TBM擴挖方式及其對比分析

呂建樂

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

巖石隧道掘進機英文名稱是“Hard rock tunnel boring machine”[1]，在我國習慣將巖石隧道掘進機稱為TBM。TBM是集掘進、出渣、支護、通風和除塵等多種功能為一體的高度機械化設備，具有優質、高效、安全、環保等優點。TBM多用于長大山嶺隧道施工，而隧道往往不是單一的硬巖地層，部分隧道兼具軟弱圍巖或斷層破碎帶。在TBM掘進過程中，地層收斂卡機、侵限的情況時有發生。為了應對和解決TBM在軟弱破碎地層中的掘進難題，需要TBM配置擴挖功能以增加開挖斷面。通過擴挖功能的使用，實現開挖斷面的擴大，使得圍巖支護、收斂地層處理工作順利實施[2]，同時也便于TBM邊滾刀的更換作業。

不同的擴挖方式，其作用和目的不同。有的擴挖功能伴隨著TBM整個施工過程，有的擴挖功能在需要時才使用。根據擴挖距離的不同，可分為短距離擴挖和長距離擴挖； 根據擴挖實現方式的不同，主要分為液壓式擴挖刀、邊滾刀外移、預留擴挖刀箱、主驅動偏心設計和更換刀盤邊塊。

田彥朝等[3]總結了4種擴挖方式，重點提出一種通過外移邊緣滾刀和預留擴挖刀箱的組合擴挖方式，但未對TBM擴挖操作流程、應用及特點進行詳細分析。與此同時，國外也尚未發現系統介紹刀盤擴挖方式或對幾種刀盤擴挖方式進行對比分析的論文。本文在研究不同刀盤擴挖方式的基礎上，對TBM擴挖進行全面總結，在詳細介紹操作流程的基礎上，對比分析不同擴挖方式的適用范圍、應用及特點，以期為TBM選型設計和施工提供參考。

1 液壓式擴挖刀

液壓式擴挖刀[4]方式是在刀盤周邊配置1把或者2把液壓伸縮式滾刀。在正常掘進時，擴挖刀不參與破巖。在需要擴挖的時候，通過液壓油缸伸出帶動擴挖刀外移，實現一定尺寸的擴挖。采用這種方式，通過控制油缸伸出長度，實現一定范圍內的無級擴挖。液壓式擴挖刀的結構示意如圖1所示。

(a) 液壓擴挖刀縮回狀態 (b) 液壓擴挖刀伸出狀態

1.1 適用范圍

由于液壓式擴挖刀結構及刀盤的空間限制，擴挖刀的數量一般只有1～2把； 擴挖刀多采用前裝式，更換作業不方便； 僅依靠液壓擴挖刀擴挖時，擴挖刀伸縮油缸受到很大的振動沖擊，工作壽命和可靠性降低，無法適應長時間工作。這種方式主要用于短距離擴挖。

1.2 工作流程

擴挖作業時，要避開不良地質，選擇完整性較好的地段進行擴挖[5]。液壓式擴挖刀進行擴挖時，主要作業步驟如下： 準備工作—刀盤后退700 mm—伸出擴挖刀(見圖2(a))—向前擴挖掘進(見圖2(b))—收回擴挖刀—完成擴挖。

(a) 伸出液壓擴挖刀 (b) 向前掘進擴挖

經過以上步驟，實現一定尺寸的擴挖，擴挖距離為700 mm。液壓擴挖刀工作流程如圖3所示。

圖3 液壓擴挖刀工作流程圖

1.3 應用及特點

液壓式擴挖刀常見于“雙X”型支撐的凱式TBM[6]。凱式TBM在掘進過程中不能進行調向作業，在硬巖地層條件下掘進，需要更換最外側邊滾刀時，首先通過液壓擴挖刀進行擴挖，然后主機后退，為更換最外側滾刀提供安裝空間。

我國鐵路最早引進用于西康鐵路秦嶺隧道施工[7]的TB880E TBM和大伙房引水隧洞TB803E TBM均采用“雙X”型支撐設計，每臺設備均配置1把43.18 cm(17英寸)液壓式擴挖刀，半徑方向最大擴挖量為90 mm，這種設置方便現場更換最外邊滾刀。該擴挖方式主要特點如下：

