TBM通過強巖爆洞段的施工

蔣 于 波

(四川二灘國際工程有限責任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

在隧洞開挖中(尤其是高埋深洞室)使用全斷面巖石掘進機(簡稱TBM)常會發生巖爆現象，從而對TBM設備本身、人員安全、工程進度等均會造成極大的危害。TBM在通過巖爆洞段較為常用的解決措施一般有：及時支護、超前地質探測、超前應力解除爆破等。

四川錦屏二級水電站引水隧洞TBM在施工過程中，因洞徑較大、埋深較深，加之TBM設備L1區混凝土噴射能力不足、錨桿造孔深度僅有3.8m、鋼拱架安裝需時較長、超前應力解除爆破不具備條件等因素，從而不能對圍巖及時、有效地封閉，致使巖爆現象時有發生，頻率高達5次/天。巖爆(特別是強巖爆)后，均需花費大量時間進行清渣、設備維修，導致數天不能正常掘進，對本工程的影響極大。

結合錦屏二級水電站工程地下洞室較多、相互間間隔不大的情況，提出了從其他洞室開挖施工支洞到TBM掌子面前方，對TBM掘進洞段進行部分斷面鉆爆開挖的方式解除應力，從而達到TBM順利通過強巖爆段的目的。

2 工程、地質概況

四川錦屏二級水電站設有4條引水隧洞，單洞長16.7km，平行布置，相互之間間隔60m，其中1、3號引水隧洞計劃有11km采用開敞式TBM開挖，刀盤直徑12.43m，為目前全國最大斷面TBM。

隧洞沿線上覆巖體一般埋深1 500～2 000m，最大埋深2 525m。TBM開挖洞段巖組是以大理巖為主的碳酸鹽類巖石，巖性為灰白色厚層細隱晶大理巖和黑色薄層狀大理巖，局部有溶蝕、擠壓破碎帶斷層分布。隧道區實測最大主應力值達42.11MPa。據回歸分析，隧道線高程最大和最小主應力值分別達63MPa和26MPa，以自重應力為主。

3 TBM強巖爆洞段施工

3.1 導洞開挖選型

為應對引水隧洞TBM掘進到工程強巖爆風險段的巖爆問題，采取了在距離TBM掌子面前方500m的強巖爆風險段用傳統鉆爆法開挖導洞(225m長)預先解除高地應力的方案(見圖1)。

圖1 TBM導洞開挖布置

基于此，結合TBM通過時的刀具投入量，通過理論計算得出各個斷面的偏心距、刀盤容許最大推力、單刀容許最大推力以及刀具負荷，經分析和權衡，最終選擇了開挖如圖2所示的寬×高=8.18m×7.35m的馬蹄形斷面。

預處理洞段支護形式采用永臨結合的方式，頂拱范圍采用永久支護，邊墻范圍為避免TBM開挖至該段以后支護系統對 TBM 刀盤的損壞，采用玻璃纖維錨桿作為臨時支護。

3.2 TBM通過預處理段的掘進參數確定

為保證TBM正常通過鉆爆開挖預處理段，同時減小刀具的損壞，確保主軸承及主機結構完好，需要專門制定與斷面形式匹配的掘進參數。

圖2 強巖爆洞段鉆爆開挖預處理段斷面

實際操作中，在推進流量恒定的情況下，推進壓力隨圍巖狀況變化，并影響推進速度；刀盤轉速對出渣量影響明顯，在一定程度上影響推進力及推進速度。所以，對掘進參數的確定一般要確定推進力、刀盤轉速和撐靴壓力。

