王 鋒

(武漢地鐵集團(tuán)有限公司,湖北 武漢 430040)

0 引言

近年來(lái),越來(lái)越多的跨流域調(diào)水工程已開始建設(shè)或納入規(guī)劃。隨著我國(guó)TBM規(guī)模的逐漸壯大,施工技術(shù)日益成熟,TBM施工技術(shù)在我國(guó)水利隧洞工程施工中發(fā)揮的作用越來(lái)越大[1]。對(duì)于長(zhǎng)隧道施工,TBM施工具有安全性高、掘進(jìn)速度快、機(jī)械化水平高及施工環(huán)境好等優(yōu)點(diǎn),但在面對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí),TBM受設(shè)備及作業(yè)空間限制,其靈活性遠(yuǎn)不如鉆爆法,易出現(xiàn)各種工程地質(zhì)問題,使掘進(jìn)效率大大降低[2],同時(shí),TBM隧洞在特殊施工條件下的方案選擇和應(yīng)對(duì)措施等技術(shù)問題也決定著TBM的掘進(jìn)效率和工程安全。

針對(duì)上述問題,已有大量的學(xué)者開展了相關(guān)研究,如韓超等[3]針對(duì)隧道極硬巖施工,提出了刀盤刀具的針對(duì)性設(shè)計(jì)及優(yōu)化方案;吳世勇等[4-5]結(jié)合錦屏輔助洞發(fā)生的多次高壓大流量突涌水和富水區(qū)灌漿封堵問題,提出了針對(duì)性的處理原則;許金林等[6]、齊夢(mèng)學(xué)[7]、郭志等[8]、任吉濤等[9]分別根據(jù)隧洞特殊工程條件研究了不同形式的出碴施工技術(shù);孫振川等[10]、曹正卯[11]針對(duì)隧道長(zhǎng)距離通風(fēng)難題,對(duì)施工通風(fēng)特性和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了針對(duì)性的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案。但不同的隧洞工程均有其特殊性,導(dǎo)致不同工程TBM施工所面臨的問題不盡相同,需根據(jù)實(shí)際工程條件開展針對(duì)性研究,以提出解決方案。

本文以超長(zhǎng)距離穿越復(fù)雜地質(zhì)的中部引黃輸水隧洞工程為依托,針對(duì)完整堅(jiān)硬巖段破巖、高壓富水洞段反坡排水、超長(zhǎng)隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)出碴及通風(fēng)等技術(shù)難題進(jìn)行研究,提出了相應(yīng)的技術(shù)方案,以期為類似輸水隧洞工程施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 輸水隧洞設(shè)計(jì)

中部引黃輸水隧洞工程是山西省“十二五”水利規(guī)劃的重點(diǎn)工程之一,為山西大水網(wǎng)建設(shè)工程“兩縱十橫”中的第4橫,其中總干線3號(hào)隧洞TBM1標(biāo)位于黃河流域呂梁山境內(nèi),施工段全長(zhǎng)26.07km,采用1臺(tái)雙護(hù)盾TBM反坡掘進(jìn)施工。隧洞設(shè)計(jì)開挖洞徑為5.06m,襯砌后洞徑為4.30m,為無(wú)壓輸水隧洞。TBM施工段采用預(yù)制混凝土管片襯砌,管片為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu),管片外徑為4.80m,內(nèi)徑為4.30m,厚度為25cm,每環(huán)管片寬1.4m,預(yù)制管片背后與圍巖間的空腔平均為103mm,采用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

TBM1標(biāo)施工段包括進(jìn)洞支洞和主洞兩部分,設(shè)計(jì)由施工支洞進(jìn)洞,全長(zhǎng)5.02km,設(shè)計(jì)縱坡3.857%,洞口高程與主洞高差為180.3m,TBM1于樁號(hào)SJ0+175.0處始發(fā)掘進(jìn)。進(jìn)洞支洞與隧洞主洞相交于Z(k)77+020 后,開始向主洞下游方向掘進(jìn)至Z(k)98+070處拆卸洞室停止掘進(jìn),主洞全長(zhǎng)21.05km,設(shè)計(jì)坡度0.04%。整體施工布置如圖1所示。

圖1 中部引黃輸水隧洞TBM1標(biāo)掘進(jìn)段示意Fig.1 Layout of TBM1 section of Central Yellow River Diversion tunnel

1.2 工程水文地質(zhì)條件

TBM1標(biāo)施工段沿線高程最高點(diǎn)為 1 605.000m, 最低點(diǎn)為湫水河1 246.500m,相對(duì)高差約為358m,為低中山區(qū),隧洞埋深主要在300～610m。隧洞穿越地層依次為奧陶系灰?guī)r和泥灰?guī)r、寒武系白云巖和泥質(zhì)條帶灰?guī)r、太古界黑云斜長(zhǎng)片麻巖、石墨透閃石大理巖和變質(zhì)石英砂巖。

