蔣 于 波
(四川二灘國(guó)際工程有限責(zé)任公司,四川 成都 610072)
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(jiǎn)稱TBM)常會(huì)發(fā)生巖爆現(xiàn)象,從而對(duì)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(cè)、超前應(yīng)力解除爆破等。
四川錦屏二級(jí)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(zhǎng)、超前應(yīng)力解除爆破不具備條件等因素,從而不能對(duì)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(duì)本工程的影響極大。
結(jié)合錦屏二級(jí)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(duì)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。
四川錦屏二級(jí)水電站設(shè)有4條引水隧洞,單洞長(zhǎng)16.7km,平行布置,相互之間間隔60m,其中1、3號(hào)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(guó)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(cè)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。
為應(yīng)對(duì)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(zhǎng))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(duì) TBM 刀盤的損壞,采用玻璃纖維錨桿作為臨時(shí)支護(hù)。
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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(jí)、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(chǎng)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(duì)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(chǎng)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整,對(duì)此不作具體的強(qiáng)性要求。
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(duì)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(duì)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(cè)
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(duì)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(tái)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(cè),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(wú)異常,可適當(dāng)降低檢查頻率。
雖采用鉆爆法對(duì)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(duì)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(zhǎng)。
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(hào)、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(duì)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(duì)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(rùn)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(cè)譜片對(duì)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(cè)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(duì) 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(cè)試進(jìn)行對(duì)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(duì)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(duì)其他各部位均沒有影響。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)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(cè)手段對(duì)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(lái)提高。
b.因現(xiàn)場(chǎng)不具備油樣的鐵譜、光譜檢測(cè)條件,委外檢測(cè)需時(shí)較長(zhǎng),對(duì)現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)意義不及時(shí),若條件允許,可將試驗(yàn)儀器采購(gòu)至現(xiàn)場(chǎng)由專人檢測(cè),做到及時(shí)檢測(cè)、及時(shí)反饋。
c.TBM設(shè)備制造商對(duì)于主軸承的數(shù)據(jù)、尺寸等控制較嚴(yán),無(wú)法得知準(zhǔn)確的偏心距,給掘進(jìn)參數(shù)的確定帶來(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)。