陳 饋， 楊延棟

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

高黎貢山隧道高適應(yīng)性TBM設(shè)計探討

陳 饋， 楊延棟

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

為了應(yīng)對高黎貢山隧道“三高四活躍”的特殊地質(zhì)條件，研制高適應(yīng)性TBM迫在眉睫。通過對高黎貢山隧道TBM施工段地質(zhì)特征的勘察，總結(jié)了高黎貢山隧道的主要不良地質(zhì)條件，分析了TBM施工存在的軟弱破碎和大變形圍巖洞段TBM卡機、高地應(yīng)力掌子面與護(hù)盾后方巖爆、圍巖收斂擠壓變形支護(hù)破壞、高壓突涌水和高溫?zé)岷Φ确矫娴氖┕わL(fēng)險。提出高適應(yīng)性TBM的針對性設(shè)計方案，包括TBM支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計、刀盤刀具設(shè)計、應(yīng)對涌水設(shè)計、應(yīng)對高地?zé)嵩O(shè)計以及其他適應(yīng)性設(shè)計的初步方案。研究結(jié)果可為高黎貢山隧道高適應(yīng)性TBM的設(shè)計選型和制造提供參考。

高黎貢山隧道； 開敞式TBM； 施工風(fēng)險； 適應(yīng)性設(shè)計

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(Tunnel Boring Machine, TBM)作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備，已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道、水利隧洞、城市軌道以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。然而,由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變、斷面設(shè)計差異大等原因，導(dǎo)致TBM施工設(shè)備通用性較差。針對不同的隧道工程，TBM幾乎都需要進(jìn)行“量體裁衣”式的設(shè)計，若TBM的選型不能適應(yīng)所建工程的地質(zhì)特征，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的施工風(fēng)險和工程進(jìn)度嚴(yán)重滯后，并造成重大經(jīng)濟損失。

目前，針對不同的隧道工程，國內(nèi)企業(yè)和研究學(xué)者主要從TBM制造和施工技術(shù)2個方面開展了大量研究。中鐵工程裝備集團研制了直徑為8.03 m的開敞式TBM，用于吉林省中部引松供水工程項目[2]；中國鐵建重工集團研制了適應(yīng)大坡度煤礦斜井的單護(hù)盾TBM，用于神華集團鄂爾多斯補連塔煤礦2號副斜井工程[3]；中信重工集團研制了5 m小直徑硬巖TBM，用于引故入洛引水工程的1號隧洞[4]；北方重工研制的豎井全斷面TBM在淮南張集煤礦完成了掘進(jìn)試驗[5]；中鐵隧道集團結(jié)合中天山鐵路隧道特點，對直徑8.8 m開敞式TBM進(jìn)行了再制造[6]；盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室建立滾刀試驗平臺，對滾刀破巖效率進(jìn)行了研究[7]；譚青等[8]、夏毅敏等[9]對滾刀破巖進(jìn)行了大量實驗與數(shù)值計算，豐富了滾刀高效破巖理論；施虎等[10]通過刀盤動力學(xué)分析，提高了TBM掘進(jìn)電液動力傳動效率；李術(shù)才等[11]開展了深長隧道突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報方法與定量識別理論研究；劉泉聲等[12]深入研究了煤礦超千米深部地質(zhì)特征及TBM施工擾動下的圍巖力學(xué)行為。

高黎貢山隧道工程地質(zhì)復(fù)雜，需要對不良地質(zhì)條件下TBM的施工風(fēng)險進(jìn)行分析，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上深入開展針對性設(shè)計方案研究，從而改進(jìn)設(shè)計，研制更適合于該工程的TBM設(shè)備。

1 隧道工程概況與地質(zhì)特征

1.1 隧道工程概況

新建大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區(qū)，東起廣大鐵路終點大理站，向西至瑞麗，線路全長約330 km。制約大瑞鐵路貫通的關(guān)鍵性工程高黎貢山隧道全長34.5 km，是目前國內(nèi)在建第一特長單線鐵路隧道，是世界第七長大隧道[13]。

高黎貢山隧道地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道進(jìn)口段接怒江大橋，地形較為陡峻；出口段靠近龍川江，地形分布相對較為寬闊；隧道區(qū)內(nèi)地表溝谷縱橫，山脈、河流相間，地表高程640～2 340 m，相對高差約1 700 m，地形起伏大。

高黎貢山隧道具有“三高”(高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件、活躍的岸坡淺表改造過程)的地質(zhì)特征，為本工程的建設(shè)帶來極大的挑戰(zhàn)。

高黎貢山隧道出口段擬采用主洞大直徑TBM+平導(dǎo)小直徑TBM施工。主洞TBM開挖直徑9.03 m，掘進(jìn)全長12.37 km，最大坡度為-9‰，最大埋深為1 155 m。其中有2段共計長度為300 m采用鉆爆法施工后步進(jìn)通過；2段共計長度為140 m擴挖段，擴挖直徑增加10 cm。平導(dǎo)TBM開挖直徑約6 m，掘進(jìn)全長10.18 km，其中有2段共計180 m采用鉆爆法施工后步進(jìn)通過。

