謝成濤, 趙海雷, 2
(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司, 廣東 廣州 510000; 2. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 鄭州 450001)
全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備,在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路、水利水電、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比,TBM的優(yōu)點(diǎn)為可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn),能同時(shí)完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè),其掘進(jìn)速度一般為常規(guī)鉆爆法的3~10倍,具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn),特別適合于深埋長(zhǎng)隧道的施工[2-5]。敞開式TBM主要是針對(duì)硬巖施工設(shè)計(jì)的,一般適用于地質(zhì)條件相對(duì)單一的中硬巖長(zhǎng)大隧道,對(duì)斷層、構(gòu)造發(fā)育、節(jié)理密集帶、巖爆以及突泥涌水等不良地層適應(yīng)性較差,因此,需要針對(duì)不良地層進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì),以便TBM能夠順利的通過(guò)[6-10]。
針對(duì)TBM的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)及應(yīng)用,許多專家學(xué)者做了相關(guān)的研究。洪開榮等[11]總結(jié)了我國(guó)硬巖掘進(jìn)機(jī)的創(chuàng)新與實(shí)踐,并指出其在核心技術(shù)上與國(guó)外仍有一定的差距。杜立杰[12]總結(jié)了我國(guó)近30年來(lái)TBM設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的發(fā)展歷程,并針對(duì)其施工中遇到的不良地質(zhì)條件提出了相應(yīng)的技術(shù)措施與對(duì)策,期望通過(guò)對(duì)這些技術(shù)措施和對(duì)策的進(jìn)一步驗(yàn)證,不斷積累和創(chuàng)新TBM設(shè)計(jì)與施工技術(shù)。文獻(xiàn)[13]論述了盾構(gòu)和TBM技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用,并重點(diǎn)研究了當(dāng)今某些特殊工程條件下,在設(shè)備上所做的創(chuàng)新。林剛等[14]研究了改良型護(hù)盾式TBM在城市軌道交通工程中的應(yīng)用,改良后的TBM具有“敞開式”與“土壓平衡式”2種掘進(jìn)模式。李宏波等[15]以TBM模態(tài)掘進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)搭載的不同刀具為研究對(duì)象,將聲發(fā)射檢測(cè)、自適應(yīng)卡爾曼濾波和一種改進(jìn)的信息熵值賦權(quán)模型應(yīng)用于TBM刀具狀態(tài)評(píng)估和檢測(cè)中,研究了一種新型TBM刀具磨損檢測(cè)技術(shù)。
以上研究分別從宏觀方面或單一方面闡述了TBM的創(chuàng)新與實(shí)踐,且未提供針對(duì)多種復(fù)雜地質(zhì)情況并存的具體解決案例。本研究針對(duì)高黎貢山隧道工程復(fù)雜的地質(zhì)條件開展了創(chuàng)新性設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了變截面可抬升開挖技術(shù),突破了前置式自動(dòng)化混噴技術(shù)、隱藏式常態(tài)化超前鉆探技術(shù)及水巖一體超前預(yù)報(bào)技術(shù),并在不良地質(zhì)掘進(jìn)段進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用,以期為同類地質(zhì)條件TBM設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。
大瑞鐵路高黎貢山隧道是中國(guó)第一鐵路長(zhǎng)隧,全長(zhǎng)34.538 km,隧道最大埋深1 155 m,位于喜馬拉雅地震帶,受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓,地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜。不良地質(zhì)條件主要有高地溫、軟巖大變形、涌水、斷層破碎帶、巖爆、巖溶、蝕變巖及節(jié)理密集帶、活動(dòng)斷裂帶、高烈度地震帶、放射性物質(zhì)、有害氣體、滑坡、偏壓等,幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質(zhì)和重大風(fēng)險(xiǎn),堪稱隧道建設(shè)“地質(zhì)博物館”。
