緊湊型超小轉彎半徑TBM的設計及工程應用
——以文登抽水蓄能電站排水廊道建設工程為例

陳寶宗， 徐艷群， 尚海龍， 陶仁太， 崔利衛

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 山東文登抽水蓄能有限公司， 山東 威海 264200； 3. 中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司， 北京 100024)

0 引言

近30年來，我國TBM施工及設計制造技術迅猛發展[1]。1997年，鐵路領域首次引進德國Wirth公司生產的直徑8.8 m敞開式TBM用于西康鐵路秦嶺隧道施工[2]； 2015年，我國自主研制的2臺直徑8.0 m級的敞開式TBM成功下線, 用于引松工程隧洞掘進施工[3]； 2016年，我國自主研制的2臺直徑5.47 m的雙護盾硬巖TBM成功下線, 并投入到蘭州水源地工程隧洞掘進施工中[4]。目前，我國在TBM工程應用中已積累了大量的TBM選型[5-7]、設計和施工經驗[8-11]。隨著基礎設施建設規模的擴大，對TBM的需求越來越大，目前已被廣泛應用于水利、鐵路、市政交通等領域[12]。抽水蓄能電站包括引水系統、輸水系統、排水系統、交通通風系統等地下洞室，其中引水系統為大坡度斜井(≥45°)，輸水系統、排水系統、交通通風系統均為平洞，排水廊道屬于排水系統。在抽水蓄能電站領域，已經完成了地下洞室采用TBM施工的部分可行性研究[13]，但受限于洞室建設的轉彎半徑小、距離短、坡度大等特點，一直沒有引入TBM施工的工程案例。目前，該領域的洞室普遍采用鉆爆法、爬罐法或反井鉆法施工，存在機械化程度低、作業環境差、安全風險大、施工效率低等問題。

TBM是集掘進、出渣、支護等功能于一體的隧洞掘進大型復雜成套設備，以往TBM體積龐大且運輸拆裝困難，不能滿足抽水蓄能電站領域的建設使用要求。本文以應用于文登抽水蓄能電站排水廊道建設工程的緊湊型超小轉彎半徑TBM為對象，結合工程特點，分析緊湊型超小轉彎半徑TBM的針對性設計與工程應用情況，并提出一些建議，以期為后續TBM在抽水蓄能電站平洞領域的設計及施工提供一定參考。

1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省威海市文登區，蓄能電站中的上層、中層、下層排水廊道采用TBM施工, 如圖1所示。上層排水廊道長928 m，隧洞布置為“啞鈴”形，過渡位置采用“S”彎設計，轉彎半徑分別為30 m和50 m，共包含2處30 m轉彎半徑、4處50 m轉彎半徑隧洞段，如圖2所示。中層及下層排水廊道長1 478 m，隧洞布置為 “螺旋回字”形，過渡位置轉彎半徑均為30 m，共包含7處30 m轉彎半徑隧洞段，如圖3所示。排水廊道開挖洞徑均為3.5 m。

圖1 抽水蓄能電站洞室布置

圖2 上層排水廊道規劃示意圖

圖3 中、下層排水廊道規劃示意圖

隧洞地層巖性為石英二長巖、二長花崗巖，單軸飽和抗壓強度最高為200 MPa，平均為110 MPa，石英含量為50%～60%，如圖4所示。隧洞埋深為170～420 m，縱坡為40‰，斷層為f11-17、 f11-23等， f11-23影響帶產狀為NE85°、SE75°，寬度為30 m。

2 工程重難點

2.1 超小轉彎半徑

排水廊道圍繞電站主廠房設計，水平轉彎半徑為30 m。傳統的山嶺隧洞用TBM施工時的水平轉彎半徑多在500 m以上，城市地鐵建設用TBM施工時的最小水平轉彎半徑不小于200 m。

(a) 花崗巖

2.2 高強度巖石

TBM掘進段圍巖為石英二長巖、二長花崗巖，單軸飽和抗壓強度最高為200 MPa，平均為110 MPa，石英含量為50%～60%，Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比90%以上。TBM掘進段圍巖占比如圖5所示。