設(shè)計小直徑TBM施工平導(dǎo)的目的： 1)利用其超前作用，為主洞大直徑TBM探明地質(zhì)條件； 2)快速到達(dá)并采用鉆爆法處理老董坡和廣林坡2大斷層，以保障大直徑TBM到達(dá)時能順利步進(jìn)通過，減小施工風(fēng)險，減少TBM停機等待時間； 3)與2#豎井出口方向平導(dǎo)盡快貫通，降低豎井施工難度及安全風(fēng)險。高黎貢山隧道施工平面布置如圖1所示。

圖1 高黎貢山隧道施工平面布置(單位： m)

1.2 隧道TBM段地質(zhì)特征

高黎貢山隧道出口TBM施工段內(nèi)，地表零星覆蓋第四系全新統(tǒng)滑坡堆積、坡崩積、沖洪積、坡洪積、坡積、坡殘積，上更新統(tǒng)沖洪積軟土、粉質(zhì)黏土、粗砂、礫砂、細(xì)圓(角)礫土、粗圓(角)礫土、碎石土、卵石土、漂石土、塊石土等地層。下伏上第三系、燕山期花崗巖、時代不明混合花崗巖、輝綠巖脈及斷層角礫、壓碎巖、蝕變巖等各期斷裂、斷層破碎帶地層。

TBM施工穿越地層主要為燕山期花崗巖(8.81 km，73%)以及片巖、板巖、千枚巖夾石英巖和變質(zhì)砂巖(1.44 km，22%)。圍巖等級以Ⅲ級為主，但Ⅳ、V級圍巖占比高達(dá)40%。預(yù)測隧道正洞正常涌水量為12.77×104m3/d，最大涌水量為19.2×104m3/d。TBM掘進(jìn)段圍巖巖性及主要參數(shù)如表1所示。

表1 TBM掘進(jìn)段圍巖巖性及主要參數(shù)

2 隧道不良地質(zhì)條件與施工風(fēng)險分析

2.1 隧道不良地質(zhì)條件

高黎貢山隧道TBM施工段的不良地質(zhì)主要包括：高地應(yīng)力、地層破碎、高地溫、高地震烈度、溶巖與突涌水等。

1)高地應(yīng)力。隧道最大埋深1 155 m，區(qū)域應(yīng)力場較高，測區(qū)內(nèi)洞身附近三向主應(yīng)力值關(guān)系為垂直主應(yīng)力(約31 MPa)>最大水平主應(yīng)力(20～29 MPa)>最小水平主應(yīng)力(13～19 MPa)。最大水平主應(yīng)力方向與隧道線路走向夾角為12～21°，隧道可能發(fā)生巖爆及軟巖大變形。

根據(jù)預(yù)測，高黎貢山隧道正洞巖爆段落總長為2 020 m，其中中等巖爆段長1 250 m，輕微巖爆段長770 m；隧道正洞軟巖大變形段落總長3 185 m，其中輕微大變形段長1 435 m；斷層破碎帶中，局部斷層黏粒易發(fā)生中等大變形，長度為1 750 m。

2)地層破碎。高黎貢山隧道正洞TBM施工段共有20段總長1 280 m屬于巖體破碎—極破碎地段，其中有2段共計長度為300 m采用鉆爆法施工后步進(jìn)通過，2段共計長度為140 m的擴挖段；平導(dǎo)洞TBM施工段共有15段總長980 m屬于巖體破碎—極破碎地段，其中有2段共計長度為180 m采用鉆爆法施工后步進(jìn)通過。Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比高達(dá)40%，破碎地層不宜使用TBM掘進(jìn)通過。

3)高地溫。高黎貢山越嶺地段位于地中?！蟻喌?zé)岙惓?，為區(qū)域性高熱流區(qū)。越嶺地段出露溫泉群123個，其中與線路關(guān)系密切的溫泉、熱泉和沸泉共20余處。

隧道中間12.44 km為巖溫異常段，其縱向溫度分布為28～50 ℃。巖溫異常段的溫度分布為中間段高，兩端較低。其中中間段溫度分布為37～50 ℃的巖溫異常段長度為0.7 km，進(jìn)口端溫度分布為28～37 ℃的巖溫異常段長度為2.9 km，出口端 (TBM段)溫度分布為28～37 ℃的巖溫異常段長度為8.88 km。

4)高地震烈度。隧道區(qū)域位于中國西南部，跨鮮水河—滇東地震帶、滇西南地震帶和喜馬拉雅地震帶，大部分位于滇西南地震帶，小部位處于鮮水河—滇東地震帶。區(qū)域地震活動強度非常大，頻度高，測區(qū)地震動峰值加速度為0.20g，地震動反應(yīng)譜周期為0.45 s。

