清遠水利樞紐4#取水隧洞TBM掘進施工關鍵技術

朱長榮

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700)

全斷面隧道掘進機(Tunnel Boring Machine,TBM)有著自動化程度高、施工速度快、安全性高的優點，在我國水利隧洞施工中有著廣泛的應用，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掘進施工在水利隧洞中的應用提供了寶貴的經驗，但也暴露出TBM在極端圍巖條件下施工困難的問題.

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

1 工程概況

清遠水利樞紐庫區取水工程4#隧洞工程由清遠市清遠水利樞紐庫區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，經取水隧洞、加壓泵站、埋管段、多條輸水隧洞等直達廣州市花都區芙蓉嶂水庫擬建花都水廠，向花都區提供生活和工業用水，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 工程地質條件

該隧洞工程全線為連綿的低山丘陵區地貌，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?；◢弾r及花崗斑巖.洞身圍巖主要為弱風化～微風化花崗巖，巖質堅硬；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

1.2 不良地質

4#隧洞沿線發育規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.斷層破碎帶圍巖穩定性差，易導致坍塌、擠壓變形等，嚴重制約施工進度，甚至發生安全事故.

2 隧洞TBM掘進關鍵技術

TBM在長大水利隧洞中的廣泛應用表明TBM相較于傳統的鉆爆法及其它傳統掘進方法有著明顯的優勢，但同時TBM也存在著更容易受地質因素影響的缺點[6].TBM施工過程中所受影響因素極為復雜，同時各項參數相互影響.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施工的關鍵所在.

清遠水利樞紐庫區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.為進一步評價石英含量、巖石強度及巖石完整程度對TBM掘進的影響，進而給出相應的應對措施，就需要建立起合適的分析模型.1974年挪威地質學者Barton等人組合多種因素提出了“巖石質量-Q”模型；2000年Barton[7]慮隧道掘進機與巖體相互作用后，在原有Q模型的基礎上，提出了QTBM模型：

(1)

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

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

圖1 掘進速度PR、進度AR與QTBM之間的關系Fig.1 Suggested relation between PR、AR、QTBM

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

2.1 高巖石強度、高石英含量下TBM掘進關鍵技術

從QTBM模型出發分析，TBM在硬巖段掘進時QTBM值過大，導致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均達到理想值.清遠水利樞紐庫區4#取水隧洞TBM施工時主要通過TBM的特殊設計，加強刀盤、刀具等的耐磨性從而增加滾刀壽命指數GLI；在掘進時控制掘進參數增大滾刀推力Fn.同時，采取加強刀具維護、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，石英是經常遇到的不良礦物，石英的含量直接影響了TBM的掘進效率[9-10].

4#隧洞部分段落石英含量高達50%，因此本工程從增加刀盤壽命出發考慮，采用復合式耐磨板、擋渣環(大圓環)交錯鑲嵌耐磨合金、圓弧區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，提高刀具裝配質量，減少刀具異常損壞.

2) 耐磨板

刀盤表面耐磨板的材質選擇直接影響刀盤的耐磨性能，多年的工程實踐證明，復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，可采用復合式耐磨板.

3) 擋渣環(大圓環)交錯鑲嵌耐磨合金

TBM刀盤外側設置有3道大圓環，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，15 km掘進施工貫通后，磨損量極小，具有顯著的耐磨效果.本工程TBM參考該工程設置耐摩結構，且3道擋渣環上的耐磨和金交錯布置.

4) 圓弧區域限徑塊及刀盤本體鑲嵌耐磨合金

刀盤圓弧區域的限徑塊磨損嚴重，該位置刀盤本體磨損更嚴重.以往的設計方案，往往是以耐磨焊材堆焊一層耐磨網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長距離硬巖掘進.本工程TBM可在圓弧區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 控制掘進參數，增大滾刀推力Fn

在機械狀況及地質環境相同的條件下，影響TBM掘進速度的參數主要有：刀盤轉速、刀盤扭矩、刀盤推力、滾刀貫入度等，其中掘進速度PR=滾刀貫入度(每轉進尺)×刀盤轉速[11-12].如何在尋找最優掘進參數的同時，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

刀間距設計與圍巖完整性、抗壓強度相關，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) 優化掘進參數

硬巖掘進進尺相同的情況下，減小推進力，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，增大推進力，則貫入度增大，破巖效率提高，如果推進力過大，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，硬巖掘進時，應在換步結束開始掘進后退刀盤一定距離，并控制掘進速度略小于該段圍巖最大掘進速度.