隧洞進(jìn)洞支洞和主洞沿軸線方向共經(jīng)過12條斷層,包括組成離石大斷裂的斷層。其中主洞段共經(jīng)過5條斷層,3條斷層位于地下水位以下,具體如表1所示。

表1 主洞段沿線斷層分布統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of fault distribution along the main tunnel section

隧洞主洞段沿線地下水類型主要有變質(zhì)巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區(qū)間水及層間水)。自Z(k)92+374以后,隧洞多位于地下水位以下,地下水位高于洞頂130～350m,設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)全隧洞最大涌水量為19 584m3/d,為典型的高壓富水隧洞。

1.3 工程重難點(diǎn)分析

1)隧洞局部洞段巖石較堅(jiān)硬,抗壓強(qiáng)度一般為140～170MPa,石英含量為66%～72%,可鉆性為9～11級(jí),巖體相對(duì)較完整,裂隙發(fā)育程度較低。TBM在完整堅(jiān)硬巖段中掘進(jìn)時(shí),可鉆性及掘進(jìn)效率顯著下降,刀具檢查頻次及消耗量明顯增加。根據(jù)相鄰洞段的施工經(jīng)驗(yàn),相同掘進(jìn)距離條件下硬巖段查/換刀時(shí)間約為軟巖段的2.14倍,刀具消耗量約為軟巖段的8.35倍,將極大地影響TBM掘進(jìn)效率與施工成本。

2)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料,隧洞沿線涉及天橋泉域和柳林泉域,泉域分水嶺在Z(k)94+700的黑茶山一帶,地下水的補(bǔ)給為大氣降水補(bǔ)給及其他類水的側(cè)向補(bǔ)給或越流補(bǔ)給。F4,F5斷層距離較近,且均為傾角較陡的正斷層,形成地塹式的斷層組合,成為有利的富水構(gòu)造,極有可能存在高壓力、大流量、突發(fā)性的涌水。

3)TBM1標(biāo)施工段采用雙護(hù)盾TBM施工,掘進(jìn)距離為26.07km,施工后成洞段凈空僅4.3m,由于地質(zhì)條件限制,隧洞沿線無(wú)條件布置輔助坑道,使隧洞連續(xù)出碴距離及獨(dú)頭通風(fēng)距離均達(dá)到目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)。在隧洞掘進(jìn)距離長(zhǎng)、施工斷面小的條件下,如何解決長(zhǎng)距離出碴及隧道通風(fēng),保證TBM持續(xù)穩(wěn)定快速施工是本工程的兩大難題。

2 施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 TBM滾刀破巖效能提升技術(shù)

中部引黃輸水隧洞TBM1標(biāo)施工段采用1臺(tái)直徑為5.06m的雙護(hù)盾TBM,刀盤上共設(shè)有33把432mm(17英寸)滾刀,如圖2所示。其中,刀盤中心處布置4把雙刃滾刀,刀刃編號(hào)為1～8號(hào);布置25把單刃滾刀,其中9～23號(hào)為正面滾刀,24～33號(hào)為邊緣滾刀。刀具額定荷載267kN。

圖2 TBM刀盤刀具布置Fig.2 Layout of TBM cutters

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況統(tǒng)計(jì),中部引黃輸水隧洞TBM掘進(jìn)至Z(k)92+373.700后,揭露地層為太古界界河口群奧家灣組變質(zhì)巖,巖石較堅(jiān)硬,巖體較完整,裂隙發(fā)育程度較低。統(tǒng)計(jì)TBM掘進(jìn)至高磨蝕性硬巖段前2個(gè)月和后3個(gè)月的滾刀使用情況,如表2所示。由表2可知,TBM在高磨蝕性硬巖段中掘進(jìn)時(shí),刀具檢查頻次及消耗量明顯增加。

表2 滾刀使用情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Cutter life in surrounding rock of different strength

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),TBM滾刀在完整堅(jiān)硬巖段掘進(jìn)時(shí),存在明顯的掘進(jìn)功耗大、掘進(jìn)速度慢、破巖效率低、刀具損耗大等問題,其可能原因?yàn)閹r石強(qiáng)度致密且強(qiáng)度大,同時(shí)刀刃平且鈍,導(dǎo)致滾刀在許用荷載下貫入巖石時(shí),刀下密實(shí)核所傳遞的荷載不足以驅(qū)動(dòng)刀間側(cè)向裂紋貫通,巖石不能有效破碎為片狀巖碴,造成滾刀刃反復(fù)碾磨掌子面,破巖效率低下,掘進(jìn)速度慢。因此,在完整硬巖段施工時(shí),需對(duì)TBM滾刀進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。