高黎貢山隧道出口正洞和平導(dǎo)施工段分別采用開挖直徑為9.03 m的“彩云號(hào)”和開挖直徑為6.36 m的“彩云1號(hào)”敞開式TBM施工。正洞TBM計(jì)劃掘進(jìn)長(zhǎng)度12 546 m,截至目前累計(jì)掘進(jìn)2 400 m,其中,設(shè)計(jì)Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比52%,實(shí)際揭示占比為58%?!安试铺?hào)”TBM施工以來(lái),先后2次通過(guò)巖性接觸帶,3次通過(guò)節(jié)理密集切割破碎帶,1次通過(guò)斷層破碎帶等,發(fā)生過(guò)1次涌水。高黎貢山隧道TBM施工段如圖1所示,高黎貢山隧道正洞創(chuàng)新設(shè)計(jì)的“彩云號(hào)”敞開式TBM如圖2所示。
圖1 高黎貢山隧道TBM施工段示意圖(單位: m)
圖2高黎貢山隧道正洞用國(guó)產(chǎn)第一大直徑“彩云號(hào)”TBM
Fig. 2 The largest diameter TBM Caiyun made in China for Gaoligongshan Tunnel
目前,敞開式TBM變截面施工有2種可行的方式: 更換刀盤邊塊和增加邊刀墊塊。
更換邊塊刀盤采用4+1的分塊形式、后配套設(shè)計(jì)預(yù)留新邊塊運(yùn)輸至主機(jī)段的空間。需要變截面擴(kuò)挖時(shí),首先人工將刀盤區(qū)域洞室擴(kuò)大,安裝吊具及吊點(diǎn),將原邊塊依次拆除運(yùn)輸?shù)蕉赐?,再安裝新邊塊,實(shí)現(xiàn)變截面擴(kuò)挖。該方法的變徑范圍大,可實(shí)現(xiàn)較大直徑的變截面,但存在操作復(fù)雜、更換邊塊費(fèi)用高、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。
增加邊刀墊塊指通過(guò)在刀盤邊刀外增加墊塊,將邊刀外移,實(shí)現(xiàn)刀盤變徑。正常掘進(jìn)時(shí),能保持主機(jī)向上掘進(jìn)姿勢(shì),實(shí)現(xiàn)主機(jī)不因?yàn)榈撞繑U(kuò)挖而“栽頭”。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單靈活,只需將邊刀重新安裝,不需要人工對(duì)隧道進(jìn)行大范圍擴(kuò)挖,費(fèi)用較低,只需備1套墊塊,擴(kuò)挖操作時(shí)所需人力與時(shí)間均較少。
高黎貢山隧道蝕變巖段有擴(kuò)挖的需求,但距離較短、擴(kuò)挖量較小,因此,采用了增加邊刀墊塊的設(shè)計(jì)方案,實(shí)現(xiàn)了半徑方向50~100 mm的擴(kuò)挖。
2.2.1 設(shè)計(jì)方案
TBM要實(shí)現(xiàn)連續(xù)擴(kuò)挖,在刀盤變直徑的同時(shí)需要抬升驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),防止刀盤直徑變大后機(jī)器下沉。TBM底護(hù)盾與機(jī)頭架之間是通過(guò)螺栓進(jìn)行剛性連接的。若需要變直徑開挖,首先需拆除底護(hù)盾與機(jī)頭架之間的連接螺栓,通過(guò)舉升油缸將機(jī)頭架抬起一定高度,在機(jī)頭架與底護(hù)盾之間填裝相應(yīng)厚度的鋼板,最后將機(jī)頭架與底護(hù)盾重新剛性連接,如圖3所示。
圖3 驅(qū)動(dòng)抬升裝置示意圖
2.2.2 底護(hù)盾受力分析
具備抬升功能的底護(hù)盾有3種工況: 正常掘進(jìn)工況、后退工況、機(jī)頭架抬升工況,工況不同底護(hù)盾受力不同。底護(hù)盾承擔(dān)約70%的主機(jī)質(zhì)量,底護(hù)盾與圍巖發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí),圍巖對(duì)底護(hù)盾有摩擦力f。TBM主機(jī)總質(zhì)量約1 000 t,取盾體與圍巖摩擦因數(shù)為0.5。通過(guò)有限元模型分析底護(hù)盾受力情況如下:
1)正常掘進(jìn)工況下,最大應(yīng)力為103 MPa,底護(hù)盾材質(zhì)為Q345,設(shè)計(jì)安全余量滿足要求,見圖4。
圖4 正常掘進(jìn)工況受力分析結(jié)果(單位: Pa)
Fig. 4 Analysis of force under normal driving condition (unit: Pa)
2)后退工況下,最大應(yīng)力為100 MPa,平均應(yīng)力在60 MPa以下,底護(hù)盾材質(zhì)為Q345,設(shè)計(jì)安全余量滿足使用要求,見圖5。
