掘进机法及其应用

7　掘进机法隧道支护结构设计

本章导读:

●内容　隧道掘进机的类型、构造和工作原理、应用范围;TBM法与盾构法的区别, TBM法与钻爆法相比的优势和局限性;TBM法隧道的支护设计。

●基本要求 熟悉隧道掘进机的类型、构造和工作原理、应用范围;了解TBM法与盾构法的区别,TBM法与钻爆法相比的优势和局限性;掌握TBM法隧道的支护结构类型选择与设计。

●重点　TBM法隧道的支护设计。

●难点　TBM法隧道的支护设计。

7.1　概 述

隧道掘进机(Tunneling Boring Machine,简称TBM)是一种集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械。掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层挖掘隧道的一种施工方法。

随着我国大规模基础设施建设的开展,铁路、公路、调水工程、水电工程、城市地铁、市政供水供电和排污等重大工程越来越多,需要修建的长、大隧道也越来越多。由于工程规模大,地质条件复杂,工程施工速度、环保、质量和效益要求高,传统钻爆破法施工技术已经难以应对这一艰巨挑战。因此,全断面隧道掘进机技术必将在我国得到长足发展。

掘进机问世于1952年,由美国Robbins公司生产,发展至今,技术上已经很成熟。根据工程对象的变化,其类型也呈现出系列化和多样化的特点。实践证明:当隧道长度与直径之比大于600时,采用掘进机进行隧道施工比较经济。国外3 m以上的隧道,使用掘进机开挖已相当普遍。掘进机直径随工程对象的需要而变化,一般来说,水工隧洞直径为3～10 m;铁路隧道直径为6～10 m;公路隧道,一般断面较大,采用的施工方法有两种:一种是采用直径8～12 m的掘进机一次成洞;另一种是采用小直径的掘进机进行导洞施工,然后进行钻爆法扩挖成形。截至21世纪初,国外采用掘进机施工的隧道长度达4 000 km以上,掘进机施工技术已逐渐成为一种成熟并具高竞争力的隧道施工技术。

掘进机与盾构的区别主要有:全断面隧道掘进机主要是通过盘形滚刀破碎岩石,是以岩石地层为掘进对象,不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能,一般用在山岭隧道或大型引水工程,掘进机主要采用皮带机出渣;盾构主要用于软土层的挖掘,一般用在城市地铁及小型管道工程。盾构由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素组成,其中开挖面的稳定方法是其工作原理的主要方面,这也是盾构区别于TBM及比TBM复杂的主要方面。盾构在刀盘上除切刀外还布置一定数量的滚刀,以适应遇到的短距离岩石段。盾构采用螺旋输送机或泥浆管路出渣。

7.2　掘进机法及其应用

7.2.1　掘进机法简介

1)TBM法与钻爆法比较

在隧道施工方法上,TBM法和钻爆法都是隧道施工的成熟工法。钻爆法较TBM法工序多、施工组织复杂、工期较长、超欠挖量大、安全性差,但地质适应能力较好。TBM法与钻爆法相比的优势在于工序简单、施工速度快、安全性好。从技术上比较,TBM法适用于工期要求紧、且以硬质岩为主的圆形长隧道,而钻爆法则适用于短隧道、地质条件较复杂的且不适合TBM法快速施工的工程。

2)TBM施工的优点

掘进机是山岭隧道高度机械化的开挖设备。与钻爆法相比,掘进机法虽然投资多,但具有施工快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。

(1)快速

掘进机掘进效率高,其掘进速度为常规钻爆法的3～5倍。掘进机开挖时,可实现连续作业,从而可保证破岩、出渣、支护流水化作业。而钻爆法施工,钻眼、爆破、通风、出渣等作业是间断性的,因而开挖速度慢、效率低。

(2)优质

掘进机开挖施工质量好。采用掘进机开挖的隧道内壁光滑,从而可以减少支护工程量,降低工程费用。而钻爆法开挖的隧道内壁粗糙、凹凸不平,且超欠挖量大,衬砌时处理困难,支护费用高。掘进机开挖隧道的洞壁粗糙率一般为0.019,比钻爆法光面爆破的粗糙率还小17%。掘进机开挖洞径尺寸精确、误差小,可控制在±2 cm范围内。

