0 引言
工程实践表明,传统的主梁敞开式 TBM 存在 2 个缺点: 1)小直径(小于 5 m)TBM 主机区域空间十分狭窄,转运材料不便,支护作业空间小,费时费力,锚杆入岩角度大、长度短; 2)无法掘进转弯半径小于 350 m的曲线隧洞。 然而,最近几年抽水蓄能电站、矿山等领域小直径或小转弯半径曲线隧洞采用 TBM 施工的需求迅猛增长[1-4], 要求 TBM 结构设计不断创新。 为此,近几年发展了一种新型的敞开式 TBM,即采取类似双护盾 TBM 的主机结构,但仍采用敞开式 TBM 的锚喷支护系统,而将钢拱架、锚杆等支护系统置于盾尾后或台车上,称之为双盾敞开式 TBM(或新型敞开式TBM),用以解决小转弯或小直径 TBM 作业空间狭小的问题。关于小直径主梁敞开式 TBM,李建斌等[1]、杜立杰[3]曾对云南那邦电站、西藏旁多水利枢纽、浙江台州朱溪水库输水等工程实践进行了总结分析,指出TBM 施工存在作业空间受限带来的诸多问题。 齐梦学[4]在对我国 TBM 法隧道施工统计分析中提,TBM施工隧道以直径为 6 ~ 8 m 系列为主(占70%),3 m 及以下小直径 TBM 法隧道工程较少,主要是由于断面空间小,TBM 法长距离连续快速施工的优势难以体现。
2015 年,我国实现 TBM 国产化后不久,研发了直径为3. 5 m 的凯式岩石隧道掘进机(另一种主梁敞开式TBM 机型),用于黎巴嫩大贝鲁特供水工程,当时做了很多的努力和尝试,达到了 350 m 的设计转弯半径,TBM 施工创造了最高日进尺 94. 67 m、最高月进尺1 244 m 的好成绩[5]。 实践表明,虽然传统小直径主梁敞开式 TBM 存在作业空间受限、材料转运和支护工序费时费力的缺陷,但在适宜的地质条件下也能取得良好的掘进成绩。
关于通过开发新型敞开式 TBM 解决小转弯半径曲线隧洞的掘进问题,路振刚等[6]、钟庆伟等[7]、姜礼杰等[8]介绍了山东文登抽水蓄能电站新型双盾敞开式 TBM 的研制及施工应用,证明 3. 53 m 小直径新型敞开式 TBM 能够掘进 30 m 超小转弯半径的曲线隧洞。 另外,2022 年 10 月,河北抚宁抽水蓄能电站的通风洞、交通洞采用了 9. 53 m 大直径新型敞开式 TBM成功贯通,穿越了多处转弯半径为 90 ~ 100 m 的曲线洞段,表明大直径双盾敞开式 TBM 对小转弯半径隧洞的适应性较强。
综上所述,不论直径大小,双盾敞开式 TBM 是解决小转弯隧洞施工的一种可用机型,但在施工速度和
穿越不良地质的适应性等方面是否也具有优势,还缺乏工程实践的对比验证,双盾敞开式 TBM 和主梁敞开式 TBM 在不同围岩隧洞工程的选择还缺乏理论依据和实践指导。
为此,本文以采用新型双盾敞开式 TBM 的广州北江引水工程(简称北江引水工程)、传统主梁敞开式TBM 的云南那邦水电站工程(简称那邦电站工程)为背景,对比分析 2 个工程 TBM 的设计方案和工程应用。
首先,从 TBM 主机结构、支护系统布置、施工适应性等方面在理论上进行对比分析; 然后,通过工程应用中采集的施工大数据,分析验证不同围岩条件下 2 种机型在掘进时间利用率、施工速度和地质适应性等方面的优势,以期为今后类似工程 TBM 选型设计提供参考。
1 工程概况
北江引水工程 4#输水隧洞(桩号 DK13+264. 547~DK24+695. 733)为直线隧洞,长 11. 4 km,TBM 开挖长度10. 2 km,开挖直径 4. 5 m。 根据实际揭露的地质及测试结果,隧址围岩以燕山时期中粗粒黑云母花岗岩为主,少部分为细粒花岗岩、花岗斑岩,岩石单轴饱和抗压强度为 60. 15~203. 00 MPa,平均为 118. 03 MPa,石英质量分数为 20% ~45%,岩体完整性系数多为 0. 65~0. 82,属较完整—完整岩体。 围岩以弱风化—微风化花岗岩为主,大部分属于Ⅱ类和Ⅲ类围岩,约占 90%,成洞条件较好,洞身稳定性好。 进口段以及洞身存在的断层带分布少量强风化花岗岩,抗压强度低,岩体破碎,属于Ⅳ类和Ⅴ类围岩,成洞条件差,洞身不稳定。那邦电站工程引水隧洞全长 9. 8 km,TBM 开挖长