圖5 后退工況受力分析結(jié)果(單位: Pa)
Fig. 5 Analysis of force under backward working condition (unit: Pa)
3)機(jī)頭架抬升工況,最大應(yīng)力約為72 MPa,最大應(yīng)力集中在油缸底座處,遠(yuǎn)小于Q345屈服強(qiáng)度,滿足設(shè)計(jì)要求,見圖6。
圖6 機(jī)頭架抬升工況受力分析結(jié)果(單位: Pa)
Fig. 6 Analysis of force under cutterhead frame lifting condition (unit: Pa)
基于以上3種工況的模擬分析可知,正洞TBM的變截面可抬升開挖設(shè)計(jì)滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。
截至目前,正洞TBM掘進(jìn)超過(guò)2 km,暫未遇到大的收斂變形洞段,變截面可抬升開挖技術(shù)還未得到具體的應(yīng)用。
TBM通過(guò)不良地層時(shí),為了減少出護(hù)盾后圍巖的坍塌與收斂,在主機(jī)盾尾鋼拱架撐緊裝置處設(shè)計(jì)濕噴機(jī)械手及時(shí)封閉圍巖。通過(guò)結(jié)構(gòu)及空間優(yōu)化,在鋼拱架撐緊機(jī)構(gòu)上增加圓弧軌道及齒條,行走小車通過(guò)齒輪齒條嚙合沿圓弧軌道270°范圍內(nèi)行走。濕噴噴嘴安裝在小車上,噴嘴與洞壁的間距可調(diào)節(jié)。
L1區(qū)濕噴料采用接力方式泵送(見圖7),通過(guò)L2區(qū)混噴泵將濕噴料輸送至設(shè)備橋右側(cè)2臺(tái)混凝土輸送泵中,再通過(guò)設(shè)備橋右側(cè)輸送泵,將混凝土泵送至L1區(qū)濕噴噴嘴(見圖8)。L1區(qū)自動(dòng)化混噴裝置設(shè)計(jì)效果如圖7所示。
圖7 前置式自動(dòng)化混噴裝置
3.2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況
截至目前,正洞TBM累計(jì)掘進(jìn)2 400 m,其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖占比實(shí)際達(dá)到58%,隧道圍巖相對(duì)較破碎,給TBM掘進(jìn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。期間,曾試用了L1區(qū)自動(dòng)化混噴裝置,其為TBM快速通過(guò)斷層破碎帶提供了較大的幫助,有利于初露護(hù)盾的圍巖及時(shí)封閉,為初期支護(hù)爭(zhēng)取了更長(zhǎng)的時(shí)間,但是也發(fā)現(xiàn)了存在的一些問(wèn)題。
3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用存在的問(wèn)題
前置式自動(dòng)化混噴裝置濕噴料采用接力方式泵送混凝土,由于L2區(qū)混噴泵距設(shè)備橋混凝土輸送泵遠(yuǎn)(大于70 m),如圖8所示,容易造成賭管,導(dǎo)致不能連續(xù)噴混,影響使用效果。另外,L1區(qū)機(jī)械手噴頭與巖壁距離不足(80 cm),回彈量大。
圖8 L2區(qū)混噴泵距設(shè)備橋接力泵距離示意圖
3.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)
1)優(yōu)化混凝土輸送泵位置,如圖9所示。以下2種方案選其一進(jìn)行。優(yōu)化位置1: 將設(shè)備橋混凝土2#輸送泵向后移至設(shè)備橋上層平臺(tái),L1與L2區(qū)混凝土輸送泵管路總長(zhǎng)約為57 m,可縮短18.8 m。優(yōu)化位置2: 將設(shè)備橋混凝土2#輸送泵向后移至設(shè)備橋左下平臺(tái),L1與L2區(qū)混凝土輸送泵管路總長(zhǎng)度約為52 m,可縮短23.8 m。
圖9 優(yōu)化混凝土輸送泵位置示意圖
2)優(yōu)化混凝土輸送管路直徑。目前混凝土輸送管路采用DIN65,混凝土沿程阻力大,將管徑優(yōu)化為DIN80,增加混凝土輸送距離。
3)噴嘴與巖壁間的距離增加到1 m。
4)優(yōu)化混凝土的配比,提高骨料質(zhì)量。
3.2.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用效果
針對(duì)以上優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了效果驗(yàn)證,使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)仍然存在以下問(wèn)題: 1)優(yōu)化后賭管問(wèn)題雖然有所減輕但仍然存在,導(dǎo)致不能連續(xù)噴混,影響工作效率; 2)增加噴嘴與巖壁的距離,回彈量縮小至原來(lái)的40%,但仍不太理想,還有很大的提升空間。