1)準備工作簡單。擴挖刀采用隱藏式設計，對于TBM正常掘進沒有影響； 擴挖前的準備工作只需人工拆除機械鎖定裝置，避免人工開挖巖壁。

2)擴挖作業便捷。從準備工作開始到擴挖完成，一般1個循環只需要1.5～2 h，具有即需即用和方便快捷的特點。

3)無級擴挖。根據油缸伸出行程，擴挖量可無級調整。

4)液壓式擴挖刀適用于短距離擴挖，刀盤刮渣板無需調整和更換。

2 邊滾刀外移

將邊滾刀外移，使滾刀相對于原位置有一定向外的伸出量。為保證擴挖輪廓線平滑過渡，需將多把連續的邊滾刀進行外移調整，實現刀盤擴挖。最外側6把邊刀外移后，刀盤直徑擴挖量為60 mm。邊滾刀外移前后開挖輪廓對比如圖4所示。

(a) 邊緣刀外移前開挖輪廓 (b) 邊緣刀外移后開挖輪廓

采用L型滾刀刀箱常見的2種外移形式如下： 1)刀箱下部安裝一定厚度的墊塊，墊塊不宜過厚，滾刀外移量受到限制； 2)采用加厚的刀箱，相對采用增加墊塊形式結構更可靠，但是墊塊需要重新制作，靈活性降低。邊滾刀外移結構示意如圖5所示。不同的刀盤設計[8-9]，所需調整邊滾刀數量也不同。

2.1 適用范圍

無論采用增加邊滾刀刀箱墊塊還是更換加厚邊滾刀刀箱擴挖方式，均受到刀箱及刀盤結構的影響，半徑方向擴挖量不宜超過50 mm。該擴挖方式的刀具、刀箱通過螺栓連接，滾刀安裝方式穩定可靠。邊滾刀外移工作量較大，一般不會頻繁調整擴挖量。該擴挖方式，主要適用于半徑方向擴挖量為50 mm以內的長距離連續擴挖。

(a) 增加刀箱墊塊 (b) 加厚刀箱

2.2 工作流程

無論采用增加墊塊還是更換加厚刀箱形式，擴挖作業時主要作業流程相同。以主梁式TBM擴挖為例，主要作業步驟如下： 準備工作—破除邊滾刀區域圍巖—邊滾刀外移—向前擴挖掘進。單次半徑方向擴挖量作業不宜超過20 mm。如半徑方向需擴挖50 mm，則需分3次進行擴挖。邊滾刀外移工作流程如圖6所示。

圖6 邊滾刀外移工作流程圖

2.3 應用及特點

邊滾刀外移擴挖方式已經被廣泛采用，如大瑞鐵路高黎貢山隧道施工的TBM就采用了此種設計[10]。施工過程中由于地層破碎，盾體被擠壓徑向回縮，造成隧道內凈空減小。為應對圍巖收斂變形造成初期支護大面積侵限，降低TBM不良地質段卡機風險，現場通過啟動邊滾刀外移擴挖功能，實現半徑方向30 mm的連續擴挖，以提高TBM通過性。

掘進時，該種擴挖方式的邊滾刀均參與破巖，對邊滾刀受力影響較小，利于長距離連續擴挖。該擴挖方式主要特點如下：

1)準備工作較少。需提前準備邊滾刀外移所需裝置，如不同厚度刀箱墊塊或邊滾刀刀箱； 擴挖作業不需要人工破除巖壁。

2)刀盤變徑作業較簡單。刀盤變徑主要工作為增加邊滾刀墊塊，一次變徑作業通常需要6～10 h。

3)靈活性較差。1組調整墊片或加厚刀箱，只能實現1個擴挖直徑，通常只考慮半徑方向擴挖30 mm或50 mm。

4)刀盤半徑方向擴挖量超過20 mm時，需分多次進行擴挖。

3 預留擴挖刀箱

預留擴挖刀箱擴挖方式通常與刀盤抬升配合使用。對于大直徑刀盤，為獲得半徑方向大于50 mm的擴挖量，在邊滾刀外移的基礎上，還需預留擴挖刀箱。邊滾刀外移+預留擴挖刀箱前后輪廓對比如圖7所示。TBM擴挖后，開挖輪廓與護盾底部間隙會增加，掘進時有栽頭趨勢。當半徑方向擴挖量小于50 mm時，TBM通過自身調向控制可實現正常掘進； 擴挖量繼續增加，超出設備向上調向能力時，會造成TBM栽頭。

