TBM通过强岩爆洞段的施工

蒋 于 波

(四川二滩国际工程有限责任公司，四川 成都 610072)

1 前 言

在隧洞开挖中(尤其是高埋深洞室)使用全断面岩石掘进机(简称TBM)常会发生岩爆现象，从而对TBM设备本身、人员安全、工程进度等均会造成极大的危害。TBM在通过岩爆洞段较为常用的解决措施一般有：及时支护、超前地质探测、超前应力解除爆破等。

四川锦屏二级水电站引水隧洞TBM在施工过程中，因洞径较大、埋深较深，加之TBM设备L1区混凝土喷射能力不足、锚杆造孔深度仅有3.8m、钢拱架安装需时较长、超前应力解除爆破不具备条件等因素，从而不能对围岩及时、有效地封闭，致使岩爆现象时有发生，频率高达5次/天。岩爆(特别是强岩爆)后，均需花费大量时间进行清渣、设备维修，导致数天不能正常掘进，对本工程的影响极大。

结合锦屏二级水电站工程地下洞室较多、相互间间隔不大的情况，提出了从其他洞室开挖施工支洞到TBM掌子面前方，对TBM掘进洞段进行部分断面钻爆开挖的方式解除应力，从而达到TBM顺利通过强岩爆段的目的。

2 工程、地质概况

四川锦屏二级水电站设有4条引水隧洞，单洞长16.7km，平行布置，相互之间间隔60m，其中1、3号引水隧洞计划有11km采用开敞式TBM开挖，刀盘直径12.43m，为目前全国最大断面TBM。

隧洞沿线上覆岩体一般埋深1 500～2 000m，最大埋深2 525m。TBM开挖洞段岩组是以大理岩为主的碳酸盐类岩石，岩性为灰白色厚层细隐晶大理岩和黑色薄层状大理岩，局部有溶蚀、挤压破碎带断层分布。隧道区实测最大主应力值达42.11MPa。据回归分析，隧道线高程最大和最小主应力值分别达63MPa和26MPa，以自重应力为主。

3 TBM强岩爆洞段施工

3.1 导洞开挖选型

为应对引水隧洞TBM掘进到工程强岩爆风险段的岩爆问题，采取了在距离TBM掌子面前方500m的强岩爆风险段用传统钻爆法开挖导洞(225m长)预先解除高地应力的方案(见图1)。

图1 TBM导洞开挖布置

基于此，结合TBM通过时的刀具投入量，通过理论计算得出各个断面的偏心距、刀盘容许最大推力、单刀容许最大推力以及刀具负荷，经分析和权衡，最终选择了开挖如图2所示的宽×高=8.18m×7.35m的马蹄形断面。

预处理洞段支护形式采用永临结合的方式，顶拱范围采用永久支护，边墙范围为避免TBM开挖至该段以后支护系统对 TBM 刀盘的损坏，采用玻璃纤维锚杆作为临时支护。

3.2 TBM通过预处理段的掘进参数确定

为保证TBM正常通过钻爆开挖预处理段，同时减小刀具的损坏，确保主轴承及主机结构完好，需要专门制定与断面形式匹配的掘进参数。

图2 强岩爆洞段钻爆开挖预处理段断面

实际操作中，在推进流量恒定的情况下，推进压力随围岩状况变化，并影响推进速度；刀盘转速对出渣量影响明显，在一定程度上影响推进力及推进速度。所以，对掘进参数的确定一般要确定推进力、刀盘转速和撑靴压力。

