王付利，李龍飛，賀 飛

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

目前全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱TBM）在國內(nèi)外隧道施工中已廣泛應(yīng)用，尤其在長大埋深隧道項(xiàng)目中，大多數(shù)工程在規(guī)劃之初已確定優(yōu)先采用掘進(jìn)機(jī)施工或者掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法相結(jié)合的施工方法[1～2]。

與傳統(tǒng)鉆爆法開挖相比，TBM 施工機(jī)械化、自動化、信息化的特點(diǎn)，使其在安全性和施工效率方面具有明顯的優(yōu)勢[3]。小直徑TBM 在引水隧洞、平導(dǎo)開挖、先導(dǎo)擴(kuò)挖領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[4～5]。目前已完工的引洮供水項(xiàng)目、山西中部引黃項(xiàng)目、引紅濟(jì)石項(xiàng)目、鄂北供水項(xiàng)目等均采用小直徑TBM施工[6]。

針對小直徑TBM 在施工中存在的問題，趙毅等[7]研究了小直徑雙護(hù)盾TBM 通過超前化學(xué)注漿（聚氨酯類和硅酸鹽改性聚氨酯類），加固坍塌體、軟弱破碎巖體實(shí)現(xiàn)TBM 的快速脫困。安倉等[8]研究通過超前化學(xué)注漿加固、人工清理刀盤、刀座輪廓線等減少刀盤轉(zhuǎn)動阻力，實(shí)現(xiàn)小直徑敞開式TBM 脫困。此類研究主要通過施工手段解決小直徑TBM 遇到的問題，對相應(yīng)的TBM針對性設(shè)計(jì)研究較少。

常規(guī)開挖直徑TBM 由于工程實(shí)踐較多，技術(shù)相對更為成熟。小直徑TBM 由于空間所限，面臨輔助設(shè)備布置、物料運(yùn)輸、人行空間、設(shè)備維護(hù)和維修等不利因素，因此在設(shè)計(jì)上難度更大。且隨著隧道工程建設(shè)不斷向縱深推進(jìn)，TBM施工中面臨一些代表性的難題，如極硬巖、斷層破碎帶、軟弱大變形、長距離、大埋深等[9～12]，對TBM 的適應(yīng)性設(shè)計(jì)提出更高要求。

此次黎巴嫩大貝魯特引水中采用的兩臺具有自主產(chǎn)權(quán)的小直徑凱式TBM，為首次采用歐洲設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、由歐洲施工方CMC 在“一帶一路”沿線國家黎巴嫩施工。2 臺針對該工程項(xiàng)目“定制”設(shè)計(jì)的TBM 在施工中的實(shí)踐應(yīng)用，為國內(nèi)即將開工建設(shè)的引水隧洞工程中TBM 工法的推廣普及TBM 裝備的出口提供指導(dǎo)。

1 工程概況及重難點(diǎn)

1.1 工程概況

大貝魯特（Great Beirut）屬黎巴嫩首都，位于地中海沿岸，屬典型地中海氣候。該國家山地占國土面積一半，多數(shù)地區(qū)處于缺水狀態(tài)，首都160 萬人口一直飽受飲水難困擾。黎巴嫩政府同世界銀行簽署協(xié)議，由世界銀行向黎巴嫩政府提供貸款以資助其自來水供應(yīng)項(xiàng)目。

引水隧洞全長約22.7km，開挖洞徑3.53m（襯砌后洞徑3.1m），設(shè)計(jì)最小轉(zhuǎn)彎半徑300m，埋深在20～200m 范圍占比79.4%，大于200m 占比15.98%，埋深小于20m 占比4.62%。隧洞采用TBM 施工為主、輔以鉆爆法相結(jié)合工法施工，其中TBM 掘進(jìn)段分為TBM1、TBM2 和TBM3三段，長度分別為8.1km、10.5km 和4.1km，計(jì)劃采用兩臺敞開式TBM 施工，其中TBM1 和TBM3 由CREC237 號掘進(jìn)，TBM2 由CREC238號掘進(jìn)。

隧洞沿線巖性以森諾曼階和土倫階（早白堊世）石灰?guī)r、白云灰?guī)r和白云巖等，單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）介于30～170MPa，屬中硬巖或堅(jiān)硬巖，巖石為中等磨蝕性；根據(jù)前期地勘資料顯示，按照圍巖完整性劃分，I/II/III/IV 類圍巖占比分比為38.1%、47.5%、10.8%、3.6%。

