朱長榮

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，重慶 400700)

全斷面隧道掘進(jìn)機(Tunnel Boring Machine,TBM)有著自動化程度高、施工速度快、安全性高的優(yōu)點，在我國水利隧洞施工中有著廣泛的應(yīng)用，如：大伙房輸水工程特長隧洞[1]，錦屏二級水電站引水隧洞[2]，秦嶺引水隧洞工程[3]等.這些項目的實施，為我國TBM掘進(jìn)施工在水利隧洞中的應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗，但也暴露出TBM在極端圍巖條件下施工困難的問題.

TBM的掘進(jìn)受圍巖條件影響極大.高強度硬巖、斷層破碎帶，會導(dǎo)致TBM刀盤快速磨損、卡機、開挖不均等，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率.提高TBM對不良地質(zhì)的適應(yīng)能力，減小不良地質(zhì)對TBM施工的影響，是保證水利隧道安全高效施工的關(guān)鍵[4-5].依托清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)取水工程4#隧洞工程，對隧道施工中出現(xiàn)的高強度圍巖、斷層破碎帶進(jìn)行分析研究，并提出相應(yīng)的施工解決方案以期為類似的工程施工提供參考和指導(dǎo).

1 工程概況

清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)取水工程4#隧洞工程由清遠(yuǎn)市清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)武廣高鐵北江橋上游約600 m處(五一碼頭附近)北江左岸取水，經(jīng)取水隧洞、加壓泵站、埋管段、多條輸水隧洞等直達(dá)廣州市花都區(qū)芙蓉嶂水庫擬建花都水廠，向花都區(qū)提供生活和工業(yè)用水，總長度為11 393 m，其中擬采用鉆爆法施工長度為1 206 m，采用TBM施工長度為10 187 m.

1.1 工程地質(zhì)條件

該隧洞工程全線為連綿的低山丘陵區(qū)地貌，山頂高程約150～440 m，地層巖性以燕山期中粗粒黑云母花崗巖為主，夾雜少部分細(xì)粒花崗巖及花崗斑巖.洞身圍巖主要為弱風(fēng)化～微風(fēng)化花崗巖，巖質(zhì)堅硬；RQD多為50%～100%，巖性較完整～完整；巖石石英含量20%～45%(如表1所列).

表1 隧道圍巖計算參數(shù)

1.2 不良地質(zhì)

4#隧洞沿線發(fā)育規(guī)模較大的斷層主要有27組(條)，其中較大的有F4-1、F4-2、F7-1、F7-2、f201、f211等.斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性差，易導(dǎo)致坍塌、擠壓變形等，嚴(yán)重制約施工進(jìn)度，甚至發(fā)生安全事故.

2 隧洞TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

TBM在長大水利隧洞中的廣泛應(yīng)用表明TBM相較于傳統(tǒng)的鉆爆法及其它傳統(tǒng)掘進(jìn)方法有著明顯的優(yōu)勢，但同時TBM也存在著更容易受地質(zhì)因素影響的缺點[6].TBM施工過程中所受影響因素極為復(fù)雜，同時各項參數(shù)相互影響.如何建立有效的分析模型，針對不同的施工條件，有的放矢的提出施工方案，是TBM施工的關(guān)鍵所在.

清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)4#取水隧洞存在有高石英含量圍巖、斷層破碎帶等不良地質(zhì).為進(jìn)一步評價石英含量、巖石強度及巖石完整程度對TBM掘進(jìn)的影響，進(jìn)而給出相應(yīng)的應(yīng)對措施，就需要建立起合適的分析模型.1974年挪威地質(zhì)學(xué)者Barton等人組合多種因素提出了“巖石質(zhì)量-Q”模型；2000年Barton[7]慮隧道掘進(jìn)機與巖體相互作用后，在原有Q模型的基礎(chǔ)上，提出了QTBM模型：

(1)

式中：RQD0為沿隧道方向RQD的值；Jn為節(jié)理組數(shù)；Jr為最脆弱的節(jié)理粗糙度系數(shù)；Ja為最脆弱節(jié)理面的蝕度程度或填充情況；Jw為裂隙水折減系數(shù)；SRF為應(yīng)力折減系數(shù)；SIGMA為巖體強度；Fn為刀盤推力；GLI為刀盤壽命指數(shù)；q為巖石的石英含量；σθ為沿隧道掌子面的平均雙軸應(yīng)力.