5)溶巖與突涌水。隧道穿越溶巖地層主要為隧道中部的灰?guī)r、白云巖夾砂巖、灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾石英砂巖；隧道出口(TBM段)鉆孔未揭露溶洞，僅部分巖芯可見溶蝕孔隙，巖溶弱發(fā)育。根據(jù)涌水量預(yù)測，TBM將穿越突涌水不良地段。

2.2 隧道施工風(fēng)險分析

針對高黎貢山“三高四活躍”的特殊地質(zhì)條件，常規(guī)TBM無法滿足該工程施工要求，通過對不良地質(zhì)TBM施工風(fēng)險分析，提出高適應(yīng)性TBM的針對性設(shè)計方案。

高黎貢山隧道TBM施工可能存在的施工風(fēng)險包括： 軟弱破碎圍巖洞段TBM卡機風(fēng)險、高地應(yīng)力引起的圍巖與掌子面巖爆風(fēng)險、圍巖收斂擠壓變形引起的支護(hù)破壞風(fēng)險、TBM高壓突涌水施工風(fēng)險、高溫?zé)岷σ鸬脑O(shè)備與人員熱害風(fēng)險。

1)軟弱破碎圍巖洞段TBM卡機風(fēng)險。主洞TBM施工段共有20段總長1 280 m屬于巖體破碎—極破碎地段，平導(dǎo)洞TBM施工段共有15段總長980 m屬于巖體破碎—極破碎地段，均為不宜使用TBM掘進(jìn)段；在隧道通過蝕變巖地段、花崗巖節(jié)理密集帶或斷層角礫巖地段，巖體極為破碎、自穩(wěn)能力差且易坍塌，TBM施工同樣存在被卡機的風(fēng)險。

在巖體破碎地段，巖體強度低，且多數(shù)地下水豐富，TBM掘進(jìn)后易坍塌掉塊，對刀盤的旋轉(zhuǎn)形成很大的阻力。TBM在破碎圍巖地層中施工，除老董坡斷層和廣林坡斷層2段各150 m采取鉆爆提前處理外，其余洞段均掘進(jìn)通過。目前國內(nèi)TBM施工過程中所發(fā)生的卡機現(xiàn)象屢見不鮮，一旦TBM被困，將影響施工進(jìn)度，造成安全質(zhì)量隱患，若長時間無法脫困甚至可能損壞TBM設(shè)備，造成重大的經(jīng)濟損失。

2)高地應(yīng)力圍巖與掌子面巖爆風(fēng)險。由于高地應(yīng)力的作用，高黎貢山隧道TBM施工存在巖爆風(fēng)險。為了有利于TBM施工中巖爆防控，根據(jù)刀盤區(qū)域和圍巖出護(hù)盾區(qū)域的巖爆強弱，可將TBM施工中遇到的巖爆分為4個等級(見圖2)，該分級方法有別于GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[14]中的巖爆分級。

(a) 輕微巖爆

(b) 初級巖爆

(c) 中等巖爆

(d) 劇烈?guī)r爆

輕微巖爆現(xiàn)象： 發(fā)出聲音，掉落小的碎片；巖石內(nèi)部有小的爆裂、撞擊，發(fā)出爆裂聲。該等級的巖爆對TBM施工影響小，但會增加隧道底部的清碴量。

初級巖爆現(xiàn)象： 壓力引起巖石剝落厚度達(dá)到5 cm的巖片，出現(xiàn)塵云。該等級的巖爆對隧道的初期支護(hù)有一定的破壞性，導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)和鋼筋排發(fā)生變形。

中等巖爆現(xiàn)象： 在沒有支護(hù)的區(qū)域，隧洞拱腹或掌子面由于應(yīng)力引起的巖石掉落或裂開；大塊不規(guī)則巖石掉落，伴隨著大量噪音。該等級的巖爆如果發(fā)生在刀盤前方，可能導(dǎo)致刀具的異常損壞；如果發(fā)生在出護(hù)盾位置，則可能造成機器損壞和人員傷害。

劇烈?guī)r爆現(xiàn)象： 巨響伴隨巖石爆炸；隧道拱腹突然出現(xiàn)巖塊掉落沖擊并伴隨巨響(支護(hù)和未支護(hù)區(qū)域均有發(fā)生)；該等級巖爆產(chǎn)生的后果是支護(hù)結(jié)構(gòu)可能被損壞(噴射的混凝土產(chǎn)生裂縫，頂部錨桿斷裂，鋼拱變形等)。

3)圍巖收斂擠壓變形TBM卡機與支護(hù)破壞風(fēng)險。采用TBM施工的片巖、板巖、千枚巖夾石英巖、變質(zhì)砂巖掘進(jìn)段，以及傈粟田斷層、塘坊斷層段可能發(fā)生軟質(zhì)巖擠壓變形，預(yù)計隧道軟巖大變形段落總長為3 185 m，其中輕微大變形段長1 435 m，斷層破碎帶中局部斷層黏粒易發(fā)生中等大變形，長度為1 750 m。預(yù)測最大圍巖收斂變形量為50 mm。

