国产双护盾TBM在兰州市水源地建设工程中的应用

国产双护盾TBM在兰州市水源地建设工程中的应用

宁向可，姜 桥，田 鹏

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

摘要：为了研究国产双护盾TBM的工程适应性，结合TBM在兰州市水源地建设工程中的实际应用情况，分析了双护盾TBM掘进段的地质特点，并采取了针对性设计。TBM采用成熟的硬岩刀盘结构形式，滚刀刀座在锻造厚板上一次加工成型，减少焊接量；刀具按照非线性布置，刀间距控制在86 mm以下（含中心刀）；主机采取多种针对性设计降低卡盾风险，并预留充足的应急处理接口；后配套系统采用平台式拖车结构，尾部连接四轨双线式会车平台。实践证明，该TBM在兰州市水源地建设工程中具有良好的地质适应性。

关键词：双护盾TBM；引水隧洞；硬岩刀盘；卡机

0 引言

双护盾TBM是在单护盾TBM的基础上，通过对护盾形式的改进，同时增加支撑推进结构形成的新型隧道掘进机，其作为全断面岩石掘进机系列中的一种，具有掘进效率高、地质适应能力相对较强、采用管片一次衬砌成型等特点。在国内，双护盾TBM最早应用于1991年的甘肃“引大入秦”工程［1］，为Robbins公司设计，开挖洞径为5．53 m，完成洞长约17 km。随后在包括云南掌鸠河引水工程上公山隧洞、山西大同塔山矿、新疆八十一大阪隧洞、青海“引大济湟”调水总干渠隧洞、甘肃“引洮供水”隧洞、陕西“引红济石”引水隧洞、山西万家寨引黄工程等项目中均得到较大规模的应用，但是采用的设备大多为国外进口。为了突破国外技术壁垒，国内TBM从业人员在不断的实践和摸索中，结合双护盾TBM施工经验，逐渐形成了一定的技术积累。文献［2－3］结合工程实践对双护盾TBM刀具、掘进模式、地质适应性和相关计算进行了探讨，认为硬岩刀盘需要考虑开口率以适应软岩掘进的需要，当岩石强度低于150 MPa时应适当加大滚刀刀间距；文献［4－6］对TBM穿越不良地质段、长距离施工等方面做了详细介绍；文献［7－8］对双护盾TBM设计施工配套技术和设备选型等进行了深入研究，认为双护盾TBM后配套设计应考虑二次注浆及双列编组同时存放的空间，以满足连续高效开挖的需求。上述文献的研究对象均是国外品牌的TBM，本文以应用于兰州市水源地建设工程的具有自主知识产权的国产双护盾TBM为对象，结合工程的实际特点以及TBM的应用情况，分析了双护盾TBM的针对性设计与工程的适应能力，并提出了一些优化建议，为后续的TBM国产化以及施工提供一定参考。

1 工程概况

兰州市水源地建设工程以刘家峡水库作为引水水源向兰州市供水，输水隧洞主洞为压力引水隧洞，全长31．29 km，见图1。隧洞以双护盾TBM为主辅以钻爆法施工，TBM开挖段包括TBM1和TBM2，采用人字坡设计，坡度分别为0．1%和0．048 5%，TBM施工洞段长24．63 km（6＋300～30＋931）。隧洞内径为4．6 m，采用四边形管片衬砌（5＋1），管片厚0．3 m，环宽1．5 m。

TBM1标段包括3．5 km长的5＃支洞和13．4 km长的主洞段，其中：5＃支洞为下坡掘进，坡度为2．3%；主洞为上坡掘进，坡度为0．1%；支洞与主洞交叉区域采用R1 000 m曲线过渡。隧洞穿越长度为6 155 m的以石英闪长岩、花岗岩、石英片岩为主的Ⅱ类围岩和长度为4 289 m的以泥质砂岩为主的Ⅲ、Ⅳ类围岩，如图2所示。岩石单轴抗压强度最高为175 MPa，平均在60 MPa左右，石英片岩石英含量达到35%～50%。

