蔣 于 波

(四川二灘國際工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

在隧洞開挖中(尤其是高埋深洞室)使用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(簡稱TBM)常會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象，從而對TBM設(shè)備本身、人員安全、工程進(jìn)度等均會(huì)造成極大的危害。TBM在通過巖爆洞段較為常用的解決措施一般有：及時(shí)支護(hù)、超前地質(zhì)探測、超前應(yīng)力解除爆破等。

四川錦屏二級水電站引水隧洞TBM在施工過程中，因洞徑較大、埋深較深，加之TBM設(shè)備L1區(qū)混凝土噴射能力不足、錨桿造孔深度僅有3.8m、鋼拱架安裝需時(shí)較長、超前應(yīng)力解除爆破不具備條件等因素，從而不能對圍巖及時(shí)、有效地封閉，致使巖爆現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，頻率高達(dá)5次/天。巖爆(特別是強(qiáng)巖爆)后，均需花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行清渣、設(shè)備維修，導(dǎo)致數(shù)天不能正常掘進(jìn)，對本工程的影響極大。

結(jié)合錦屏二級水電站工程地下洞室較多、相互間間隔不大的情況，提出了從其他洞室開挖施工支洞到TBM掌子面前方，對TBM掘進(jìn)洞段進(jìn)行部分?jǐn)嗝驺@爆開挖的方式解除應(yīng)力，從而達(dá)到TBM順利通過強(qiáng)巖爆段的目的。

2 工程、地質(zhì)概況

四川錦屏二級水電站設(shè)有4條引水隧洞，單洞長16.7km，平行布置，相互之間間隔60m，其中1、3號引水隧洞計(jì)劃有11km采用開敞式TBM開挖，刀盤直徑12.43m，為目前全國最大斷面TBM。

隧洞沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000m，最大埋深2 525m。TBM開挖洞段巖組是以大理巖為主的碳酸鹽類巖石，巖性為灰白色厚層細(xì)隱晶大理巖和黑色薄層狀大理巖，局部有溶蝕、擠壓破碎帶斷層分布。隧道區(qū)實(shí)測最大主應(yīng)力值達(dá)42.11MPa。據(jù)回歸分析，隧道線高程最大和最小主應(yīng)力值分別達(dá)63MPa和26MPa，以自重應(yīng)力為主。

3 TBM強(qiáng)巖爆洞段施工

3.1 導(dǎo)洞開挖選型

為應(yīng)對引水隧洞TBM掘進(jìn)到工程強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)段的巖爆問題，采取了在距離TBM掌子面前方500m的強(qiáng)巖爆風(fēng)險(xiǎn)段用傳統(tǒng)鉆爆法開挖導(dǎo)洞(225m長)預(yù)先解除高地應(yīng)力的方案(見圖1)。

圖1 TBM導(dǎo)洞開挖布置

基于此，結(jié)合TBM通過時(shí)的刀具投入量，通過理論計(jì)算得出各個(gè)斷面的偏心距、刀盤容許最大推力、單刀容許最大推力以及刀具負(fù)荷，經(jīng)分析和權(quán)衡，最終選擇了開挖如圖2所示的寬×高=8.18m×7.35m的馬蹄形斷面。

預(yù)處理洞段支護(hù)形式采用永臨結(jié)合的方式，頂拱范圍采用永久支護(hù)，邊墻范圍為避免TBM開挖至該段以后支護(hù)系統(tǒng)對 TBM 刀盤的損壞，采用玻璃纖維錨桿作為臨時(shí)支護(hù)。

3.2 TBM通過預(yù)處理段的掘進(jìn)參數(shù)確定

為保證TBM正常通過鉆爆開挖預(yù)處理段，同時(shí)減小刀具的損壞，確保主軸承及主機(jī)結(jié)構(gòu)完好，需要專門制定與斷面形式匹配的掘進(jìn)參數(shù)。

圖2 強(qiáng)巖爆洞段鉆爆開挖預(yù)處理段斷面

實(shí)際操作中，在推進(jìn)流量恒定的情況下，推進(jìn)壓力隨圍巖狀況變化，并影響推進(jìn)速度；刀盤轉(zhuǎn)速對出渣量影響明顯，在一定程度上影響推進(jìn)力及推進(jìn)速度。所以，對掘進(jìn)參數(shù)的確定一般要確定推進(jìn)力、刀盤轉(zhuǎn)速和撐靴壓力。