1.2 工程重難點(diǎn)

根據(jù)地勘資料，采用TBM 施工的主要風(fēng)險(xiǎn)集中在如下幾個方面。

1）高風(fēng)化和斷層巖石區(qū)域主要集中在Quadi Sari 峽谷下方，需進(jìn)行長約50m 混凝土噴射支護(hù)，在其他斷層區(qū)域，需要做800m 長度頂部混凝土噴射，需進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探。

2）隧洞整體位于熔巖滲流區(qū)域，且證實(shí)有喀斯特地貌特征，可能存在3m 的溶洞和流速達(dá)5m/L 的地下水。

3）所有斷層位于地震活躍區(qū)，因此在地震過程中可能會產(chǎn)生位移，需采用擴(kuò)挖的方法補(bǔ)償此類位移。

4）巖石強(qiáng)度高，單軸飽和抗壓強(qiáng)度最高達(dá)170MPa。

2 TBM針對性設(shè)計(jì)

2.1 小直徑刀盤設(shè)計(jì)

1）刀具布置設(shè)計(jì) 刀具安裝方式主要包括前裝式和背裝式（圖1），根據(jù)BS EN 16191-2014《隧道機(jī)械安全要求》，直徑4.5m 及以上尺寸刀盤設(shè)計(jì)應(yīng)采用背裝刀形式，以滿足刀盤維護(hù)和檢查的安全性。與前裝刀設(shè)計(jì)方式相比，背裝刀的刀具布置空間更小，不能獲得更小的刀間距，不利于硬巖環(huán)境下高效破巖；同時，背裝式刀盤換刀時將刀具運(yùn)輸至刀盤背部，將磨損后的刀具從背部拆卸而無須繞到刀盤前面，避免了直接在刀盤和掌子面之間人工作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)，整個換刀過程在TBM 的鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)下進(jìn)行，具有換刀效率高、安全性好的特點(diǎn)，是目前TBM 刀盤設(shè)計(jì)的主流方向。在本項(xiàng)目中，為了能夠在背裝式刀具設(shè)計(jì)情況下獲得較小的刀間距，刀具布置采用“一字中心刀”設(shè)計(jì)，面滾刀和邊滾刀均采用17 寸（432mm）滾刀。通過以上方式，刀盤的中心刀刀間距達(dá)到84mm、面刀刀間距達(dá)到80mm/75mm，以應(yīng)對最高達(dá)170MPa 的硬巖掘進(jìn)（圖2）。

圖1 刀具前裝和背裝對比

圖2 刀盤滾刀軌跡圖

2）刮渣和耐磨設(shè)計(jì) 刮渣口的尺寸和數(shù)量影響石渣在刀盤區(qū)域的流動和運(yùn)轉(zhuǎn)效率，進(jìn)一步影響到刀盤和刀具的二次磨損[13]，本項(xiàng)目中刀盤采用單向4 組刮渣口設(shè)計(jì)。為了增強(qiáng)刀盤的耐磨性，在刀盤面板、刮渣板、大圓環(huán)、刀盤背部等區(qū)域均設(shè)計(jì)有耐磨材料（硬質(zhì)合金、Hardox）。

3）刀盤盤體設(shè)計(jì) 為保證刀盤在長距離掘進(jìn)過程中的安全性和高可靠性，刀盤面板和連接法蘭均采用鍛造厚板，材料為Q345D，許用應(yīng)力295MPa。有限元分析表明，在邊界條件下刀盤結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為153MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于80MPa，刀盤結(jié)構(gòu)的綜合最大位移為0.59mm。

2.2 小曲線轉(zhuǎn)彎設(shè)計(jì)

如圖3、圖4 所示，敞開式TBM 包括主梁式和凱式兩種，由于敞開式TBM 在主機(jī)區(qū)域增加了支護(hù)裝置（鋼拱架安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)等），長度通常位于15～25m 間，主要與刀盤開挖直徑、支護(hù)設(shè)備種類、布置形式等因素相關(guān)。與護(hù)盾式TBM 相比，轉(zhuǎn)彎適應(yīng)性相對較差，通常不小于500m。

