呂建樂

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

巖石隧道掘進機英文名稱是“Hard rock tunnel boring machine”[1]，在我國習慣將巖石隧道掘進機稱為TBM。TBM是集掘進、出渣、支護、通風和除塵等多種功能為一體的高度機械化設(shè)備，具有優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保等優(yōu)點。TBM多用于長大山嶺隧道施工，而隧道往往不是單一的硬巖地層，部分隧道兼具軟弱圍巖或斷層破碎帶。在TBM掘進過程中，地層收斂卡機、侵限的情況時有發(fā)生。為了應對和解決TBM在軟弱破碎地層中的掘進難題，需要TBM配置擴挖功能以增加開挖斷面。通過擴挖功能的使用，實現(xiàn)開挖斷面的擴大，使得圍巖支護、收斂地層處理工作順利實施[2]，同時也便于TBM邊滾刀的更換作業(yè)。

不同的擴挖方式，其作用和目的不同。有的擴挖功能伴隨著TBM整個施工過程，有的擴挖功能在需要時才使用。根據(jù)擴挖距離的不同，可分為短距離擴挖和長距離擴挖； 根據(jù)擴挖實現(xiàn)方式的不同，主要分為液壓式擴挖刀、邊滾刀外移、預留擴挖刀箱、主驅(qū)動偏心設(shè)計和更換刀盤邊塊。

田彥朝等[3]總結(jié)了4種擴挖方式，重點提出一種通過外移邊緣滾刀和預留擴挖刀箱的組合擴挖方式，但未對TBM擴挖操作流程、應用及特點進行詳細分析。與此同時，國外也尚未發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)介紹刀盤擴挖方式或?qū)追N刀盤擴挖方式進行對比分析的論文。本文在研究不同刀盤擴挖方式的基礎(chǔ)上，對TBM擴挖進行全面總結(jié)，在詳細介紹操作流程的基礎(chǔ)上，對比分析不同擴挖方式的適用范圍、應用及特點，以期為TBM選型設(shè)計和施工提供參考。

1 液壓式擴挖刀

液壓式擴挖刀[4]方式是在刀盤周邊配置1把或者2把液壓伸縮式滾刀。在正常掘進時，擴挖刀不參與破巖。在需要擴挖的時候，通過液壓油缸伸出帶動擴挖刀外移，實現(xiàn)一定尺寸的擴挖。采用這種方式，通過控制油缸伸出長度，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級擴挖。液壓式擴挖刀的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

(a) 液壓擴挖刀縮回狀態(tài) (b) 液壓擴挖刀伸出狀態(tài)

1.1 適用范圍

由于液壓式擴挖刀結(jié)構(gòu)及刀盤的空間限制，擴挖刀的數(shù)量一般只有1～2把； 擴挖刀多采用前裝式，更換作業(yè)不方便； 僅依靠液壓擴挖刀擴挖時，擴挖刀伸縮油缸受到很大的振動沖擊，工作壽命和可靠性降低，無法適應長時間工作。這種方式主要用于短距離擴挖。

1.2 工作流程

擴挖作業(yè)時，要避開不良地質(zhì)，選擇完整性較好的地段進行擴挖[5]。液壓式擴挖刀進行擴挖時，主要作業(yè)步驟如下： 準備工作—刀盤后退700 mm—伸出擴挖刀(見圖2(a))—向前擴挖掘進(見圖2(b))—收回擴挖刀—完成擴挖。

(a) 伸出液壓擴挖刀 (b) 向前掘進擴挖

經(jīng)過以上步驟，實現(xiàn)一定尺寸的擴挖，擴挖距離為700 mm。液壓擴挖刀工作流程如圖3所示。

圖3 液壓擴挖刀工作流程圖

1.3 應用及特點

液壓式擴挖刀常見于“雙X”型支撐的凱式TBM[6]。凱式TBM在掘進過程中不能進行調(diào)向作業(yè)，在硬巖地層條件下掘進，需要更換最外側(cè)邊滾刀時，首先通過液壓擴挖刀進行擴挖，然后主機后退，為更換最外側(cè)滾刀提供安裝空間。