隧道施工中，由于開挖后改變了巖體原始的受力平衡狀態(tài)，巖體暴露在空氣中會發(fā)生松弛變形，而軟巖段圍巖的自承能力不足，更易發(fā)生大變形。如果圍巖變形速度過快，則存在TBM盾體被卡的風(fēng)險。如果支護(hù)不及時、支護(hù)強度或剛度不夠，均會導(dǎo)致初期變形過大而超過預(yù)留變形量，致使襯砌前需進(jìn)行換拱處理以保證二次襯砌厚度。在某些高地應(yīng)力條件下的軟巖甚至在二次襯砌施作完成以后仍長期發(fā)生持續(xù)緩慢的變形，導(dǎo)致二次襯砌開裂，結(jié)構(gòu)侵入限界，需進(jìn)行返工處理。

4)高壓突涌水TBM施工風(fēng)險。預(yù)測隧道正常涌水量為12.77×104m3/d，最大涌水量為19.2×104m3/d。高壓突涌水在TBM施工中導(dǎo)致的后果主要表現(xiàn)為由于涌水量大迫使TBM停機排水，若排水不及時則設(shè)備有被淹風(fēng)險。

5)高溫?zé)岷υO(shè)備與人員風(fēng)險。高黎貢山隧道越嶺地段位于地中?！蟻喌?zé)岙惓В瑸閰^(qū)域性的高熱流區(qū)，可能遇到高溫高壓熱水(汽)及高溫巖體等熱害問題。高溫環(huán)境容易造成人員和施工設(shè)備的效率降低，也直接影響到工程實體質(zhì)量。施工階段如不能采取有效措施進(jìn)行防治，將可能導(dǎo)致人身傷害或安全質(zhì)量事故，進(jìn)而影響工期和成本。

3 TBM適應(yīng)性設(shè)計

高黎貢山隧道地質(zhì)條件決定了TBM施工過程中存在圍巖軟弱破碎、高地應(yīng)力圍巖與掌子面巖爆、圍巖收斂擠壓變形、高壓突涌水、高地溫和TBM卡機等施工風(fēng)險，因而必須開展TBM適應(yīng)性方案研究，改進(jìn)設(shè)計，研制更適合于該工程的TBM設(shè)備。

3.1 TBM支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

針對高黎貢山隧道TBM施工段存在的斷層破碎帶、軟巖大變形和巖爆等不良地質(zhì)條件，堅持“強支護(hù)，早支護(hù)”的理念，展開TBM支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計方案研究?？傮w設(shè)計方案如圖3所示。

L1區(qū)的支護(hù)設(shè)備： 超前鉆機及超前注漿設(shè)備、常態(tài)化混凝土噴射裝置、鋼拱架安裝器、鋼筋排安裝器、錨桿鉆機和鋼筋網(wǎng)安裝平臺。L2區(qū)的支護(hù)設(shè)備： 錨桿鉆機和混凝土噴射機械手。

圖3 新型TBM支護(hù)系統(tǒng)總體設(shè)計

Fig. 3 General design of new type of supporting system of TBM

1)L1區(qū)配置超前鉆機、超前注漿設(shè)備和常態(tài)化混凝土噴射裝置。L1區(qū)配置超前鉆機，采用可隱藏式設(shè)計，隱藏狀態(tài)下，不影響其他工序正常作業(yè)；該超前鉆機可不考慮取芯功能，但需滿足中型超前注漿管棚(φ76 mm)的施作。L1區(qū)配置常態(tài)化混凝土噴射裝置，上料方式通過L2區(qū)的輸送泵與L1區(qū)的輸送泵接力完成；當(dāng)TBM通過破碎層時，可實現(xiàn)圍巖出護(hù)盾后及時進(jìn)行混凝土噴射支護(hù)。

2)L1區(qū)配置鋼拱架安裝器和鋼筋排安裝器。鋼拱架安裝器需要具備安裝H型拱架、工字型鋼拱架以及柔性鋼拱架的功能，提高TBM通過不良地層的適應(yīng)性；鋼拱架安裝器盡可能布置在主梁前部頂護(hù)盾下面，以便在頂護(hù)盾的保護(hù)下及時支立鋼拱架。鋼拱架由型鋼制作的多段鋼拱片拼裝而成，安裝器需要完成旋轉(zhuǎn)拼裝、頂部和側(cè)向撐緊、底部開口張緊封閉等動作。