图1 主隧洞TBM施工规划示意图
Fig．1 Construction planning ofmain tunnel

图2 隧洞穿越岩石样本
Fig．2 Rock samples of tunnel

2 工程重难点及其对TBM施工和设备的要求

TBM1掘进段穿越地层复杂，岩性变化多且频繁，根据地勘资料，细分为3个TBM掘进段进行分析。

1）5＃支洞至主洞T6＋300洞段。该洞段坡度为2．4%，长约3．5 km，TBM下坡掘进、反坡排水。穿越岩石主要为石英片岩，岩石单轴抗压强度为45～70 MPa，最大单轴饱和抗压强度约为147 MPa，岩块致密坚硬。该洞段以Ⅱ类围岩为主，稳定性较好。在掘进过程中需要把握以下重点：①控制好掘进参数，采用合理的贯入度；②加强刀具管理，及时掌握刀具磨损及异常损坏情况，并相应进行更换；③加强隧洞排水。TBM设计要求：①刀盘具有足够的强度、刚度及耐磨性；②刀盘具有强大的破岩能力及合理的刀间距；③具备足够的推力和驱动扭矩。

2）T6＋300～T10＋900洞段。该洞段坡度为0．1%，长约4．6 km，埋深大于500 m，TBM上坡掘进、顺坡排水。穿越岩石主要为花岗岩，岩石单轴抗压强度为45～70 MPa，最大单轴饱和抗压强度约为92 MPa，石英含量约41%。岩体主要以微风化花岗岩为主，岩体坚硬，以Ⅱ类围岩为主，稳定性较好。其中在T9＋187～＋237段为石英片岩与石英闪长岩的接触带，为Ⅲ、Ⅳ类围岩。在掘进过程中需要把握以下重点：①控制好掘进参数，采用合理的贯入度；②加强刀具管理，掌握刀具磨损及异常损坏情况，及时更换磨损及异常损坏刀具；③T9＋187～＋237段为石英片岩与石英闪长岩的接触带，约50 m洞段可能发生掉块、坍塌导致设备被卡，注意经常检查刀具；④对埋深段大于500 m区域，加强探测及预报，提前采取措施消除不利影响。TBM设计要求：①刀盘具有足够的强度和安全系数；②刀盘具有强大的破岩能力及尽量小的刀间距；③具有足够的推力及扭矩；④刀盘、刀具采取耐磨保护措施；⑤设计超前支护、注浆系统。

3）T14＋700～T15＋700洞段。该洞段坡度为0．1%，长约1 km，TBM上坡掘进、顺坡排水。穿越岩石主要为泥质砂岩、砂砾岩，岩石单轴抗压强度为30～40 MPa，主要为Ⅲ、Ⅳ类围岩，节理较发育，岩体完整性一般，局部围岩条件较差，易出现围岩大变形问题。在掘进过程中需要把握以下重点：①控制好掘进姿态，防止“栽头”；②软岩变形易导致刀盘、盾体被卡；③隧洞拱顶易塌方，导致设备被卡；④在软岩掘进施工中，双护盾模式掘进可能导致撑靴撑不紧而造成掘进困难，需转化为单护盾模式掘进；⑤加强围岩变形监测，及时应对不利影响。TBM设计要求：①具备扩挖能力，并预留合理的主机顶部开挖间隙；②单护盾模式掘进具备防滚转能力；③撑靴接地比压尽量小；④刀盘纵向暴露区尽量小，以减少刀盘受破碎块压力的环向面积，减小对地层的扰动；⑤护盾有足够的应急处理窗口。

3 TBM的针对性设计及功能

根据地质详勘资料，TBM穿越地段主要包括2部分，一是自进口支洞段至T10＋900洞段的Ⅱ、Ⅲ类硬岩段，二是T14＋700～T15＋700洞段的Ⅲ、Ⅳ类泥质砂岩段，其中Ⅱ、Ⅲ类硬岩段占比较大。由于TBM掘进距离长，在要求TBM具备高效破岩能力的同时，需兼具不良地质条件下应对软弱围岩的应急处理和快速通过能力。TBM整机如图3所示。