圖5 TBM掘進段圍巖占比

2.3 短距離施工

TBM掘進段總長度約2.4 km，其中上層排水廊道長度僅有928 m。根據國內外TBM施工經驗，TBM單位施工成本會隨掘進長度的增加而降低。TBM施工期間需要2次拆裝機，短距離施工對TBM的便捷性和靈活性同樣存在不利影響。

3 TBM的針對性設計及功能

根據工程分析，TBM要具備超小轉彎半徑掘進的能力；在巖石強度高的情況下，具備高效破巖的能力； 在工程距離較短的前提下，具備施工經濟和轉場快速便捷的能力。結合工程特點，首次在雙護盾TBM基礎上，取消尾盾、輔推油缸、管片拼裝機等設計，結合敞開式TBM的錨網噴支護系統進行TBM整機集成設計。鑒于工程地質條件較好，TBM整機設計以掘進、出渣功能為主。TBM整機如圖6所示，TBM主要技術參數見表1。

圖6 TBM整機

表1 TBM主要技術參數

3.1 推進系統設計

為實現超小轉彎半徑掘進，推進系統采用了“V”形設計，由8根推進油缸組成，推進油缸周向布置在前盾與支撐盾之間，與前盾、支撐盾球鉸連接，相鄰2個推進油缸呈“V”形設置，如圖7所示。該推進系統將主機剛性結構件柔性連接，增大了主機靈活性，縮短了主機長度，有效避免了轉彎時主機尾部偏移量過大問題。通過控制推進油缸，實現TBM的小轉彎調向和糾偏。主機轉彎模擬如圖8所示。

1)TBM正常掘進時，撐靴高壓撐緊在洞壁上，依靠撐靴與洞壁之間的摩擦力提供掘進推進反力，推進油缸高壓伸出，推動刀盤向前掘進。

圖7 推進油缸布置圖

圖8 主機轉彎模擬圖

2)TBM轉彎時，通過各區域推進油缸伸出速度的調節，帶動前盾和刀盤系統做出相應擺動，改變刀盤及盾體的姿態。即TBM轉向時，控制位于轉向反方向上的推進油缸伸出速度增大，或控制位于轉向方向上的推進油缸伸出速度減小，從而實現調向。

3)TBM糾滾時，通過對各推進油缸伸出速度的調節，調整刀盤偏轉方向的滾動角度，校正刀盤，使刀盤回歸設定位置繼續開挖。

3.2 刀盤設計

為應對高強度巖石掘進，刀盤應具有較高強度、剛度及強大的破巖能力。

1)刀盤面板及刀盤主驅動連接法蘭均采用鍛造厚板，厚板刀盤減少了主焊縫的數量，不僅能提高刀盤的剛度及強度，也能夠延長刀盤的疲勞壽命。

2)采用小刀間距設計，中心刀、正滾刀及邊滾刀均采用432 mm(17英寸)滾刀，共布置26把刀，其中中心刀6把，正滾刀及邊滾刀20把。正滾刀刀間距為75～80 mm，邊滾刀采用密集布置設計。小刀間距不但利于破巖，還可以有效降低刀盤振動、延長刀具的使用壽命。刀盤小刀間距設計如圖9所示。

ZX1、ZX2、…、ZX6為中心刀； 1#、2#、…、20#為正滾刀及邊滾刀。

3)組合式耐磨保護設計。刀盤面板及弧板位置采用耐磨復合鋼板，刀盤大圓環位置采用硬質合金配合HARDOX板，進渣口位置則采用HARDOX板配合耐磨焊層設計。不同的部位采取不同的耐磨保護，可以有效提高刀盤的耐磨性。組合式耐磨保護設計如圖10所示。

圖10 組合式耐磨保護設計

3.3 緊湊型整機設計

為適應本項目要求，改變傳統TBM設備龐大的特點，在滿足施工要求的前提下，對TBM整機設計進行優化。

通過研究本工程TBM功能需求，優化空間布置，精簡冗余設備。TBM整機長度縮短至37 m，整機質量為250 t，減少了TBM組裝、步進洞室的空間要求，降低了設備組裝、轉場的工作量，提高了短小隧洞工程中TBM施工的經濟性。部分小直徑TBM整機長度見表2。