以往TBM上使用的超前鉆機(jī)與錨桿鉆機(jī)共用軌道,超前鉆機(jī)使用時(shí)安裝,不使用時(shí)拆除,準(zhǔn)備工作耗時(shí)耗力。高黎貢山TBM施工時(shí),為了避免超前鉆機(jī)安裝與拆除對(duì)工期的耽誤,為超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)了單獨(dú)的軌道,且采用隱藏式設(shè)計(jì),超前鉆機(jī)不使用時(shí)隱藏在主梁上部,不影響其他作業(yè)。
隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)示意圖和實(shí)物圖分別如圖10和圖11所示,在主梁平臺(tái)下部單獨(dú)設(shè)計(jì)了超前鉆機(jī)、推進(jìn)梁及環(huán)形齒圈梁。超前鉆機(jī)泵站與L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)共用。正常掘進(jìn)時(shí)超前鉆機(jī)隨1段齒圈軌道梁暗藏于主梁平臺(tái)下方,兩側(cè)分別固定2段齒圈軌道梁,需要超前鉆孔作業(yè)時(shí),通過(guò)兩側(cè)油缸將超前鉆機(jī)及齒圈軌道梁一同升起并與兩側(cè)齒圈梁連接,可形成一整齒圈環(huán)。超前鉆機(jī)可沿著齒圈梁以7°的外插角行走1圈,用于超前鉆孔作業(yè),并可配合超前注漿設(shè)備,輔助進(jìn)行刀盤前方圍巖的超前支護(hù)。
圖10 隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)示意圖
圖11 隱藏式超前鉆機(jī)實(shí)物圖
4.2.1 應(yīng)用效果
截至目前,正洞TBM施工以來(lái),先后2次通過(guò)巖性接觸帶,3次通過(guò)節(jié)理密集切割破碎帶,1次通過(guò)斷層破碎帶,發(fā)生過(guò)1次涌水。為防止圍巖坍塌,通過(guò)隱藏式超前鉆機(jī)對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行超前鉆孔(如圖12所示),然后結(jié)合超前管棚與超前預(yù)注漿對(duì)前方巖體進(jìn)行加固,取得了良好的應(yīng)用效果,使TBM比較順利地通過(guò)了小的斷層破碎帶等不良地質(zhì),但TBM掘進(jìn)至D1K224+204處時(shí),遇上了較大的斷層,發(fā)生了卡機(jī)事故,最后經(jīng)過(guò)護(hù)盾周邊加固、刀盤前方徑向注漿、小導(dǎo)洞施工輔以人工清理的方法得以脫困。
圖12 TBM超前鉆機(jī)工作圖
4.2.2 應(yīng)用存在的問(wèn)題
1)隱藏齒圈段升起后與兩側(cè)齒圈跑道稍有錯(cuò)位;
2)管路連接影響效率,準(zhǔn)備時(shí)間需要2~3 h;
3)第1根鉆桿鉆進(jìn)時(shí)開孔困難。
4.2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)
1)需要進(jìn)行超前鉆探作業(yè)時(shí),可事先利用錨桿鉆機(jī)在需要超前鉆機(jī)進(jìn)行開孔的位置鑿出凹坑,減少超前鉆頭開孔時(shí)的偏載力,具體如圖13所示;
2)割除對(duì)齒圈干涉嚴(yán)重部分;
3)配置鉆桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu);
4)將超前鉆機(jī)油路與錨桿鉆機(jī)油路通過(guò)增加三通和球閥進(jìn)行連接,縮短使用時(shí)管路連接時(shí)間。
圖13 錨桿鉆機(jī)輔助開孔優(yōu)化方案
Fig.13Optimumschemeforauxiliaryopeningofboltdrillingmachine
為了應(yīng)對(duì)高黎貢山復(fù)雜的地質(zhì)情況,“彩云號(hào)”TBM上集成了HSP法、三維地震法、激發(fā)極化法等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法,并結(jié)合集成以外的TSP超前預(yù)報(bào)方法,綜合探測(cè)前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì),具體集成如圖14所示。
為方便操作手掌握前方地質(zhì)狀況,在TBM主控室內(nèi)集成超前探測(cè)控制系統(tǒng),并單獨(dú)設(shè)置超前探測(cè)控制單元及顯示屏,以便實(shí)時(shí)探測(cè),如圖15所示。
圖14超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成方案
Fig. 14 Integration scheme of advance prediction system
圖15 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)