針對(duì)開展全尺度滾刀直線破巖試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、可重復(fù)性差等難題,采用規(guī)?；〕叨葷L刀破巖試驗(yàn)和滾刀破巖現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)相結(jié)合的手段,對(duì)滾刀破巖效能提升技術(shù)開展研究。

2.1.1小尺度滾刀破巖試驗(yàn)

目前室內(nèi)小尺度滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)多為非滾壓破巖模式,無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)試破巖荷載,多用于滾刀磨損分析而非破巖機(jī)制研究。鑒于此,研制了多功能滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)(見圖3),對(duì)巖樣進(jìn)行直線切割破巖試驗(yàn)。試驗(yàn)平臺(tái)由控制系統(tǒng)、試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試系統(tǒng)組成,具有與實(shí)際TBM滾刀破巖機(jī)理相似、巖石試樣利用率高、圍壓加載方便、破巖荷載測(cè)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 小尺度多功能滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 Small-scale multifunctional disc cutter’s rock-breaking performance testing platform

分別對(duì)平刃、楔刃和復(fù)合刃3種刃形滾刀的破巖效果進(jìn)行測(cè)試,3種刃形刀圈的直徑均為43.2mm,平刃滾刀的刃部寬度為1.2mm;楔刃滾刀的刃部寬度為0.4mm,楔角為41.2°;復(fù)合刃滾刀的刃部寬度為1.0mm,為雙段楔角結(jié)構(gòu),第1段楔角為46°、第2段楔角為20°。其中,復(fù)合刃滾刀的基本刃形根據(jù)施工期間滾刀正常磨損的最終形態(tài)確定,在此基礎(chǔ)上通過數(shù)值模擬手段確定最優(yōu)刃部寬度和楔角角度。設(shè)定試驗(yàn)滾刀貫入深度為2mm,切割速度為0.17m/min,試驗(yàn)過程中以5Hz頻率對(duì)滾刀破巖后巖碴大小、質(zhì)量、滾刀法向力及破巖比能等參數(shù)進(jìn)行分析。

為分析TBM滾刀刃形對(duì)破巖效果的影響規(guī)律,將不同滾刀刃形各試驗(yàn)組的平均法向力、峰值法向力、巖碴質(zhì)量、比能等數(shù)據(jù)分別取平均值進(jìn)行對(duì)比。小尺度滾刀破巖試驗(yàn)結(jié)果表明,平刃、楔刃和復(fù)合刃滾刀的平均法向力分別為3.2,2.2,2.2kN,楔刃和復(fù)合刃滾刀的平均法向力接近,且明顯小于平刃滾刀,減小幅度為31.25%;平刃、楔刃和復(fù)合刃滾刀的峰值法向力分別為5.8,5.0,4.3kN,楔刃和復(fù)合刃滾刀的峰值法向力明顯小于平刃滾刀,復(fù)合刃滾刀的減小幅度約為26%;平刃、楔刃和復(fù)合刃滾刀的巖碴量分別為4.9,4.3,3.6g,楔刃滾刀和復(fù)合刃滾刀產(chǎn)生的巖碴量小于平刃滾刀;平刃、楔刃和復(fù)合刃滾刀的破巖比能分別為26.3,22.8,17.9MJ/m3, 復(fù)合刃滾刀的破巖比能比平刃滾刀的破巖比能小約32%,破巖效率顯著提升。

結(jié)合滾刀破巖機(jī)理,可看出平刃滾刀刀刃與巖石接觸區(qū)域較寬,在破碎硬巖時(shí),不足以驅(qū)動(dòng)側(cè)向裂紋的擴(kuò)展、貫通乃至成碴,使?jié)L刀刃反復(fù)碾磨掌子面;楔刃滾刀刀刃鋒銳,刀刃與巖石接觸區(qū)域較窄,使刀刃易貫入巖石,同時(shí),由于楔刃滾刀的楔形結(jié)構(gòu)形式,滾刀刃一旦貫入巖石后,其楔刃面將對(duì)兩側(cè)巖石產(chǎn)生較大的側(cè)向推擠力,加速刀間側(cè)向裂紋的擴(kuò)展和貫通,可有效提升滾刀破巖效率。但楔刃滾刀的刃寬較小、刃部楔角較小,致使其強(qiáng)度減弱,崩刃風(fēng)險(xiǎn)增大,如圖4所示,試驗(yàn)過程中楔刃滾刀出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象,而平刃滾刀和復(fù)合刃滾刀使用均較完好,未出現(xiàn)明顯破損現(xiàn)象。

圖4 楔刃滾刀崩刃Fig.4 Tipping of wedge-shaped disc cutter

2.1.2滾刀破巖現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)試驗(yàn)

