高黎貢山鐵路隧道彩云號TBM的創新性設計與應用

謝成濤， 趙海雷, 2

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 510000； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

全斷面隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進的開挖裝備，在我國已廣泛應用于鐵路、水利水電、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等[1]。與傳統的鉆爆法相比，TBM的優點為可實現連續掘進，能同時完成破巖、出渣和支護等作業，其掘進速度一般為常規鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環境影響小、作業安全及節省勞動力等優點，特別適合于深埋長隧道的施工[2-5]。敞開式TBM主要是針對硬巖施工設計的，一般適用于地質條件相對單一的中硬巖長大隧道，對斷層、構造發育、節理密集帶、巖爆以及突泥涌水等不良地層適應性較差，因此，需要針對不良地層進行創新性設計，以便TBM能夠順利的通過[6-10]。

針對TBM的創新性設計及應用，許多專家學者做了相關的研究。洪開榮等[11]總結了我國硬巖掘進機的創新與實踐，并指出其在核心技術上與國外仍有一定的差距。杜立杰[12]總結了我國近30年來TBM設計與施工技術的發展歷程，并針對其施工中遇到的不良地質條件提出了相應的技術措施與對策，期望通過對這些技術措施和對策的進一步驗證，不斷積累和創新TBM設計與施工技術。文獻[13]論述了盾構和TBM技術的創新與應用，并重點研究了當今某些特殊工程條件下，在設備上所做的創新。林剛等[14]研究了改良型護盾式TBM在城市軌道交通工程中的應用，改良后的TBM具有“敞開式”與“土壓平衡式”2種掘進模式。李宏波等[15]以TBM模態掘進試驗臺搭載的不同刀具為研究對象，將聲發射檢測、自適應卡爾曼濾波和一種改進的信息熵值賦權模型應用于TBM刀具狀態評估和檢測中，研究了一種新型TBM刀具磨損檢測技術。

以上研究分別從宏觀方面或單一方面闡述了TBM的創新與實踐，且未提供針對多種復雜地質情況并存的具體解決案例。本研究針對高黎貢山隧道工程復雜的地質條件開展了創新性設計，實現了變截面可抬升開挖技術，突破了前置式自動化混噴技術、隱藏式常態化超前鉆探技術及水巖一體超前預報技術，并在不良地質掘進段進行了實踐應用，以期為同類地質條件TBM設計與應用提供經驗。

1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道是中國第一鐵路長隧，全長34.538 km，隧道最大埋深1 155 m，位于喜馬拉雅地震帶，受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓，地形地質條件極為復雜。不良地質條件主要有高地溫、軟巖大變形、涌水、斷層破碎帶、巖爆、巖溶、蝕變巖及節理密集帶、活動斷裂帶、高烈度地震帶、放射性物質、有害氣體、滑坡、偏壓等，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質和重大風險，堪稱隧道建設“地質博物館”。

高黎貢山隧道出口正洞和平導施工段分別采用開挖直徑為9.03 m的“彩云號”和開挖直徑為6.36 m的“彩云1號”敞開式TBM施工。正洞TBM計劃掘進長度12 546 m，截至目前累計掘進2 400 m，其中,設計Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比52%，實際揭示占比為58%。“彩云號”TBM施工以來，先后2次通過巖性接觸帶，3次通過節理密集切割破碎帶，1次通過斷層破碎帶等，發生過1次涌水。高黎貢山隧道TBM施工段如圖1所示，高黎貢山隧道正洞創新設計的“彩云號”敞開式TBM如圖2所示。

圖1 高黎貢山隧道TBM施工段示意圖(單位： m)

圖2高黎貢山隧道正洞用國產第一大直徑“彩云號”TBM

Fig. 2 The largest diameter TBM Caiyun made in China for Gaoligongshan Tunnel

2 針對收斂地層的刀盤可抬升變截面開挖技術

2.1 刀盤變截面設計

目前，敞開式TBM變截面施工有2種可行的方式： 更換刀盤邊塊和增加邊刀墊塊。

更換邊塊刀盤采用4+1的分塊形式、后配套設計預留新邊塊運輸至主機段的空間。需要變截面擴挖時，首先人工將刀盤區域洞室擴大，安裝吊具及吊點，將原邊塊依次拆除運輸到洞外，再安裝新邊塊，實現變截面擴挖。該方法的變徑范圍大，可實現較大直徑的變截面，但存在操作復雜、更換邊塊費用高、費時費力的缺點。