度 7. 8 km , 开挖直径 4. 5 m, 有 1 处转弯半径为500 m。 根据实际揭露的地质,围岩岩性主要为眼球状混合片麻岩夹黑云角闪斜长片麻岩及花岗质混合片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩等,局部夹黏土板岩、微晶片岩、黑云片岩及少量石英岩。 大部分洞段岩质坚硬,岩石取样测试结果显示单轴饱和抗压强度为 100 ~220 MPa,石英质量分数为 50% ~ 66%。 围岩以弱风化—微风化岩体为主,多为Ⅱ类和Ⅲ类围岩,占比为78%,Ⅳ类和Ⅴ类围岩占比为 22%,存在断层破碎带、蚀变带大变形及突涌水问题。
2 个工程主要地质参数对比见表 1,TBM 主要技术参数对比见表 2。
可见,2 个工程的 TBM 开挖直径相同,TBM 技术参数相近,地质条件类似,均以极硬岩为主,都存在断层破碎带等不良地质洞段; 相对而言,那邦电站工程极软蚀变带、突涌水问题较突出。 2 种不同机型的TBM 都完成了掘进任务,具有很好的总结对比分析条件和基础。
2 适应性的理论对比分析
2 种机型结构及支护设备布置如图 1 和图 2 所示。
双盾敞开式 TBM 采用了类似双护盾 TBM 的主机结构,钢拱架安装器布置在支撑盾的尾部,锚杆钻机布置在后面第 1 节平台车上。 这样带来的优点是支护材料无需向主机前部转运,且支护作业空间更大,操作方便省力,同时可以施作通过隧洞中线、长度更大的径向锚杆。但是,与传统主梁敞开式 TBM 相比,双盾敞开式TBM 也存在较大缺陷。 主要是由于双盾敞开式 TBM采用了类似双护盾 TBM 的主机结构,前盾、支撑盾与开挖洞壁间存在较大间隙,这样当围岩存在断层破碎带时,渣石可能在支护施作前已经落在了盾体上,随着 TBM 向前掘进,支护实施困难且有大量渣石掉落洞底,大大增加了清渣工作量,延缓了施工进度;而且,由于双盾敞开式 TBM 的盾体比主梁敞开式TBM 更长,TBM 拱架和锚杆支护位置在主机后部,距离掌子面 10 m 以上,支护更加滞后。 另外,当隧洞侧壁过于软弱破碎、撑靴支撑不住时,由于盾体结构空间限制,盾体与洞壁间空隙很小,双盾敞开式 TBM也更难处理。 而主梁敞开式 TBM 则不同,拱架和锚杆支护位置距离掌子面 5 m 左右,护盾比较短且径向可伸缩,掘进时护盾是撑紧在洞壁上的,盾尾可以及时实施拱架、钢筋排支护,与双盾敞开式 TBM 相比落渣量和清渣工作量较小,侧壁软弱破碎围岩较容易处理,施工速度相对较快,如果需要超前处理,也相对更方便。
综合以上分析,由于 2 种机型在结构、支护设备布置上存在不同的特点,因此,带来了施工上优缺点和适应性的不同,总结概括如表 3 所示。
根据上述理论分析,与传统主梁敞开式 TBM 相比,双盾敞开式 TBM 更适用于围岩完整性较好、断层
破碎带占比很少的隧洞。 关于这一点,将在后面的工程应用中得到进一步的验证。
3 工程应用对比分析
北江引水工程 TBM 自 2020 年 9 月开始掘进,于2022 年 9 月贯通。 研究数据从 2020 年 9 月 1 日至2021 年 11 月 30 日,掘进距离为 6 556 m,最高月进尺为 762. 3 m,最高日进尺为 47. 07 m。 在极硬完整或较完整的Ⅱ类和Ⅲ类花岗岩中,大部分月份的 TBM 进尺在 400 ~ 600 m,表现出较好的掘进性能。 但是,2021年 10 月最高日进尺只有 4. 93 m,平均日进尺仅为1. 25 m,主要原因是 TBM 掘进过程中遇到不良地质,岩石掉落导致设备损坏,且围岩支护延误时间较多,严重影响了 TBM 的掘进作业利用率和施工速度[9]。