3) 適當提高掘進總推力

F總=Fn·F摩·F1.

(2)

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

根據QTBM模型，硬巖中掘進施工時要求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，推進油缸所提供的推力有一部分還要用于克服重力沿掘進方向的分力，需要提高TBM的掘進推力，推進系統額定推力不低于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，優化掘進時間和待機時間內的施工工序，縮短輔助作業時間，延長正常作業時間，從而提高TBM的掘進效率.其主要措施如下：

1) 提高換刀速度

優化更換刀盤作業工序，增加換刀人員，保證軸承、螺栓等部件的安裝質量和完好率，加強日常保養，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，增加掘進時間和電能消耗，降低掘進效率.實際操作中，結合刀圈磨耗測量結果，合理確定換刀時機，盡量在維修保養時間進行小批量更換.

3) 加強TBM主司機操作水平

一方面，尋求提高掘進速度和防止過載之間的最佳點，節約掘進時間，若掌子面完整，換步后將上一循環結束時掘進速度降低10個百分點進行掘進.另一方面，在刀盤接觸掌子面前，適當降低速度，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，縮短掘進循環時間，提高掘進效率.

2.2 斷層破碎帶TBM掘進關鍵技術

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QTBM理論，掘進速度PR與QTBM值成反比，在其他參數不變的情況下，QTBM值越小，掘進速度PR值越大.但斷層破碎帶圍巖破碎、穩定性差、均勻性差，TBM掘進時通常會出現超挖、卡鉆、變形大、支撐困難等問題，影響掘進效率[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，導致刀盤旋轉困難；

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) 初期支護工程量增大，初期支護的施工難度高；

4) 圍巖軟硬不均，刀盤旋轉時產生震動，影響刀具使用壽命.

因此TBM在斷層破碎帶中掘進時制約進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，防止坍塌造成的TBM卡機，是順利通過斷層破碎帶的關鍵.因此本文從加強設備配置、加強支護等方面加強了TBM通過斷層破碎帶的能力.

2.2.1 加強設備配置

TBM在斷層破碎帶中掘進，支護工作量大，此時制約進尺的不再是破巖能力，而是初期支護能力.因此，應用于清遠水利樞紐庫區4#取水隧洞的TBM必須配置高效的初期支護設備.

1) 加強施工器械配置

錨桿鉆機選用技術先進、性能可靠、實踐應用廣泛的產品，保證具有快速鉆孔能力.鋼拱架安裝設備與制造商共同研究，選用結構簡單、可靠性高、操作便捷的設備.

2) 鋼筋網系統

TBM在小的斷層破碎帶洞段掘進，鋪設鋼筋網是較為有效的支護方式，并且至少上半斷面都要鋪設，因此，鋼筋網鋪設必須能夠實現機械化或者半機械化，以提高施工效率.

3) 撐靴系統

斷層破碎帶圍巖穩定性差，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圍巖條件調整，做到既能保證足夠的推進力、又能盡量避免造成撐靴部位圍巖進一步坍塌.

2.2.2 加強支護

在斷層破碎帶，TBM掘進過程中的支護工作尤其重要，根據現場揭露的圍巖狀況，制定適宜的支護措施并及時實施[15].

1) 及時封閉

對于大范圍坍塌區域利用鐵皮封堵，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準.

2) 后期加固

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

3) 超前預加固

TBM上配置超前支護鉆機，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.

當前方地質較破碎，TBM無法保證進入安全時，TBM停止掘進，采取超前灌漿、管棚、超前小導管等措施，進行預加固，根據現場圍巖情況選擇注漿類型.

3 結論

TBM施工受各項地質、機械參數影響極大，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.本文依托清遠水利樞紐庫區4#取水隧洞工程，從QTBM模型出發，對高巖石強度、高石英含量地質條件及斷層破碎帶TBM掘進關鍵技術進行了研究.得到的主要結論如下：

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

2) TBM在高石英含量的硬巖段掘進時施工速度與破巖速度均較低，直觀表現為QTBM值較大.通過調整TBM掘進參數降低QTBM值，使破巖速度PR、施工速度AR均達到理想值.

3) 在斷層破碎帶掘進時，除采取超前灌漿、管棚、超前小導管等預加固措施可以有效增大QTBM值外，主要施工措施應圍繞加強支護，防止坍塌造成的TBM卡機進行.如：加強設備配置、加強支護等.