黃 翮， 李衛(wèi)國

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級水電站利用雅礱江下游河段150 km長大河灣的天然落差，通過4條平行的引水隧洞(單條洞長度約16．67km)截彎取直，獲得水頭約310m。引水隧洞地處高地應(yīng)力區(qū)，隧洞沿線上覆巖體一般埋深1500～2000m，最大埋深約為2525m，引水隧洞具有高埋深、高地應(yīng)力、大斷面、線路長、富含高承壓地下水的特點(diǎn)。隧洞沿線巖石具有高儲能性質(zhì)，具備發(fā)生高地應(yīng)力破壞的強(qiáng)度條件。在引水隧洞開挖中，以輕微～中等巖爆為主，部分洞段發(fā)生了強(qiáng)烈～極強(qiáng)巖爆。引水隧洞中部洞段地層為白山組(T2b)大理巖，巖石脆硬，該段隧洞埋深超過2000m，最大主應(yīng)力σm≥40MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比 Rb/σm＜2，地應(yīng)力等級為極高地應(yīng)力，屬于巖爆高發(fā)洞段，其強(qiáng)烈程度以輕微～中等為主，局部洞段發(fā)生了強(qiáng)烈～極強(qiáng)巖爆。巖爆的發(fā)生嚴(yán)重威脅施工人員及設(shè)備的安全，影響施工進(jìn)度，甚至造成隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)停機(jī)。為了保證TBM順利通過巖爆洞段，同時得到TBM通過巖爆洞段的優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，在施工現(xiàn)場采用了鉆爆法導(dǎo)洞預(yù)處理后、TBM再掘進(jìn)剩余斷面的施工方法。

1．1 TBM設(shè)備簡介

錦屏二級水電站1#引水隧洞采用由美國羅賓斯公司生產(chǎn)的敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)(簡稱TBM)施工，整機(jī)長度為255m，主機(jī)和后配套重量約為3400t，共裝有78把直徑為483mm的滾刀，單把滾刀的最大切削載荷為311kN，推薦的刀盤推力為22703kN，可承受的最大推力為24260kN，刀盤驅(qū)動的總功率為4410kW，刀盤轉(zhuǎn)速為0～5．6 rpm，刀盤扭矩(2．4rpm 時)為16519kN·m，刀盤扭矩(5rpm時)為7509kN·m，掙脫扭矩為24778kN·m(3．3倍高速扭矩)。

1．2 部分?jǐn)嗝娴臄嗝嫘问郊捌渲ёo(hù)

為了保證1#引水隧洞施工順利通過潛在強(qiáng)巖爆施工洞段，在1#引水隧洞引(1)12+127～11+976、引(1)10+981～10+892段進(jìn)行了部分?jǐn)嗝鎀BM的試驗掘進(jìn)施工。在試驗掘進(jìn)洞段，采取了2種不同型式的斷面，一種斷面為底部預(yù)留1 m高度(圖1)，一種斷面為底部預(yù)留7．4m的上導(dǎo)洞斷面型式(圖2)。

圖中鉆爆法開挖部分是通過相鄰的2#引水隧洞及其橫通道施工完成。預(yù)留1m斷面的開挖半徑較TBM開挖半徑大30cm，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，采用長度為3m的玻璃纖維錨桿進(jìn)行臨時支護(hù)，在每一根錨桿上掛線后進(jìn)行噴射混凝土施工;為確保噴射混凝土的平整度滿足撐靴通過的要求，其余部位采用砂漿錨桿并噴射20cm厚混凝土進(jìn)行系統(tǒng)支護(hù);預(yù)留7．4m斷面導(dǎo)洞頂部90°范圍開挖半徑較TBM開挖半徑大30cm，采用砂漿錨桿并噴射20cm厚混凝土進(jìn)行支護(hù)，邊墻撐靴部位預(yù)留不開挖，采用3m長的玻璃纖維錨桿進(jìn)行臨時支護(hù)。