我國鐵路最早引進用于西康鐵路秦嶺隧道施工[7]的TB880E TBM和大伙房引水隧洞TB803E TBM均采用“雙X”型支撐設(shè)計，每臺設(shè)備均配置1把43.18 cm(17英寸)液壓式擴挖刀，半徑方向最大擴挖量為90 mm，這種設(shè)置方便現(xiàn)場更換最外邊滾刀。該擴挖方式主要特點如下：

1)準備工作簡單。擴挖刀采用隱藏式設(shè)計，對于TBM正常掘進沒有影響； 擴挖前的準備工作只需人工拆除機械鎖定裝置，避免人工開挖巖壁。

2)擴挖作業(yè)便捷。從準備工作開始到擴挖完成，一般1個循環(huán)只需要1.5～2 h，具有即需即用和方便快捷的特點。

3)無級擴挖。根據(jù)油缸伸出行程，擴挖量可無級調(diào)整。

4)液壓式擴挖刀適用于短距離擴挖，刀盤刮渣板無需調(diào)整和更換。

2 邊滾刀外移

將邊滾刀外移，使?jié)L刀相對于原位置有一定向外的伸出量。為保證擴挖輪廓線平滑過渡，需將多把連續(xù)的邊滾刀進行外移調(diào)整，實現(xiàn)刀盤擴挖。最外側(cè)6把邊刀外移后，刀盤直徑擴挖量為60 mm。邊滾刀外移前后開挖輪廓對比如圖4所示。

(a) 邊緣刀外移前開挖輪廓 (b) 邊緣刀外移后開挖輪廓

采用L型滾刀刀箱常見的2種外移形式如下： 1)刀箱下部安裝一定厚度的墊塊，墊塊不宜過厚，滾刀外移量受到限制； 2)采用加厚的刀箱，相對采用增加墊塊形式結(jié)構(gòu)更可靠，但是墊塊需要重新制作，靈活性降低。邊滾刀外移結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。不同的刀盤設(shè)計[8-9]，所需調(diào)整邊滾刀數(shù)量也不同。

2.1 適用范圍

無論采用增加邊滾刀刀箱墊塊還是更換加厚邊滾刀刀箱擴挖方式，均受到刀箱及刀盤結(jié)構(gòu)的影響，半徑方向擴挖量不宜超過50 mm。該擴挖方式的刀具、刀箱通過螺栓連接，滾刀安裝方式穩(wěn)定可靠。邊滾刀外移工作量較大，一般不會頻繁調(diào)整擴挖量。該擴挖方式，主要適用于半徑方向擴挖量為50 mm以內(nèi)的長距離連續(xù)擴挖。

(a) 增加刀箱墊塊 (b) 加厚刀箱

2.2 工作流程

無論采用增加墊塊還是更換加厚刀箱形式，擴挖作業(yè)時主要作業(yè)流程相同。以主梁式TBM擴挖為例，主要作業(yè)步驟如下： 準備工作—破除邊滾刀區(qū)域圍巖—邊滾刀外移—向前擴挖掘進。單次半徑方向擴挖量作業(yè)不宜超過20 mm。如半徑方向需擴挖50 mm，則需分3次進行擴挖。邊滾刀外移工作流程如圖6所示。

圖6 邊滾刀外移工作流程圖

2.3 應用及特點

邊滾刀外移擴挖方式已經(jīng)被廣泛采用，如大瑞鐵路高黎貢山隧道施工的TBM就采用了此種設(shè)計[10]。施工過程中由于地層破碎，盾體被擠壓徑向回縮，造成隧道內(nèi)凈空減小。為應對圍巖收斂變形造成初期支護大面積侵限，降低TBM不良地質(zhì)段卡機風險，現(xiàn)場通過啟動邊滾刀外移擴挖功能，實現(xiàn)半徑方向30 mm的連續(xù)擴挖，以提高TBM通過性。