Barton通過對大量隧道工程實踐數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，提出了QTBM與破巖速度PR和施工速度AR之間的相互關(guān)系(如圖1所示).可見：在理論上掘進(jìn)速度PR與QTBM值成反比，值越小，掘進(jìn)速度PR值越大.但是，如果QTBM值過小，則隧道圍巖破碎、不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)超挖、卡刀頭、變形大、支撐困難等問題，反而降低掘進(jìn)效率.相應(yīng)的若巖石的QTBM>1，TBM施工掘進(jìn)速度PR和施工速度AR也會降低[8].

圖1 掘進(jìn)速度PR、進(jìn)度AR與QTBM之間的關(guān)系Fig.1 Suggested relation between PR、AR、QTBM

本文以QTBM模型為指導(dǎo)，對清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)4#取水隧洞TBM掘進(jìn)施工過程中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的處理措施.這些措施在工程實踐中得到驗證，這將為類似的工程建設(shè)提供重要參考.

2.1 高巖石強度、高石英含量下TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

從QTBM模型出發(fā)分析，TBM在硬巖段掘進(jìn)時QTBM值過大，導(dǎo)致TBM在通過該段落時施工速度與破巖速度均較低.從式(1)可以看到，通過增大滾刀壽命指數(shù)GLI及滾刀推力Fn可以有效降低QTBM值，從而使破巖速度PR、施工速度AR均達(dá)到理想值.清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)4#取水隧洞TBM施工時主要通過TBM的特殊設(shè)計，加強刀盤、刀具等的耐磨性從而增加滾刀壽命指數(shù)GLI；在掘進(jìn)時控制掘進(jìn)參數(shù)增大滾刀推力Fn.同時，采取加強刀具維護(hù)、加強TBM組織管理等措施提高TBM施工速度.

2.1.1 增加滾刀壽命指數(shù)GLI

石英的硬度為7，巖石的硬度與耐磨性很大程度上取決于巖石的石英含量.TBM施工中，石英是經(jīng)常遇到的不良礦物，石英的含量直接影響了TBM的掘進(jìn)效率[9-10].

4#隧洞部分段落石英含量高達(dá)50%，因此本工程從增加刀盤壽命出發(fā)考慮，采用復(fù)合式耐磨板、擋渣環(huán)(大圓環(huán))交錯鑲嵌耐磨合金、圓弧區(qū)域限徑塊及刀盤本體鑲嵌耐磨合金等綜合措施來提高刀盤耐磨性能.

1) 提高刀具質(zhì)量

針對本工程巖石強度高、完整性好的特點，正面和邊緣選用19″滾刀，中心刀選用17″滾刀，增大TBM的破巖效率；加強刀具維修裝配管理，提高刀具裝配質(zhì)量，減少刀具異常損壞.

2) 耐磨板

刀盤表面耐磨板的材質(zhì)選擇直接影響刀盤的耐磨性能，多年的工程實踐證明，復(fù)合式耐磨板具有很好的效果.本工程強制要求TBM刀盤增強耐磨板的耐磨性能，可采用復(fù)合式耐磨板.

3) 擋渣環(huán)(大圓環(huán))交錯鑲嵌耐磨合金

TBM刀盤外側(cè)設(shè)置有3道大圓環(huán)，用以向前推移洞底石渣，通過刀盤鏟斗順利出渣，防止其大量進(jìn)入后方而無法清理.已施工某工程采用了鑲嵌耐磨合金的擋渣環(huán)，15 km掘進(jìn)施工貫通后，磨損量極小，具有顯著的耐磨效果.本工程TBM參考該工程設(shè)置耐摩結(jié)構(gòu)，且3道擋渣環(huán)上的耐磨和金交錯布置.

4) 圓弧區(qū)域限徑塊及刀盤本體鑲嵌耐磨合金

刀盤圓弧區(qū)域的限徑塊磨損嚴(yán)重，該位置刀盤本體磨損更嚴(yán)重.以往的設(shè)計方案，往往是以耐磨焊材堆焊一層耐磨網(wǎng)格或者直接堆焊耐磨層，由于厚度不足，很難以較小的磨損率適應(yīng)長距離硬巖掘進(jìn).本工程TBM可在圓弧區(qū)域限徑塊及刀盤本體鑲嵌耐磨合金，可增加其耐磨性能.