3.2.1 在確定掘進參數前需要考慮的問題

在預處理洞段，TBM全斷面刀盤將遇到圖2斷面型式的開挖面，從而產生偏心/不均勻荷載，極有可能對TBM設備本身產生不利影響，如：

(1)TBM穩定性減弱；

(2)刀盤和刀具受力不均勻，致使刀具、斗牙及刀盤結構受沖擊載荷加大，使刀具、斗牙過度磨損，從而降低使用壽命；

(3)主軸承損傷。

3.2.2 推進力的確定

由于刀盤與圍巖接觸面積減少，只有約2/3的刀盤與掌子面接觸，即只有部分刀具在工作，刀盤在實際掘進過程中處于偏心受力狀態，在刀盤轉動過程中，所用刀具的數量在不斷變化，同時偏心距也在不斷變化。使用計算機將TBM在該斷面下工作時不同轉角情況下使用刀具的情況進行模擬分析。結果顯示，在掘進過程中最多用48把刀，最少用41把刀，最大的偏心距是204.66cm。另外還顯示，用刀越少則偏心距越大，工作狀況越惡劣，對主軸承的損壞可能性最大。因此，將41把刀具工作且偏心距為 204.66cm作為主軸承的驗算荷載標準。

通過TBM相關技術參數計算得到單個刀具的最大荷載應控制在234.24kN，通過現場實際空推試驗得到克服護盾的摩擦力為5 022kN。另外，后配套的牽引力為500kN，所以在預處理段掘進時最大推力控制在：

234.23×41+5 022+500=15 125.43(kN)

3.2.3 刀盤轉速的確定

為減少刀具和斗牙的損環，在預處理段掘進時刀盤轉速需適當降低。根據TBM在全斷面掘進時的情況，確定刀盤轉速的設定從2.0r/min逐漸遞增，最高轉速控制在3.0r/min，并根據掘進過程中刀具、斗牙的損壞及主機振動情況選擇最為合適的轉速。

3.2.4 撐靴壓力的確定

由于撐靴壓力的確定與圍巖等級、圍巖強度、裂隙發育等地質因素有直接關系，現場確定時參考TBM在全斷面掘進時的撐靴壓力予以適當調小，盡量減少對圍巖的擾動，同時滿足TBM推進反作用力的最低需求，在掘進過程中根據現場實際情況隨時調整，對此不作具體的強性要求。

3.3 TBM掘進

3.3.1 TBM進入預處理段前

因實際掘進過程中頂護盾對底拱的壓力和側護盾的壓力有關，且隧洞底部的摩擦系數和地質情況有很大關系，故在TBM即將進入預處理段時，后退刀盤50cm，將頂護盾收回，然后空推，記錄此時推進力，以對設定的推進力及單刀荷載進行校核。

從距離貫通面120m開始調整TBM姿態，保證TBM掘進軸線和預處理段軸線偏差控制在5cm以內。另外,為了減少TBM在預處理段掘進過程中的調向動作，同時調整TBM主機姿態至正常值，水平偏差宜不超過2cm，垂直偏差宜不超過1cm。在掘進過程中，采用小幅度調向，每循環調向次數不超過4次。

3.3.2 TBM狀態監測

通常認為，由于預處理段斷面的開挖形式會致使刀盤上下受力嚴重失衡，對TBM刀盤、刀具、主軸承偏載的沖擊和損傷影響較為直接，會使主軸承驅動系統其它部件因沖擊而造成附加損傷。

為得到TBM設備在通過預處理段斷面時的狀態，采用了振動、應力、油液(理化指標、金屬磨損分析)及其它監測手段復合診斷技術，在全斷面、空載、部分斷面開挖的同時，嚴密監測TBM重要部件及設備的運行參數及振動響應特性，按照設備操作的工況要求，根據監測記錄分析，為TBM掘進施工提供控制參數。

3.3.3 掘進過程中的注意事項

由于推力的控制對保證刀具和主軸承不受損壞至關重要，開始預處理段掘進時在PLC程序中增加壓力控制模塊，從操作界面上輸入要控制的壓力值，由 PLC 自動對壓力進行監控和調整，同時由有經驗的技術人員對刀盤和主軸承進行監控，有異常情況時及時查明原因。

因主軸承是整臺TBM的核心部件，為了保證其不受損壞，每掘進20m進行一次油樣采集，并及時檢測，發現異常立即查明原因。

在TBM剛進入預處理段時，每掘進1個循環，便停機安排人員進入檢查刀盤、刀具、斗牙的磨損情況以及刀盤焊縫情況，并進行記錄；若無異常，可適當降低檢查頻率。

3.4 掘進結果

雖采用鉆爆法對該洞段進行了預處理，但TBM在掘進過程中，部分洞段仍發生了塌方、輕微巖爆，加上其他的客觀因素，最終經過47天的掘進，完成了225m預處理洞段的掘進工作。平均每日掘進4.8m(除去人為原因造成的3天0進尺，實際平均日進尺為5.13m)，最高日進尺11.34m。