(3)安全

TBM法对岩石的扰动小,影响范围一般小于50 cm,可大大改善开挖面的施工条件,且周围岩层稳定性较好,从而得到安全的边界环境。掘进机自身带有局部护盾或整体护盾,有利于施工人员的安全。同时,机器上配置一系列的支护设备,在不良地质处可及时支护,确保施工安全。且由于掘进机自动化程度高,并配置电视监控和通信系统,作业人员少,便于安全管理。

(4)环保

开挖时采用机械进行破岩,无钻爆法用的炸药等化学物质爆炸及污染,人员劳动强度低、数量少,作业环境好,有利于作业人员的健康。另外,掘进机采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通信技术,是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备,具有自动化程度高的优点。掘进机具有施工数据采集功能、姿态管理功能、施工数据管理功能、施工数据实时远传功能,实现了信息化施工。

3)TBM施工的局限性

掘进机施工法与钻爆法相比,具有以下局限性:

①掘进机的经济性问题。由于掘进机结构复杂,对零部件的耐久性要求较高,因此制造的价格较高,前期一次性投资成本费用较高,工程建设投资高。

②设计制造周期长。根据目前市场情况,采购周期一般需要12～15个月,主要是关键部件,如主轴承、大排量液压泵,目前只有少数生产厂商生产。

③掘进机针对性强,对多变的地质条件(如断层、破碎带、溶洞、挤压带、涌水及坚硬岩石等)的适应性较差。不同地质条件需要不同种类的掘进机及相应的配置,因此其适应性没有钻爆法灵活。

④开挖断面只限于圆形,每台掘进机只能用于一种开挖断面。

⑤要求施工人员的技术水平和管理水平高,施工短隧道时不能发挥其优越性。

⑥运输困难,对施工场地有特殊要求。

7.2.2　掘进机法的应用

1)TBM的应用范围

掘进机和辅助施工技术的日臻完善,以及现代高科技成果的应用(液压新技术、电子技术和材料科学技术等),大大提高了岩石掘进机对各种复杂地质条件的适应性。如果简单地从开挖可能性上看掘进机的适用范围是不全面的,必须根据岩石的抗压强度,裂隙、节理发育状态,涌水状态等地层岩性条件的实际状况、机械构造,以及隧道的断面、长度、埋深、选址条件等进行判断,综合考虑。

(1)对地质条件的要求

掘进机适用于隧道长度6～7 km以上,围岩的单轴抗压强度为50～200 MPa。从地层岩性条件来看,掘进机一般只适用于圆形断面隧道,隧道开挖直径为3.0～12 m,一次性连续开挖隧道长度不宜短于6 km,通常6～15 km比较经济。若隧道施工太短,则掘进机的折旧费用和待机准备时间占工程的总费用和时间的比例必然增加。但如果一次性连续开挖施工的隧道太长,掘进机维修及辅助工序时间长,自然要增加费用和延长施工时间。

掘进机适用于中硬岩层,需注意的是,岩层的地质情况对掘进机进尺影响很大。在良好岩层中,掘进机月进尺可达500～600m,而在破碎岩层中,月进尺只有100 m左右,在塌陷、涌水、暗河、溶洞地段甚至要通过安全停机处理故障后才能掘进。鉴于掘进机对不良地质条件十分敏感,选用掘进机开挖施工隧道时应尽量避免复杂地层,或增加较多的辅助设备,才能处理不良地质段(但增加辅助设备会增加设备的成本)。

以下地质条件一般不适宜掘进机的施工:塑性地压大的软弱围岩;类砂性土构成的软弱围岩和具有中等以下膨胀性的围岩;断层破碎带,岩溶发育带,严重涌水地段,岩石单轴抗压强度超过250 MPa的极硬岩,且节理不发育、高硬度或高拉伸强度及高磨蚀性岩石。