那邦电站工程 TBM 自 2009 年 8 月开始掘进,于2011 年 6 月完成掘进任务。 该工程选用主梁敞开式TBM,TBM 的最高日进尺为 42. 15 m,在完整性较好的Ⅱ类和Ⅲ类坚硬围岩条件下月进尺在 300 ~ 600 m[10]。
为了在相同或相近条件下比较 2 种机型的掘进性能和适应性,将在不同围岩类别下进行掘进时间利用率、施工速度的对比分析,并分析验证 TBM 穿越断层破碎带的适应性。
3. 1 掘进时间利用率对比分析
根据采集记录的施工数据进行统计分析,Ⅱ—Ⅴ类围岩条件下的掘进时间利用率对比结果如图 3 所示。
在Ⅱ类围岩条件下,北江引水工程相比那邦电站工程掘进时间占比较高,分别为 47%和 37%。 其中:
刀具检查与更换停机时间占比分别为 17%和 13%; 正常维护停机时间占比分别为 10%和 17%; TBM 及后配套系统故障停机时间占比分别为 8%和 6%。 但总体来看,2 个工程的刀具、维护、故障停机时间之和占比分别为 35%、36%,2 种机型基本相当。 2 个工程支护延误时间都很少。 北江引水工程其他原因造成的停机时间明显低于那邦电站工程,占比分别为 9%和 15%,主要是由于那邦电站工程采用矿车出渣,除了渣车进出后配套造成出渣延误以外,施工管理和运输渣车故障等其他原因造成渣车等待时间也较多,而北江引水工程采用连续皮带机出渣,故障停机时间较少。
在Ⅲ类围岩条件下,北江引水工程相比那邦电站工程 TBM 掘进时间占比较高,分别为 37%和 29%。 其中: 正常维护停机时间占比分别为 11%和 17%; 其他原因造成的停机时间占比分别为 14%和 17%。 2 个工程 TBM 施工支护作业延误时间占比都很小,掘进时间的差别主要是由于设备维护和其他原因,包括施工管理因素。
在Ⅳ类围岩条件下,北江引水工程相比那邦电站工程 TBM 掘进作业时间占比略高,分别为 24% 和
21%,相差不大。 其中: 设备正常维护停机时间占比分别为 6%和 16%; TBM 及后配套系统故障停机时间占比分别为 2%和 10%; 支护作业延误时间占比分别为 34%和 21%。 可见,那邦电站工程在Ⅳ类围岩条件下 TBM 故障及维护停机时间占比高出 18%,而更坚硬完整的Ⅱ类围岩故障及维护时间并未高出,这与设备随机性故障及其修复有关,与主机机型和支护设备布置位置无关。 北江引水工程支护延误时间占比高出13%,表明双盾敞开式 TBM 的地质适应性较差。
在Ⅴ类围岩条件下,北江引水工程与那邦电站工程的 TBM 掘进作业时间利用率均很低,分别为 9%和
10%,基本相当。 其中,北江引水工程故障停机时间占比高于那邦电站工程,而正常维护停机时间占比低于那邦电站工程。 根据现场记录,这与不良地质砸坏设备有关,故障停机时间与正常维护停机时间两者之和相差不大。 特别注意的是,2 个工程支护作业延误时间占比都很高,且有一定差别,分别为 64% 和 55%。因此,北江引水工程新型双盾敞开式 TBM 应对严重不良地质的能力偏弱。
综上分析,在Ⅱ类和Ⅲ类围岩条件下,北江引水工程相比那邦电站工程 TBM 掘进时间利用率表现出一定的优势,其中主要是出渣方式、设备维护和施工管理等因素的贡献,围岩支护因素带来的影响很小;在Ⅳ类和Ⅴ类围岩条件下,北江引水工程支护延误时间占比高出较多,应对Ⅳ类和Ⅴ类围岩的能力相对较弱,这与前面 TBM 机型适应性的理论分析结果一致。
3. 2 TBM 施工速度对比分析
根据现场采集记录的施工数据分析,北江引水工程与那邦电站工程的 TBM 施工速度如图 4 所示。
