件的地下隧洞工程，开敞式+护盾式的双模式TBM必将成为首选。

(3)通过现场验证本次TBM改造达到预计效果，月进尺由150m提高为400m。顺利解决了开敞式TBM通过不良地质段卡机的问题，为类似工程提供TBM改造方向。