TBM1標(biāo)施工段進(jìn)入完整堅(jiān)硬巖段后,開展不同刃形滾刀破巖現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)工藝性試驗(yàn),采用3種刃形全盤滾刀分別掘進(jìn)50m,且試驗(yàn)時(shí)保證刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度相同,測(cè)定3種工況條件下TBM掘進(jìn)參數(shù),現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同刃形滾刀施工時(shí)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)比Table 3 TBM boring parameters with different cross-section profile of disc cutter

由表3可知,平刃刀圈在硬巖段掘進(jìn)時(shí),由于巖石強(qiáng)度較高,破巖過程中刀盤推力較大,造成滾刀超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致軸承出現(xiàn)破壞;楔刃刀圈破巖過程中產(chǎn)生巨大沖擊荷載,造成多把TBM滾刀刀圈崩裂;復(fù)合刃刀圈滾刀整體表現(xiàn)平穩(wěn),試驗(yàn)段掘進(jìn)過程中沒有滾刀出現(xiàn)異常損壞。與平刃刀圈相比,在相同轉(zhuǎn)速和貫入度的情況下,復(fù)合刃刀圈掘進(jìn)時(shí)TBM刀盤推力下降約15%,扭矩下降約20%。滾刀破巖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與室內(nèi)小尺度滾刀破巖試驗(yàn)結(jié)論一致,表明復(fù)合刃刀圈可有效降低破巖荷載、提高TBM滾刀破巖效率。

2.1.3實(shí)際應(yīng)用效果

中部引黃輸水隧洞施工期間對(duì)滾刀刀圈刃形進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后,使用壽命由改進(jìn)前設(shè)計(jì)壽命的40%～50%提高到設(shè)計(jì)壽命的75%。刀圈異常損壞情況基本消失,僅偶爾出現(xiàn)刀圈較小程度的偏磨和崩刃現(xiàn)象。后續(xù)洞段施工期間,TBM掘進(jìn)速度由滾刀優(yōu)化前的平均37.4mm/min提高至 45.2mm/min。 工程實(shí)踐證明,針對(duì)TBM滾刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高了滾刀在高耐磨性硬巖段的破巖效率和TBM掘進(jìn)效率,整體加快了工程進(jìn)度。

2.2 小斷面高壓富水隧洞反坡排水

中部引黃輸水隧洞全程反坡掘進(jìn)26.07km,開挖斷面直徑為5.06m,襯砌后隧洞斷面直徑僅為4.30m,抽排水揚(yáng)程188m。TBM穿越高壓富水洞段時(shí),存在小斷面隧洞長(zhǎng)距離、高揚(yáng)程、大流量抽排水難度高的問題。鑒于此,對(duì)洞內(nèi)管道系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提出管道系統(tǒng)分流多級(jí)反坡排水系統(tǒng)。

根據(jù)隧洞沿線水文地質(zhì)條件,設(shè)計(jì)單位預(yù)測(cè)隧洞最大涌水量為816m3/h。根據(jù)規(guī)范要求,工作水泵的排水能力應(yīng)滿足在20h內(nèi)排出隧洞24h的正常涌水量,中部引黃輸水隧洞設(shè)計(jì)總排水能力為980m3/h,隧洞內(nèi)管道排水系統(tǒng)具體管路布置如圖5所示。隧洞排水系統(tǒng)沿洞線可分為:TBM伸縮盾/連接橋→后配套移動(dòng)污水箱→主洞洞身蓄水池→主支洞交叉擴(kuò)挖洞蓄水池→隧洞洞外。

圖5 洞內(nèi)管道排水系統(tǒng)布置Fig.5 Layout of pipeline drainage system

2.2.1TBM伸縮盾/連接橋至后配套移動(dòng)污水箱

在TBM伸縮盾內(nèi)和連接橋處各安裝2臺(tái)功率28.7kW,流量468m3/h的國(guó)外進(jìn)口潛水泵,分別排水至距連接橋200m處的TBM后配套中部移動(dòng)污水箱,機(jī)泵額定排水能力達(dá)936m3/h。

2.2.2TBM后配套移動(dòng)污水箱至洞身蓄水沉淀池

主洞段長(zhǎng)度為21.05km,抽排水距離較長(zhǎng),在主洞內(nèi)Z(k)93+380處設(shè)置洞身蓄水池,可儲(chǔ)水量176m3。在蓄水池處設(shè)置主300移動(dòng)泵站,將2臺(tái)MD720-43×6(P)自平衡多級(jí)離心泵安裝在吸水箱出口取水,通過隧洞DN300排水管道排水至隧洞Z(k)87+080處的300-2接力泵站。同時(shí),配置1臺(tái)功率315kW、流量280m3/h、揚(yáng)程258m的MD280-43×6型自平衡多級(jí)離心泵進(jìn)行抽排水。