2.1.2 控制掘進(jìn)參數(shù)，增大滾刀推力Fn

在機械狀況及地質(zhì)環(huán)境相同的條件下，影響TBM掘進(jìn)速度的參數(shù)主要有：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀盤推力、滾刀貫入度等，其中掘進(jìn)速度PR=滾刀貫入度(每轉(zhuǎn)進(jìn)尺)×刀盤轉(zhuǎn)速[11-12].如何在尋找最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)的同時，增大滾刀推力，是本工程要解決的難點之一.

1) 合理減小刀間距

刀間距設(shè)計與圍巖完整性、抗壓強度相關(guān)，合理縮小刀間距可以增大刀盤的破巖能力，提高貫入度.本工程根據(jù)實際施工實驗，最終決定滾刀采用19 in盤形滾刀，刀間距控制在75～80 mm.

2) 優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)

硬巖掘進(jìn)進(jìn)尺相同的情況下，減小推進(jìn)力，會明顯降低貫入度，刀圈滾動長度增加、磨損加速、有效壽命縮短；反之，增大推進(jìn)力，則貫入度增大，破巖效率提高，如果推進(jìn)力過大，使得刀具軸承承受過大的載荷，也會縮短刀圈有效壽命.因此，硬巖掘進(jìn)時，應(yīng)在換步結(jié)束開始掘進(jìn)后退刀盤一定距離，并控制掘進(jìn)速度略小于該段圍巖最大掘進(jìn)速度.

3) 適當(dāng)提高掘進(jìn)總推力

F總=Fn·F摩·F1.

(2)

式中：F總為TBM破巖掘進(jìn)所需的總推進(jìn)力；Fn為刀盤的總推進(jìn)力；F摩為掘進(jìn)機所受的總摩擦力；F1為拖拽機械所需的力[13].

根據(jù)QTBM模型，硬巖中掘進(jìn)施工時要求TBM能夠具有較大的推力以提高破巖效率.本工程TBM基本上是逆坡掘進(jìn)，推進(jìn)油缸所提供的推力有一部分還要用于克服重力沿掘進(jìn)方向的分力，需要提高TBM的掘進(jìn)推力，推進(jìn)系統(tǒng)額定推力不低于12 000 kN，最大推力不低于14 000 kN.

2.1.3 其他措施

在施工過程中加強組織管理，優(yōu)化掘進(jìn)時間和待機時間內(nèi)的施工工序，縮短輔助作業(yè)時間，延長正常作業(yè)時間，從而提高TBM的掘進(jìn)效率.其主要措施如下：

1) 提高換刀速度

優(yōu)化更換刀盤作業(yè)工序，增加換刀人員，保證軸承、螺栓等部件的安裝質(zhì)量和完好率，加強日常保養(yǎng)，減少刀盤更換頻率和提高更換刀盤速度.

2) 合理確定換刀時機

若在磨耗量較小時更換刀圈，則會增加刀圈消耗和換刀時間；若在磨耗量達(dá)到或接近極限值時才更換刀圈，則會降低破巖能力，增加掘進(jìn)時間和電能消耗，降低掘進(jìn)效率.實際操作中，結(jié)合刀圈磨耗測量結(jié)果，合理確定換刀時機，盡量在維修保養(yǎng)時間進(jìn)行小批量更換.

3) 加強TBM主司機操作水平

一方面，尋求提高掘進(jìn)速度和防止過載之間的最佳點，節(jié)約掘進(jìn)時間，若掌子面完整，換步后將上一循環(huán)結(jié)束時掘進(jìn)速度降低10個百分點進(jìn)行掘進(jìn).另一方面，在刀盤接觸掌子面前，適當(dāng)降低速度，接觸后再逐步提速，以避免刀盤與掌子面接觸瞬間的沖擊作用及偏載，減少刀具過載損傷，縮短掘進(jìn)循環(huán)時間，提高掘進(jìn)效率.

2.2 斷層破碎帶TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

斷層破碎帶一般由斷層壁撕裂下來的巖石碎塊、碎石及粘土礦物等填充.根據(jù)QTBM理論，掘進(jìn)速度PR與QTBM值成反比，在其他參數(shù)不變的情況下，QTBM值越小，掘進(jìn)速度PR值越大.但斷層破碎帶圍巖破碎、穩(wěn)定性差、均勻性差，TBM掘進(jìn)時通常會出現(xiàn)超挖、卡鉆、變形大、支撐困難等問題，影響掘進(jìn)效率[14].