2 TBM穿越部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)施工

2．1 掘進(jìn)參數(shù)的選取

TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時，空腔部位可能使得頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾與巖石表面沒有接觸而造成TBM穩(wěn)定性減弱，同時，刀盤部分面積與巖石沒有接觸，導(dǎo)致刀盤和刀具受力不均，刀盤、主軸承及主梁等部件會受到偏心扭矩，可能會導(dǎo)致刀具、鏟齒以及刀盤結(jié)構(gòu)所受到的沖擊載荷加大，因此，必須采取合理的掘進(jìn)參數(shù)，減小刀具的損壞，確保主軸承及主機(jī)結(jié)構(gòu)完好。

TBM操作參數(shù)中能直接控制的兩個變量為推進(jìn)流量和刀盤轉(zhuǎn)速。實際操作中，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，故對參數(shù)的選擇僅限于推進(jìn)力及刀盤轉(zhuǎn)速。

掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)通過理論計算并結(jié)合施工經(jīng)驗確定初始參數(shù)，再通過現(xiàn)場試驗后進(jìn)行最終掘進(jìn)參數(shù)的選取。

2．1．1 初始掘進(jìn)參數(shù)的選取

推進(jìn)力由兩部分組成，即刀盤的總壓力以及推進(jìn)的摩擦阻力。推進(jìn)的摩擦阻力由主機(jī)重量和側(cè)護(hù)盾撐緊產(chǎn)生的摩擦力組成(后配套牽引處于浮動狀態(tài)，不計)。摩擦系數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇0．35，則推進(jìn)摩擦阻力為5320kN。

底部預(yù)留1m斷面的TBM開挖部分的面積為4．6m2，占全斷面開挖面積的4%，接觸巖面的刀的數(shù)量最多時為3個，最少時為1個。在此工況下，TBM掘進(jìn)的控制要素為單刀能夠承受的最大荷載，因此，為保護(hù)刀具，刀盤的總壓力為單刀最大載荷315kN，考慮到推進(jìn)時的摩擦阻力，將最大推進(jìn)定力為5635kN。

底部預(yù)留7．4m斷面的TBM開挖部分的面積為80．6m2，占全斷面開挖面積的67%，接觸巖面的滾刀數(shù)量為50～57個。在此工況下，主軸承為偏心受力，應(yīng)以主軸承滾柱對滾道的接觸壓力不高于正常掘進(jìn)時的最大滾壓為前提，根據(jù)斷面的偏心距離、主軸承的抵抗矩、允許的最大滾壓按照以下公式計算出單把滾刀的荷載，再根據(jù)接觸巖面的滾刀數(shù)量計算出刀盤的允許最大推力。

公式:單刀荷載×巖面接觸面滾刀數(shù)量/主軸承滾柱的接觸面積+單刀荷載×巖面接觸面滾刀數(shù)量×偏心距/主軸承抵抗矩=最大滾壓

經(jīng)計算，底部預(yù)留7．4m斷面的單刀荷載為198kN。為保護(hù)主軸承，刀盤的總壓力最大為9900kN(50×單刀荷載)，考慮到推進(jìn)時的摩擦阻力，則其最大推進(jìn)力為15220kN。為了確保TBM設(shè)備安全，考慮到TBM制造廠家的建議，選取了一定的安全系數(shù)，將初始掘進(jìn)推力選為10 000kN，最大不超過14600kN。

刀盤轉(zhuǎn)速從2rpm逐漸遞增，將最高轉(zhuǎn)速控制在3rpm，并根據(jù)實際刀具、刀牙的損壞及主機(jī)振動情況選擇最為合適的轉(zhuǎn)速。

2．1．2 實際采用的掘進(jìn)參數(shù)

以選定的初始參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了6個工況(每個工況對應(yīng)不同的刀盤推力和刀盤轉(zhuǎn)速)的掘進(jìn)測試，每個工況掘進(jìn)距離為20～40cm，其中重點(diǎn)對轉(zhuǎn)速2．5～3r/min之間的推力進(jìn)行了測試。

每次推力試驗的第一組均進(jìn)行空推試驗，即將刀盤后退，頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾正常施壓，啟動刀盤到即定的轉(zhuǎn)速后，開始向前推進(jìn)，當(dāng)其達(dá)到需要的推進(jìn)速度時，記錄其推進(jìn)力。實際測得的推進(jìn)摩擦阻力值變化較大，范圍為3300～8500kN。