在護(hù)盾頂部約270°范圍內(nèi)設(shè)置鋼筋排儲存系統(tǒng)，鋼筋排通過折臂吊機運送到設(shè)備橋存儲區(qū)，儲存在設(shè)備橋上，通過物料運輸系統(tǒng)運到頂護(hù)盾處，再通過人工安裝在頂護(hù)盾的存儲槽內(nèi)。TBM掘進(jìn)過程中，鋼筋排從存儲槽中抽出，端部與鋼拱架焊接，對圍巖進(jìn)行封閉，起到了初期支護(hù)的作用。

3)L1區(qū)配置錨桿鉆機和鋼筋網(wǎng)安裝平臺。L1區(qū)配置2臺錨桿鉆機，錨桿鉆機通過底座固定安裝在環(huán)形齒圈梁上，可沿環(huán)形齒圈梁圓周方向運動并進(jìn)行獨立鉆孔作業(yè)。錨桿鉆機可以在TBM掘進(jìn)過程中實施同步鉆孔作業(yè)，輔助完成圍巖加固、鋼筋網(wǎng)片固定和部分?jǐn)嗝驿摴凹馨惭b等。

L1區(qū)配置鋼筋網(wǎng)安裝平臺，用于鋼筋網(wǎng)掛設(shè)。鋼筋網(wǎng)片在洞外提前加工，洞內(nèi)采用人工安裝的方式，在巖面露出尾盾的第一時間設(shè)施。

4)L2區(qū)配置錨桿鉆機和混凝土噴射機械手。L2區(qū)配置2臺錨桿鉆機，協(xié)作完成270°范圍內(nèi)錨桿施作；L2區(qū)配置混凝土噴射機械手，作業(yè)區(qū)距離刀盤50～78 m，對圍巖進(jìn)行再次加固。

3.2 TBM刀盤刀具設(shè)計

針對高黎貢山隧道TBM掘進(jìn)斷層破碎帶和軟巖大變形等不利地質(zhì)條件，刀盤需具備擴挖功能；另外，針對TBM獨頭長距離掘進(jìn)，刀盤、刀具需要具有較高的破巖能力和耐磨性。

3.2.1 刀盤變截面擴挖與刀盤提升裝置

利用刀座墊塊增加刀盤的開挖直徑，另外采用20 in大刀圈替換19 in刀圈增大刀盤開挖直徑，擴挖量大于100 mm。通過刀盤提升裝置避免刀盤擴挖導(dǎo)致TBM中心軸線偏離隧道設(shè)計軸線。刀盤提升裝置由底護(hù)盾與機頭架之間的4個抬升油缸、導(dǎo)向滑槽組成。

3.2.2 刀盤高強度設(shè)計

刀盤采用4+1分塊、面板式重載刀盤，刀盤中心塊采用鑄造厚板；刀盤法蘭采用鍛造厚板，焊接過程嚴(yán)格進(jìn)行探傷控制；刀座焊后整體加工，盡可能減小焊接變形，使?jié)L刀安裝精度更高。

3.2.3 刀具布置設(shè)計

1)布刀軌跡設(shè)計。盤形滾刀在刀盤上的布置應(yīng)盡可能使?jié)L刀及刀盤受力均勻，使作用在主軸承上的徑向載荷為零；相鄰兩把刀的相位角不能過大，前面的刀具能夠為后面的刀具提供破巖臨空面，從而形成前后滾刀順次破巖。目前刀具的布置方式主要有2種，一是米字型射線布置，二是雙螺旋線布置。雙螺旋線布置的刀盤與米字型射線布置的刀盤相比，刀盤受力更均勻，可避免較大應(yīng)力集中，適合于極硬地層，有利于刀盤減振和延長刀盤壽命；在同等巖石強度條件下，雙螺旋線布置的刀盤振動相對較小，有利于降低刀具消耗。綜合考慮后續(xù)工程，宜選用軟硬兼顧的刀盤，因此建議按雙螺旋線布刀，且相鄰編號的兩把滾刀相位角宜控制在180°以內(nèi)，以便使相鄰兩把刀的距離相隔不是太遠(yuǎn)。

2)刀具防撞擊保護(hù)設(shè)計。破碎的塊狀巖對刀具易造成高頻率、大幅度沖擊，同時刀具、刀盤與堵塞的塊狀巖之間易發(fā)生激烈撞擊，導(dǎo)致刀圈、刀體異常損壞，因此對滾刀應(yīng)進(jìn)行防撞擊保護(hù)設(shè)計，見圖4。

圖4 滾刀防撞擊保護(hù)設(shè)計

3)刀間距設(shè)計。在相同貫入度條件下，刀間距越小，破巖能力越強；當(dāng)?shù)堕g距相同時，貫入度越大，破巖能力越強；刀間距與貫入度的比值一般為10～20，盡可能避免在相鄰滾刀之間存在累積巖脊。正滾刀間距為50～120 mm，隧道以軟巖為主并伴有少量硬巖時，刀間距按軟巖選擇；隧道以硬巖為主并伴有中硬巖時，刀間距按二者兼顧原則選擇。中心滾刀由于安裝空間的限制，刀間距一般都較大。邊滾刀速度高、磨損快，較少按最優(yōu)刀間距布置，其刀間距從鄰近正滾刀開始，向外緣逐漸減小[15]。