3.4.1 掘進速率分析

對TBM通過預處理段的各項施工要素所占用時間按照表1的分類進行統計，可以看出，影響TBM掘進的主要影響因素為洞外皮帶停機、TBM設備故障停機(主要有掘進期間每2至3個循環檢查維護刀盤、皮帶硫化等)、其他原因停機時間(主要有洞外停水、TBM輸水管檢修、高壓停電、支護材料供應等)。

另外，TBM純掘進時間占總施工時間的35.39%，與正常斷面施工相比較，并未減少許多，但由于掘進參數的控制導致掘進速度下降了60%～70%，直接導致TBM通過預處理段的時間較長。

同時可以看出，地質條件影響TBM停機所占的比例較少，僅占施工各要素的5.38%，與其他相鄰洞室在同等樁號、類似地質條件時巖爆、塌方頻頻爆發相比，地質條件影響TBM掘進明顯減弱，從而體現出在強巖爆段采用鉆爆法開挖預處理洞段對改善TBM通過起到了明顯的作用。

表1 TBM施工各要素統計

3.4.2 TBM設備影響

通過對TBM在預處理段掘進的刀具和備件損耗統計的結果顯示，刀具損壞形式和全斷面開挖一致，且損耗量較全斷面掘進反而偏少，表明刀具和備件消耗均屬正常。

預處理段的油樣報告顯示，潤滑系統回油磁濾芯處的譜片與進入預處理段前的油品檢測譜片對比，磨粒數沒有明顯增加，直觀上看比以前還要少，說明這段時間主軸承處于平穩運行狀態，主軸承磨損正常。

監測數據顯示，TBM在通過預處理段斷面時主梁確有發生偏載的情況，但受到的最大彎矩不足80MPa，由此表明掘進過程中主梁不會發生強度破壞，但會對 TBM 最佳工作狀態有一定影響。

通過預處理段斷面與全斷面的振動值測試進行對比顯示，TBM整體振動在水平方向稍小、垂直方向較大，除了導向系統激光棱鏡振動較大，對導向產生了不利影響(可用人工導向進行復核)外，對其他各部位均沒有影響。

4 小 結

根據現場實際情況，結合TBM在通過鉆爆法開挖強巖爆預處理洞段時的監測結果顯示，TBM設備是安全的，選擇的掘進參數是合理的；但掘進參數是不固定的，應根據TBM進入巖面實時情況不斷調整以作出最適合的操作，為TBM提供最佳的保護。

通過此次TBM通過強巖爆洞段的施工，獲得以下幾點經驗：

(1)在導洞成型的條件下，掌子面缺省1/3斷面，TBM在掘進過程中將遇到刀盤上下受力不均、主軸承偏心矩較大、刀具的沖擊較頻、振動加劇等情況，這些都是需要事前研究并制定應急預案的。

(2)實踐證明，TBM在掘進過程中遇到強巖爆洞段采用導洞開挖的方案是可行的，但需要注意預處理導洞開挖型式的選擇、掘進參數的確定和隨現場條件變化而變化等。尤其需要在掘進過程中采用得當的監測手段對TBM狀態、性能隨時掌握，從而保證TBM設備能夠安全地通過強巖爆洞段。

(3)此次TBM通過強巖爆預處理洞段的過程中仍存在一些問題：

a.TBM通過的掘進進尺較低，但有較大提升空間，可通過進一步優化掘進參數、同時盡量避免意外情況導致停機而增加掘進時間來提高。

b.因現場不具備油樣的鐵譜、光譜檢測條件，委外檢測需時較長，對現場指導意義不及時，若條件允許，可將試驗儀器采購至現場由專人檢測，做到及時檢測、及時反饋。

c.TBM設備制造商對于主軸承的數據、尺寸等控制較嚴，無法得知準確的偏心距，給掘進參數的確定帶來了一定的風險。