高埋深隧洞TBM設備的選購

邢阿龍，王紅?

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級水電站深埋長隧洞群由2條輔助洞(17.5km)、1條施工排水洞(16.73km)和4條引水隧洞(16.67km)組成。隧洞洞群沿線上覆巖體厚度一般為1 500～2 000m，最大約2 525m，圍巖具有巖體結構復雜、埋深大、高地應力、高外水壓力、高涌水量等地質特點，其中1、3號引水隧洞和施工排水洞采用TBM開挖施工，其余隧洞采用傳統的鉆爆法開挖施工。三條隧洞采用的TBM均為敞開式TBM，其中本文涉及的東端1號引水隧洞采用由美國Robbins公司生產的Robbins401－319型敞開式TBM施工。

水電站東端1號引水隧洞1號TBM自2008年11月18日開始試掘進，于2009年12月12日完成2km試掘進后開始正式掘進施工。2010年12月12日正式停止掘進，合計完成TBM掘進進尺5 859.4 km。

2 TBM簡介

Robbins401－319為全斷面敞開式單撐靴TBM，整機全長245m，由主機、連接橋、后配套三部分組成。

主機:由刀盤組件、刀盤支撐、護盾體、主梁、鞍架、撐靴、刀盤驅動系統以及支護設備等組成，長約22m。刀盤直徑為12.43m，分6塊在現場拼裝焊接而成;刀盤布置81把盤形滾刀，其中8把中心刀、2把擴挖刀(中心刀為17英寸，其它為19英寸)，刀盤驅動系統由14個驅動電機組成，每個電機功率為315kW。刀盤轉速 0～5.61r/min;刀盤推力2 082.6t，扭矩16 519kN·m。

連接橋:為主機與后配套臺車之間的連接結構，長約28m。

后配套:由3個管節、10節臺車和1個斜坡道組成，總長約195m。3個管節位于連接橋后部，分別布置2臺錨桿鉆機、2臺混凝土機械噴射手和2個噴漿機械手。10節臺車分別布置整個TBM設備的高壓變電設備、配電柜、錨桿鉆機及噴混設備的液壓泵站，以及空氣凈化裝置和衛生間、休息室等輔助設施。

3 設備改造原因、項目及效果分析

由于錦屏二級水電站引水隧洞群深埋于賦存高地應力的脆性大理巖體內，TBM法開挖完成后，如何快速完成高地應力導致的大面積坍塌或巖爆的處理成為TBM掘進施工中面臨的首要難題。

由于1號TBM設備在設計上對包括應力坍塌在內的塌方和巖爆的應對手段不足，導致在掘進過程中出現上述問題的時候，無法有效處理或應對，清理石渣和停機支護時間嚴重超過預計時間，對施工進度產生了很大影響，TBM的快速掘進優勢不能得到充分發揮。

1號TBM在設備改造之前的施工情況見表1。表1表明，在導致1號TBM停止掘進的原因中，清渣和停機支護占用了施工總時間的34.1%，占停機總時間的47.2%，而TBM掘進時間僅占總施工時間的14.6%。

表1 1號TBM設備改造之前掘進時間統計分析 min

為了增強TBM的防護能力、支護能力和清渣能力，增加TBM對水電站高埋深隧洞的適應能力，同時鑒于1號TBM設備總體性能達不到合同要求及招標條件的約定，經參建各方充分、慎重的分析和研究后，最終決定針對1號TBM試掘進過程中暴露的一些具體問題，對TBM設備進行優化和改造。

3.1 設備改造項目及對應效果分析

3.1.1 加強并延長護盾，增加護盾的防護范圍和能力

TBM原護盾為指形護盾，在試掘進過程中指形護盾多次遭到塌落的巖石破壞，已經嚴重變形，部分指形護盾徹底損壞，對下方設備的保護作用被嚴重削弱。

本次設備改造主要是將原有指形護盾拆掉，在邊頂拱270°范圍焊接新的2m長的護盾。另外將側護盾兩舌板刨掉，焊接新舌板。

新的護盾不但為下方設備提供全面的防護，也同時為McNally系統、鋼筋網存儲倉提供了設備基礎，并使圍巖在出露護盾后便能及時進行錨噴支護施工，使得1號TBM在L1區的整體防護能力和支護能力均得到了大幅提升。

3.1.2 McNally系統

McNally系統是在新增護盾外側制作鋼排存儲倉，用來存儲提前預制鋼排(在3根長3～6m、直徑12mm的鋼筋中間用長0.2m、直徑12mm的短鋼筋橫向連接加固制作成的鋼排)。

McNally系統的使用方法是:在頂部圍巖出現塌方或大面積掉塊時，拉出護盾存儲倉內的鋼排(鋼排數量根據塌方面積需要來定)，并用局部拱架將鋼排一端固定在圍巖上。隨著TBM掘進，鋼排會隨圍巖一起出露護盾，并將塌方體攔截在鋼排上方;等鋼排另一端即將出露護盾時，在用一榀局部拱架進行固定，使鋼排、局部拱架和圍巖牢固連接。