北江引水工程双盾敞开式 TBM 与那邦电站工程主梁敞开式 TBM 相比,在Ⅱ类围岩条件下,TBM 施工速度分别为 19. 40 m / d 和 16. 20 m / d; 在Ⅲ类围岩条件下,TBM 施工速度分别为 19. 59 m / d 和 18. 03 m / d;在Ⅳ类围岩条件下,TBM 施工速度分别为 13. 89 m / d和 15. 04 m / d; 在Ⅴ类围岩条件下,TBM 施工速度分别为 2. 06 m / d 和 4. 00 m / d。 可见,在Ⅱ类和Ⅲ类围岩条件下,北江引水工程平均施工速度较高,但 2 种机型支护延误都很低,因此,北江引水工程 TBM 施工速度较高与主机结构和支护设备布置无关; 在Ⅳ类和Ⅴ类围岩条件下,特别是在Ⅴ类围岩条件下,TBM 施工速度相差较大,这与北江引水工程支护时间占比更高有关。 从 TBM 掘进时间利用率及施工速度 2 个方面分析,能得出相一致的结论: 双盾敞开式 TBM 在围岩很差时表现出的掘进性能和适应性更差。
3. 3 破碎带塌方的适应性验证
3. 3. 1 破碎带塌方情况
北江引水工程双盾敞开式 TBM 掘进至 DK17+897处时,撑靴油缸压力、刀盘转矩出现突降现象。 通过刀盘孔位观察,隧洞出现坍塌,坍塌部位在隧洞拱顶及两侧边墙,拱顶塌腔最大深度约 5 m,总长约 8 m,围岩岩性以中粗粒黑云母花岗岩为主,岩质坚硬,整体破碎,自稳性差。 裂隙发育富水,其中有 2 处较大涌水点,位于隧洞下部,后来逐渐衰减。 盾体外隧洞围岩稳定,隧洞总体安全。 大量的岩渣已掉落在盾体和洞底,导致清渣量大大增加。 隧洞塌腔及盾体上掉落的岩渣如图5 所示。
3. 3. 2 施工处理方案
TBM 施工遭遇断层破碎塌方、突泥突水、卡机被困等问题,在很多工程中都经历过[11-12]。 通过分析研究并根据以往工程实践经验,采取了如下施工技术措施和掘进穿越方案。
首先,查明掌子面前方不良地质情况,为下一步制定施工处理及掘进方案提供参考。 为此,现场于
2021 年 10 月 20 日对 DK17 + 871 ~ + 771 段进行了HSP 法 超 前 地 质 预 报。 预 报 结 果 为: DK17 +871 ~ +821 洞段未发现明显反射异常,结合区域地质分析,认为该段岩体较完整—较破碎,节理裂隙局部较发育,围岩的完整性和稳定性一般,但局部围岩较差;DK17+821 ~ +771 洞段显示局部存在反射异常,分析认为该段围岩较为破碎,其中在 DK17+ 821 ~ +818、DK17 + 809 ~ + 805、 DK17 + 795 ~ + 791、 DK17 +783 ~ +778 等段落存在反射界面,围岩节理裂隙较为发育,以破碎围岩为主,完整性和稳定性较差。
根据掌子面前方地质预报结果,围岩总体向好的方向发展,故未实施超前注浆处理。然后,通过对盾体上方以及盾体周边岩渣进行清理,发现盾体上方塌腔的边界围岩较完整且稳定。 因此,将塌腔上方的破碎围岩进行清理后,暴露出较大且相对稳定的塌腔。 在盾体上方塌腔内搭建混凝土应急喷射作业平台,对塌腔喷射混凝土(如图 6 (a)所示),并支立间距为 50 cm 的钢拱架,建立起拱顶保护壳,再对塌腔进行混凝土回填处理。
最后,TBM 继续向前掘进,调整 TBM 掘进参数,适当减少 TBM 刀盘转速、贯入度、掘进速度等,降低
TBM 掘进对破碎围岩的扰动。 穿越盾体塌腔洞段后,边掘进边在盾尾后实施钢拱架、喷混凝土支护(如图 6(b)所示),使 TBM 安全穿越了断层破碎带。
3. 3. 3 施工效果
按照上述施工处理措施和掘进穿越方案,历经55 d,TBM 安全穿越了 110 m 的塌方破碎带,平均进
尺约 2. 06 m / d。 在双盾敞开式 TBM 穿越塌方破碎带过程中,由于盾体与开挖洞壁之间存在较大的间
隙,遇到破碎带塌方时,大量岩渣塌落在盾体上,随TBM 向前掘进岩渣从盾尾滑落到洞底,增加了大量的清渣工作量,盾体与洞壁间隙的存在也加大了支护难度,致使支护、清渣花费了大量的时间,降低了TBM 掘进时间利用率和施工穿越速度。 此外,由于TBM 主机采取双盾结构,盾体长且处理空间有限,增加了施工处理难度。 工程应用验证了由于双盾敞开式 TBM 主机结构、支护设备布置的不同,使不良地质支护处理过程更加困难,施工速度更慢。