增加邊刀墊塊指通過在刀盤邊刀外增加墊塊，將邊刀外移，實現刀盤變徑。正常掘進時，能保持主機向上掘進姿勢，實現主機不因為底部擴挖而“栽頭”。該方法操作相對簡單靈活，只需將邊刀重新安裝，不需要人工對隧道進行大范圍擴挖，費用較低，只需備1套墊塊，擴挖操作時所需人力與時間均較少。

高黎貢山隧道蝕變巖段有擴挖的需求，但距離較短、擴挖量較小，因此，采用了增加邊刀墊塊的設計方案，實現了半徑方向50～100 mm的擴挖。

2.2 驅動抬升設計

2.2.1 設計方案

TBM要實現連續擴挖，在刀盤變直徑的同時需要抬升驅動系統，防止刀盤直徑變大后機器下沉。TBM底護盾與機頭架之間是通過螺栓進行剛性連接的。若需要變直徑開挖，首先需拆除底護盾與機頭架之間的連接螺栓，通過舉升油缸將機頭架抬起一定高度，在機頭架與底護盾之間填裝相應厚度的鋼板，最后將機頭架與底護盾重新剛性連接，如圖3所示。

圖3 驅動抬升裝置示意圖

2.2.2 底護盾受力分析

具備抬升功能的底護盾有3種工況： 正常掘進工況、后退工況、機頭架抬升工況，工況不同底護盾受力不同。底護盾承擔約70%的主機質量，底護盾與圍巖發生相對滑動時，圍巖對底護盾有摩擦力f。TBM主機總質量約1 000 t，取盾體與圍巖摩擦因數為0.5。通過有限元模型分析底護盾受力情況如下：

1)正常掘進工況下，最大應力為103 MPa，底護盾材質為Q345，設計安全余量滿足要求，見圖4。

圖4 正常掘進工況受力分析結果(單位： Pa)

Fig. 4 Analysis of force under normal driving condition (unit: Pa)

2)后退工況下，最大應力為100 MPa，平均應力在60 MPa以下，底護盾材質為Q345，設計安全余量滿足使用要求，見圖5。

圖5 后退工況受力分析結果(單位： Pa)

Fig. 5 Analysis of force under backward working condition (unit: Pa)

3)機頭架抬升工況，最大應力約為72 MPa，最大應力集中在油缸底座處，遠小于Q345屈服強度，滿足設計要求，見圖6。

圖6 機頭架抬升工況受力分析結果(單位： Pa)

Fig. 6 Analysis of force under cutterhead frame lifting condition (unit: Pa)

基于以上3種工況的模擬分析可知，正洞TBM的變截面可抬升開挖設計滿足現場需求。

2.3 使用情況

截至目前，正洞TBM掘進超過2 km，暫未遇到大的收斂變形洞段，變截面可抬升開挖技術還未得到具體的應用。

3 前置式自動化混噴技術

3.1 設計方案

TBM通過不良地層時，為了減少出護盾后圍巖的坍塌與收斂，在主機盾尾鋼拱架撐緊裝置處設計濕噴機械手及時封閉圍巖。通過結構及空間優化，在鋼拱架撐緊機構上增加圓弧軌道及齒條,行走小車通過齒輪齒條嚙合沿圓弧軌道270°范圍內行走。濕噴噴嘴安裝在小車上，噴嘴與洞壁的間距可調節。

L1區濕噴料采用接力方式泵送(見圖7)，通過L2區混噴泵將濕噴料輸送至設備橋右側2臺混凝土輸送泵中，再通過設備橋右側輸送泵，將混凝土泵送至L1區濕噴噴嘴(見圖8)。L1區自動化混噴裝置設計效果如圖7所示。