通過對不同掘進(jìn)參數(shù)下設(shè)備狀況的監(jiān)控及掘進(jìn)效果(貫入度的大小)的比較，并最終選擇出適合于1#引水隧洞部分?jǐn)嗝骈_挖的掘進(jìn)參數(shù)(表1)。

2．2 TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)采用的施工措施

2．2．1 掘進(jìn)前的準(zhǔn)備

(1)為保護(hù)刀具及刀盤部件，在TBM掘進(jìn)施工前，安排專人及設(shè)備將超前導(dǎo)洞預(yù)處理段的大石塊運(yùn)出并檢查是否有鐵器遺留，及時清理。

(2)為保證設(shè)備安全、獲得最合理的掘進(jìn)參數(shù)，提前制定了監(jiān)測方案并提前在全斷面掘進(jìn)段取得相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(3)加強(qiáng)對掘進(jìn)姿態(tài)的控制。TBM抵達(dá)部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)段前，其掘進(jìn)軸線應(yīng)盡量接近隧洞設(shè)計軸線。

(4)確保對鉆爆施工預(yù)留1m斷面撐靴部位的支護(hù)措施、施工工效以及噴層尺寸控制效果，以保證撐靴的正常支撐。

(5)考慮到可能出現(xiàn)的備件損耗，施工前需及時儲備，以保證不影響正常施工。

2．2．2 掘進(jìn)過程中的要點(diǎn)

每循環(huán)控制調(diào)向1～2次，以防止損壞刀具。由于兩側(cè)護(hù)盾能正常撐緊至洞壁，故軸向水平方向容易控制，而頂護(hù)盾因無法接觸到洞壁，則調(diào)向重點(diǎn)在軸向垂直方向，需防止機(jī)器上漂。當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)器有上揚(yáng)趨勢時應(yīng)及時向下調(diào)向。通過采取上述措施，在錦屏二級水電站部分?jǐn)嗝鎀BM開挖過程中的實際軸線控制均在允許偏差范圍內(nèi)。

掘進(jìn)過程中安排專人觀察刀盤及刀具的工作狀況，同時觀察刀盤前部巖石的積渣情況，若有大塊石堆積，及時進(jìn)行處理。在實際掘進(jìn)過程中，可根據(jù)刀盤出渣塊度的均勻程度和刀盤抖動情況適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。

2．3 TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

2．3．1 設(shè)備狀態(tài)檢測的主要內(nèi)容

在主軸承上端共布置了4個測點(diǎn)，測試主軸承不同工況下(全斷面、預(yù)留1m斷面和預(yù)留7．4 m斷面)的振動速度。通過對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定主軸承的振動優(yōu)勢頻率及特征頻率，據(jù)此判斷主軸承的工作狀態(tài)是否正常，是否存在其它振源干擾產(chǎn)生的振動疊加;通過振動速度幅值的計算，確定主軸承的振動烈度，并將不同工況下的數(shù)值進(jìn)行對比，提供合理的掘進(jìn)參數(shù)。

在6#、9#主驅(qū)動電機(jī)上共布置了4個測點(diǎn)，以測試主驅(qū)動電機(jī)不同工況下的振動加速度，通過觀測主驅(qū)動電機(jī)的振動，可以確定刀盤掘進(jìn)過程是否平穩(wěn)。

在不同掘進(jìn)工況下，對主軸承、主驅(qū)動變速箱、主液壓系統(tǒng)等處潤滑油的油樣進(jìn)行理化指標(biāo)(粘度、水分)分析、鐵譜分析、污染度檢測、光譜分析，并根據(jù)設(shè)備油液的分析情況判斷設(shè)備的振動程度及狀態(tài)。

2．3．2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的分析結(jié)果

(1)與全斷面掘進(jìn)相比，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時，主軸承振動速度和加速度有效值均有所減小，主梁振動速度也有所減小，初步分析判斷其為推力減小所致。

(2)根據(jù)對部分?jǐn)嗝鏈y試數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，全斷面掘進(jìn)與部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時主電機(jī)的振動加速度相差不多。

(3)與全斷面掘進(jìn)相比，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時，主梁上部主要受拉應(yīng)力，下部主要受壓應(yīng)力，主梁的偏載稍大，但未超過一個數(shù)量級。