3.2.4 多進(jìn)碴口設(shè)計

進(jìn)碴口越多，刮碴越干凈，能有效降低周邊刀盤體及刀具的二次磨損。二次磨損指被破碎巖石在刀盤與掌子面之間的間隙堆積，對滾刀造成的再次磨損。進(jìn)碴口的布置一方面要考慮布置數(shù)量，另一方面要考慮徑向尺寸均勻。

3.3 TBM超前預(yù)報系統(tǒng)搭載

針對高黎貢山TBM施工段可能存在的軟弱破碎不良地質(zhì)，TBM需要搭載有效的地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)；針對高黎貢山隧道TBM施工段可能面臨的高壓涌水不良地質(zhì)，TBM需要搭載有效的水文地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)。

1)HSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)探測斷層破碎帶設(shè)計(見圖5)。HSP(Horizontal Sonic Profiling，水平聲波剖面法)超前預(yù)報系統(tǒng)是利用掘進(jìn)機刀盤開挖掌子面巖石產(chǎn)生的振動信號作為激發(fā)震源，通過中低頻檢波器采集反射信號并反演成像的預(yù)測方法。該方法對斷層破碎帶較為敏感，已在西藏華能雙護(hù)盾TBM上試驗應(yīng)用，可集成于高黎貢山TBM進(jìn)行斷層破碎帶預(yù)測。

圖5 TBM搭載HSP超前預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計方案

Fig. 5 Design of HSP advance geological prediction system in TBM

2)激發(fā)極化法超前預(yù)報系統(tǒng)探水設(shè)計(見圖6)。激發(fā)極化法超前預(yù)報系統(tǒng)的原理： 建立掘進(jìn)機的前向探測模式，采用同性源陣列激發(fā)極化法，利用三維反演成像方法，實現(xiàn)掌子面前方約30 m內(nèi)含水構(gòu)物的三維成像。TBM搭載激發(fā)極化超前預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計方案： 刀盤上安裝測量電極19個、護(hù)盾及其后方圍巖安裝供電電極20個、無窮遠(yuǎn)電極2個，依靠液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)電極伸縮。該方法對地下水較為敏感，已在引松供水TBM上試驗應(yīng)用，可集成于高黎貢山TBM進(jìn)行超前探水。

圖6 TBM搭載激發(fā)激化法超前預(yù)報系統(tǒng)設(shè)計方案

Fig. 6 Design of induced polarization advance geological prediction system in TBM

3.4 TBM應(yīng)對涌水設(shè)計

針對高黎貢山隧道TBM可能面臨高壓涌水不良地質(zhì)，以“預(yù)報先行，排堵結(jié)合”的施工理念進(jìn)行針對性設(shè)計。

利用激發(fā)極化法超前預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行超前探水；利用超前注漿止水，L1區(qū)配置的鉆機具備足夠的鉆孔能力，堵水考慮采用深孔化學(xué)灌漿的方法進(jìn)行封堵。

排水方式考慮正常排水與應(yīng)急排水二者相結(jié)合，配置多處強力排水系統(tǒng)。根據(jù)涌水量預(yù)測值，建議在正常排水能力的基礎(chǔ)上，提升50%的應(yīng)急排水能力，即TBM的最大排水能力(正常排水能力+應(yīng)急排水能力)應(yīng)不小于最大涌水量預(yù)測值的1.5倍。

3.5 TBM應(yīng)對高地?zé)嵩O(shè)計

應(yīng)對高地?zé)岬挠行侄问峭L(fēng)和散熱，必須保證新鮮空氣能夠進(jìn)入TBM作業(yè)區(qū)域，另外增加制冷設(shè)備并提供洞外較低溫度的供水，確保制冷設(shè)備的正常工作。TBM上配置強制空氣冷卻系統(tǒng)，降低工作區(qū)域的溫度，通過高地溫條件下熱交換分析計算，確定制冷系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。采用國際著名品牌的通風(fēng)系統(tǒng)，確保施工通風(fēng)和降溫效果滿足施工要求；對大功率電機和液壓泵站等采用水冷冷卻。

3.6 TBM其他適應(yīng)性設(shè)計

1)配置靈活的清碴設(shè)備。由于斷層破碎帶和巖爆等地質(zhì)災(zāi)害的影響，圍巖出護(hù)盾后將有大量的巖碴掉落，因此TBM需配備功能強大的清碴設(shè)備，如滑移裝載機、底部皮帶機和底部提升裝置等。

2)暢通的物料運輸線路。對不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行及時支護(hù)需要大量的材料，暢通的物料運輸線路能夠保障多種工法的快速實施，因此需設(shè)計多條物料運輸通道。