(2)对工期的要求

掘进机的工期应包括掘进机的前期准备、掘进衬砌、拆卸转场全过程的工期。掘进机的工期应满足工程施工要求:

①掘进机前期工作:设计、制造、运输、场地、安装、调试、步进等应满足预定的隧道掘进工期要求。

②掘进机掘进工期满足预定的隧道开挖所需的工期。

③对于隧道衬砌成洞总工期应满足预定工期要求。

④掘进机的拆卸转场应满足预定的后续工期要求。

(3)对经济适应性的要求

采用掘进机一次性连续开挖隧道长度不宜小于6～7 km,以8 km以上为最佳。隧道施工太短,掘进机的制造费用和待机准备时间占工程的总费用和时间的比例必然增加。如果一次性连续开挖施工的隧道太长,超出掘进机大修期限(一般8～10 km)则会增加费用和延长施工时间。

掘进机成洞总费用由系统运行费、衬砌止水费、掘进机等设备折旧费三部分组成。

就目前国内掘进机使用测算情况看,掘进机施工的成洞费用一般高于钻爆法成洞的总费用,主要由以下原因造成:

①掘进机系统的折旧费从理论上分析一般应按20 km的掘进长度分摊,而实际操作时,隧道承包人会比较现实地将掘进机系统的折旧费分摊到现有的承包长度上,因为后续工程无法确定。这样就造成每延米设备的折旧成本的提高,大大地增加了掘进机成洞的总费用。

②与钻爆法相比,掘进机开挖对隧道围岩的扰动较小,因此掘进机开挖隧洞时,其钢筋混凝土衬砌厚度可较钻爆法薄。根据新奥法原理,有的可以不衬砌。这样可以大大降低衬砌费用,从而降低掘进机的成洞费用。但由于目前我国尚无掘进机成洞混凝土衬砌规范,所以隧道衬砌仍然沿用钻爆法施工的衬砌,造成掘进机施工成洞成本的增加。

③掘进机系统运行费的组成为:掘进机系统运行费=电耗费+水气费+刀具、备件费+人工费+管理费+利润+税金。由此可见,掘进机系统运行费与掘进成洞速度直接相关联,工程管理好、掘进速度快的工程,每延米掘进机运行费用就相应降低。因此,掘进机施工需要高素质的管理人员和熟练的技术工人,这样可确保掘进机的完好率,提高掘进速度。

综上所述,正确的选型、合理使用、优化衬砌以及设备的合理摊销,是降低掘进机成洞费用的主要措施。对于长度大于8 km以上的隧道使用掘进机,施工成洞总费用小于或等于钻爆法总费用是完全可以做到的。

另外,采用掘进机开挖与钻爆法相比,隧道总体设计时常用洞线裁弯取直的方法而大量节约工程费用;同时,掘进机施工比钻爆法进尺速度快,可使工程提前完工产生可观的社会、经济效益。

(4)对机械条件的要求

掘进机的适用性还受机械条件的限制,如使用刀盘旋转掘削时有开挖直径的问题。直径加大,会产生因切削刀盘周边的线速度加大而影响开挖,以及没有能承受巨大推力的轴承等问题。挖掘机械是采用压碎方式还是切削方式,对实际应用的适用范围也有差别。

(5)对作业场地和运输方案的特殊要求

掘进机属大型专用设备,全套设备重达几千吨,最大部件的质量达上百吨,拼装长度最长达200多m。同时,洞外配套设施多,主要有混凝土搅拌系统、管片预制厂、修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统、装卸调运系统、进场场区道路、掘进机组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求,有些隧道虽然长度和地质条件较适合掘进机施工,但运输道路难以满足要求,或者现场不具备布置掘进机施工场地的条件。

当掘进机开挖直径过大时,会带来运输困难、造价昂贵、电能不足等一系列问题,因此可采用小直径掘进机先行,后部钻爆法扩大到设计断面的混合套打法。由于掘进机开挖小直径的洞室,形成临空面,可使钻爆法开挖速度提高2～3倍。