圖3 主梁式TBM

圖4 凱式TBM

為適應(yīng)轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)計(jì)時TBM 需盡量縮短主機(jī)區(qū)域最先與開挖洞壁輪廓接觸的兩部件間距離，亦即刀盤與撐靴間距離。凱式TBM 與主梁式TBM 相比，推進(jìn)油缸后置，撐靴位置更靠前，適應(yīng)轉(zhuǎn)彎的能力更強(qiáng)。

基于300m 轉(zhuǎn)彎半徑需求，本項(xiàng)目選用凱式TBM，同時為進(jìn)一步縮短刀盤和撐靴間距離，采用長傳動軸形式對驅(qū)動組位置進(jìn)一步后置。經(jīng)過優(yōu)化后TBM 刀盤與撐靴間的距離約為9.95m，與同等直徑護(hù)盾式TBM 類似，而同等直徑的主梁式TBM 該距離約為14m。優(yōu)化后的TBM 主機(jī)模擬理論可以滿足250m 轉(zhuǎn)彎半徑（圖5）。

圖5 凱式TBM主機(jī)250m轉(zhuǎn)彎半徑模擬

此外，采用凱式TBM 的優(yōu)點(diǎn)還包括：①撐靴數(shù)量多、分布區(qū)域廣、接觸面積大、可獨(dú)立控制，因此能夠更好地適應(yīng)軟巖、斷層破碎帶等不良地層；②內(nèi)凱中心布置，能為主機(jī)區(qū)域頂部預(yù)留出更大的人工作業(yè)空間和支護(hù)作業(yè)觀察視角。

2.3 支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為增強(qiáng)TBM 通過軟弱地層、破碎帶等不良地層的通過能力，TBM 設(shè)計(jì)時在L1區(qū)設(shè)計(jì)有鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)存儲系統(tǒng)、鋼拱架安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)等支護(hù)設(shè)備，在L2區(qū)配置有混噴機(jī)械手、錨桿鉆機(jī)，滿足破碎圍巖地層掘進(jìn)時的快速支護(hù)響應(yīng)能力。

2.4 后配套設(shè)計(jì)

為滿足L2區(qū)混凝土噴射頂部240°的覆蓋范圍，同時考慮該區(qū)域的物料輸送、皮帶機(jī)布置、人行通道、電液流等前置設(shè)備的布置，在設(shè)備橋和主機(jī)連接區(qū)域采用4 節(jié)滑車設(shè)置。

設(shè)備橋采用箱梁設(shè)計(jì)（兼具新鮮風(fēng)輸送功能），可滿足該區(qū)域9m 鋼軌鋪設(shè)，物料采用吊機(jī)傳輸形式，向后延伸至2 號拖車。

后配套拖車采用平臺式設(shè)計(jì)，滿足小直徑TBM 后配套人行通道的舒適性和安全性。同時在落料區(qū)域設(shè)置有推車器，避免列車編組在接渣時頻繁啟停帶來的空氣污染。

3 TBM的工程應(yīng)用

3.1 下線和始發(fā)

2 臺凱式TBM 于2016年3月完成設(shè)備的制造、下線及工廠驗(yàn)收，5月完成設(shè)備的海運(yùn)和陸運(yùn)到達(dá)項(xiàng)目組裝現(xiàn)場。如圖6 所示，受組裝現(xiàn)場場地空間限制，2 臺TBM 均采用分體始發(fā)方式。

圖6 2臺TBM分體組裝和始發(fā)現(xiàn)場

3.2 TBM設(shè)備工程應(yīng)用

設(shè)備始發(fā)后，穿越多處破碎帶、克服多處地段撐靴打滑、調(diào)向困難等諸多難題。通過不斷對現(xiàn)場實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)，最終順利通過不良地層。

3.2.1 刀盤“結(jié)泥餅”

TBM1 在始發(fā)掘進(jìn)段揭露地層主要以泥灰?guī)r為主，遇水呈泥狀。由于TBM 刀盤的箱體結(jié)構(gòu)形式，在此類地層中容易發(fā)生“結(jié)泥餅”現(xiàn)象（圖7），影響TBM 繼續(xù)掘進(jìn)。