掘進時，該種擴挖方式的邊滾刀均參與破巖，對邊滾刀受力影響較小，利于長距離連續(xù)擴挖。該擴挖方式主要特點如下：

1)準備工作較少。需提前準備邊滾刀外移所需裝置，如不同厚度刀箱墊塊或邊滾刀刀箱； 擴挖作業(yè)不需要人工破除巖壁。

2)刀盤變徑作業(yè)較簡單。刀盤變徑主要工作為增加邊滾刀墊塊，一次變徑作業(yè)通常需要6～10 h。

3)靈活性較差。1組調(diào)整墊片或加厚刀箱，只能實現(xiàn)1個擴挖直徑，通常只考慮半徑方向擴挖30 mm或50 mm。

4)刀盤半徑方向擴挖量超過20 mm時，需分多次進行擴挖。

3 預留擴挖刀箱

預留擴挖刀箱擴挖方式通常與刀盤抬升配合使用。對于大直徑刀盤，為獲得半徑方向大于50 mm的擴挖量，在邊滾刀外移的基礎(chǔ)上，還需預留擴挖刀箱。邊滾刀外移+預留擴挖刀箱前后輪廓對比如圖7所示。TBM擴挖后，開挖輪廓與護盾底部間隙會增加，掘進時有栽頭趨勢。當半徑方向擴挖量小于50 mm時，TBM通過自身調(diào)向控制可實現(xiàn)正常掘進； 擴挖量繼續(xù)增加，超出設(shè)備向上調(diào)向能力時，會造成TBM栽頭。

(a) 邊滾刀外移+預留擴挖刀箱前開挖輪廓

(b) 邊滾刀外移+預留擴挖刀箱后開挖輪廓

對于半徑方向50 mm以上的長距離擴挖，在增加刀盤開挖直徑的基礎(chǔ)上需配置刀盤抬升功能。 主梁式TBM刀盤抬升結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。底護盾與驅(qū)動箱體設(shè)置導向裝置，在底護盾與驅(qū)動箱體之間設(shè)置同步舉升油缸。刀盤安裝預留擴挖刀后，開挖直徑增加。通過刀盤抬升，擴挖洞徑圓心由點O變成點O′，可保持刀盤開挖輪廓與護盾底部齊平，避免掘進過程中栽頭。刀盤抬升擴挖原理如圖9所示。刀盤開挖直徑增加200 mm，驅(qū)動抬升后在隧道頂部擴挖200 mm。隧道擴挖量由底部向頂部逐漸遞增，增加隧道頂部擴挖量。在應對圍巖收斂的同時，也增加了隧道支護的厚度。

圖8 主梁式TBM刀盤抬升結(jié)構(gòu)設(shè)計[3]

(a) 刀盤抬升擴挖主視圖

(b) 刀盤抬升擴挖斷面圖

3.1 適用范圍

預留擴挖刀箱通常應用在大直徑TBM刀盤上，通過邊滾刀外移無法滿足擴挖量時，需增設(shè)擴挖刀箱，以進一步增加擴挖量，主要應對存在較大變形的不良地層。邊滾刀使用螺栓與刀箱緊固，連接可靠，可適應于長距離擴挖，但該方式準備時間長，設(shè)備及施工費用高。

3.2 工作流程

以敞開式TBM[11]半徑方向擴挖100 mm為例，具體工作流程如下： 準備工作—擴挖刀盤周邊圍巖—抬升刀盤—增加刀盤開挖直徑—更換刮渣板—開始擴挖掘進。預留擴挖刀箱擴挖工作流程如圖10所示。

圖10 預留擴挖刀箱擴挖工作流程圖

3.3 應用及特點

采用預留擴挖刀箱方式進行擴挖有很多實際應用的案例，如： 維爾特公司生產(chǎn)的用于引大濟湟項目的雙護盾TBM，以及中鐵裝備生產(chǎn)的用于大瑞鐵路、滇中引水和格魯吉亞等項目的TBM上，設(shè)計有擴挖刀箱及刀盤抬升功能。該擴挖方式的主要特點如下：