(6)对企业自身实际能力的要求

对企业自身能力的要求包括:制造维修能力,经济能力,施工队伍的技术、管理水平以及传统的施工习惯等。

2)国外著名TBM工程

1994年底开通运营的英吉利海峡铁路隧道,共使用了11台TBM,其中一台由罗宾斯公司(Robbins)生产的直径8.36 m的掘进机创造了当时月进尺1 719 m的世界纪录。1995—1998年瑞士费尔艾那(Vereina)铁路隧道使用了直径为7.7 m的开敞式TBM,日进尺为13.6～22.9 m。2002—2005年西班牙瓜达拉马(Guadarrama)高速铁路隧道,使用了2台直径为9.45 m的双护盾TBM,平均日进尺16 m,最高月进尺约1 000 m。2010年10月贯通的瑞士哥特哈得(Gotthard)铁路隧道工程,于1996年开工兴建,开挖直径为9 m,共采用了4台TBM进行施工。加拿大尼亚拉加大瀑布水电站工程的隧洞,开挖直径达14.4 m,采用了美国罗宾斯公司设计制造的开敞式TBM,是目前世界上直径最大的硬岩TBM项目。

3)国内TBM重要工程

TBM的设计、制造是一个持续的技术创新过程。每条隧洞工程都具有自身的特点,各专业承包商都是结合自身的传统和意见以及每条隧洞工程的特点等来设计TBM机,所制造的TBM都各不相同。通过合理的TBM选型、设计,近年来我国在利用TBM开挖隧洞中已经取得了很大的成就,如表7.1所示。

表7.1　我国重要TBM工程

续表

7.3　掘进机的结构类型及构造

7.3.1　全断面隧道掘进机的类型

掘进机一般可分为开敞式TBM和护盾式TBM两大类型,其中护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分。开敞式TBM目前主要有两种结构形式:一种为前后共有两组“X”形支撑的双支撑(凯氏)TBM(含有内凯机架和外凯机架);另一种为单支撑主梁开敞式TBM。

开敞式和护盾式掘进机的区别在于:开敞式掘进机在开挖中依靠撑于岩壁上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力,开挖后的围岩暴露于机械四周;而护盾掘进机则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑,围岩由于有护盾防护,在护盾长度的范围内不暴露。因此护盾掘进机更适用于软岩,而岩石稳定性好、软弱围岩较少的隧道一般选用开敞式。此外,还要根据工程设计、工期及工程造价进行综合分析确定。

(1)开敞式掘进机

开敞式TBM设有较短的护盾,在其主机和后配套系统上安装有支护设备。随着TBM的向前掘进,一般可以同时进行安装锚杆、挂网、钢拱架和喷射混凝土等支护作业。开敞式TBM刀盘推力和扭矩通过机架或主梁传递到支撑系统,支撑系统径向作用于岩壁上承受推力和扭矩,如图7.1所示。典型机型有美国Robbins公司生产的单排支撑靴结构方式和德国Wirth公司生产的双排支撑靴结构方式两种。

开敞式掘进机配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备,适用于岩石不易坍塌和地层比较稳定的软硬岩隧道。在较为破碎的地层中掘进时,需要在刀盘护盾后及时进行喷网支护。由掘进机刀盘后的指形条格栅板支撑,在安装有喷网格栅拱架的保护下进行,必要时贴近指形条格栅板支撑下部安装钢拱架,指形条格栅板支撑随掘进机推进前移后,即进行喷射混凝土初期支护。

开敞式掘进机掘进隧道的最终支护方式是模筑混凝土或钢纤维喷射混凝土。

图7.1　开敞式掘进机

(2)单护盾式掘进机

与开敞式掘进机不同的是,单护盾式掘进机配置有完整的圆形护盾,推进则依靠推进缸支撑在安装好的管片获得支反力,如图7.2所示。单护盾式掘进机由于掘进和安装管片不能同时进行,进度较慢。