圖7 TBM在泥灰?guī)r地層掘進(jìn)掌子面和刀孔堵塞

針對此類地層，現(xiàn)場主要采取減少或停止刀盤噴水、定期清理刀盤、增強(qiáng)后配套區(qū)域的除塵通風(fēng)等措施。

3.2.2 圍巖破碎地層

在破碎地層中由于大尺寸石渣進(jìn)入到皮帶機(jī)后，對安全出渣會造成不利影響。為了對皮帶機(jī)落料和運(yùn)輸區(qū)域大尺寸渣土的監(jiān)測和控制，在主機(jī)皮帶機(jī)落料區(qū)域，設(shè)置大尺寸石渣觸發(fā)信號，并與TBM 掘進(jìn)設(shè)置連鎖（圖8）。

如圖9、圖10 所示，同時在圍巖破碎地層，利用鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿鉆機(jī)等及時支護(hù)，同時利用L2區(qū)錨桿鉆機(jī)施作地質(zhì)鉆探孔，為TBM掘進(jìn)前方提供地質(zhì)預(yù)報(bào)。

圖9 主機(jī)護(hù)盾出露圍巖情況

圖10 破碎圍巖支護(hù)和鉆機(jī)施作地質(zhì)鉆探孔

3.2.3 溶洞處理

中鐵237 號在掘進(jìn)第一段時，線路前方遭遇溶洞。TBM 設(shè)備停機(jī)數(shù)月，通過對溶洞進(jìn)行人工處理后，TBM 采取空推滑行方式通過該段（圖11）。

圖11 TBM掘進(jìn)線路溶洞及處理

中鐵238 號于2018年3月2日實(shí)現(xiàn)10 923m掘進(jìn)段的全線貫通，掘進(jìn)過程中最高日進(jìn)尺達(dá)94.67m，最高月進(jìn)尺為1 244m。

中鐵237 號首段貫通時間2017年5月5日貫通，在掘進(jìn)過程中遇到溶洞，經(jīng)過數(shù)月的超前處理后重新開始掘進(jìn)。TBM 施工期間經(jīng)歷施工單位變更，設(shè)備在停機(jī)將近1年后，重新順利始發(fā)掘進(jìn)，并于2019年12月實(shí)現(xiàn)全線貫通。2 臺TBM掘進(jìn)進(jìn)尺如圖12 所示。

圖15 2臺TBM掘進(jìn)進(jìn)尺部分記錄

4 結(jié)果和討論

用于黎巴嫩大貝魯特引水工程的2 臺小直徑“凱式”TBM，為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)敞開式TBM 首次出口至海外，整機(jī)按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)（EN16191）和要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，在施工過程中表現(xiàn)出對不良地質(zhì)的較好適應(yīng)性。

針對工程中存在的開挖洞徑小、隧洞距離長、軟弱破碎圍巖、地震活躍帶、小曲線轉(zhuǎn)彎等特點(diǎn)，TBM 采取了針對性設(shè)計(jì)，并在工程應(yīng)用中得到成功驗(yàn)證。

1）為實(shí)現(xiàn)TBM 在單軸抗壓強(qiáng)度170MPa 中的高效掘進(jìn)，刀具安裝采用背裝式、中心區(qū)域采用“一字”布置型式，在保證換刀安全的同時，縮短了刀間距；針對300m 小曲線轉(zhuǎn)彎，主機(jī)采用“外凱”前置、驅(qū)動電機(jī)后置；同時，TBM 在L1區(qū)配置有鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)、鋼筋網(wǎng)存儲系統(tǒng)、鋼拱架安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)等支護(hù)設(shè)備，在L2區(qū)配置有混噴機(jī)械手、錨桿鉆機(jī)，增強(qiáng)了TBM 破碎地層中的支護(hù)能力和通過性。

2）CREC237 第一掘進(jìn)段長約8.1km 于2017年5月5日貫通，第二掘進(jìn)段長約4.1km于2019年12月9日貫通；CREC238 掘進(jìn)段長約10.5km，貫通時間為2018年3月2日，取得了最高日進(jìn)尺94.67m，最高月進(jìn)尺1 244m的成績。

3）CREC237 在第二區(qū)間經(jīng)歷施工單位變更，停機(jī)時間超過1年，TBM再次始發(fā)掘進(jìn)至全線貫通，體現(xiàn)出TBM 設(shè)備在工程應(yīng)用中的高可靠性。