圖7 前置式自動化混噴裝置

3.2 現場應用與反饋

3.2.1 現場應用情況

截至目前，正洞TBM累計掘進2 400 m，其中Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比實際達到58%，隧道圍巖相對較破碎，給TBM掘進帶來了極大的挑戰。期間，曾試用了L1區自動化混噴裝置，其為TBM快速通過斷層破碎帶提供了較大的幫助，有利于初露護盾的圍巖及時封閉，為初期支護爭取了更長的時間，但是也發現了存在的一些問題。

3.2.2 現場應用存在的問題

前置式自動化混噴裝置濕噴料采用接力方式泵送混凝土，由于L2區混噴泵距設備橋混凝土輸送泵遠(大于70 m)，如圖8所示，容易造成賭管，導致不能連續噴混，影響使用效果。另外，L1區機械手噴頭與巖壁距離不足(80 cm)，回彈量大。

圖8 L2區混噴泵距設備橋接力泵距離示意圖

3.2.3 優化設計

1)優化混凝土輸送泵位置,如圖9所示。以下2種方案選其一進行。優化位置1： 將設備橋混凝土2#輸送泵向后移至設備橋上層平臺，L1與L2區混凝土輸送泵管路總長約為57 m，可縮短18.8 m。優化位置2： 將設備橋混凝土2#輸送泵向后移至設備橋左下平臺，L1與L2區混凝土輸送泵管路總長度約為52 m，可縮短23.8 m。

圖9 優化混凝土輸送泵位置示意圖

2)優化混凝土輸送管路直徑。目前混凝土輸送管路采用DIN65，混凝土沿程阻力大，將管徑優化為DIN80，增加混凝土輸送距離。

3)噴嘴與巖壁間的距離增加到1 m。

4)優化混凝土的配比，提高骨料質量。

3.2.4 優化設計應用效果

針對以上優化設計進行了效果驗證，使用過程中發現仍然存在以下問題： 1)優化后賭管問題雖然有所減輕但仍然存在，導致不能連續噴混，影響工作效率； 2)增加噴嘴與巖壁的距離，回彈量縮小至原來的40%，但仍不太理想，還有很大的提升空間。

4 隱藏式常態化超前鉆探技術

4.1 設計方案

以往TBM上使用的超前鉆機與錨桿鉆機共用軌道，超前鉆機使用時安裝，不使用時拆除，準備工作耗時耗力。高黎貢山TBM施工時，為了避免超前鉆機安裝與拆除對工期的耽誤，為超前鉆機設計了單獨的軌道，且采用隱藏式設計，超前鉆機不使用時隱藏在主梁上部，不影響其他作業。

隱藏式超前鉆機設計示意圖和實物圖分別如圖10和圖11所示，在主梁平臺下部單獨設計了超前鉆機、推進梁及環形齒圈梁。超前鉆機泵站與L1區錨桿鉆機系統共用。正常掘進時超前鉆機隨1段齒圈軌道梁暗藏于主梁平臺下方，兩側分別固定2段齒圈軌道梁，需要超前鉆孔作業時，通過兩側油缸將超前鉆機及齒圈軌道梁一同升起并與兩側齒圈梁連接，可形成一整齒圈環。超前鉆機可沿著齒圈梁以7°的外插角行走1圈，用于超前鉆孔作業，并可配合超前注漿設備，輔助進行刀盤前方圍巖的超前支護。

圖10 隱藏式超前鉆機設計示意圖

圖11 隱藏式超前鉆機實物圖

4.2 現場應用

4.2.1 應用效果

截至目前，正洞TBM施工以來，先后2次通過巖性接觸帶，3次通過節理密集切割破碎帶，1次通過斷層破碎帶，發生過1次涌水。為防止圍巖坍塌，通過隱藏式超前鉆機對掌子面圍巖進行超前鉆孔(如圖12所示)，然后結合超前管棚與超前預注漿對前方巖體進行加固，取得了良好的應用效果，使TBM比較順利地通過了小的斷層破碎帶等不良地質，但TBM掘進至D1K224+204處時，遇上了較大的斷層，發生了卡機事故，最后經過護盾周邊加固、刀盤前方徑向注漿、小導洞施工輔以人工清理的方法得以脫困。

