清远水利枢纽4#取水隧洞TBM掘进施工关键技术

朱长荣

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700)

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)有着自动化程度高、施工速度快、安全性高的优点，在我国水利隧洞施工中有着广泛的应用，如：大伙房输水工程特长隧洞[1]，锦屏二级水电站引水隧洞[2]，秦岭引水隧洞工程[3]等.这些项目的实施，为我国TBM掘进施工在水利隧洞中的应用提供了宝贵的经验，但也暴露出TBM在极端围岩条件下施工困难的问题.

TBM的掘进受围岩条件影响极大.高强度硬岩、断层破碎带，会导致TBM刀盘快速磨损、卡机、开挖不均等，严重影响掘进效率.提高TBM对不良地质的适应能力，减小不良地质对TBM施工的影响，是保证水利隧道安全高效施工的关键[4-5].依托清远水利枢纽库区取水工程4#隧洞工程，对隧道施工中出现的高强度围岩、断层破碎带进行分析研究，并提出相应的施工解决方案以期为类似的工程施工提供参考和指导.

1 工程概况

清远水利枢纽库区取水工程4#隧洞工程由清远市清远水利枢纽库区武广高铁北江桥上游约600 m处(五一码头附近)北江左岸取水，经取水隧洞、加压泵站、埋管段、多条输水隧洞等直达广州市花都区芙蓉嶂水库拟建花都水厂，向花都区提供生活和工业用水，总长度为11 393 m，其中拟采用钻爆法施工长度为1 206 m，采用TBM施工长度为10 187 m.

1.1 工程地质条件

该隧洞工程全线为连绵的低山丘陵区地貌，山顶高程约150～440 m，地层岩性以燕山期中粗粒黑云母花岗岩为主，夹杂少部分细粒花岗岩及花岗斑岩.洞身围岩主要为弱风化～微风化花岗岩，岩质坚硬；RQD多为50%～100%，岩性较完整～完整；岩石石英含量20%～45%(如表1所列).

表1 隧道围岩计算参数

1.2 不良地质

4#隧洞沿线发育规模较大的断层主要有27组(条)，其中较大的有F4-1、F4-2、F7-1、F7-2、f201、f211等.断层破碎带围岩稳定性差，易导致坍塌、挤压变形等，严重制约施工进度，甚至发生安全事故.

2 隧洞TBM掘进关键技术

TBM在长大水利隧洞中的广泛应用表明TBM相较于传统的钻爆法及其它传统掘进方法有着明显的优势，但同时TBM也存在着更容易受地质因素影响的缺点[6].TBM施工过程中所受影响因素极为复杂，同时各项参数相互影响.如何建立有效的分析模型，针对不同的施工条件，有的放矢的提出施工方案，是TBM施工的关键所在.

清远水利枢纽库区4#取水隧洞存在有高石英含量围岩、断层破碎带等不良地质.为进一步评价石英含量、岩石强度及岩石完整程度对TBM掘进的影响，进而给出相应的应对措施，就需要建立起合适的分析模型.1974年挪威地质学者Barton等人组合多种因素提出了“岩石质量-Q”模型；2000年Barton[7]虑隧道掘进机与岩体相互作用后，在原有Q模型的基础上，提出了QTBM模型：

(1)

式中：RQD0为沿隧道方向RQD的值；Jn为节理组数；Jr为最脆弱的节理粗糙度系数；Ja为最脆弱节理面的蚀度程度或填充情况；Jw为裂隙水折减系数；SRF为应力折减系数；SIGMA为岩体强度；Fn为刀盘推力；GLI为刀盘寿命指数；q为岩石的石英含量；σθ为沿隧道掌子面的平均双轴应力.

Barton通过对大量隧道工程实践数据的总结分析，提出了QTBM与破岩速度PR和施工速度AR之间的相互关系(如图1所示).可见：在理论上掘进速度PR与QTBM值成反比，值越小，掘进速度PR值越大.但是，如果QTBM值过小，则隧道围岩破碎、不稳定，容易出现超挖、卡刀头、变形大、支撑困难等问题，反而降低掘进效率.相应的若岩石的QTBM>1，TBM施工掘进速度PR和施工速度AR也会降低[8].

图1 掘进速度PR、进度AR与QTBM之间的关系Fig.1 Suggested relation between PR、AR、QTBM

本文以QTBM模型为指导，对清远水利枢纽库区4#取水隧洞TBM掘进施工过程中出现的关键问题进行研究，并提出相应的处理措施.这些措施在工程实践中得到验证，这将为类似的工程建设提供重要参考.