(4)1m高斷面由于推力較小，故其各個測點(diǎn)的振動加速度值與速度值均很小。但與全斷面和部分?jǐn)嗝嫦啾龋髁核艿降钠d并未減小，且在同種工況下略有增加。

(5)磁濾芯檢查、取油樣進(jìn)行理化指標(biāo)檢測及鐵譜分析表明:主軸承潤滑油及主驅(qū)動電機(jī)減速箱潤滑油運(yùn)動粘度、水分、污染度均在許可范圍內(nèi)，外觀呈棕色透亮，油液質(zhì)量良好，油液中含有的異常磨粒數(shù)量較少，尺寸較小，均屬于正常磨損。主軸承處于平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)，主軸承磨損正常。

對上述部分?jǐn)嗝鏍顟B(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析表明:部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時偏載情況確實存在，數(shù)值略微超過全斷面，但不會影響到主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全;全斷面與部分?jǐn)嗝鏈y點(diǎn)的振動值在水平方向稍小，垂直方向較大且相關(guān)，對于主電機(jī)沒有影響且不相關(guān);所選定的掘進(jìn)參數(shù)對于設(shè)備而言是安全的，對部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)是可行的，但需嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)。

2．4 TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時備件的消耗情況

在掘進(jìn)試驗段施工時，刀具未發(fā)生損壞，刀牙損壞平均值為0．32個/m，相比前期刀牙損壞1．95個/m要低很多，由此說明掘進(jìn)參數(shù)的選擇合理，貫入度及轉(zhuǎn)刀盤速控制合理。

在巖爆洞段部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)過程中刀具損壞3把(2把刀圈開裂，1把擋圈脫落)，刀牙未見損壞，雖然比試驗段有所增加，但與全斷面掘進(jìn)相比，損耗量仍很少，屬正常范圍。因此，刀具檢查時間可縮短至每班一次。

2．5 TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)的進(jìn)尺情況

1#引水隧洞引(1)12+127～11+976試驗掘進(jìn)段:底部預(yù)留1m斷面共施工了14d，施工段長為104m，最高日進(jìn)尺為11．58m/d，平均日進(jìn)尺為7．42m/d，最高掘進(jìn)速度為 0．84m/h，平均掘進(jìn)速度為0．78m/h;底部預(yù)留7．4m斷面共施工了8d，施工段長47m，最高日進(jìn)尺為12．01m/d，平均日進(jìn)尺為5．88m/d。

在引(1)10+981～10+892強(qiáng)巖爆洞段:全部為底部預(yù)留7．4m斷面，共長89m，施工了5 d，平均每天進(jìn)尺為17．8m/d，最高日進(jìn)尺達(dá)到了21．6m/d。該段進(jìn)尺大幅度提高得益于掘進(jìn)段試驗所取得的經(jīng)驗，一方面，合理地優(yōu)化了掘進(jìn)參數(shù);另一方面，適當(dāng)減少了刀具檢查頻次，將試驗掘進(jìn)段每循環(huán)檢查調(diào)整為每班檢查，從而使TBM掘進(jìn)的利用率得到了大幅度提高，達(dá)到了40%。

3 結(jié)語

(1)根據(jù)部分?jǐn)嗝娴臄嗝嫘问揭约癟BM設(shè)備的受力特點(diǎn)，通過理論計算和現(xiàn)場掘進(jìn)相結(jié)合的方法，合理選擇部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)參數(shù)進(jìn)行TBM部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)施工是安全、可行的。

(2)TBM穿越部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)施工應(yīng)通過理論計算和現(xiàn)場實際試驗，綜合選取最優(yōu)的掘進(jìn)參數(shù)，并應(yīng)通過對TBM的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析后對TBM設(shè)備的安全性進(jìn)行分析評估。

(3)TBM穿越部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)時，刀具、刀牙等備品備件的消耗水平比全斷面掘進(jìn)的消耗水平低。因此，在控制好掘進(jìn)參數(shù)的情況下，TBM部分?jǐn)嗝娴木蜻M(jìn)進(jìn)尺仍然可以達(dá)到較高的水平。