3.2.1 在确定掘进参数前需要考虑的问题

在预处理洞段，TBM全断面刀盘将遇到图2断面型式的开挖面，从而产生偏心/不均匀荷载，极有可能对TBM设备本身产生不利影响，如：

(1)TBM稳定性减弱；

(2)刀盘和刀具受力不均匀，致使刀具、斗牙及刀盘结构受冲击载荷加大，使刀具、斗牙过度磨损，从而降低使用寿命；

(3)主轴承损伤。

3.2.2 推进力的确定

由于刀盘与围岩接触面积减少，只有约2/3的刀盘与掌子面接触，即只有部分刀具在工作，刀盘在实际掘进过程中处于偏心受力状态，在刀盘转动过程中，所用刀具的数量在不断变化，同时偏心距也在不断变化。使用计算机将TBM在该断面下工作时不同转角情况下使用刀具的情况进行模拟分析。结果显示，在掘进过程中最多用48把刀，最少用41把刀，最大的偏心距是204.66cm。另外还显示，用刀越少则偏心距越大，工作状况越恶劣，对主轴承的损坏可能性最大。因此，将41把刀具工作且偏心距为 204.66cm作为主轴承的验算荷载标准。

通过TBM相关技术参数计算得到单个刀具的最大荷载应控制在234.24kN，通过现场实际空推试验得到克服护盾的摩擦力为5 022kN。另外，后配套的牵引力为500kN，所以在预处理段掘进时最大推力控制在：

234.23×41+5 022+500=15 125.43(kN)

3.2.3 刀盘转速的确定

为减少刀具和斗牙的损环，在预处理段掘进时刀盘转速需适当降低。根据TBM在全断面掘进时的情况，确定刀盘转速的设定从2.0r/min逐渐递增，最高转速控制在3.0r/min，并根据掘进过程中刀具、斗牙的损坏及主机振动情况选择最为合适的转速。

3.2.4 撑靴压力的确定

由于撑靴压力的确定与围岩等级、围岩强度、裂隙发育等地质因素有直接关系，现场确定时参考TBM在全断面掘进时的撑靴压力予以适当调小，尽量减少对围岩的扰动，同时满足TBM推进反作用力的最低需求，在掘进过程中根据现场实际情况随时调整，对此不作具体的强性要求。

3.3 TBM掘进

3.3.1 TBM进入预处理段前

因实际掘进过程中顶护盾对底拱的压力和侧护盾的压力有关，且隧洞底部的摩擦系数和地质情况有很大关系，故在TBM即将进入预处理段时，后退刀盘50cm，将顶护盾收回，然后空推，记录此时推进力，以对设定的推进力及单刀荷载进行校核。

从距离贯通面120m开始调整TBM姿态，保证TBM掘进轴线和预处理段轴线偏差控制在5cm以内。另外,为了减少TBM在预处理段掘进过程中的调向动作，同时调整TBM主机姿态至正常值，水平偏差宜不超过2cm，垂直偏差宜不超过1cm。在掘进过程中，采用小幅度调向，每循环调向次数不超过4次。

3.3.2 TBM状态监测

通常认为，由于预处理段断面的开挖形式会致使刀盘上下受力严重失衡，对TBM刀盘、刀具、主轴承偏载的冲击和损伤影响较为直接，会使主轴承驱动系统其它部件因冲击而造成附加损伤。

为得到TBM设备在通过预处理段断面时的状态，采用了振动、应力、油液(理化指标、金属磨损分析)及其它监测手段复合诊断技术，在全断面、空载、部分断面开挖的同时，严密监测TBM重要部件及设备的运行参数及振动响应特性，按照设备操作的工况要求，根据监测记录分析，为TBM掘进施工提供控制参数。

3.3.3 掘进过程中的注意事项

由于推力的控制对保证刀具和主轴承不受损坏至关重要，开始预处理段掘进时在PLC程序中增加压力控制模块，从操作界面上输入要控制的压力值，由 PLC 自动对压力进行监控和调整，同时由有经验的技术人员对刀盘和主轴承进行监控，有异常情况时及时查明原因。

因主轴承是整台TBM的核心部件，为了保证其不受损坏，每掘进20m进行一次油样采集，并及时检测，发现异常立即查明原因。

在TBM刚进入预处理段时，每掘进1个循环，便停机安排人员进入检查刀盘、刀具、斗牙的磨损情况以及刀盘焊缝情况，并进行记录；若无异常，可适当降低检查频率。

3.4 掘进结果

虽采用钻爆法对该洞段进行了预处理，但TBM在掘进过程中，部分洞段仍发生了塌方、轻微岩爆，加上其他的客观因素，最终经过47天的掘进，完成了225m预处理洞段的掘进工作。平均每日掘进4.8m(除去人为原因造成的3天0进尺，实际平均日进尺为5.13m)，最高日进尺11.34m。