McNally系統和局部鋼拱架、預應力中空錨桿聯合使用，將頂部的表層圍巖坍塌形成的碎石固定在支護系統之上，既避免了巖石塌落可能造成對人員和設備的損傷，減少了清渣工程量，也減少了塌方對后續支護、鋼枕架設和掘進施工的干擾。它不但有效解決了錦屏二級高埋深隧洞條件下大面積的應力坍塌問題，還解決了1號TBM清渣能力不足的設備缺陷，可謂是一舉兩得。

3.1.3 改進鋼筋網安裝方式并擴大L1區錨桿作業范圍

1號TBM設備改造之前所配置的鋼筋網安裝器作業效率低，基本沒有投入使用，并且閑置的鋼筋網安裝器占用L1區的錨桿鉆機作業空間，使得圍巖出露護盾后不能及時進行錨桿支護。

為使錨桿鉆機的作業空間增大，實現圍巖出露護盾后盡快實施錨桿支護，同時提高L1區頂拱鋼筋網的安裝效率，在設備改造過程中拆除了未使用的鋼筋網安裝器，在L1區頂部護盾內側增加了鋼筋網儲存倉，同時將錨桿鉆機環前移，擴大L1區錨桿支護范圍，使得圍巖出露護盾后便能及時進行錨桿支護。

通過上述改進，使得1號TBM在后續掘進施工過程中L1區圍巖錨桿和鋼筋網支護的及時性得到極大的提高，既有利于施工和工程安全，也在很大程度上減少了停機進行圍巖支護的時間。

3.1.4 改進鋼拱架安裝器和安裝拱架輸送器

1號TBM原拱架安裝器較為笨重，作用效率低下，一旦要進行拱架安裝，即意味著要有將近一個班次的停機時間，極大地制約了TBM處理不良地質條件的速度和質量。

在本次設備改造過程中，為提高鋼拱架的作業效率，拆除了原拱架安裝器和原鋼筋網齒圈(原鋼筋網安裝器已拆除)，安裝新拱架安裝器，并增加了安裝拱架輸送器。拱架輸送器的作用是將拱架從連接橋吊機上輸送到L1區的鋼拱架安裝器處。

新的拱架安裝系統作業效率和安裝質量較原拱架安裝器有所提升，但因新的拱架安裝器操作復雜、設備本身故障率較高等問題，并未得到操作工人和技術人員的認可。在后續施工中，減少了拱架安裝數量，進而采用局部拱架配合McNally系統和鋼筋網、預應力錨桿、水漲錨桿、濕噴鋼纖維混凝土等支護措施加強L1區的支護強度，同樣確保了施工安全。

3.1.5 改造噴射混凝土系統

噴射混凝土系統改造主要在兩個方面:一是改進現有L1區的噴混系統，使其作業范圍擴大到撐靴位置;二是改變混凝土輸送泵的位置。

由于L1區現有的應急噴混機械手只能滿足緊急情況下局部圍巖(基本限制在L1區護盾與撐靴之間的頂拱120°范圍)的少量混凝土噴射施工，在掘進過程中不能完成大面積的噴射混凝土工作。但實際施工過程中，L1區撐靴兩側的圍巖經常出現片幫和掉塊，需要在L1區頻繁、大量的噴射混凝土進行封閉處理，以保證撐靴安全順利通過，并減少在撐靴撐壓過后圍巖進一步塌方及掉塊。

原混凝土噴射系統存在管路過長、彎頭過多、變徑過多的問題，混凝土從9號臺車的混凝土輸送泵到L1區的應急混凝土噴射手距離長達200多米，直角彎頭 5個，變徑 3處(直徑 220mm泵管變200mm，200mm泵管又變180mm，從180mm的泵管經過噴頭時管徑再次縮小)，在試掘進過程中頻繁發生堵管現象，嚴重影響了支護的及時性和掘進時間，并由于管路太長、處理堵管難度極大，每次堵管都會對施工人員的工作情緒產生極大的影響。

本次設備改造在L1區拆除了原應急混凝土噴射手，另設一個移動式混凝土噴射頭，方便工人在需要時將噴射頭移動到任何具備操作條件的位置，使得L1區的應急噴混范圍擴大到了撐靴后部、連接橋的端頭處，解決了長期困擾施工人員的L1區噴混問題。

與此同時，為解決堵管問題，在設備改造時，將L2區2臺輸送泵移動到T2車前部新增平臺，并新增2臺混凝土攪拌罐(容量6m3)，改造現有管路，形成兩套獨立的噴混凝土系統，具備L1區和L2區同時進行噴射混凝土作業的能力。改造完成后從混凝土輸送泵到達L1區的距離大大縮小，并減少了彎管和變徑數量。此次改造不但解決了噴射混凝土堵管的問題，提高了噴射混凝土作業效率，還使得TBM具備前后同時作業的能力，使得停機進行噴射混凝土作業的現象基本消失。

3.1.6 L1區支護平臺

TBM設備改造之前沒有方便的錨桿及掛網施工作業平臺，工人進行支護作業時操作非常困難，甚至L1區錨桿和掛網作業需要工人腳踩錨桿鉆機的大臂端頭部位才能完成，使得本來就非常危險的支護作業變得更加困難和危險。