表2 部分小直徑TBM 整機長度

3.4 皮帶機系統設計

1)皮帶機超小轉彎的適應性設計。以往TBM皮帶機多采用固定式設計，將皮帶機架栓接或焊接在主體結構上，皮帶機架不可調節，難以滿足超小轉彎情況下的出渣要求。新型皮帶機上層皮帶上方的左右兩側均設置有上壓輥和側擋輥； 上壓輥豎向可調，布置在上層皮帶的上方； 側擋輥布置在上層皮帶的側方。皮帶機架設計有豎向調節機構和橫向調節機構，用來實現皮帶內外側高度的調整。通過橫向調節機構實現皮帶轉彎角度的調整； 通過設置側擋輥和上壓輥實現皮帶的內側波浪式折彎傳動，解決TBM曲線掘進時皮帶內外張力差過大問題，降低膠帶跑偏風險，從而保證皮帶運行平穩可靠。皮帶機系統布置如圖11所示。

圖11 皮帶機系統布置圖

2)一體式皮帶機設計。改變以往TBM皮帶機采用主機皮帶機配合后配套皮帶機的設計，將主機皮帶機與后配套皮帶機一體式設計，皮帶機機尾伸入刀盤內部，機頭延伸至TBM尾部。皮帶機可直接將刀盤位置的巖渣運送至設備尾部，再由隧洞內的運輸車輛轉運至洞外。該設計工序簡潔，能降低成本，并減少皮帶輸送系統故障率。

3.5 遠程操作系統設計

本項目首次采用遠程操作系統設計，主控室放置在TBM掘進洞室外，通過網絡實時了解TBM的掘進參數動態，對TBM實時控制，保存施工及設備運行數據。該設計是TBM少人化、無人化作業趨勢下的理論實踐。

3.6 其他設計

盾體系統采用雙護盾通用盾體設計，盾體設計為錐形結構，刀盤中心線相對前盾向上偏心設計，使得在初始狀態下盾體頂部、盾體兩側與洞壁具有較大間隙，避免TBM轉彎時盾體與洞壁產生干涉。

后配套臺車采用滑靴式臺車和輪對式臺車相結合的設計，縮短臺車長度，臺車與臺車之間采用雙鉸接連接。結合特定轉彎半徑，匹配臺車行走輪對與軌道的運動軌跡，臺車輪對輪緣始終行走在軌道上且留有余量。

4 工程應用

文登抽水蓄能電站在國內首次將TBM工法引入抽水蓄能領域，TBM于2019年10月13日始發掘進；截至2020年7月7日，TBM已完成上層排水廊道施工和設備轉場，正在進行中下層排水廊道施工，直線段日最高進尺20.5 m，曲線段日最高進尺15.4 m，成功應對了圍巖單軸抗壓強度高、超小曲線調向、掘進姿態控制、皮帶機超小曲線出渣等諸多施工難題，完成了5處30 m半徑、4處50 m半徑小轉彎施工。TBM施工現場圖片如圖12所示。

(a) TBM始發

5 結論與建議

緊湊型超小轉彎半徑TBM在文登抽水蓄能電站建設工程中的成功應用，驗證了抽水蓄能電站隧洞群采用TBM法施工是可行的，結合工程特點采用的針對性設計是可靠的?；诠こ痰膽?，TBM在超小曲線隧洞的掘進速度是人工鉆爆法的4～5倍，對隧洞施工的質量、安全、環保等方面均展現出明顯的優勢。

隨著抽水蓄能電站及類似工程的不斷發展，TBM在該領域的應用將會不斷進步，建議結合本項目的成功應用經驗，在工程前期規劃設計中，充分考慮TBM工法應用的可行性，優化洞室布置設計，將緊湊型超小轉彎半徑TBM在后續的抽水蓄能電站或類似工程中進一步推廣和應用，促進該領域地下洞室群機械化施工水平的提高。