3.2.1 在確定掘進(jìn)參數(shù)前需要考慮的問題

在預(yù)處理洞段，TBM全斷面刀盤將遇到圖2斷面型式的開挖面，從而產(chǎn)生偏心/不均勻荷載，極有可能對TBM設(shè)備本身產(chǎn)生不利影響，如：

(1)TBM穩(wěn)定性減弱；

(2)刀盤和刀具受力不均勻，致使刀具、斗牙及刀盤結(jié)構(gòu)受沖擊載荷加大，使刀具、斗牙過度磨損，從而降低使用壽命；

(3)主軸承損傷。

3.2.2 推進(jìn)力的確定

由于刀盤與圍巖接觸面積減少，只有約2/3的刀盤與掌子面接觸，即只有部分刀具在工作，刀盤在實(shí)際掘進(jìn)過程中處于偏心受力狀態(tài)，在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，所用刀具的數(shù)量在不斷變化，同時(shí)偏心距也在不斷變化。使用計(jì)算機(jī)將TBM在該斷面下工作時(shí)不同轉(zhuǎn)角情況下使用刀具的情況進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示，在掘進(jìn)過程中最多用48把刀，最少用41把刀，最大的偏心距是204.66cm。另外還顯示，用刀越少則偏心距越大，工作狀況越惡劣，對主軸承的損壞可能性最大。因此，將41把刀具工作且偏心距為 204.66cm作為主軸承的驗(yàn)算荷載標(biāo)準(zhǔn)。

通過TBM相關(guān)技術(shù)參數(shù)計(jì)算得到單個(gè)刀具的最大荷載應(yīng)控制在234.24kN，通過現(xiàn)場實(shí)際空推試驗(yàn)得到克服護(hù)盾的摩擦力為5 022kN。另外，后配套的牽引力為500kN，所以在預(yù)處理段掘進(jìn)時(shí)最大推力控制在：

234.23×41+5 022+500=15 125.43(kN)

3.2.3 刀盤轉(zhuǎn)速的確定

為減少刀具和斗牙的損環(huán)，在預(yù)處理段掘進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)速需適當(dāng)降低。根據(jù)TBM在全斷面掘進(jìn)時(shí)的情況，確定刀盤轉(zhuǎn)速的設(shè)定從2.0r/min逐漸遞增，最高轉(zhuǎn)速控制在3.0r/min，并根據(jù)掘進(jìn)過程中刀具、斗牙的損壞及主機(jī)振動(dòng)情況選擇最為合適的轉(zhuǎn)速。

3.2.4 撐靴壓力的確定

由于撐靴壓力的確定與圍巖等級、圍巖強(qiáng)度、裂隙發(fā)育等地質(zhì)因素有直接關(guān)系，現(xiàn)場確定時(shí)參考TBM在全斷面掘進(jìn)時(shí)的撐靴壓力予以適當(dāng)調(diào)小，盡量減少對圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)滿足TBM推進(jìn)反作用力的最低需求，在掘進(jìn)過程中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整，對此不作具體的強(qiáng)性要求。

3.3 TBM掘進(jìn)

3.3.1 TBM進(jìn)入預(yù)處理段前

因?qū)嶋H掘進(jìn)過程中頂護(hù)盾對底拱的壓力和側(cè)護(hù)盾的壓力有關(guān)，且隧洞底部的摩擦系數(shù)和地質(zhì)情況有很大關(guān)系，故在TBM即將進(jìn)入預(yù)處理段時(shí)，后退刀盤50cm，將頂護(hù)盾收回，然后空推，記錄此時(shí)推進(jìn)力，以對設(shè)定的推進(jìn)力及單刀荷載進(jìn)行校核。