单护盾式掘进机适用于中等长度隧道。与开敞式掘进机相比,单护盾掘进机最终衬砌方式为管片。

①—护盾;②—液压推进油缸;③—管片;④—刀盘;⑤—装渣斗;⑥—皮带输送机
图7.2　单护盾式掘进机

(3)双护盾式掘进机

双护盾式掘进机配置有前后护盾,在前后护盾之间有伸缩护盾,后护盾配置有一套支撑靴,如图7.3所示。在地质条件良好时,双护盾式掘进机掘进和安装管片可同时进行,有较快的进度。在地质条件较差时,双护盾式掘进机采用单护盾模式推进。

双护盾掘进机在软岩及硬岩中都可以使用,当它在自稳条件不良的地层中施工时,其优越性更突出。它与单护盾掘进机的区别在于增加了一个护盾,其特点是主机在护盾的保护下进行掘进作业,随着TBM的向前掘进,双护盾可同时进行管片安装作业,后配套系统则完全在已经完成管片衬砌的隧道内作业,同时完成豆粒石喷射和灌浆作业,因此双护盾掘进机使开挖和安装衬砌管片的停机换步时间大大缩短。当岩石太软、无法实现径向支撑而需要辅助推进液压缸提供所需推进力时,推力作用于衬砌管片上,掘进作业与管片安装作业此时不能同时进行,相当于“单护盾模式”的作业方式,相应掘进效率较低。在我国甘肃“引大入秦”工程中的30A号水工隧道使用一台直径5.5 m双护盾掘进机完成了11.6 km的开挖,最高月开挖突破了1 000 m。

与开敞式掘进机相比,双护盾式掘进机必须采用管片,由于管片造价比模筑混凝土衬砌高导致工程造价增加。双护盾盾体长度:直径d≥1～3 m,调方向困难,常因不能及时支护而被卡

1—掘进刀盘;2—前护盾;3—驱动组件;4—推进油缸;5—铰链油缸;6—撑靴护盾;7—尾护盾;8—出渣输送机;9—拼装好的管片;10—管片安装机;11—辅助推进靴;12—水平撑靴; 13—伸缩护盾;14—主轴承大齿圈;15—刀盘支撑
图7.3　双护盾式掘进机

死,发生塌方;管片不能承受过高水压力,对岩层多变、水压过大、埋深变化的山岭隧道不宜用管片衬砌;机型造价高,管片衬砌费用又高于复合式衬砌2倍以上,寿命也不能保证百年。

(4)开敞式掘进机的优点

开敞式掘进机与单护盾掘进机、双护盾掘进机相比,具有如下优点:

①由于山岭隧道较长,地质变化较大,采用开敞式掘进机施工,衬砌结构可根据地层变化调整;单护盾、双护盾掘进机由于采用管片衬砌,衬砌结构不能调整;采用管片衬砌结构较弱,不能满足百年寿命。

②开敞式掘进机长径比小于1,易于调整掘进机姿态。双护盾掘进机长径比大于1,因此灵敏性较差。

③开敞式掘进机可以进行及时支护,既适应于硬岩,也适应于软岩,可随地层变化及时调整支护方式,如磨沟岭隧道在软弱地层施工平均月进度达230 m。双护盾掘进机对于软弱围岩和收敛较大的地层适应性较差,护盾易于被卡死,发生塌方。

④双护盾掘进机造价较开敞式掘进机高20%～30%。

7.3.2　掘进机的构造及其工作原理

本节以秦岭隧道使用的德国维尔特公司制造的直径8.8 m的TB880E型掘进机为例,介绍开敞式掘进机的结构。TB880E掘进机是在我国铁路隧道施工中首次成功应用的大型成套设备,该机主要适用于硬岩隧道掘进施工,对局部断层地带也具有一定的通过能力。该机主要由主机、后配套系统及辅助施工设备三大部分组成。TB880E掘进机具有以下特点:

①主机采用内外凯氏机架,X形四角主支撑结构,刀盘主驱动位于前后两排四角支撑的中间,机体重力前后均匀分配,工作稳定性好。

②刀盘后方主轴承箱外围设有分块式护盾,有助于不良地质条件下的施工安全,同时还能减小主机在硬岩掘进中的振动。

③采用大直径背装式刀具,刀座和部分刀体嵌入刀盘,有利于防止刀具意外受损和刀具更换。

④后配套采用滚动式平台拖车和皮带桥排渣转运系统,四轨双线出渣及进料运输轨道,运输方式可靠,掘进作业的连续性有保障。

⑤配置了较为完善的支护机具,可使掘进、支护同时进行。

⑥刀盘双向驱动,当遇到不良地质条件而使刀盘旋转受阻时,可反向旋转脱困。

1)主机结构

TB880E型掘进机的主机结构如图7.4所示。掘进机主机主要由刀盘、刀盘护盾、刀盘主轴承与刀盘驱动器、辅助液压驱动、主轴承密封与润滑、内凯氏机架、外凯氏机架与支撑靴、推进油缸、后支撑、液压系统、电气系统、操作室、变压器、行走装置等组成。

1—刀盘;2—1号皮带输送机;3—石渣漏斗;4—主抽承;5—钢架输送机构;6—后支撑;7—支撑靴;8—推进油缸;9—主驱动;10—内凯氏机架;11—外凯氏机架;12—锚杆钻机;13—钢拱架安装器;14—刀盘护盾;15—刮渣板
图7.4　TB880E型掘进机主机结构

外凯氏机架上装有X形支撑靴;内凯氏机架前面安装主轴承与刀盘驱动,后面安装后支撑。刀盘与刀盘驱动由可浮动的下护盾、可伸缩的顶部护盾、侧护盾包围并支承。刀盘驱动安装于前后支撑靴之间,以便在刀盘护盾的后面提供尽量大的空间,来安装锚杆钻机和钢拱架安装器。刀盘是中空的,其上装有盘形滚刀、刮刀和铲斗,将石渣送到置于内凯氏机架中的皮带输送机上。

掘进及换步循环如下:

撑靴外伸,撑紧在洞壁上,后支撑油缸缩回,准备开挖→推进油缸推进,刀盘旋转开挖[如图7.5(a)和(b)所示]→推进油缸推进一个行程后,掘进停止→换步行程,后支撑伸出,支撑在洞底侧,撑靴缩回,外凯向前滑移一个行程长度[如图7.5(c)和(d)所示]→前后外凯撑靴重新撑紧在洞壁上,后支撑缩回,开始新的掘进循环[如图7.5(e)所示]。

(1)刀盘

TB880E掘进机刀盘结构如图7.6所示,刀盘为焊接的钢结构件,由两半圆通过键和液压预紧螺栓连接成一体,以便于分成两块运输,也便于在隧道内吊运以及在工地组装时进行焊接。其前端加强双层壁,通过溜渣槽与后隔板相连,刀盘后隔板用液压预紧螺栓与刀盘轴承的内齿圈连接。

刀盘面板为平面式,这种结构的刀盘安装刀具方便,并且刀盘与掌子面的距离保持最小,能有效防止在断层破碎地质条件下刀盘被卡住。刀盘上有73把滚刀,其中中心刀6把,正滚刀62 把,边滚刀3把,由液压油缸控制的有2把扩孔刀,并用机械锁固定在使用位置上。扩孔刀可将掘进直径增大100 mm,用来补偿刀具磨损后更换刀具所需的空间。滚刀采用背装式。

图7.5　掘进循环

1—铲斗;2—中心刀;3—扩孔边;4—扩孔刮碴器;5—面刀;6—铲齿;7—边刀
图7.6　刀盘结构

刀盘配备有一套喷水设备,用于对掌子面除尘,也用于滚刀冷却。水经一个在切削头中心的旋转接头供到喷嘴。

沿着刀盘圆周安装的8个刮板和铲斗将切削石渣从底部输送到顶部,然后沿着渣槽、漏斗落到输送机上。铲斗口与刮板向刀盘中心延伸一定距离,使得大量的石渣在落到底部之前进入到铲斗,减少了石渣的二次挤压和铲斗与刮板的额外磨损,刮板是用螺栓连接的可更换的耐磨钢板。