(a) 邊滾刀外移+預留擴挖刀箱前開挖輪廓

(b) 邊滾刀外移+預留擴挖刀箱后開挖輪廓

對于半徑方向50 mm以上的長距離擴挖，在增加刀盤開挖直徑的基礎上需配置刀盤抬升功能。 主梁式TBM刀盤抬升結構設計如圖8所示。底護盾與驅動箱體設置導向裝置，在底護盾與驅動箱體之間設置同步舉升油缸。刀盤安裝預留擴挖刀后，開挖直徑增加。通過刀盤抬升，擴挖洞徑圓心由點O變成點O′，可保持刀盤開挖輪廓與護盾底部齊平，避免掘進過程中栽頭。刀盤抬升擴挖原理如圖9所示。刀盤開挖直徑增加200 mm，驅動抬升后在隧道頂部擴挖200 mm。隧道擴挖量由底部向頂部逐漸遞增，增加隧道頂部擴挖量。在應對圍巖收斂的同時，也增加了隧道支護的厚度。

圖8 主梁式TBM刀盤抬升結構設計[3]

(a) 刀盤抬升擴挖主視圖

(b) 刀盤抬升擴挖斷面圖

3.1 適用范圍

預留擴挖刀箱通常應用在大直徑TBM刀盤上，通過邊滾刀外移無法滿足擴挖量時，需增設擴挖刀箱，以進一步增加擴挖量，主要應對存在較大變形的不良地層。邊滾刀使用螺栓與刀箱緊固，連接可靠，可適應于長距離擴挖，但該方式準備時間長，設備及施工費用高。

3.2 工作流程

以敞開式TBM[11]半徑方向擴挖100 mm為例，具體工作流程如下： 準備工作—擴挖刀盤周邊圍巖—抬升刀盤—增加刀盤開挖直徑—更換刮渣板—開始擴挖掘進。預留擴挖刀箱擴挖工作流程如圖10所示。

圖10 預留擴挖刀箱擴挖工作流程圖

3.3 應用及特點

采用預留擴挖刀箱方式進行擴挖有很多實際應用的案例，如： 維爾特公司生產的用于引大濟湟項目的雙護盾TBM，以及中鐵裝備生產的用于大瑞鐵路、滇中引水和格魯吉亞等項目的TBM上，設計有擴挖刀箱及刀盤抬升功能。該擴挖方式的主要特點如下：

1)準備工作多。需提前準備擴挖刀、刮渣板、擴挖滾刀、支撐塊等。

2)刀盤變徑作業量大。需人工擴挖刀盤周邊圍巖，拆除驅動箱與底護盾連接螺栓，安裝驅動箱與底護盾墊塊，更換部分刮渣板等，整個變徑過程需要10余d。

3)連續擴挖量大。該種擴挖方式可實現隧道拱頂200 mm連續擴挖，從而提高TBM在收斂地層方面的適應性。

4 主驅動偏心設計

主驅動偏心設計是指主驅動及刀盤回轉中心與盾體中心線在設計時有一個向上的偏心量。刀盤偏心擴挖本質上是刀盤擴挖+刀盤抬升擴挖。采用主驅動偏心設計時，擴挖量是在設備制造時已經確定的，擴挖工作始終伴隨著TBM掘進過程。某TBM主驅動偏心量為20 mm，新刀時開挖輪廓與護盾底部間隙為15 mm，開挖輪廓與頂部間隙為55 mm。即使在邊刀磨損15 mm的情況下，盾體頂部與圍巖仍有40 mm的理論間隙。刀盤及主驅動偏心示意如圖11所示。

圖11 刀盤及主驅動偏心示意圖(單位： mm)

4.1 適用范圍

護盾式TBM通常采用主驅動偏心設計，因為護盾式TBM盾體較長且盾體不可徑向伸縮，在圍巖收斂和斷層破碎帶等地段掘進時[12-13]，很容易被卡，所以在護盾頂部與圍巖之間預留一定間隙非常重要。

4.2 工作流程

該方式的刀盤擴挖量依據圍巖變形量及收斂速度確定，進而在TBM設計制造時確定偏心量，在施工過程中無需額外工作。

4.3 應用及特點

主驅動偏心設計是TBM的一種特定擴挖功能，始終伴隨著TBM的掘進過程。TBM設計制造時，確定偏心量后，通常不再調整。偏心量增大，頂部擴挖量也會相應增加； 對于不同的地質，設計的偏心量也不同。該擴挖方式的主要特點如下：

