楊宏欣

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

適用于軟巖隧洞的 TBM 設(shè)備功能特性研究

楊宏欣

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

文章通過(guò)全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（ 簡(jiǎn)稱 TBM）在新疆達(dá)坂軟巖隧洞的工程實(shí)例，闡述了適用于軟巖隧洞開(kāi)挖的 TBM 設(shè)備功能特性應(yīng)有良好的適應(yīng)性，TBM 選型和制定過(guò)程中應(yīng)確定合理的 TBM 掘進(jìn)性能主要技術(shù)指標(biāo)， 并考慮既要滿足多種復(fù)雜地質(zhì)條件、 與施工方案相匹配，也要符合工期、安全要求。

TBM 設(shè)備；軟巖隧洞；功能特性

在機(jī)械化掘進(jìn)隧洞中，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備好壞是決定工程成敗的關(guān)鍵因素之一，工期、成本和質(zhì)量安全等在很大程度上都取決于 TBM 設(shè)備。眾所周知，TBM 掘進(jìn)技術(shù)在硬巖掘進(jìn)中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，而對(duì)軟巖,則對(duì) TBM 設(shè)備功能特性進(jìn)一步提出新的要求。本文以 TBM 在新疆達(dá)坂軟巖隧洞工程的成功應(yīng)用為例，闡述了適應(yīng)于多種復(fù)雜地層的超長(zhǎng)距離的軟巖隧洞開(kāi)挖的 TBM 設(shè)備應(yīng)具有良好、適應(yīng)性較強(qiáng)的功能特性。在選型與定制過(guò)程中，須充分考慮 TBM 掘進(jìn)性能主要技術(shù)指標(biāo)的合理性、TBM 設(shè)備功能和性能與地質(zhì)條件和環(huán)境條件相適應(yīng)、與施工方案相配套等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 TBM 掘進(jìn)性能主要設(shè)計(jì)指標(biāo)的合理性

TBM 設(shè)備在選型和定制過(guò)程中，需根據(jù)工期要求、工程地質(zhì)、工程設(shè)計(jì)、施工工藝、不良地質(zhì)洞段的適應(yīng)性等多方面因素對(duì) TBM 掘進(jìn)性能提出合理要求，從而確定貫入度、純掘進(jìn)速度、設(shè)備完好率、掘進(jìn)作業(yè)利用率等 TBM 設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)。不同巖石條件下的 TBM 貫入度、純掘進(jìn)速度、掘進(jìn)作業(yè)利用率是衡量工程能否按期完成的重要依據(jù)，它的合理性與否決定了工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)工程地質(zhì)和工期要求，可要求設(shè)備制造商提供 TBM 在不同地質(zhì)條件下的貫入度或純掘進(jìn)速度的參考值，對(duì)上述值進(jìn)行評(píng)判是否滿足掘進(jìn)速度要求。

設(shè)備完好率是一個(gè)主要取決于 TBM 設(shè)備制造商技術(shù)水平的性能參數(shù)。完好率越高，說(shuō)明設(shè)備本身性能越好。設(shè)備選型和制定過(guò)程中可向 TBM制造商要求設(shè)備完好率達(dá)到 70%～90%。

掘進(jìn)作業(yè)利用率是掘進(jìn)時(shí)間占總施工時(shí)間的比例，利用率越高，掘進(jìn)進(jìn)尺就越高。為提高掘進(jìn)作業(yè)利用率，在提高 TBM 設(shè)備完好率的同時(shí),選型設(shè)計(jì)中還需考慮 TBM 掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等各個(gè)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)配合，并加強(qiáng)施工組織管理。

2 TBM 主機(jī)及輔助設(shè)備的選型與地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性

2.1 安全可靠性

達(dá)坂隧洞工程 TBM 連續(xù)掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)約 23 km，為保證 TBM 在各種不良地質(zhì)條件下具有良好的安全可靠性、使用性能和配套系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)TBM 持續(xù)掘進(jìn)，在選型設(shè)計(jì)中確定： 主軸承、推進(jìn)、支撐油缸、PLC 等 TBM 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)壽命；在油、氣、電、水等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用變頻、液壓、PLC程序控制等先進(jìn)技術(shù)；設(shè)置 VMT 自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)，精確控制 TBM 掘進(jìn)方向等。同時(shí)，為創(chuàng)造適宜、安全的施工作業(yè)環(huán)境實(shí)現(xiàn)人性化管理，TBM 選型和定制中應(yīng)考慮設(shè)置通風(fēng)除塵裝置、有害氣體監(jiān)測(cè)裝置、安全通道、消防設(shè)施、應(yīng)急設(shè)備等。