從距離貫通面120m開始調(diào)整TBM姿態(tài)，保證TBM掘進(jìn)軸線和預(yù)處理段軸線偏差控制在5cm以內(nèi)。另外,為了減少TBM在預(yù)處理段掘進(jìn)過程中的調(diào)向動(dòng)作，同時(shí)調(diào)整TBM主機(jī)姿態(tài)至正常值，水平偏差宜不超過2cm，垂直偏差宜不超過1cm。在掘進(jìn)過程中，采用小幅度調(diào)向，每循環(huán)調(diào)向次數(shù)不超過4次。

3.3.2 TBM狀態(tài)監(jiān)測

通常認(rèn)為，由于預(yù)處理段斷面的開挖形式會(huì)致使刀盤上下受力嚴(yán)重失衡，對TBM刀盤、刀具、主軸承偏載的沖擊和損傷影響較為直接，會(huì)使主軸承驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其它部件因沖擊而造成附加損傷。

為得到TBM設(shè)備在通過預(yù)處理段斷面時(shí)的狀態(tài)，采用了振動(dòng)、應(yīng)力、油液(理化指標(biāo)、金屬磨損分析)及其它監(jiān)測手段復(fù)合診斷技術(shù)，在全斷面、空載、部分?jǐn)嗝骈_挖的同時(shí)，嚴(yán)密監(jiān)測TBM重要部件及設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)及振動(dòng)響應(yīng)特性，按照設(shè)備操作的工況要求，根據(jù)監(jiān)測記錄分析，為TBM掘進(jìn)施工提供控制參數(shù)。

3.3.3 掘進(jìn)過程中的注意事項(xiàng)

由于推力的控制對保證刀具和主軸承不受損壞至關(guān)重要，開始預(yù)處理段掘進(jìn)時(shí)在PLC程序中增加壓力控制模塊，從操作界面上輸入要控制的壓力值，由 PLC 自動(dòng)對壓力進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，同時(shí)由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員對刀盤和主軸承進(jìn)行監(jiān)控，有異常情況時(shí)及時(shí)查明原因。

因主軸承是整臺TBM的核心部件，為了保證其不受損壞，每掘進(jìn)20m進(jìn)行一次油樣采集，并及時(shí)檢測，發(fā)現(xiàn)異常立即查明原因。

在TBM剛進(jìn)入預(yù)處理段時(shí)，每掘進(jìn)1個(gè)循環(huán)，便停機(jī)安排人員進(jìn)入檢查刀盤、刀具、斗牙的磨損情況以及刀盤焊縫情況，并進(jìn)行記錄；若無異常，可適當(dāng)降低檢查頻率。

3.4 掘進(jìn)結(jié)果

雖采用鉆爆法對該洞段進(jìn)行了預(yù)處理，但TBM在掘進(jìn)過程中，部分洞段仍發(fā)生了塌方、輕微巖爆，加上其他的客觀因素，最終經(jīng)過47天的掘進(jìn)，完成了225m預(yù)處理洞段的掘進(jìn)工作。平均每日掘進(jìn)4.8m(除去人為原因造成的3天0進(jìn)尺，實(shí)際平均日進(jìn)尺為5.13m)，最高日進(jìn)尺11.34m。

3.4.1 掘進(jìn)速率分析

對TBM通過預(yù)處理段的各項(xiàng)施工要素所占用時(shí)間按照表1的分類進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以看出，影響TBM掘進(jìn)的主要影響因素為洞外皮帶停機(jī)、TBM設(shè)備故障停機(jī)(主要有掘進(jìn)期間每2至3個(gè)循環(huán)檢查維護(hù)刀盤、皮帶硫化等)、其他原因停機(jī)時(shí)間(主要有洞外停水、TBM輸水管檢修、高壓停電、支護(hù)材料供應(yīng)等)。

另外，TBM純掘進(jìn)時(shí)間占總施工時(shí)間的35.39%，與正常斷面施工相比較，并未減少許多，但由于掘進(jìn)參數(shù)的控制導(dǎo)致掘進(jìn)速度下降了60%～70%，直接導(dǎo)致TBM通過預(yù)處理段的時(shí)間較長。