1)設備按刀盤中心與盾體中心偏心制造，掘進過程始終存在擴挖，施工時無需準備工作。

2)適應于護盾式TBM長距離擴挖。

3)偏心量與開挖直徑及地質密切相關，偏心量通常為15～35 mm。

4)為進一步增加擴挖量，可與上述邊滾刀外移和預備擴挖刀箱2種方式配合使用。

5 更換刀盤邊塊

刀盤設計為“中心塊+N個邊塊”時，可采用更換刀盤邊塊的擴挖方式。正常開挖時，使用原直徑的設計刀盤邊塊； 需要擴挖時，更換大直徑的刀盤邊塊，增加刀具數量實現擴挖。采用此設計方案，可實現較大范圍的變直徑擴挖。

5.1 適用范圍

該擴挖方式適用于“中心塊+N個邊塊”的設計，通常是4個刀盤邊塊，開挖直徑一般不小于6 m。該方式需備用1套刀盤邊塊、盾體等結構件，同時TBM刀盤驅動、支撐推進系統等關鍵系統要有一定的富余，以滿足開挖直徑增加后需要的動力。該種擴挖方式工作量大，成本很高，不可能多次更換刀盤邊塊進行擴挖，僅限于在設備制造前已明確隧道開挖有大的變徑需求，在設備設計制造時預留該功能。敞開式TBM盾體結構較簡單，該方式適用于敞開式TBM。

5.2 工作流程

敞開式TBM更換刀盤邊塊工作流程如圖12所示。

圖12 敞開式TBM更換刀盤邊塊工作流程圖

5.3 應用及特點

采用該種擴挖方式時，TBM主機及后配套能力均須與擴挖后的直徑相匹配，且洞內更換刀盤邊塊準備工作量大，因此僅在國外極少項目有應用，國內有該種設計但仍未實際應用。該擴挖方式的主要特點如下：

1)準備工作時間長、費用高。事先完成刀盤邊塊等部件制作外，還需洞內開挖旁通道及擴大洞室用于刀盤邊塊運輸及洞內更換，不宜在擴挖與非擴挖之間頻繁轉換。

2)擴挖量大。更換邊塊后可增加多把滾刀，實現半徑方向300～800 mm的連續擴挖。

3)擴挖量不可調節。由于準備工作量大，一旦制作擴挖邊塊后，擴挖量不可調節。

4)由于刀盤擴挖量大，更換刀盤邊塊后，盾體同時需要進行相應調整。

6 擴挖方式對比

以上5種擴挖方式在實際工程中均有應用。從擴挖距離、適用機型、操作便捷性等方面綜合分析各擴挖方式的優缺點。其他液壓式擴挖刀適用于短距離擴挖，其他方式都是為了解決TBM施工中遇到不良地質所造成的斷面縮小的問題，適應于長距離擴挖。液壓式擴挖刀可以單獨使用。采用邊滾刀外移方式擴挖，當半徑方向擴挖量不大于50 mm時可以單獨使用； 當半徑方向擴挖大于50 mm時，必須和刀盤抬升功能同時使用，否則會出現TBM姿態調整困難、刀具異常損壞等問題。對于護盾式TBM，為了獲取更大的擴挖量，在邊滾刀外移、預留擴挖刀箱的基礎上，可同時采用主驅動偏心設計[14-15]。不同擴挖方式對比分析如表1所示。

表1 不同擴挖方式對比分析

7 結論與建議

1)不同擴挖方式在操作性、適用機型、擴挖量等方面有所不同。TBM擴挖功能的合理使用，提高了TBM對于軟弱地層的適應性。擴挖方式及擴挖量的選擇，要結合機型及施工地質條件確定。

2)敞開式TBM通常選用邊滾刀外移及預留擴挖刀箱的擴挖設計。護盾式TBM通常選用邊滾刀外移、預留擴挖刀箱及主驅動偏心設計。液壓式擴挖刀應用于凱式TBM時，用于換刀操作； 應用于主梁或護盾式TBM時，用于配合其他長距離擴挖方式進行輔助擴挖。

3)目前，TBM法施工隧道需擴挖時，半徑方向最大擴挖量不宜超過100 mm； 更大的擴挖量可考慮更換刀盤邊塊擴挖方式。對于操作復雜的擴挖方式，在設備設計和施工組織方面都要做好相關準備，充分評估擴挖帶來的影響。

隨著TBM技術的發展，刀盤擴挖技術取得了較大成果，但TBM直徑方向進行200 mm以上的便捷擴挖仍是TBM應用的難題。因此，TBM變徑開挖技術仍然是未來發展與研究的方向。