3)模注混凝土與鋼瓦片安裝。在軟弱破碎地層，由于TBM撐靴撐不住巖壁，可考慮采用模具灌注混凝土或安裝鋼瓦片的方式，加強撐靴位置的圍巖強度，確保TBM順利通過軟弱圍巖段。

4)TBM整機高可靠性設(shè)計。整機關(guān)鍵部件選用國際一流品牌產(chǎn)品；整機結(jié)構(gòu)強度、剛度具有足夠的安全系數(shù)；各系統(tǒng)及部件具有較大的能力儲備；采用承載能力強、壽命長的重載軸承；配置可靠的密封系統(tǒng)。

4 結(jié)論與討論

從高黎貢山隧道“三高四活躍”的特殊地質(zhì)特征入手，通過對高黎貢山隧道TBM施工風(fēng)險的分析，提出高適應(yīng)性TBM的針對性設(shè)計方案。

1)L1區(qū)配置可靠的混凝土噴射裝置，必要時在出護(hù)盾后立即進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)；超前鉆機采用可隱藏式設(shè)計，不用時不影響其他工序的施工。

2)刀盤具備擴挖功能，通過刀座墊塊和大尺寸刀圈替換小尺寸刀圈的方式實現(xiàn)擴挖；通過刀盤提升裝置避免刀盤擴挖后TBM中心偏離設(shè)計軸線；通過增加進(jìn)碴口數(shù)量，有效降低周邊刀盤體及刀具的二次磨損。

3)建議集成HSP超前探測系統(tǒng)實時預(yù)測TBM前方地質(zhì)情況，對斷層破碎帶利用超前鉆機進(jìn)行及時加固；建議集成激發(fā)極化法超前探測系統(tǒng)實時預(yù)測TBM前方水文情況，并配置能力強大的水處理系統(tǒng)進(jìn)行堵水與排水；應(yīng)對高地?zé)崤渲脧娭浦评湎到y(tǒng)和有效的通風(fēng)系統(tǒng)；另外配置強大的清碴設(shè)備、設(shè)計暢通的物料運輸線路以及具備模注混凝土與鋼瓦片安裝的功能。

現(xiàn)階段超前預(yù)報系統(tǒng)主要包括地質(zhì)法和地球物理法2類，HSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)和激發(fā)極化法超前探水系統(tǒng)均為地質(zhì)法，分別采用彈性波和電磁波，雖然均已在TBM上應(yīng)用，但其準(zhǔn)確性未得到業(yè)界的廣泛認(rèn)可；主機底部由于空間狹小，往往需要進(jìn)行人工清碴，耗時耗力，滑移裝載機、底部皮帶機和底部提升平臺等裝置均已有所應(yīng)用，但效果并不理想；強制制冷設(shè)備也已有所嘗試，但由于冷卻循環(huán)不及時，效果亦不理想，導(dǎo)致隧道施工環(huán)境溫度問題遲遲得不到解決。要進(jìn)一步提高高黎貢山TBM的適應(yīng)性，需要針對上述主要問題并結(jié)合施工實踐繼續(xù)開展探索和研究。

[1] 《中國公路學(xué)報》編輯部.中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述· 2015[J].中國公路學(xué)報,2015,28(5): 1-65. (Editorial Department of China Journal of Highway and Transport. Review on China’s tunnel engineering research: 2015[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(5): 1-65. (in Chinese))

[2] 荊留杰,張娜,楊晨.TBM及其施工技術(shù)在中國的發(fā)展與趨勢[J].隧道建設(shè),2016,36(3): 331-337. (JING Liujie, ZHANG Na, YANG Chen. Development of TBM and its construction technologies in China [J].Tunnel Construction, 2016, 36(3): 331-337. (in Chinese))

[3] 龍斌.新街臺格廟礦區(qū)長距離大坡度斜井TBM設(shè)備選型探討[J].鐵道建筑技術(shù),2012(10): 25-27. (LONG Bin. Equipment selection and designation of TBM in long distance and large slope incline shaft of Xinjie Taigemiao Mine [J].Railway Construction Technology, 2012(10): 25-27. (in Chinese))

[4] 屈冬婷,姬國強,郭力友,等.φ5 m 全斷面硬巖掘進(jìn)機主驅(qū)動裝置的研制[J].礦山機械,2015,43(4): 143-144. (QU Dongting, JI Guoqiang, GUO Liyou, et al. Development of main driving device of aφ5 m TBM [J].Mining & Processing Equipment, 2015,43(4): 143-144.(in Chinese))

[5] 唐彬,王傳兵. 立井煤礦硬巖TBM施工巷道支護(hù)設(shè)計技術(shù)[J].煤炭工程,2015,47(12): 31-33,37. (TANG Bin, WANG Chuanbing. Support design for hard rock TBM excavation roadways [J].Coal Engineering, 2015, 47(12): 31-33,37. (in Chinese))