3.4.1 掘进速率分析

对TBM通过预处理段的各项施工要素所占用时间按照表1的分类进行统计，可以看出，影响TBM掘进的主要影响因素为洞外皮带停机、TBM设备故障停机(主要有掘进期间每2至3个循环检查维护刀盘、皮带硫化等)、其他原因停机时间(主要有洞外停水、TBM输水管检修、高压停电、支护材料供应等)。

另外，TBM纯掘进时间占总施工时间的35.39%，与正常断面施工相比较，并未减少许多，但由于掘进参数的控制导致掘进速度下降了60%～70%，直接导致TBM通过预处理段的时间较长。

同时可以看出，地质条件影响TBM停机所占的比例较少，仅占施工各要素的5.38%，与其他相邻洞室在同等桩号、类似地质条件时岩爆、塌方频频爆发相比，地质条件影响TBM掘进明显减弱，从而体现出在强岩爆段采用钻爆法开挖预处理洞段对改善TBM通过起到了明显的作用。

表1 TBM施工各要素统计

3.4.2 TBM设备影响

通过对TBM在预处理段掘进的刀具和备件损耗统计的结果显示，刀具损坏形式和全断面开挖一致，且损耗量较全断面掘进反而偏少，表明刀具和备件消耗均属正常。

预处理段的油样报告显示，润滑系统回油磁滤芯处的谱片与进入预处理段前的油品检测谱片对比，磨粒数没有明显增加，直观上看比以前还要少，说明这段时间主轴承处于平稳运行状态，主轴承磨损正常。

监测数据显示，TBM在通过预处理段断面时主梁确有发生偏载的情况，但受到的最大弯矩不足80MPa，由此表明掘进过程中主梁不会发生强度破坏，但会对 TBM 最佳工作状态有一定影响。

通过预处理段断面与全断面的振动值测试进行对比显示，TBM整体振动在水平方向稍小、垂直方向较大，除了导向系统激光棱镜振动较大，对导向产生了不利影响(可用人工导向进行复核)外，对其他各部位均没有影响。

4 小 结

根据现场实际情况，结合TBM在通过钻爆法开挖强岩爆预处理洞段时的监测结果显示，TBM设备是安全的，选择的掘进参数是合理的；但掘进参数是不固定的，应根据TBM进入岩面实时情况不断调整以作出最适合的操作，为TBM提供最佳的保护。

通过此次TBM通过强岩爆洞段的施工，获得以下几点经验：

(1)在导洞成型的条件下，掌子面缺省1/3断面，TBM在掘进过程中将遇到刀盘上下受力不均、主轴承偏心矩较大、刀具的冲击较频、振动加剧等情况，这些都是需要事前研究并制定应急预案的。

(2)实践证明，TBM在掘进过程中遇到强岩爆洞段采用导洞开挖的方案是可行的，但需要注意预处理导洞开挖型式的选择、掘进参数的确定和随现场条件变化而变化等。尤其需要在掘进过程中采用得当的监测手段对TBM状态、性能随时掌握，从而保证TBM设备能够安全地通过强岩爆洞段。

(3)此次TBM通过强岩爆预处理洞段的过程中仍存在一些问题：

a.TBM通过的掘进进尺较低，但有较大提升空间，可通过进一步优化掘进参数、同时尽量避免意外情况导致停机而增加掘进时间来提高。

b.因现场不具备油样的铁谱、光谱检测条件，委外检测需时较长，对现场指导意义不及时，若条件允许，可将试验仪器采购至现场由专人检测，做到及时检测、及时反馈。

c.TBM设备制造商对于主轴承的数据、尺寸等控制较严，无法得知准确的偏心距，给掘进参数的确定带来了一定的风险。