斷層破碎帶對TBM施工造成的影響主要為：

1) 開挖掌子面、拱頂坍塌，覆壓刀盤，導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)困難；

2) 開挖后洞壁坍塌，撐靴支撐力不夠，不能提供足夠的支反力；

3) 初期支護(hù)工程量增大，初期支護(hù)的施工難度高；

4) 圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生震動，影響刀具使用壽命.

因此TBM在斷層破碎帶中掘進(jìn)時制約進(jìn)尺的不再是破巖能力.從圖1可以看出，在QTBM值不能有效增大的情況下，如何做好支護(hù)，防止坍塌造成的TBM卡機，是順利通過斷層破碎帶的關(guān)鍵.因此本文從加強設(shè)備配置、加強支護(hù)等方面加強了TBM通過斷層破碎帶的能力.

2.2.1 加強設(shè)備配置

TBM在斷層破碎帶中掘進(jìn)，支護(hù)工作量大，此時制約進(jìn)尺的不再是破巖能力，而是初期支護(hù)能力.因此，應(yīng)用于清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)4#取水隧洞的TBM必須配置高效的初期支護(hù)設(shè)備.

1) 加強施工器械配置

錨桿鉆機選用技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、實踐應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，保證具有快速鉆孔能力.鋼拱架安裝設(shè)備與制造商共同研究，選用結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、操作便捷的設(shè)備.

2) 鋼筋網(wǎng)系統(tǒng)

TBM在小的斷層破碎帶洞段掘進(jìn)，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)是較為有效的支護(hù)方式，并且至少上半斷面都要鋪設(shè)，因此，鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)必須能夠?qū)崿F(xiàn)機械化或者半機械化，以提高施工效率.

3) 撐靴系統(tǒng)

斷層破碎帶圍巖穩(wěn)定性差，有可能造成撐靴撐緊洞壁困難，因此撐靴與洞壁的接觸面積要配置合理，同時撐緊壓力可以根據(jù)圍巖條件調(diào)整，做到既能保證足夠的推進(jìn)力、又能盡量避免造成撐靴部位圍巖進(jìn)一步坍塌.

2.2.2 加強支護(hù)

在斷層破碎帶，TBM掘進(jìn)過程中的支護(hù)工作尤其重要，根據(jù)現(xiàn)場揭露的圍巖狀況，制定適宜的支護(hù)措施并及時實施[15].

1) 及時封閉

對于大范圍坍塌區(qū)域利用鐵皮封堵，噴射混凝土封閉，及時快速灌注混凝土.對于小范圍坍塌可通過噴射混凝土封閉塌腔，以滿足撐靴支撐力做為控制標(biāo)準(zhǔn).

2) 后期加固

TBM設(shè)備通過斷層后，利用隧道徑向灌漿盡快加固圍巖，并加強該段隧道的支護(hù)和襯砌方式.

3) 超前預(yù)加固

TBM上配置超前支護(hù)鉆機，必要時可以對刀盤前方的圍巖實施超前錨桿、超前注漿等超前加固.

當(dāng)前方地質(zhì)較破碎，TBM無法保證進(jìn)入安全時，TBM停止掘進(jìn)，采取超前灌漿、管棚、超前小導(dǎo)管等措施，進(jìn)行預(yù)加固，根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況選擇注漿類型.

3 結(jié)論

TBM施工受各項地質(zhì)、機械參數(shù)影響極大，有必要建立一個高效直接的分析模型，對各種極端工況下TBM的施工提供指導(dǎo).本文依托清遠(yuǎn)水利樞紐庫區(qū)4#取水隧洞工程，從QTBM模型出發(fā)，對高巖石強度、高石英含量地質(zhì)條件及斷層破碎帶TBM掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.得到的主要結(jié)論如下：

1) 根據(jù)QTBM值對破巖速度PR及施工速度AR的影響，以QTBM=1為參考值，通過調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)、施工工藝、裝備配置等，進(jìn)而提高TBM在高石英含量、斷層破碎帶等極端條件下的掘進(jìn)效率.

2) TBM在高石英含量的硬巖段掘進(jìn)時施工速度與破巖速度均較低，直觀表現(xiàn)為QTBM值較大.通過調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)降低QTBM值，使破巖速度PR、施工速度AR均達(dá)到理想值.

3) 在斷層破碎帶掘進(jìn)時，除采取超前灌漿、管棚、超前小導(dǎo)管等預(yù)加固措施可以有效增大QTBM值外，主要施工措施應(yīng)圍繞加強支護(hù)，防止坍塌造成的TBM卡機進(jìn)行.如：加強設(shè)備配置、加強支護(hù)等.