[6] 齊夢學(xué).再制造TBM在我國應(yīng)用初探[J].國防交通工程與技術(shù),2011(4): 5-8. (QI Mengxue. An exploration into the application of remanufacturing TBMs in China [J].Traffic Engineering and Technology for National Defense, 2011(4): 5-8. (in Chinese))

[7] 馮歡歡,陳饋,周建軍,等.掘進(jìn)機滾刀最優(yōu)破巖刀間距的分析與計算[J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2014,51(3): 124-130,137. (FENG Huanhuan, CHEN Kui, ZHOU Jianjun, et al. Analysis and calculation of optimum TBM disc cutter spacing [J].Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(3): 124-130,137. (in Chinese))

[8] 譚青,易念恩,夏毅敏,等.TBM滾刀破巖動態(tài)特性與最優(yōu)刀間距研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(12): 2453-2464. (TAN Qing, YI Nianen, XIA Yimin, et al. Research on rock dynamic fragmentation characteristics by TBM cutters and cutter spacing optimization [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(12): 2453-2464. (in Chinese))

[9] 夏毅敏,吳才章,顧健健,等.不同地應(yīng)力下TBM盤形滾刀破巖特性[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,47(2): 450-458. (XIA Yimin, WU Caizhang, GU Jianjian, et al. Mechanical characteristics of TBM disc cutter under the initial stress [J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(2): 450-458. (in Chinese))

[10] 施虎,楊華勇,龔國芳,等.盾構(gòu)掘進(jìn)機關(guān)鍵技術(shù)及模擬試驗臺現(xiàn)狀與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2013,47(5): 741-749.(SHI Hu, YANG Huayong, GONG Guofang, et al. Key technologies of shield tunneling machine and present status and prospect of test rigs for tunneling simulation[J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2013, 47(5): 741-749. (in Chinese))

[11] 李術(shù)才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質(zhì)情況超前預(yù)報研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2007,26(2): 217-225.(LI Shucai, LI Shuchen, ZHANG Qingsong, et al. Forecast of karst-fractured groundwater and defective geological conditions[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(2): 217-225. (in Chinese))

[12] 劉泉聲,黃興,時凱,等.煤礦超千米深部全斷面巖石巷道掘進(jìn)機的提出及關(guān)鍵巖石力學(xué)問題[J].煤炭學(xué)報,2012,37(12): 2006-2013.(LIU Quansheng, HUANG Xing, SHI Kai, et al. Utilization of full face roadway boring machine in coal mines deeper than 1 000 m and the key rock mechanics problems[J].Journal of China Coal Society, 2012,37(12): 2006-2013. (in Chinese))

[13] 陳饋.高黎貢山隧道設(shè)計及施工技術(shù)初探[J].建筑機械化,2009,30(2): 48-52.(CHEN Kui. Analysis of design and construction technology of Gaoli Gongshan Tunnel [J].Construction Mechanization, 2009, 30(2): 48-52. (in Chinese))

[14] 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范: GB 50487—2008[S].北京:中國計劃出版社,2009.(Code for engineering geological investigation of water resources and hydropower: GB 50487—2008 [S]. Beijing: China Planning Press, 2009. (in Chinese))

[15] 宋克志,王本福.隧道掘進(jìn)機盤形滾刀的工作原理分析[J].建筑機械,2007(4): 71-74.(SONG Kezhi, WANG Benfu. Operation principle analysis of disc cutter on TBM [J].Construction Machinery, 2007(4): 71-74. (in Chinese))

Discussion on Design of TBM with High Adaptability to Gaoligongshan Tunnel

CHEN Kui, YANG Yandong

(State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

The development of TBM with high adaptability to complex geological conditions of Gaoligongshan Tunnel is very important. The main bad geological conditions of Gaoligongshan Tunnel are summarized; the construction risks, i.e. TBM jamming at soft-weak broken section and large deformation section, rockburst of tunnel face with high ground stress and behind shield, support failure induced by convergence squeezing deformation of surrounding rock, water gushing with high pressure and high temperature, are analyzed. Furthermore, design scheme of TBM with high adaptability are proposed, including support system design, cutting tool and cutterhead design, water gushing treatment design, high ground heat treatment design and other related design. The study results can provide reference for design and selection of equipment manufacturing of TBM with high adaptability to Gaoligongshan Tunnel.

Gaoligongshan Tunnel; open TBM; construction risk; adaptability design

2016-07-20;

2016-11-04

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2014CB046906)； 中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2016G004-A)； 中國隧道集團科技創(chuàng)新計劃(隧研合2016-03)

陳饋(1963—)，男，湖南新化人，1985年畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院，工程機械專業(yè)，本科，天津大學(xué)在讀博士，碩士生導(dǎo)師，教授級高級工程師，享受國務(wù)院政府特殊津貼，現(xiàn)從事盾構(gòu)技術(shù)研究工作。E-mail: chenk-center@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.018

U 455.3

A

1672-741X(2016)12-1523-08