本次設備改造在L1區和L2區分別增設了錨桿和掛網工作平臺。新的工作平臺不但方便了工人施工，提高了工作效率，更重要的是使得作業的安全性得到大幅提高，體現了施工的人性化。

3.1.7 改進L1區清渣設備及出渣方式

依照招標文件附件三中的設備介紹，TBM配備一套渣土提升皮帶機和清渣設備(具體性能未介紹)，但是TBM進場后實際配備的為一套渣土提升料斗和一個螺旋輸送機以及清渣小挖機。由于渣土提升料斗和螺旋輸送機作業效率較低，并且清渣的小挖機因為作業空間受限不能投入使用，導致頻繁出現清渣進度不能滿足掘進需要的情況。

為了解決TBM掘進過程中底部渣土清理和轉運影響TBM掘進的問題，在本次設備改造過程中，在刮板機尾端增加一條清渣皮帶機，并新增1臺挖斗裝渣機(LDZ100T)。

新的清渣設備在一定程度上提升了TBM的清渣能力，加快清渣進度;但距離TBM快速掘進的要求還有很大差距，清渣能力與TBM快速掘進能力之間的差距僅靠設備改造已無法彌補。這也導致后續施工中繼續出現長時間停機清渣的情況和鋼枕下部到處堆渣的問題。

3.1.8 在TBM后增加移動支護臺架

由于TBM設備錨桿支護能力有限，而引水隧洞的支護要求又較高，鑒于兩者之間的巨大差距，為發揮TBM快速掘進的優勢，在設備改造前后均會不同程度地遺留系統錨桿需要在TBM通過后補打。

為解決目前TBM支護設備優化和改造前因設備原因遺留的部分短錨桿和6m的長錨桿，同時為解決TBM設備改造后達到招標條件約定的設備性能后仍然可能遺留的錨噴支護施工問題，本次設備改造在TBM后部新增了4臺移動支護臺架并配置相應的錨桿支護設備。

鑒于新增支護臺架與TBM施工完全分離，互不干擾，施工時間也不受TBM限制，故不再詳細論述。

3.1.9 其它設備改造

其它設備改造項目如更換新操作室、L1區錨桿鉆機控制閥塊位置的改變、連接橋處風筒改造、底層單軌吊機的改造、拱架吊機改造、撐靴改造、增設水箱和刀盤修整等均屬于設備本身的改造，與高埋深隧洞條件無關，本文不再詳細論述和分析。

3.2 設備改造過程

1號TBM設備改造在試掘進期間進行，具體時間為2009年8月10日開始進行停機改造，歷時48天，于2009年9月27日TBM改造基本完成。

4 設備改造總體效果分析

本次設備改造不僅進行了防護能力、支護能力、清渣能力等方面改造，同時也針對設備本身工作能力進行了相關改造，如刀盤、撐靴等。鑒于本文主要討論TBM對高埋深隧洞的適應能力方面的改造效果，故現僅從改造前后掘進期間塌方或巖爆處理時間、停機支護時間、清渣時間的變化或所占掘進時間的變化入手進行改造效果分析，下面通過表格用對比的方式進行詳細說明。

從表2和表3可以看出，1號TBM在設備改造之后，在導致停止掘進的原因中，清渣和停機支護占用了施工總時間的20.9%，比改造前降低了13.2%;占停機總時間的34.6%，比改造前降低了12.6%;而TBM掘進時間占總施工時間的比例已提高到24.1%，比改造前提高了9.5%。

表2 1號TBM設備改造后掘進時間統計分析 min

表3 設備改造前后參數對比分析%

可見，1號TBM設備改造總體來說是成功的。TBM改造完成后，掘進時間得到了大幅提升，于2009年12月12日順利完成了2 000m試掘進工作，并開始正式掘進施工，而且在2010年2月份創造了月進尺547m的佳績。

5 結束語

TBM作為全斷面隧道開挖的掘進設備，其優勢在于快速掘進。而在高埋深隧洞的高地應力條件下，TBM在不同的圍巖條件下將會面臨不同的不良地質條件，要么圍巖太差導致塌方破壞，要么圍巖較好則出現應力坍塌或巖爆，因此，TBM對不良地質條件的應對手段和處理措施是否能夠滿足其快速掘進的要求將會對總體施工進度產生決定性影響。錦屏二級TBM的改造雖為安全與順利掘進發揮了有效的作用，但仍不能達到在強巖爆等不良地質洞段安全、順利掘進的要求。錦屏二級引水隧洞TBM的選購與其施工實況可為我們在今后其它高埋深隧洞TBM選型提供參考。

綜上，在TBM設備選型時，首先應弄清楚隧洞的總體地質情況，然后根據可能會發生的不同地質情況做好TBM防護、支護和清渣設備設計，使得TBM應對不良地質條件的能力能夠和其快速掘進的能力相匹配，或者使這個差距盡可能的縮小，以獲得整體的設備優勢，避免出現因清渣和支護能力不足的短板效應影響整體施工進度。