图3 TBM整机组装
Fig．3 TBM assembling on site

1）为应对全断面硬岩，刀盘需具有强大的破岩能力，通过以下4个方面实现：①全刀盘配置37把滚刀，其中，中心单刃滚刀6把，正滚刀21把，边滚刀10把。刀具采用螺旋线方式布置，使得盘面的刀具布置更加均匀，刀盘的偏载影响更小，动平衡更稳定。②中心刀采用43．18 cm（17英寸）刀圈，正滚刀和边滚刀采用高承载力的48．26 cm（19英寸）重型刀圈，其允许的磨损量更大，从而降低刀具更换频率。③中心刀采用中铁WIRTH独有的“一字型”安装方式，刀间距减小至84 mm，正滚刀刀间距为83～86 mm。④盘面布置4个进渣口，采用组合式刮刀，满足快速排渣需求。

2）刀盘盘体设计较高的强度和刚度。首先，刀盘正面区域和后端法兰采用整体锻造厚板，刀座直接在厚板上一次加工成型，减少焊缝连接，如图4所示；其次，在刀盘正面、环向和锥面均焊接高强耐磨复合钢板，厚度为20 mm，以提高刀盘在高石英含量下的耐磨能力；最后，经有限元分析计算，刀盘盘体最大等效应力小于80 MPa，远小于低碳合金结构钢的屈服强度，具有较大的安全余量。

3）针对本标段存在局部断层破碎带，主要采取以下针对性设计：①刀盘出露护盾的长度尽量小，以减小对岩层的扰动；②刀盘采用7组300 kW变频电机驱动，脱困扭矩达5 768 kN·m，扭矩系数为21，满足大扭矩需求；③撑靴接地面积为8．3 m2，最大接地比压小于3 MPa，以适应破碎软弱围岩下支撑力的需求；④盾体设计足够多的超前处理孔位，以满足超前地质探测和应急处理的需要。

4）针对软岩大变形，TBM设计从以下3方面进行考虑：①配置刀盘扩挖和主驱动提升功能，在大变形洞段，启动主驱动提升功能，将主驱动与刀盘沿垂直方向向上移动，同时配合刀具垫块，将边刀外移，在保证前盾底部间隙的前提下扩大刀盘开挖直径。该形式具有3大优点：一是扩大了开挖直径；二是最大限度地将扩挖量作用在盾体顶部；三是避免了掘进过程中发生主机“栽头”，从而降低卡机风险。②推进油缸配置高压脱困模式（最高压力达50 MPa），在盾体被卡的时候提高通过能力，减少人工开挖旁洞等工作量。③盾体直径设计为锥形结构，刀盘中心线相对前盾向上偏心15 mm，使得在初始状态下盾体顶部即具有较大间隙，如图5所示。

图4 刀座一次加工成型
Fig．4 Base of cutter seat formed on thick forging plate

图5 盾体锥形结构（单位：mm）
Fig．5 Sizes of conical shield（mm）

4 工程应用

兰州市水源地建设工程TBM1标是全线地质条件最复杂、岩石抗压强度最高的标段，也是全线唯一同时具有转弯、上坡和下坡的标段。自2016年3月1日始发掘进，揭露的围岩状态呈现出岩石强度高、石英含量大、岩性变化频繁、软硬不均、涌水多发、涌水量大等特点。TBM1安全穿越了9处10m以上破碎带（见图6）和4处大量涌水地段（见图7），成功应对了围岩单轴抗压强度高、掌子面软硬不均、小曲线调向、掘进姿态控制等诸多施工难点，在不同岩石中的掘进参数见表1，开挖断面及成洞如图8所示。截至2017年4月7日，TBM累计掘进6 373 m，日最高进尺43．5 m，单班最高进尺27．1 m。

图6 破碎带和不同岩性接触带
Fig．6 Fractured zones and contact strip of different rocks

图7 开挖面出水情况
Fig．7 Water gushing from excavation face

表1 不同围岩下TBM掘进参数
Table 1 Boring parameters of shield in different surrounding rocks

岩性总推力／kN刀盘转速／（r／min）贯入度／mm刀盘扭矩／（kN·m）推进速度／（mm／min）Ⅱ类石英闪长岩9 000～11 000 6．8～7．1 2～4 200～400 15～25Ⅲ类石英闪长岩6 000～8 000 4．0～6．0 4～6 400～600 25～35Ⅱ类石英片岩7 000～9 000 6．8～7．1 4～6 400～600 20～40Ⅲ类石英片岩4 000～6 000 4．0～6．0 6～10 400～800 30～60Ⅱ类黑云角闪片岩4 000～9 500 3．2～7．1 5～10 300～1 300 25～60Ⅲ类黑云角闪片岩2 800～9 000 4．0～7．9 6～15 500～1 500 30～70

