胡 軍

(中鐵十四局集團隧道工程有限公司 山東濟南 250013)

1 引言

隨著山嶺隧道修建規(guī)模越來越大、條件越來越復雜，TBM隧道施工法憑借其施工安全性高、進尺快等特點，已大量應用于長大山嶺隧道建設(shè)中。針對復雜地質(zhì)條件下TBM法施工所遇到的工程技術(shù)難題，已有學者進行了相關(guān)研究，如:陳饋等[1]對復雜地質(zhì)條件下的TBM施工風險進行了論述，并對其應對措施進行了研究；洪開榮等[2]對復雜地質(zhì)條件下的大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。本文基于工程實例，針對炭質(zhì)粉砂巖圍巖巖性較差、遇水軟化后出現(xiàn)卡機并影響施工速度的建設(shè)難題，從鋼管片支護、刀盤擴徑、輔助推進等幾個方面詳細論述設(shè)備改造技術(shù)。

2 工程概況

本項目總長約22 km，由2個TBM區(qū)段組成，計劃投入2臺TBM，其中1區(qū)段長約10.7 km，2區(qū)段長約8.4 km，另有3 km鉆爆區(qū)段，隧洞埋深介于60～112 m間。在1區(qū)段掘進至7.05 km過程中，遇到2次卡機，造成約6個月停機，約600 m軟巖段平均月進尺160 m。1區(qū)段剩余3.65 km，圍巖以Ⅳ類圍巖為主，其中包含3條破碎帶及約600 m的Ⅴ類圍巖。2區(qū)段Ⅳ、Ⅴ類圍巖長度7 145 m，占比約85%，含多條破碎帶。

3 掘進中存在的問題

3.1 塌方卡機

TBM在掘進至破碎帶后，先后出現(xiàn)2次較為嚴重的卡機問題。具體情況為掌子面坍塌，大量破碎圍巖進入刀盤，導致卡機，超前處理困難，目前采用人工清理，勞動強度大，在現(xiàn)有TBM護盾后方超前管棚作業(yè)，需要拆除初支、擴挖，安全性差、效率低，進尺僅為10～20 m/月。

3.2 撐靴無法撐緊，掘進速度受限

在軟巖破碎帶中，巖性較差，TBM撐靴處易發(fā)生塌方，導致?lián)窝o法在圍巖處撐緊，不能提供TBM推進反力，需要提前對撐靴周圍坍塌腔體進行清理及回填注漿，并待達到強度后再恢復掘進，循環(huán)效率較低，影響TBM掘進效率。

3.3 需改造的內(nèi)容

為降低破碎圍巖塌方卡機的風險[3]，減少對撐靴的影響，減少清渣和支護工作，決定增加鋼管片[4]支護設(shè)計，并對TBM刀盤驅(qū)動、護盾、輔助推進[5]、鋼管片拼裝器、超前鉆注一體機等方面進行改造，具體如下:

(1)刀盤:根據(jù)鋼管片支護設(shè)計要求，確認合適的開挖直徑，確認刀盤擴徑改造方案。

(2)主驅(qū)動:優(yōu)化改造主驅(qū)動扭矩，提高脫困能力。

(3)護盾:針對性改造護盾，適應護盾內(nèi)超前鉆孔支護。

(4)輔助推進:護盾內(nèi)增加輔助推進系統(tǒng)[6]，主梁二處增加輔助調(diào)向模塊，用于鋼管片拼裝模式推進及調(diào)向。

4 TBM設(shè)備改造技術(shù)

4.1 鋼管片支護

(1)鋼管片選擇

在保證TBM通過性及正常掘進時的適應性，需采取合適的鋼管片尺寸及刀盤開挖直徑。經(jīng)多方論證，鋼管片與二襯內(nèi)徑間距350 mm。鋼管片[7]厚度200 mm，管片環(huán)寬900 mm，管片內(nèi)徑6 540 mm，管片外徑6 940 mm。管片采用6分塊形式，3塊標準A塊、2塊鄰接塊、1塊K塊，底部采用整塊牛腿設(shè)計，確保底塊受力情況良好。

單環(huán)分塊拼裝順序為先拼裝3塊標準塊再拼裝2塊鄰接塊，最后拼裝K塊，相鄰分塊使用3顆M24螺栓連接緊固。

環(huán)與環(huán)拼裝根據(jù)K塊的位置可分為3種角位，分別為K塊居中位、左偏36°位和右偏36°位，相鄰環(huán)K塊角位不同，每連續(xù)3環(huán)K塊角位位置循環(huán)一次，相鄰兩環(huán)間拼裝先使用銷軸準確定位后再使用螺栓連接，兩相鄰連接螺栓孔角度為18°，均布在整環(huán)上，K塊角位不同，不影響螺栓連接。