2.2.3主洞洞身蓄水池至交叉擴(kuò)挖洞蓄水池

主洞沉淀池至主洞與進(jìn)洞支洞交叉擴(kuò)挖洞蓄水池總長(zhǎng)度為17km,在主洞兩側(cè)分別配置1條DN300和2條DN150排水管路,其中主洞左側(cè)DN300管路通過1臺(tái)MD720-43×6(P)自平衡多級(jí)離心泵水泵并聯(lián)運(yùn)行排水,中途在Z(k)87+080處設(shè)置300-2接力泵站;主洞右側(cè)2條DN150管路通過3臺(tái)(2用1備)功率132kW的YDⅡ150-70×3型離心泵接力排水至交叉擴(kuò)挖洞蓄水池。

2.2.4進(jìn)洞支洞至洞外

進(jìn)洞支洞左側(cè)為DN150排水管路和機(jī)泵排水,在掘進(jìn)洞段無(wú)水時(shí),由主洞1條DN150排水管路排水至主支洞交叉擴(kuò)挖洞的連通管,再由連通管經(jīng)進(jìn)洞支洞左側(cè)排水管路分4級(jí)排水至洞外,每級(jí)安裝2臺(tái)流量為60m3/h、揚(yáng)程90m、功率30kV的YDⅡ60-30×3型離心泵。

基于施工控制經(jīng)濟(jì)合理性分析,實(shí)際掘進(jìn)期間無(wú)需始終保持系統(tǒng)最大排水能力運(yùn)行,可根據(jù)排水管路布置和實(shí)際排水需要進(jìn)行分流量控制。根據(jù)設(shè)計(jì)排水流量對(duì)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算。排水沿程水頭h1損失計(jì)算如下:

v=4q/(πD2)

(1)

Re=ρv/μ

(2)

(3)

式中:v為管道設(shè)計(jì)流速;q為排水流量;D為管道直徑;ρ為流體密度;μ為流體黏度系數(shù),取1.308;λ為沿程阻力系數(shù),取0.017;L為管道長(zhǎng)度;g為9.80m2/s。

鑒于TBM1標(biāo)排水管線基本為直線布置,排水局部水頭損失h2按沿程水頭損失的10%計(jì)算,排水高差h3為管道長(zhǎng)度與隧道縱坡的乘積,取0.04%L。則水泵揚(yáng)程需滿足:

H≥h1+h2+h3

(4)

對(duì)水泵功率進(jìn)行驗(yàn)算:

N=KρgqH/η

(5)

式中:N為水泵功率;K為安全系數(shù),取1.2;η為設(shè)備效率,取0.60～0.85。

經(jīng)驗(yàn)算,1臺(tái)MD280-43×6型自平衡多級(jí)離心泵可滿足排水系統(tǒng)通過最長(zhǎng)距離3 900m的1條DN200管道,滿足排水流量300m3/h的要求;2臺(tái)自平衡多級(jí)離心泵并聯(lián)運(yùn)行,可達(dá)到排水流量 680m3/h 的要求。

根據(jù)中部引黃輸水隧洞管道排水系統(tǒng)的布置情況,設(shè)計(jì)排水方案為:當(dāng)掌子面涌水量≤300m3/h時(shí),通過主洞左側(cè)排水管路排出;當(dāng)涌水量為300 ～ 680m3/h時(shí),選擇啟用主洞右側(cè)排水管路進(jìn)行排水;當(dāng)涌水量>680m3/h時(shí),開啟排水管路機(jī)泵中的1條或2條排水管路進(jìn)行聯(lián)合變頻排水。

考慮到TBM1標(biāo)穿越變質(zhì)石英砂巖段,涌水中混有大量泥砂等雜物,可能導(dǎo)致水泵故障,故在水泵吸水口處安裝過濾裝置,并在洞外配置專用搶險(xiǎn)移動(dòng)泵車用以應(yīng)急排出隧洞積水。

TBM1標(biāo)段掘進(jìn)期間,前期遭遇多次掌子面突涌水,通過及時(shí)啟動(dòng)管道排水系統(tǒng),控制TBM主機(jī)部位水深≤45cm,說(shuō)明該排水系統(tǒng)配置合理。當(dāng)TBM掘進(jìn)至Z(k)94+563處發(fā)生大型突涌水,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定涌水量達(dá)26 448m3/d,遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)涌水量。根據(jù)前期鉆孔及揭示圍巖情況推測(cè),掘進(jìn)前方為高壓富水段,存在裂隙出水的可能性非常大,且涌水量可能超過隧洞排水能力,繼續(xù)掘進(jìn)存在較大淹機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和施工安全風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)停機(jī)對(duì)該高壓富水段進(jìn)行超前注漿堵水后恢復(fù)掘進(jìn)。