1)準備工作多。需提前準備擴挖刀、刮渣板、擴挖滾刀、支撐塊等。

2)刀盤變徑作業(yè)量大。需人工擴挖刀盤周邊圍巖，拆除驅(qū)動箱與底護盾連接螺栓，安裝驅(qū)動箱與底護盾墊塊，更換部分刮渣板等，整個變徑過程需要10余d。

3)連續(xù)擴挖量大。該種擴挖方式可實現(xiàn)隧道拱頂200 mm連續(xù)擴挖，從而提高TBM在收斂地層方面的適應性。

4 主驅(qū)動偏心設(shè)計

主驅(qū)動偏心設(shè)計是指主驅(qū)動及刀盤回轉(zhuǎn)中心與盾體中心線在設(shè)計時有一個向上的偏心量。刀盤偏心擴挖本質(zhì)上是刀盤擴挖+刀盤抬升擴挖。采用主驅(qū)動偏心設(shè)計時，擴挖量是在設(shè)備制造時已經(jīng)確定的，擴挖工作始終伴隨著TBM掘進過程。某TBM主驅(qū)動偏心量為20 mm，新刀時開挖輪廓與護盾底部間隙為15 mm，開挖輪廓與頂部間隙為55 mm。即使在邊刀磨損15 mm的情況下，盾體頂部與圍巖仍有40 mm的理論間隙。刀盤及主驅(qū)動偏心示意如圖11所示。

圖11 刀盤及主驅(qū)動偏心示意圖(單位： mm)

4.1 適用范圍

護盾式TBM通常采用主驅(qū)動偏心設(shè)計，因為護盾式TBM盾體較長且盾體不可徑向伸縮，在圍巖收斂和斷層破碎帶等地段掘進時[12-13]，很容易被卡，所以在護盾頂部與圍巖之間預留一定間隙非常重要。

4.2 工作流程

該方式的刀盤擴挖量依據(jù)圍巖變形量及收斂速度確定，進而在TBM設(shè)計制造時確定偏心量，在施工過程中無需額外工作。

4.3 應用及特點

主驅(qū)動偏心設(shè)計是TBM的一種特定擴挖功能，始終伴隨著TBM的掘進過程。TBM設(shè)計制造時，確定偏心量后，通常不再調(diào)整。偏心量增大，頂部擴挖量也會相應增加； 對于不同的地質(zhì)，設(shè)計的偏心量也不同。該擴挖方式的主要特點如下：

1)設(shè)備按刀盤中心與盾體中心偏心制造，掘進過程始終存在擴挖，施工時無需準備工作。

2)適應于護盾式TBM長距離擴挖。

3)偏心量與開挖直徑及地質(zhì)密切相關(guān)，偏心量通常為15～35 mm。

4)為進一步增加擴挖量，可與上述邊滾刀外移和預備擴挖刀箱2種方式配合使用。

5 更換刀盤邊塊

刀盤設(shè)計為“中心塊+N個邊塊”時，可采用更換刀盤邊塊的擴挖方式。正常開挖時，使用原直徑的設(shè)計刀盤邊塊； 需要擴挖時，更換大直徑的刀盤邊塊，增加刀具數(shù)量實現(xiàn)擴挖。采用此設(shè)計方案，可實現(xiàn)較大范圍的變直徑擴挖。

5.1 適用范圍

該擴挖方式適用于“中心塊+N個邊塊”的設(shè)計，通常是4個刀盤邊塊，開挖直徑一般不小于6 m。該方式需備用1套刀盤邊塊、盾體等結(jié)構(gòu)件，同時TBM刀盤驅(qū)動、支撐推進系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)要有一定的富余，以滿足開挖直徑增加后需要的動力。該種擴挖方式工作量大，成本很高，不可能多次更換刀盤邊塊進行擴挖，僅限于在設(shè)備制造前已明確隧道開挖有大的變徑需求，在設(shè)備設(shè)計制造時預留該功能。敞開式TBM盾體結(jié)構(gòu)較簡單，該方式適用于敞開式TBM。