依據(jù)盡量減小注漿層厚度的原則重新設(shè)計刀盤開挖直徑，管片與隧洞壁之間間隙采用105 mm，開挖直徑7 150 mm。管片內(nèi)徑6 540 mm，TBM橋架及后配套安全輪廓6 140 mm，單邊200 mm安全間隙，滿足TBM正常掘進需求。

拼裝鋼管片時，要保證撐靴縮回的安全間隙；不拼裝鋼管片時，要保證撐靴伸出余量足夠調(diào)向。根據(jù)該TBM在2019年4月份撐靴位置偏差統(tǒng)計，撐靴油缸左右最大調(diào)向量為63mm。

按照新開挖直徑新制撐靴，較原設(shè)計厚度減小40 mm，安裝鋼管片時回縮最大間隙126 mm(原7 030 mm開挖直徑拼裝管片200 mm厚時回縮后間隙為155 mm)，不拼裝鋼管片撐靴油缸撐緊洞壁后仍保留125 mm(原7 030 mm開挖直徑時為225 mm)伸出行程。

(2)壁后填充

①在連接橋區(qū)域配置混凝土輸送泵，用于管片背后回填細石混凝土。鐵建重工神東補連塔單護盾TBM、蘭州水源地雙護盾TBM均采用細石混凝土填充底部管片，效果良好。輸送泵參數(shù)見表1。

表1 混凝土輸送泵參數(shù)

A、B、C分塊管片上布置有1個吊裝孔兼注漿孔，2個注漿孔，K分塊管片上布置有1個吊裝孔兼注漿孔?？梢詫崿F(xiàn)在多個部位進行注漿，避免漿體流動差填充不密實的情況。

②連接橋區(qū)域配置雙液注漿泵，用于間隔注漿成環(huán)封閉，避免串漿。雙液注漿設(shè)備見圖1，參數(shù)見表2。

圖1 雙液注漿設(shè)備

表2 雙液注漿設(shè)備參數(shù)

(3)鋼管片使用的原則

鋼管片主要使用在撐靴無法撐緊且斷層破碎帶塌方量小的地層。判斷原則:一是通過工程地質(zhì)初步判斷哪一段需要鋼管片支護；二是通過本工程使用的TBM掘進參數(shù)識別圍巖及塌方軟件，可實時判斷掌子面塌方情況，是否需要采用鋼管片支護。

4.2 刀盤擴徑改造方案

為滿足鋼管片使用，本工程TBM刀盤開挖直徑從原來的7 030 mm改造為7 150 mm，半徑增加60 mm。考慮到長距離使用的可靠性，采用更換邊緣滾刀刀座方式進行刀盤開挖擴徑，具體方案如下:將原刀盤邊滾刀刀座S37～S48全部刨除，重新布置刀座S37～S48，達到擴徑60 mm(見圖2)。擴徑后，邊滾刀刀間距逐漸遞減，不影響刀盤在本區(qū)段掘進時的破巖效率。刀盤上其余滾刀刀座不變動。

圖2 滾刀改造前后尺寸(單位:mm)

由于開挖半徑增加60 mm，為滿足開挖時鏟刀軌跡要求，將所有正面鏟刀刀座刨除，將新鏟刀刀座向外移動60 mm進行安裝。

4.3 刀盤驅(qū)動方案

本工程TBM主驅(qū)動原設(shè)計額定扭矩4 410 kN·m@5.5 r/min，脫困扭矩6 620 kN·m，正常掘進時的TBM扭矩一般小于2 000 kN·m，轉(zhuǎn)速<8 r/min。而對2019年4月11日刀盤卡機脫困模式下掘進數(shù)據(jù)分析，刀盤脫困扭矩最大時達到6 620 kN·m，遇到破碎帶等不良地質(zhì)卡機時需要提高脫困能力。

考慮到本標段剩余掘進里程Ⅳ、Ⅴ類圍巖居多，且存在多處斷層及破碎帶，刀盤卡機的風險較高[8]，因此對刀盤驅(qū)動進行優(yōu)化改造[9]，通過更換減速機，增大減速比的方式，提高額定扭矩及脫困扭矩，提高刀盤適應能力[10]。具體方案如下:原減速機減速比18.8，更改后減速機減速比26。改造后，額定扭矩為6 090 kN·m@4 r/min，脫困扭矩為9 130 kN·m，脫困能力提高了38%。同時，刀盤最高轉(zhuǎn)速8 r/min時扭矩為3 045 kN·m(與改造前一樣)，滿足硬巖地層高轉(zhuǎn)速低扭矩掘進的需求。更改前后的主驅(qū)動扭矩曲線如圖3所示。