2.3 超長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)高效出碴

2.3.1超長(zhǎng)距離出碴技術(shù)難點(diǎn)分析

TBM1標(biāo)采用1臺(tái)雙護(hù)盾TBM施工,TBM直徑為5.06m,最大出碴量約為225t/h?？紤]可行性、安全性、出碴效率及施工成本等因素,設(shè)計(jì)采用全洞段無(wú)轉(zhuǎn)碴連續(xù)皮帶機(jī)出碴,實(shí)現(xiàn)TBM獨(dú)頭掘進(jìn)26km至拆機(jī)洞室,掘進(jìn)期間產(chǎn)生的碴料經(jīng)過主機(jī)皮帶機(jī)、后配套皮帶機(jī)、再經(jīng)過隧洞出碴系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)街Ф磁c主洞交叉段,再由進(jìn)洞支洞出碴運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)蕉赐狻?/p>

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn),國(guó)內(nèi)外TBM工程施工中采用連續(xù)皮帶機(jī)的輸送長(zhǎng)度通常小于18km,長(zhǎng)度超過18km的隧道連續(xù)皮帶機(jī)技術(shù)相對(duì)不夠成熟。超長(zhǎng)隧洞連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)出碴困難的原因主要為:①由于連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行阻力和碴料分力的累積作用,運(yùn)量越大,運(yùn)距越長(zhǎng),到達(dá)連續(xù)皮帶機(jī)頭部時(shí),輸送帶的張力就越大;②連續(xù)皮帶機(jī)輸送帶的強(qiáng)度越大,其成槽性就會(huì)越差,甚至可能無(wú)法滿足隧洞出碴需求;③連續(xù)皮帶機(jī)輸送距離的增加意味著故障點(diǎn)的增多,當(dāng)出碴距離達(dá)到一定長(zhǎng)度后,前期使用的皮帶因工作時(shí)間較長(zhǎng)可能會(huì)老化變質(zhì),導(dǎo)致皮帶跑偏,大大增加故障發(fā)生概率,將嚴(yán)重影響連續(xù)皮帶機(jī)出碴系統(tǒng)正常運(yùn)行。

2.3.2磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng)

超長(zhǎng)隧道出碴時(shí)一般需在連續(xù)皮帶機(jī)中間部位增加輔助驅(qū)動(dòng),以降低輸送帶運(yùn)行張力,保證連續(xù)皮帶機(jī)的正常運(yùn)行。目前,國(guó)內(nèi)外各類工程中應(yīng)用最成功的連續(xù)皮帶機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)可分為滾筒轉(zhuǎn)載式和直線摩擦式兩種,以往TBM工程中均使用滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動(dòng)。但由于TBM1標(biāo)需穿越長(zhǎng)距離完整堅(jiān)硬巖段,圍巖石英含量較高,碴料含水量大,若采用滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動(dòng),則碴料須經(jīng)過二次轉(zhuǎn)載,對(duì)皮帶造成沖擊損傷,進(jìn)一步增加皮帶故障發(fā)生的概率。

針對(duì)滾筒轉(zhuǎn)載式輔助驅(qū)動(dòng)方式適應(yīng)性不足的問題,根據(jù)鐵磁性物質(zhì)在磁場(chǎng)中受力的性質(zhì),研發(fā)了磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。利用主機(jī)皮帶的帶芯材料為鋼絲繩這一特性,在輔助驅(qū)動(dòng)皮帶下方設(shè)置磁鋼裝置,通過磁鋼的強(qiáng)大吸引力使主機(jī)承載皮帶與輔助皮帶緊密貼合,從而突破了少量物料工況下不可使用摩擦式驅(qū)動(dòng)的常規(guī)慣例,如圖6所示。

圖6 磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)Fig.6 Design of the magnetic friction typed auxiliary driving

2.3.3連續(xù)皮帶機(jī)參數(shù)

中部引黃輸水隧洞TBM1標(biāo)施工段連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)按照最高掘進(jìn)速度72mm/min、巖石密度2 600m3/kg、開挖洞涇5.06m計(jì)算,最大出碴量約為225t/h,設(shè)計(jì)連續(xù)皮帶機(jī)的運(yùn)輸能力為250t/h。根據(jù)皮帶機(jī)的運(yùn)輸能力和運(yùn)行速度及TBM1標(biāo)皮帶提升高度,設(shè)計(jì)采用頭部驅(qū)動(dòng)+中部輔助驅(qū)動(dòng)式的連續(xù)皮帶機(jī)出碴,電機(jī)功率為2×315kW,帶速為2.80m/s,帶寬為650mm,帶強(qiáng)為ST1600,輸送量為250t/h。

隧洞設(shè)計(jì)皮帶機(jī)輸送長(zhǎng)度為26.07km,提升高度190m,輸送量250t/h。根據(jù)GB/T 36698—2018《帶式輸送機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算方法》,由于連續(xù)皮帶機(jī)輸送線路很長(zhǎng),線路傾角相對(duì)較小,則驅(qū)動(dòng)滾筒的圓周驅(qū)動(dòng)力近似為:

FU=CNLfg(q1+q2+2qB+qG)+qGgH

(6)

式中:FU為連續(xù)皮帶機(jī)輸送滾筒總圓周驅(qū)動(dòng)力,計(jì)算得350 406N;CN為附加阻力系數(shù),取1.02;L為區(qū)段長(zhǎng)度;f為阻力系數(shù),取0.023;g為重力加速度,取9.81m/s2;q1為上托輥的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,取 5kg/m;q2為下托輥的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,取2.14kg/m;qB為皮帶的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,取12.7kg/m;qG為物料的單位長(zhǎng)度質(zhì)量,取19.84kg/m;H為提升高度。

連續(xù)皮帶機(jī)所需電機(jī)總功率為:

P=10-3FUvK/η

(7)

式中:v為設(shè)計(jì)帶速;K為備用系數(shù),取1.05;η為電機(jī)傳動(dòng)效率,取0.85。計(jì)算得P=1 212kW。

考慮連續(xù)皮帶機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的小型化和通用化,一般取連續(xù)皮帶機(jī)中間位置各輔助驅(qū)動(dòng)裝置的功率相等,主驅(qū)動(dòng)裝置的功率為單個(gè)輔助驅(qū)動(dòng)裝置功率的整數(shù)倍,故設(shè)計(jì)隧洞連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)采用兩級(jí)輔助驅(qū)動(dòng),其裝機(jī)功率為2×315kW+315kW+315kW,即連續(xù)皮帶機(jī)總功率為1 260kW>1 212kW。

考慮頭部驅(qū)動(dòng)及輔助驅(qū)動(dòng)均衡負(fù)載,在連續(xù)皮帶機(jī)中間安裝兩級(jí)磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng),其中第1輔助驅(qū)動(dòng)距頭部10km,第2輔助驅(qū)動(dòng)距頭部18km。連續(xù)皮帶機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)布置如圖7所示。

圖7 連續(xù)皮帶機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)布置示意Fig.7 Layout of the magnetic friction typed auxiliary driving

2.3.4連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)行情況

中部引黃輸水隧洞TBM1標(biāo)施工段采用磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng),成功實(shí)現(xiàn)了26km超長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)出碴,統(tǒng)計(jì)施工期間連續(xù)皮帶機(jī)月平均故障率為3.12%,不考慮地質(zhì)因素影響正常施工的月份,月平均故障率為4.23%。連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)月平均故障率隨隧洞出碴距離的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知,隨著出碴距離的增加,連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)故障率逐漸增大,且出碴距離超過20km后,故障率明顯增大。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況,自2019年11月后,TBM已連續(xù)掘進(jìn)超過22km,皮帶老化較嚴(yán)重,導(dǎo)致皮帶跑偏、打滑及托輥故障等頻繁發(fā)生。針對(duì)此情況,項(xiàng)目部采取降低TBM掘進(jìn)貫入度,將出碴強(qiáng)度由 225t/h 降至150t/h,同時(shí)加強(qiáng)對(duì)連續(xù)皮帶日常的巡檢和保養(yǎng),有效保證了TBM1標(biāo)掘進(jìn)至近終點(diǎn)時(shí)段時(shí)連續(xù)皮帶的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 月平均故障率隨出碴距離的變化規(guī)律Fig.8 Change of monthly failure rate with mucking distance

中部引黃輸水隧洞連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)故障占時(shí)為1 751min/km,相對(duì)于其他TBM工程屬于較低水平。與水文地質(zhì)條件相近的引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞相比,TBM1標(biāo)施工段連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)每公里故障占時(shí)減少約75%,說(shuō)明采用磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng)可有效延長(zhǎng)皮帶使用壽命,保證連續(xù)皮帶機(jī)出碴系統(tǒng)平穩(wěn)高效運(yùn)行。

2.4 深埋隧洞超長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)

TBM1標(biāo)施工段獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)達(dá)26km,其通風(fēng)問題成為制約工程安全、進(jìn)度及經(jīng)濟(jì)效益的重要因素。超長(zhǎng)隧洞通風(fēng)的主要難點(diǎn)在于防止長(zhǎng)距離通風(fēng)出現(xiàn)因漏氣、沿程阻力大造成供風(fēng)效率低下、供風(fēng)量不足等問題及盡量消除轉(zhuǎn)彎段局部風(fēng)阻急劇增大的影響。