圖12 TBM超前鉆機工作圖

4.2.2 應用存在的問題

1)隱藏齒圈段升起后與兩側齒圈跑道稍有錯位；

2)管路連接影響效率，準備時間需要2～3 h；

3)第1根鉆桿鉆進時開孔困難。

4.2.3 優化設計

1)需要進行超前鉆探作業時，可事先利用錨桿鉆機在需要超前鉆機進行開孔的位置鑿出凹坑，減少超前鉆頭開孔時的偏載力，具體如圖13所示；

2)割除對齒圈干涉嚴重部分；

3)配置鉆桿導向結構；

4)將超前鉆機油路與錨桿鉆機油路通過增加三通和球閥進行連接，縮短使用時管路連接時間。

圖13 錨桿鉆機輔助開孔優化方案

Fig.13Optimumschemeforauxiliaryopeningofboltdrillingmachine

5 水巖一體超前預報技術

5.1 集成設計

為了應對高黎貢山復雜的地質情況，“彩云號”TBM上集成了HSP法、三維地震法、激發極化法等超前地質預報方法，并結合集成以外的TSP超前預報方法，綜合探測前方的工程地質和水文地質，具體集成如圖14所示。

為方便操作手掌握前方地質狀況，在TBM主控室內集成超前探測控制系統，并單獨設置超前探測控制單元及顯示屏，以便實時探測，如圖15所示。

圖14超前預報系統集成方案

Fig. 14 Integration scheme of advance prediction system

圖15 超前預報系統集成設計

5.2 應用效果

HSP對正洞探測11次共計929 m，共預報異常段25處，聚類為21個異常段，其中包含4個重要異常段和17個小型異常段，如圖16所示。地質揭露4個重要異常段和11個小型異常段，4個重要異常段無遺漏，僅6個較小異常HSP法未顯示。整體來看HSP的預測準確度較高，能夠給現場預測提供很大的幫助。

TSP施作8次，共計探測917 m，單次搭接0～50 m，但因現場有3次搭接長度不足，探測盲區總長為69 m。對正洞TSP探測結果與實際揭示進行對比分析，TSP探測異常共計39處，現場揭示與預測相符區段有27處，正洞TSP探測與實際相符的段落里程共計689 m，占TSP總預報里程長度的75.1%，結果如圖17所示，其中紅色圓圈標記為探測結果與實際揭示重大差異段。

圖16 HSP超前預報結果統計

圖17 TSP超前預報結果統計

集成探測儀器系統完成調試和測試后，三維地震法和激發極化法共施作超前預報13次，累計880 m，其中地震探測7次(預報長度654 m)，激發極化探測累計6次(預報長度180 m)。通過與開挖揭露對比，隧道施工范圍內大型不良地質體無遺漏，探明了掌子面前方賦存的斷層、破碎帶、含水體等不良地質，如圖18所示。

實踐表明，通過HSP、三維地震波、激發激化以及TSP等超前地質預報結果的相互印證，掌子面前方的水文情況和地質情況預報更加準確。與使用單一預報手段相比，預報準確度大大提高。

圖18 三維地震波與激發極化法超前預報結果統計

Fig.18Statisticsofadvancepredictionresultsbythree-dimensionalseismicwaveandinducedpolarizationmethod

6 結論與建議

針對高黎貢山隧道不良地質條件，對國產首臺大直徑TBM進行了相應的設計創新，實現了變截面可抬升開挖，突破了前置式自動化混噴、隱藏式常態超前鉆探、水巖一體超前預報等關鍵技術。實踐表明，TBM的創新性設計在掘進過程中發揮了顯著作用，可為同類地質條件TBM設計與應用提供經驗。但是，TBM的創新設計在使用過程中也遇到了一些亟待解決的難題，建議在進一步的研究中重點考慮以下問題：

1)針對前置式自動化噴混裝置在使用過程中因噴漿材料輸送距離過長，經常發生賭管的問題，建議直接將噴漿材料運輸至L1區設備橋下，減少輸送距離。

2)針對隱藏式超前鉆探裝置鉆孔長度有限的問題，建議安裝具有空氣沖擊器的超前鉆機，提升鉆孔能力。

3)針對水巖一體超前預報技術難以實現同步探測的問題，建議進一步研究邊掘進邊探測的技術，提升探測的準確性。