2.1 高岩石强度、高石英含量下TBM掘进关键技术

从QTBM模型出发分析，TBM在硬岩段掘进时QTBM值过大，导致TBM在通过该段落时施工速度与破岩速度均较低.从式(1)可以看到，通过增大滚刀寿命指数GLI及滚刀推力Fn可以有效降低QTBM值，从而使破岩速度PR、施工速度AR均达到理想值.清远水利枢纽库区4#取水隧洞TBM施工时主要通过TBM的特殊设计，加强刀盘、刀具等的耐磨性从而增加滚刀寿命指数GLI；在掘进时控制掘进参数增大滚刀推力Fn.同时，采取加强刀具维护、加强TBM组织管理等措施提高TBM施工速度.

2.1.1 增加滚刀寿命指数GLI

石英的硬度为7，岩石的硬度与耐磨性很大程度上取决于岩石的石英含量.TBM施工中，石英是经常遇到的不良矿物，石英的含量直接影响了TBM的掘进效率[9-10].

4#隧洞部分段落石英含量高达50%，因此本工程从增加刀盘寿命出发考虑，采用复合式耐磨板、挡渣环(大圆环)交错镶嵌耐磨合金、圆弧区域限径块及刀盘本体镶嵌耐磨合金等综合措施来提高刀盘耐磨性能.

1) 提高刀具质量

针对本工程岩石强度高、完整性好的特点，正面和边缘选用19″滚刀，中心刀选用17″滚刀，增大TBM的破岩效率；加强刀具维修装配管理，提高刀具装配质量，减少刀具异常损坏.

2) 耐磨板

刀盘表面耐磨板的材质选择直接影响刀盘的耐磨性能，多年的工程实践证明，复合式耐磨板具有很好的效果.本工程强制要求TBM刀盘增强耐磨板的耐磨性能，可采用复合式耐磨板.

3) 挡渣环(大圆环)交错镶嵌耐磨合金

TBM刀盘外侧设置有3道大圆环，用以向前推移洞底石渣，通过刀盘铲斗顺利出渣，防止其大量进入后方而无法清理.已施工某工程采用了镶嵌耐磨合金的挡渣环，15 km掘进施工贯通后，磨损量极小，具有显著的耐磨效果.本工程TBM参考该工程设置耐摩结构，且3道挡渣环上的耐磨和金交错布置.

4) 圆弧区域限径块及刀盘本体镶嵌耐磨合金

刀盘圆弧区域的限径块磨损严重，该位置刀盘本体磨损更严重.以往的设计方案，往往是以耐磨焊材堆焊一层耐磨网格或者直接堆焊耐磨层，由于厚度不足，很难以较小的磨损率适应长距离硬岩掘进.本工程TBM可在圆弧区域限径块及刀盘本体镶嵌耐磨合金，可增加其耐磨性能.

2.1.2 控制掘进参数，增大滚刀推力Fn

在机械状况及地质环境相同的条件下，影响TBM掘进速度的参数主要有：刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、滚刀贯入度等，其中掘进速度PR=滚刀贯入度(每转进尺)×刀盘转速[11-12].如何在寻找最优掘进参数的同时，增大滚刀推力，是本工程要解决的难点之一.

1) 合理减小刀间距

刀间距设计与围岩完整性、抗压强度相关，合理缩小刀间距可以增大刀盘的破岩能力，提高贯入度.本工程根据实际施工实验，最终决定滚刀采用19 in盘形滚刀，刀间距控制在75～80 mm.

2) 优化掘进参数

硬岩掘进进尺相同的情况下，减小推进力，会明显降低贯入度，刀圈滚动长度增加、磨损加速、有效寿命缩短；反之，增大推进力，则贯入度增大，破岩效率提高，如果推进力过大，使得刀具轴承承受过大的载荷，也会缩短刀圈有效寿命.因此，硬岩掘进时，应在换步结束开始掘进后退刀盘一定距离，并控制掘进速度略小于该段围岩最大掘进速度.

3) 适当提高掘进总推力

F总=Fn·F摩·F1.

(2)

式中：F总为TBM破岩掘进所需的总推进力；Fn为刀盘的总推进力；F摩为掘进机所受的总摩擦力；F1为拖拽机械所需的力[13].

根据QTBM模型，硬岩中掘进施工时要求TBM能够具有较大的推力以提高破岩效率.本工程TBM基本上是逆坡掘进，推进油缸所提供的推力有一部分还要用于克服重力沿掘进方向的分力，需要提高TBM的掘进推力，推进系统额定推力不低于12 000 kN，最大推力不低于14 000 kN.

2.1.3 其他措施

在施工过程中加强组织管理，优化掘进时间和待机时间内的施工工序，缩短辅助作业时间，延长正常作业时间，从而提高TBM的掘进效率.其主要措施如下：

1) 提高换刀速度

优化更换刀盘作业工序，增加换刀人员，保证轴承、螺栓等部件的安装质量和完好率，加强日常保养，减少刀盘更换频率和提高更换刀盘速度.

2) 合理确定换刀时机

若在磨耗量较小时更换刀圈，则会增加刀圈消耗和换刀时间；若在磨耗量达到或接近极限值时才更换刀圈，则会降低破岩能力，增加掘进时间和电能消耗，降低掘进效率.实际操作中，结合刀圈磨耗测量结果，合理确定换刀时机，尽量在维修保养时间进行小批量更换.