圖3 改造前后額定扭矩及脫困扭矩

4.4 護盾方案

(1)輔助推進

單護盾模式掘進時，在護盾內(nèi)部拼裝鋼管片，通過鋼管片提供推進反力，因此對護盾進行針對性改造設(shè)計，增加輔助推進油缸。每組輔助推進油缸區(qū)域增加導向座[11]，連接護盾與變速箱，用于傳遞推進反力。導向座內(nèi)部設(shè)計定位銷，用于單護盾模式掘進時固定護盾外圓。

(2)超前注漿孔設(shè)計

護盾頂部140°范圍內(nèi)設(shè)計超前注漿孔，用于單護盾模式掘進時超前管棚注漿支護。

5 改造后的推進方案

5.1 推進力的確定

根據(jù)之前TBM在破碎段卡機時掘進數(shù)據(jù)分析，TBM在不良地質(zhì)段推力范圍為7 000～8 000 kN。TBM恢復施工以后，圍巖轉(zhuǎn)好，推力范圍為9 800～12 000 kN。

由于TBM鋼管片輔助推進主要在破碎圍巖，推力范圍在7 000～8 000 kN，考慮到局部圍巖轉(zhuǎn)好推力增加，TBM輔助推進能力應不低于12 000 kN。護盾周圈布置油缸14根，油缸規(guī)格 φ200/φ180－1050。根據(jù)TBM護盾結(jié)構(gòu)在頂護盾、搭接護盾、側(cè)護盾均設(shè)計導向座加強結(jié)構(gòu)，并布置油缸，如圖4所示，底護盾布置4根油缸。輔助推進系統(tǒng)額定推力為13 854.4 kN@315 bar、最大推力 15 393.8 kN@ 350 bar，在本工程較破碎圍巖下掘進時，總推力余量為28.28%。

圖4 輔助推進油缸

5.2 反扭矩的確定

TBM掘進過程中，刀盤切削的反扭矩[12]由鞍架底部支撐、護盾等提供，在計算反扭矩的同時需要考慮鋼管片的抗扭是否滿足要求。

(1)底護盾可提供的反扭矩

根據(jù)2019年04月11日，刀盤卡機脫困扭矩達6 620 kN·m時，左側(cè)扭矩油缸有桿腔壓力124 bar，無桿腔129 bar，扭矩力為1 330 kN；右側(cè)扭矩油缸有桿腔108 bar，無桿腔96 bar，扭矩力為788 kN，力臂1 424 mm。計算得，鞍架提供的反扭矩M鞍架＝3 016 kN·m。

根據(jù)鞍架處反扭矩反推可得，底護盾與洞壁摩擦力產(chǎn)生的反扭矩為:M護盾＝M脫困－M鞍架＝6 620－3 016＝3 604 kN·m。

底護盾承受主機重量約5 000 kN，鋼與巖石的摩擦系數(shù)取0.3，可計算出護盾可提供的反扭矩為5 000×0.3×3.5＝5 250 kN·m。

(2)鞍架底部支撐可提供的反扭矩

增加鞍架底部支撐后，底部支撐承載TBM主機40%重力，約2 000 kN，鋼與鋼摩擦系數(shù)0.15，計算得，底部支撐可提供的反扭矩M支撐＝2 000×3.41×0.15＝1 023 kN·m。

(3)鋼管片可承受的反扭矩

假設(shè)從護盾到后支撐(15 m)所有的管片均為灌漿凝固，只有底管片與巖石摩擦力來提供反扭矩，此時管片總重約750 kN，鞍架底部支撐承載為2 000 kN，鋼與巖石的摩擦系數(shù)為0.3，計算可得管片可承受的反扭矩為2 750×0.3×3.5＝2 888 kN·m。

(4)輔推油缸可傳遞的反扭矩

TBM在破碎圍巖條件下，推力變化范圍為4 000～10 000 kN，輔推油缸撐靴與鋼管片接觸面采用聚氨酯材料，與鋼的摩擦系數(shù)為0.5，油缸分布半徑3.4 m，計算輔推油缸可傳遞的扭矩為(4 000～10 000)×0.5×3.4＝(6 840～17 100)kN·m。