图8 开挖断面及成洞图
Fig．8 Excavation face and tunnel finished

5 结论与建议

国产双护盾TBM在兰州市水源地建设工程TBM1标的成功应用，验证了我国具有自主知识产权的硬岩掘进机在刀盘刀具、主机、推进支撑系统、后配套等系统设计方面技术的合理性和应用的可靠性，表明在硬岩环境下高效破岩刀盘技术、不良地质条件下应急处理防卡机技术等方面有了新的突破，同时也说明在TBM的功能原理设计、岩机结合、地质适应性等方面有了更深入的认识；此外，在TBM应用过程中也发现了一些需要关注的重点，如双护盾TBM掘进姿态的控制、TBM掘进和物料高效运输配合的保证措施等。随着国民经济的发展，越来越多长距离、大埋深、高地应力隧洞项目建设正在提上日程，给双护盾TBM应用带来的挑战也越来越大。在未来长大隧洞双护盾TBM的设计及施工过程中，结合水源地的实践经验，提出以下建议。

1）在双护盾TBM的设计方面，优先保证掘进能力的同时，必须考虑在不良地质条件下具备防卡机措施［9－15］，从主机结构、设备性能参数、预留间隙、预留接口等方面，把能够想到和做到的设计集于一体，同时要结合新技术，在应对不良地质方式上取得创新。由于双护盾TBM盾体较长，在小曲线转弯方面要具备足够的能力。双护盾TBM优势在于掘进和衬砌能够同步进行，从而获得较高的掘进效率，因此，在后配套系统的设计上（包括管片存储吊运、回填及灌浆材料的倒运等）要与主机的掘进效率相匹配，尤其是在长距离隧洞的施工过程中，材料运输的效率直接决定双护盾TBM能否发挥高效掘进功能。

2）在双护盾TBM的施工方面，要充分认识到人机结合的重要性。TBM作为一种先进的隧道掘进装备，把隧道施工从危险低效的人工作业中解放出来，但并不代表可以完全依靠纯机器作业；相反，TBM作业对施工操作人员的要求更高，只有提高施工队伍的技术能力，才能发挥出先进装备的各方面优势。另外，要充分认识到双护盾TBM施工的特点，在任何条件允许的情况下，都应该以机器快速通过为基本原则。

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Application of Domestic Double shield TBM to Construction of Lanzhou Water Source Project

NING Xiangke，JIANG Qiao，TIAN Peng
（China Railway Engineering Equipment Group Co．，Ltd．，Zhengzhou 450016，Henan，China）

Abstract：In order to study the adaptability of design parameters of TBM with independent intellectual property rights and the engineering geology，the characteristics of surrounding rocks and key design parameters of double shield TBM used in Lanzhou Water Source Project are analyzed．The hard rock cutterhead is used and the base of the cutter seat is formed on the front thick forging plate so as to reduce the welding volume．The cutters are non linearly arranged and the spacing among cutters is controlled within 86 mm（center cutter concluded）．The main machine takes a variety of targeted designs to reduce jamming risk，and enough emergency response interfaces are reserved．In order to guarantee efficientmaterial transport，platform type trailer structure is used in backup system used，and the tail is connected with four track two line car platform．The practice shows that the above mentioned TBM has a good geological adaptability to Lanzhou Water Source Project．

Keywords：double shield TBM；water diversion project；hard rock cutterhead；jamming

DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．025

中图分类号：U 455．3

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2017）S1－0149－06

收稿日期：2017－02－13；

修回日期：2017－05－02

基金项目：国家重点研发计划项目资助（2016YFC0401805）

第一作者简介：宁向可（1985—），男，河南宝丰人，2010年毕业于郑州轻工业学院，机械制造及自动化专业，硕士，工程师，现主要从事隧道掘进机（TBM）设计研发工作。E mail：[e-mail]。