5.2 工作流程

敞開式TBM更換刀盤邊塊工作流程如圖12所示。

圖12 敞開式TBM更換刀盤邊塊工作流程圖

5.3 應用及特點

采用該種擴挖方式時，TBM主機及后配套能力均須與擴挖后的直徑相匹配，且洞內(nèi)更換刀盤邊塊準備工作量大，因此僅在國外極少項目有應用，國內(nèi)有該種設(shè)計但仍未實際應用。該擴挖方式的主要特點如下：

1)準備工作時間長、費用高。事先完成刀盤邊塊等部件制作外，還需洞內(nèi)開挖旁通道及擴大洞室用于刀盤邊塊運輸及洞內(nèi)更換，不宜在擴挖與非擴挖之間頻繁轉(zhuǎn)換。

2)擴挖量大。更換邊塊后可增加多把滾刀，實現(xiàn)半徑方向300～800 mm的連續(xù)擴挖。

3)擴挖量不可調(diào)節(jié)。由于準備工作量大，一旦制作擴挖邊塊后，擴挖量不可調(diào)節(jié)。

4)由于刀盤擴挖量大，更換刀盤邊塊后，盾體同時需要進行相應調(diào)整。

6 擴挖方式對比

以上5種擴挖方式在實際工程中均有應用。從擴挖距離、適用機型、操作便捷性等方面綜合分析各擴挖方式的優(yōu)缺點。其他液壓式擴挖刀適用于短距離擴挖，其他方式都是為了解決TBM施工中遇到不良地質(zhì)所造成的斷面縮小的問題，適應于長距離擴挖。液壓式擴挖刀可以單獨使用。采用邊滾刀外移方式擴挖，當半徑方向擴挖量不大于50 mm時可以單獨使用； 當半徑方向擴挖大于50 mm時，必須和刀盤抬升功能同時使用，否則會出現(xiàn)TBM姿態(tài)調(diào)整困難、刀具異常損壞等問題。對于護盾式TBM，為了獲取更大的擴挖量，在邊滾刀外移、預留擴挖刀箱的基礎(chǔ)上，可同時采用主驅(qū)動偏心設(shè)計[14-15]。不同擴挖方式對比分析如表1所示。

表1 不同擴挖方式對比分析

7 結(jié)論與建議

1)不同擴挖方式在操作性、適用機型、擴挖量等方面有所不同。TBM擴挖功能的合理使用，提高了TBM對于軟弱地層的適應性。擴挖方式及擴挖量的選擇，要結(jié)合機型及施工地質(zhì)條件確定。

2)敞開式TBM通常選用邊滾刀外移及預留擴挖刀箱的擴挖設(shè)計。護盾式TBM通常選用邊滾刀外移、預留擴挖刀箱及主驅(qū)動偏心設(shè)計。液壓式擴挖刀應用于凱式TBM時，用于換刀操作； 應用于主梁或護盾式TBM時，用于配合其他長距離擴挖方式進行輔助擴挖。

3)目前，TBM法施工隧道需擴挖時，半徑方向最大擴挖量不宜超過100 mm； 更大的擴挖量可考慮更換刀盤邊塊擴挖方式。對于操作復雜的擴挖方式，在設(shè)備設(shè)計和施工組織方面都要做好相關(guān)準備，充分評估擴挖帶來的影響。

隨著TBM技術(shù)的發(fā)展，刀盤擴挖技術(shù)取得了較大成果，但TBM直徑方向進行200 mm以上的便捷擴挖仍是TBM應用的難題。因此，TBM變徑開挖技術(shù)仍然是未來發(fā)展與研究的方向。