3) 加强TBM主司机操作水平

一方面，寻求提高掘进速度和防止过载之间的最佳点，节约掘进时间，若掌子面完整，换步后将上一循环结束时掘进速度降低10个百分点进行掘进.另一方面，在刀盘接触掌子面前，适当降低速度，接触后再逐步提速，以避免刀盘与掌子面接触瞬间的冲击作用及偏载，减少刀具过载损伤，缩短掘进循环时间，提高掘进效率.

2.2 断层破碎带TBM掘进关键技术

断层破碎带一般由断层壁撕裂下来的岩石碎块、碎石及粘土矿物等填充.根据QTBM理论，掘进速度PR与QTBM值成反比，在其他参数不变的情况下，QTBM值越小，掘进速度PR值越大.但断层破碎带围岩破碎、稳定性差、均匀性差，TBM掘进时通常会出现超挖、卡钻、变形大、支撑困难等问题，影响掘进效率[14].

断层破碎带对TBM施工造成的影响主要为：

1) 开挖掌子面、拱顶坍塌，覆压刀盘，导致刀盘旋转困难；

2) 开挖后洞壁坍塌，撑靴支撑力不够，不能提供足够的支反力；

3) 初期支护工程量增大，初期支护的施工难度高；

4) 围岩软硬不均，刀盘旋转时产生震动，影响刀具使用寿命.

因此TBM在断层破碎带中掘进时制约进尺的不再是破岩能力.从图1可以看出，在QTBM值不能有效增大的情况下，如何做好支护，防止坍塌造成的TBM卡机，是顺利通过断层破碎带的关键.因此本文从加强设备配置、加强支护等方面加强了TBM通过断层破碎带的能力.

2.2.1 加强设备配置

TBM在断层破碎带中掘进，支护工作量大，此时制约进尺的不再是破岩能力，而是初期支护能力.因此，应用于清远水利枢纽库区4#取水隧洞的TBM必须配置高效的初期支护设备.

1) 加强施工器械配置

锚杆钻机选用技术先进、性能可靠、实践应用广泛的产品，保证具有快速钻孔能力.钢拱架安装设备与制造商共同研究，选用结构简单、可靠性高、操作便捷的设备.

2) 钢筋网系统

TBM在小的断层破碎带洞段掘进，铺设钢筋网是较为有效的支护方式，并且至少上半断面都要铺设，因此，钢筋网铺设必须能够实现机械化或者半机械化，以提高施工效率.

3) 撑靴系统

断层破碎带围岩稳定性差，有可能造成撑靴撑紧洞壁困难，因此撑靴与洞壁的接触面积要配置合理，同时撑紧压力可以根据围岩条件调整，做到既能保证足够的推进力、又能尽量避免造成撑靴部位围岩进一步坍塌.

2.2.2 加强支护

在断层破碎带，TBM掘进过程中的支护工作尤其重要，根据现场揭露的围岩状况，制定适宜的支护措施并及时实施[15].

1) 及时封闭

对于大范围坍塌区域利用铁皮封堵，喷射混凝土封闭，及时快速灌注混凝土.对于小范围坍塌可通过喷射混凝土封闭塌腔，以满足撑靴支撑力做为控制标准.

2) 后期加固

TBM设备通过断层后，利用隧道径向灌浆尽快加固围岩，并加强该段隧道的支护和衬砌方式.

3) 超前预加固

TBM上配置超前支护钻机，必要时可以对刀盘前方的围岩实施超前锚杆、超前注浆等超前加固.

当前方地质较破碎，TBM无法保证进入安全时，TBM停止掘进，采取超前灌浆、管棚、超前小导管等措施，进行预加固，根据现场围岩情况选择注浆类型.

3 结论

TBM施工受各项地质、机械参数影响极大，有必要建立一个高效直接的分析模型，对各种极端工况下TBM的施工提供指导.本文依托清远水利枢纽库区4#取水隧洞工程，从QTBM模型出发，对高岩石强度、高石英含量地质条件及断层破碎带TBM掘进关键技术进行了研究.得到的主要结论如下：

1) 根据QTBM值对破岩速度PR及施工速度AR的影响，以QTBM=1为参考值，通过调整TBM掘进参数、施工工艺、装备配置等，进而提高TBM在高石英含量、断层破碎带等极端条件下的掘进效率.

2) TBM在高石英含量的硬岩段掘进时施工速度与破岩速度均较低，直观表现为QTBM值较大.通过调整TBM掘进参数降低QTBM值，使破岩速度PR、施工速度AR均达到理想值.

3) 在断层破碎带掘进时，除采取超前灌浆、管棚、超前小导管等预加固措施可以有效增大QTBM值外，主要施工措施应围绕加强支护，防止坍塌造成的TBM卡机进行.如：加强设备配置、加强支护等.