HSP對(duì)正洞探測(cè)11次共計(jì)929 m,共預(yù)報(bào)異常段25處,聚類為21個(gè)異常段,其中包含4個(gè)重要異常段和17個(gè)小型異常段,如圖16所示。地質(zhì)揭露4個(gè)重要異常段和11個(gè)小型異常段,4個(gè)重要異常段無(wú)遺漏,僅6個(gè)較小異常HSP法未顯示。整體來(lái)看HSP的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高,能夠給現(xiàn)場(chǎng)預(yù)測(cè)提供很大的幫助。
TSP施作8次,共計(jì)探測(cè)917 m,單次搭接0~50 m,但因現(xiàn)場(chǎng)有3次搭接長(zhǎng)度不足,探測(cè)盲區(qū)總長(zhǎng)為69 m。對(duì)正洞TSP探測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭示進(jìn)行對(duì)比分析,TSP探測(cè)異常共計(jì)39處,現(xiàn)場(chǎng)揭示與預(yù)測(cè)相符區(qū)段有27處,正洞TSP探測(cè)與實(shí)際相符的段落里程共計(jì)689 m,占TSP總預(yù)報(bào)里程長(zhǎng)度的75.1%,結(jié)果如圖17所示,其中紅色圓圈標(biāo)記為探測(cè)結(jié)果與實(shí)際揭示重大差異段。
圖16 HSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
圖17 TSP超前預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
集成探測(cè)儀器系統(tǒng)完成調(diào)試和測(cè)試后,三維地震法和激發(fā)極化法共施作超前預(yù)報(bào)13次,累計(jì)880 m,其中地震探測(cè)7次(預(yù)報(bào)長(zhǎng)度654 m),激發(fā)極化探測(cè)累計(jì)6次(預(yù)報(bào)長(zhǎng)度180 m)。通過(guò)與開挖揭露對(duì)比,隧道施工范圍內(nèi)大型不良地質(zhì)體無(wú)遺漏,探明了掌子面前方賦存的斷層、破碎帶、含水體等不良地質(zhì),如圖18所示。
實(shí)踐表明,通過(guò)HSP、三維地震波、激發(fā)激化以及TSP等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果的相互印證,掌子面前方的水文情況和地質(zhì)情況預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確。與使用單一預(yù)報(bào)手段相比,預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度大大提高。
圖18 三維地震波與激發(fā)極化法超前預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
Fig.18Statisticsofadvancepredictionresultsbythree-dimensionalseismicwaveandinducedpolarizationmethod
針對(duì)高黎貢山隧道不良地質(zhì)條件,對(duì)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)大直徑TBM進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)了變截面可抬升開挖,突破了前置式自動(dòng)化混噴、隱藏式常態(tài)超前鉆探、水巖一體超前預(yù)報(bào)等關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)踐表明,TBM的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)在掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)揮了顯著作用,可為同類地質(zhì)條件TBM設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)。但是,TBM的創(chuàng)新設(shè)計(jì)在使用過(guò)程中也遇到了一些亟待解決的難題,建議在進(jìn)一步的研究中重點(diǎn)考慮以下問(wèn)題:
1)針對(duì)前置式自動(dòng)化噴混裝置在使用過(guò)程中因噴漿材料輸送距離過(guò)長(zhǎng),經(jīng)常發(fā)生賭管的問(wèn)題,建議直接將噴漿材料運(yùn)輸至L1區(qū)設(shè)備橋下,減少輸送距離。
2)針對(duì)隱藏式超前鉆探裝置鉆孔長(zhǎng)度有限的問(wèn)題,建議安裝具有空氣沖擊器的超前鉆機(jī),提升鉆孔能力。
3)針對(duì)水巖一體超前預(yù)報(bào)技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)同步探測(cè)的問(wèn)題,建議進(jìn)一步研究邊掘進(jìn)邊探測(cè)的技術(shù),提升探測(cè)的準(zhǔn)確性。