鑒于TBM1標(biāo)施工段通風(fēng)距離長(zhǎng)、主支洞坡度差異較大等特點(diǎn),根據(jù)截彎取直和因地制宜的設(shè)計(jì)理念,創(chuàng)建了巷道式通風(fēng)與接力通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合通風(fēng)方式:①第1階段采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)完成進(jìn)洞支洞通風(fēng),施工進(jìn)入主洞后將風(fēng)機(jī)從進(jìn)洞支洞外移至主支洞交叉擴(kuò)挖洞內(nèi),設(shè)計(jì)最大通風(fēng)距離預(yù)計(jì)達(dá)19.78km(進(jìn)洞支洞5.28km+設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)獨(dú)頭通風(fēng)最大距離14.5km)。新鮮空氣通過進(jìn)洞支洞吸入風(fēng)機(jī),經(jīng)隧洞流向TBM施工區(qū),臟污回風(fēng)利用已完成的隧洞主洞和上游完工隧洞排放至洞外;②第2階段在距現(xiàn)風(fēng)機(jī)2.6,5.2km處分別串聯(lián)安裝接力風(fēng)機(jī),滿足預(yù)期通風(fēng)目的;為防止隧洞回風(fēng)返回進(jìn)洞支洞造成污風(fēng)與清新風(fēng)混合,采取在進(jìn)洞支洞末端安裝一道屏閉風(fēng)門封閉隧洞,如圖9所示。其中靠近交叉洞內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)門上方留有空間,用于安裝硬質(zhì)風(fēng)管。風(fēng)門尺寸與進(jìn)洞支洞斷面相同,下方為可供機(jī)車通過的活動(dòng)門。屏蔽風(fēng)門在不通車時(shí)段保持全封閉狀態(tài),當(dāng)有機(jī)車需要進(jìn)出時(shí),打開活動(dòng)風(fēng)門,待機(jī)車通過后關(guān)閉活動(dòng)風(fēng)門,從而形成進(jìn)洞支洞進(jìn)風(fēng)、上游貫通隧洞回風(fēng)的全風(fēng)壓通風(fēng)系統(tǒng)。洞內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)表明,施工期間各斷面檢測(cè)含氧量均大于20%,回風(fēng)風(fēng)速大于0.5m/s,各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范及設(shè)備運(yùn)行要求。

圖9 第2階段復(fù)合通風(fēng)方案Fig.9 Combined ventilation in phase Ⅱ

3 結(jié)語(yǔ)

中部引黃輸水隧洞TBM1標(biāo)施工段工程地質(zhì)條件復(fù)雜,施工中存在完整堅(jiān)硬巖段破巖能耗高、高壓富水洞段反坡施工風(fēng)險(xiǎn)突出、超長(zhǎng)隧洞獨(dú)頭掘進(jìn)出碴及通風(fēng)困難等關(guān)鍵技術(shù)問題。針對(duì)以上問題,通過科研試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及優(yōu)化調(diào)整,提出了復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM超長(zhǎng)距離掘進(jìn)施工的創(chuàng)新技術(shù),具體結(jié)論與建議如下。

1)TBM在完整堅(jiān)硬巖段掘進(jìn)時(shí),存在明顯的破巖能耗高、刀具損耗大等問題,施工前應(yīng)采用試驗(yàn)先行的原則對(duì)TBM滾刀進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。研發(fā)了與實(shí)際TBM滾壓破巖模式和機(jī)制相同的小尺度滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái),對(duì)不同刃形的滾刀破巖情況進(jìn)行分析,從巖碴情況、滾刀法向力及破巖比能等方面優(yōu)選了完整堅(jiān)硬巖段TBM滾刀的最佳刃形,有效提升了破巖效能。

2)TBM反坡掘進(jìn)時(shí),一旦揭露大規(guī)模突涌水,極易導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停機(jī),嚴(yán)重影響工程的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,因此在高壓富水洞段,TBM應(yīng)重點(diǎn)保障洞內(nèi)排水能力,并采取有效的超前堵水措施。建議TBM洞內(nèi)排水系統(tǒng)布置時(shí),結(jié)合工程地質(zhì)條件及設(shè)計(jì)情況,盡量配置足夠的應(yīng)急排水設(shè)備,以保證隧洞特殊情況下的排水能力。

3)TBM超長(zhǎng)距離掘進(jìn)存在出碴難題,嚴(yán)重制約施工工期和工程成本?；诂F(xiàn)有連續(xù)皮帶機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的局限性,研發(fā)了磁力摩擦式輔助驅(qū)動(dòng)技術(shù)、工藝與設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了世界最長(zhǎng)輸送距離26km連續(xù)皮帶機(jī)安全高效出碴。

4)針對(duì)中部引黃TBM輸水隧道通風(fēng)距離長(zhǎng)、主支洞坡度差異較大等特點(diǎn),根據(jù)截彎取直和因地制宜的設(shè)計(jì)理念,創(chuàng)建了巷道式通風(fēng)與接力通風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合通風(fēng)方式,解決了隧洞超長(zhǎng)距離通風(fēng)的難題。