同時(shí)可以看出，地質(zhì)條件影響TBM停機(jī)所占的比例較少，僅占施工各要素的5.38%，與其他相鄰洞室在同等樁號、類似地質(zhì)條件時(shí)巖爆、塌方頻頻爆發(fā)相比，地質(zhì)條件影響TBM掘進(jìn)明顯減弱，從而體現(xiàn)出在強(qiáng)巖爆段采用鉆爆法開挖預(yù)處理洞段對改善TBM通過起到了明顯的作用。

表1 TBM施工各要素統(tǒng)計(jì)

3.4.2 TBM設(shè)備影響

通過對TBM在預(yù)處理段掘進(jìn)的刀具和備件損耗統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，刀具損壞形式和全斷面開挖一致，且損耗量較全斷面掘進(jìn)反而偏少，表明刀具和備件消耗均屬正常。

預(yù)處理段的油樣報(bào)告顯示，潤滑系統(tǒng)回油磁濾芯處的譜片與進(jìn)入預(yù)處理段前的油品檢測譜片對比，磨粒數(shù)沒有明顯增加，直觀上看比以前還要少，說明這段時(shí)間主軸承處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，主軸承磨損正常。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，TBM在通過預(yù)處理段斷面時(shí)主梁確有發(fā)生偏載的情況，但受到的最大彎矩不足80MPa，由此表明掘進(jìn)過程中主梁不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，但會(huì)對 TBM 最佳工作狀態(tài)有一定影響。

通過預(yù)處理段斷面與全斷面的振動(dòng)值測試進(jìn)行對比顯示，TBM整體振動(dòng)在水平方向稍小、垂直方向較大，除了導(dǎo)向系統(tǒng)激光棱鏡振動(dòng)較大，對導(dǎo)向產(chǎn)生了不利影響(可用人工導(dǎo)向進(jìn)行復(fù)核)外，對其他各部位均沒有影響。

4 小 結(jié)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合TBM在通過鉆爆法開挖強(qiáng)巖爆預(yù)處理洞段時(shí)的監(jiān)測結(jié)果顯示，TBM設(shè)備是安全的，選擇的掘進(jìn)參數(shù)是合理的；但掘進(jìn)參數(shù)是不固定的，應(yīng)根據(jù)TBM進(jìn)入巖面實(shí)時(shí)情況不斷調(diào)整以作出最適合的操作，為TBM提供最佳的保護(hù)。

通過此次TBM通過強(qiáng)巖爆洞段的施工，獲得以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：

(1)在導(dǎo)洞成型的條件下，掌子面缺省1/3斷面，TBM在掘進(jìn)過程中將遇到刀盤上下受力不均、主軸承偏心矩較大、刀具的沖擊較頻、振動(dòng)加劇等情況，這些都是需要事前研究并制定應(yīng)急預(yù)案的。

(2)實(shí)踐證明，TBM在掘進(jìn)過程中遇到強(qiáng)巖爆洞段采用導(dǎo)洞開挖的方案是可行的，但需要注意預(yù)處理導(dǎo)洞開挖型式的選擇、掘進(jìn)參數(shù)的確定和隨現(xiàn)場條件變化而變化等。尤其需要在掘進(jìn)過程中采用得當(dāng)?shù)谋O(jiān)測手段對TBM狀態(tài)、性能隨時(shí)掌握，從而保證TBM設(shè)備能夠安全地通過強(qiáng)巖爆洞段。

(3)此次TBM通過強(qiáng)巖爆預(yù)處理洞段的過程中仍存在一些問題：

a.TBM通過的掘進(jìn)進(jìn)尺較低，但有較大提升空間，可通過進(jìn)一步優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)、同時(shí)盡量避免意外情況導(dǎo)致停機(jī)而增加掘進(jìn)時(shí)間來提高。

b.因現(xiàn)場不具備油樣的鐵譜、光譜檢測條件，委外檢測需時(shí)較長，對現(xiàn)場指導(dǎo)意義不及時(shí)，若條件允許，可將試驗(yàn)儀器采購至現(xiàn)場由專人檢測，做到及時(shí)檢測、及時(shí)反饋。

c.TBM設(shè)備制造商對于主軸承的數(shù)據(jù)、尺寸等控制較嚴(yán)，無法得知準(zhǔn)確的偏心距，給掘進(jìn)參數(shù)的確定帶來了一定的風(fēng)險(xiǎn)。