2.2 適應(yīng)性

根據(jù)前期地質(zhì)勘測(cè)資料，達(dá)坂隧洞工程可能含有土洞、斷層破碎帶、煤系地層、富水涌水洞段、膨脹泥巖塑性變形段、大塌方段、極軟巖以及二疊系硬巖洞段等多種不良地質(zhì)洞段。在設(shè)備選型和定制過(guò)程中需全面考慮，TBM 主機(jī)與輔助設(shè)備的功能特性應(yīng)與多種地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)，如：刀盤(pán)設(shè)計(jì)和刀具配置既能適應(yīng)硬巖掘進(jìn)，又能適應(yīng)軟巖掘進(jìn)，且刀盤(pán)和刀具應(yīng)具有較高的耐磨性能；配置超前鉆機(jī)或錨桿鉆機(jī)，用于富水涌水洞段、斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段地質(zhì)預(yù)報(bào)工作和超前預(yù)加固工作；針對(duì)富水涌水洞段，TBM 考慮配置排水泵，超前鉆機(jī)、注漿設(shè)備用于超前地層加固堵水，電氣設(shè)備應(yīng)有良好的防水性能；針對(duì)膨脹泥巖塑性變形和塌方洞段，考慮刀盤(pán)采用封閉式設(shè)計(jì)，可設(shè)置擴(kuò)挖刀，TBM 盾體結(jié)構(gòu)需有足夠的強(qiáng)度、剛度和推力、扭矩等能力儲(chǔ)備，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可做導(dǎo)洞開(kāi)挖；撐靴壓力能根據(jù)地質(zhì)條件調(diào)整；針對(duì)煤系地層洞段，應(yīng)考慮設(shè)置瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng),同時(shí) TBM 二次通風(fēng)的能力需充分考慮對(duì)瓦斯氣體的稀釋能力，并配置二次通風(fēng)機(jī)、水泵、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、應(yīng)急照明燈等防爆設(shè)備。

根據(jù)達(dá)坂隧洞前期勘探的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)資料中關(guān)于地層有關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、構(gòu)造、環(huán)境等多種因素，初步確定的刀盤(pán)貫入度、刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)功率、推進(jìn)總推力、額定扭矩、脫困扭矩、轉(zhuǎn)速、徑向擴(kuò)挖等 TBM 的主要掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)能滿足各種不良地質(zhì)條件的需求。

3 主機(jī)及后配套輔助設(shè)備的選型布置與施工方案的配套性

TBM 主機(jī)與后配套的輔助設(shè)備是與掘進(jìn)機(jī)主機(jī)相匹配的，它們分別安裝在后配套臺(tái)車上，具體位置是從其本身的特性、安裝尺寸、重量及臺(tái)車平衡等方面綜合考慮。液壓系統(tǒng)安裝在臺(tái)車前部，盡量減少液壓管線的長(zhǎng)度和管線壓力損失；電氣設(shè)備盡量與液壓、水系統(tǒng)設(shè)備分開(kāi)布置，消除安全隱患；變壓器、控制柜、空壓機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)等較重、大件設(shè)備的安裝除考慮安裝尺寸外，還考慮臺(tái)車的平衡性，根據(jù)主機(jī)和后配套輔助設(shè)備的重量在不同臺(tái)車底部增加了不同程度的配重；皮帶機(jī)處于后配套臺(tái)車的上部中心，為出碴運(yùn)輸和混凝土管片運(yùn)輸提供較大的空間。

TBM 主機(jī)及其后配套系統(tǒng)在選型和制定中需考慮與施工方案相配套，結(jié)合掘進(jìn)、支護(hù)、出渣三大作業(yè)并行作業(yè)特點(diǎn)，對(duì) TBM 掘進(jìn)速度、管片安裝支護(hù)、皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)出渣能力、后配套臺(tái)車設(shè)施及軌道布置、列車渣料運(yùn)輸能力以及相關(guān)施工設(shè)備設(shè)施的布置及性能要求進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化配置與協(xié)調(diào)，考慮掘進(jìn)速度與出渣能力是否匹配，掘進(jìn)速度與支護(hù)能力是否匹配，材料運(yùn)輸、回填灌漿、供水、供電、通風(fēng)、除塵、軌道鋪設(shè)等與主機(jī)設(shè)計(jì)是否匹配。TBM 施工應(yīng)以掘進(jìn)作業(yè)為核心，其它輔助系統(tǒng)配置不能延誤掘進(jìn)作業(yè)。后配套系統(tǒng)需滿足掘進(jìn)、支護(hù)、出渣所需的材料、供水、供電、通風(fēng)、除塵等項(xiàng)要求，使整個(gè) TBM 施工系統(tǒng)成為安全、快速和高效掘進(jìn)的集成作業(yè)系統(tǒng)。

工程實(shí)踐表明，達(dá)坂軟巖隧洞 TBM 的總體設(shè)計(jì)、主要技術(shù)參數(shù)確定、支護(hù)設(shè)備的配置是科學(xué)合理的，TBM 設(shè)備適應(yīng)于軟巖隧洞的功能和特性即滿足了多種不良地質(zhì)條件的需求，符合工期要求，也與施工方案相匹配，為推動(dòng)軟巖隧洞全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒。

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