采用輔助推進時，刀盤產(chǎn)生的反扭矩會第一時間通過輔助推進油缸傳遞給撐靴，根據(jù)上述計算，輔推油缸可以傳遞至少6 840 kN·m的扭矩，遠大于鋼管片可以承受的2 888 kN·m反扭矩。

因此，鋼管片背后注漿灌漿效果尤為重要，保證初凝后的混凝土與鋼管片產(chǎn)生的摩擦力足以抵抗刀盤的反扭矩。

5.3 調(diào)向的實現(xiàn)

鞍架底部曾設(shè)鞍架底部支撐及輔助撐靴，分別用于上下和左右調(diào)向。單護盾模式掘進時，優(yōu)先對底部3塊鋼管片進行壁厚回填注漿，用于提供調(diào)向所需的反力。

5.4 掘進模式

(1)敞開式模式

敞開式模式掘進時，整機操作模式及參數(shù)與改造前無差別。

(2)單護盾模式

單護盾模式掘進時，推進:鋼管片拼裝機在護盾內(nèi)拼裝鋼管片，輔推油缸頂推鋼管片，提供推進反力。推進過程中，收回后支撐，鞍架輔助支撐撐緊底部管片，主梁二在鞍架內(nèi)滑移前進。一個推進行程為一環(huán)管片寬度900 mm。換步:掘完一個掘進行程后開始換步，后支腿伸出撐緊底部管片。鞍架輔助支撐收回，脫離底部管片。推進油缸回縮，收回鞍架完成。輔助推進油缸收回，拼裝完成下一環(huán)管片。

6 拼裝機改進

原鋼拱架拼裝機由旋轉(zhuǎn)環(huán)和撐緊環(huán)組成，旋轉(zhuǎn)環(huán)與主驅(qū)動固定，不具備行走功能，撐緊環(huán)具備行走及撐緊功能，但不具備旋轉(zhuǎn)功能，僅能拼裝鋼拱架，無法拼裝鋼管片。

6.1 鋼拱架拼裝

新做鋼拱架拼裝機，回轉(zhuǎn)及撐緊一體化設(shè)計。

移動架:油缸驅(qū)動整機前后移動，移動行程1.8 m。

回轉(zhuǎn)機構(gòu):液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)，帶動撐緊臂在移動架外周360°旋轉(zhuǎn)。

撐緊臂:6個撐緊臂用于抓取和撐緊拱架，單個撐緊臂可提供6 t撐緊力。

6.2 鋼管片拼裝

當需要拼裝鋼管片時，在拱架拼裝器回轉(zhuǎn)機構(gòu)前端安裝鋼管片拼裝機構(gòu)，主要組成部分有:

(1)伸縮臂。通過油缸驅(qū)動，控制抓取頭沿隧道斷面徑向伸縮，伸縮行程600 mm。

(2)連桿。連接伸縮臂與抓取頭，保證整個機構(gòu)結(jié)構(gòu)合理性，避免與其他部件干涉。

(3)抓取頭。用于抓取鋼管片，同時具備沿X、Y、Z轉(zhuǎn)動功能，使鋼管片能夠前后俯仰±4°；水平擺動 ±3°；左右擺動 ±4°。

鋼管片拼裝機構(gòu)各部分之間通過螺栓連接，最大件重量約0.4 t，最大件長度約1.8 m，方便拆裝。當不拼裝鋼管片時，將管片拼裝機構(gòu)拆除，錨桿鉆機及鋼拱架拼裝均可以正常使用，前后移動行程1.8 m。當拼裝鋼管片時，將管片拼裝機構(gòu)安裝到位，鋼管片拼裝機構(gòu)可以前后移動1.35 m，滿足鋼管片拼裝需求。

7 結(jié)論

在軟弱破碎帶地層，采用鋼管片支護圍巖，解決了撐靴撐緊力不足的問題，保證了TBM掘進的安全性。現(xiàn)場更換刀箱，擴大了成型TBM刀盤的開挖直徑，提供了鋼管片安裝空間；優(yōu)化護盾結(jié)構(gòu)滿足了拼裝機、輔助推進系統(tǒng)、超前鉆機的布置空間，實現(xiàn)了鋼管片拼裝、提高TBM推力、滿足護盾內(nèi)超前鉆孔支護圍巖等功能的實現(xiàn)；現(xiàn)場更換大速比主驅(qū)動減速機提高了TBM刀盤脫困扭矩，為軟弱圍巖TBM脫困提供了扭矩保證。TBM改造后順利、快速地穿過圍巖破碎帶，妥善解決了軟弱圍巖(破碎帶)卡機的問題，實際工程驗證了TBM現(xiàn)場改造方案的可行性。