与北江引水工程相比,那邦电站工程经历断层破碎带、蚀变带的频次更多,占比更大,累计长度约为
450 m,最长断层破碎带洞段长达 100 m,塌腔深 3 ~5 m,采用了与北江引水工程类似的穿越处理方法,但由于护盾一直撑紧洞壁掘进,紧跟盾尾进行支护处理,施工速度为 4. 0 m / d,约为北江引水工程的 2 倍。
4 讨论
对于上述分析结论的可信性以及 2 种敞开式TBM 的机型如何选择,进一步讨论说明如下。
1)本文重点从 2 种机型的主要不同点,即主机结构和支护设备布置带来的不同施工影响,先从理论上分析 2 种机型的适应性及优缺点,随后的工程实践对比进一步验证了理论分析结果。 另外,2 种机型的TBM 在完全相同的工程设计和地质条件下进行对比是不现实的,所以尽可能选择了洞径相同、设备参数和抗压强度等指标极为相近的 2 个工程,在相同围岩类别下进行对比,且选择洞段对比长度和数据量足够大。同时,论文分析的重点在于比较机型不同带来的差别,尽量分清哪些是机型因素带来的差别,哪些不是机型
因素带来的差别。
2)从机型因素考虑,双盾敞开式 TBM 在施工速度方面并未体现出明显优势,穿越断层破碎带的适应性
更差,但可获得以下施工优点。①转运材料省时省力。 传统小直径主梁敞开式TBM 需要从主梁底部或上方转运材料至主机前部,由于洞径小使转运材料空间十分狭小且费力,而双盾敞开式 TBM 的支护作业位于整个主机的后部,几乎无需向主机前部运送支护材料。②支护作业人员操作更为方便舒适。 主梁敞开式TBM 锚杆钻机布置在主机前部主梁两侧,作业空间狭小,作业人员难以直立,对于直径为 4. 5 m的TBM 上下左右空间都不足 1. 0 m。 而双盾敞开式 TBM 的锚杆钻机布置在主机后面的台车上,作业人员可以直立操作,前后左右都有 2. 0 m 以上的移动空间。③锚杆入岩角度更小、长度更长。 对于直径为4. 5 m 的隧洞,不接杆条件下主梁敞开式 TBM 可打设锚杆长度低于 1. 5 m,而双盾敞开式 TBM 可以达到2. 0 m 以上。 当然,由于支护较为滞后,使双盾敞开式TBM 支护的时效性较差。④对于小转弯半径的曲线隧洞,双盾敞开式 TBM具有主梁敞开式 TBM 难以达到的适应性。 主梁敞开式 TBM 可实现的转弯半径一般不小于 350 m,而已掘进贯通的河北抚宁抽水蓄能电站通风洞和交通洞采用直径为 9. 53 m 的双盾敞开式 TBM,其最小转弯半径达到了 90 m,山东文登抽水蓄能电站排水洞采用直径为 3. 53 m 的双盾敞开式 TBM 完成了 30 m 的超小转弯半径掘进。
综上所述,双盾敞开式 TBM 将主要带来材料转运和支护工序上省时省力、操作方便的优势,并可实现小转弯半径隧洞的掘进。 双盾敞开式 TBM 若要进一步提高穿越断层、软弱破碎围岩的能力,需要在主机盾体结构等方面加以改进。
5 结论与建议
本文通过对 2 个类似工程采用不同敞开式 TBM机型进行理论分析及工程应用对比验证,得出以下主
要结论。
1)与传统主梁敞开式 TBM 相比,新型双盾敞开式TBM 主机结构和支护设备布置具有完全不同的特点,其无需向主机前方转运支护材料,对于小直径隧洞具有更大的支护作业空间,作业方便、省力,并可施作入岩角度更小、更长的锚杆。
2)通过对 2 种机型在不同围岩条件下掘进作业时间利用率、施工速度等掘进性能的分析验证,新型双盾敞开式 TBM 与传统主梁敞开式 TBM 相比,在完整或较完整的Ⅱ类和Ⅲ类围岩下的掘进性能基本相当;在穿越Ⅳ类和Ⅴ类围岩或断层破碎带时,双盾敞开式TBM 的施工性能和适应性较差,且由于其特殊的主机结构和支护设备布置,使支护更滞后,穿越难度更大。
3)完整或较完整围岩占比大、断层破碎围岩占比很小的小直径隧洞工程以及小转弯半径隧洞工程的施工,可选用双盾敞开式 TBM。
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