刀盘支承在主轴承上,用液压预紧螺栓与主轴承相连。刀盘支撑在刚性定位的内凯氏机架与液压预载的下护盾上,在岩层变化时,刀盘不会下落和摆动,从而保持刀盘的轴线位置不变,确保滚刀在各自的轨迹上,减少作业时的振动和滚刀的磨损。通过内凯氏机架上的入孔可以进入刀盘的内部,直至进入掌子面。

①刀盘的结构形式。刀盘结构形式分为平面、球面和锥面三种形式,如图7.7所示。平面刀盘应用广泛,它接触破岩的面积小,受到的阻力小,减小了对围岩的扰动,适合开挖围岩不太稳定的地层;球面刀盘可增加设备的定向性和稳定性,对不良地质条件适应性差;锥形刀盘介于平面与球面之间。刀盘的直径应根据开挖洞径来确定,要求其有一定的扩挖能力。掘进机直径一般为2.5～12 m,目前有向大直径和微型掘进机方向发展的趋势。刀盘一般设计成背装式换刀的刀盘,以保护作业人员的安全。刀盘设计的强度、刚度和耐磨性是需要重点考虑的性能指标。

图7.7　掘进机刀盘结构形式示意图

掘进机刀盘的结构形式及其特点如表7.2所示。

表7.2　 掘进机刀盘的结构形式及特点

掘进机理论开挖直径为:

在掘进过程中,掘进机刀盘转速按式(7.2)计算:

②盘形滚刀。滚刀分为单刃、双刃和三刃滚刀。单刃滚刀效果好、寿命长,对刀体破坏不大,不推荐双刃、三刃滚刀。盘形滚刀的结构主要由刀圈、刀体、轴承和心轴组成,刀圈是可拆卸

图7.8　单刃滚刀结构图

的,磨损后可更换。单刃滚刀结构如图7.8所示,盘形滚刀的破岩机理如图7.9所示。全断面岩石掘进机的破岩刀具均采用滚刀(简称盘刀),盘刀在岩面上并非切割破岩,而是在推力的作用下,盘形滚刀将楔刃压入岩面,随着刀盘的旋转,盘形滚刀绕刀盘中心轴公转,并绕自身轴线自转。在强大的推力、扭矩作用下,滚刀在掌子面上滚动,当推力超过岩石的强度时,滚刀将岩石直接破碎,滚刀贯入岩石,掌子面被滚刀挤压碎裂而形成同心圆沟槽,随着沟槽深度的增加,岩体表面裂纹加深扩大,当超过岩石剪切和拉伸强度时,相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落,形成石渣。岩渣靠自重掉入底部,由刀盘上的铲斗旋转铲起岩渣,卸入皮带输送机。

图7.9　刀具破岩机理图

③刀盘推力。推进系统主要由液压推进缸等构成。推进系统应根据岩石情况、开挖直径、刀具直径和刀具数,提供足够的推力,以在较硬岩石情况下获得一定的切深。

④掘进速度。掘进机的掘进速度受到多种因素影响,包括掘进机性能、开挖直径、地质条件的自然情况,尤其是发生过扰动或高应力地层,以及地下水的情况。掘进机理论最大掘进速度由推进油缸数量、缸径、进油量等确定。

⑤切深。刀具切深是刀盘每转一圈,刀圈切入掌子面岩石深度。

(2)刀盘护盾

刀盘护盾由液压预载的下护盾和顶部护盾、两块侧护盾组成。刀盘护盾从刮板至隔板遮盖着刀盘,刀盘护盾保护刀盘,并在其后部作为钢拱架安装设备的护顶,防止在掘进过程中大块岩渣卡住刀盘,并在一个掘进循环结束重新复位时支撑机器前端和稳定刀盘旋转。顶部护盾用螺栓安装格栅式防护栅,在护盾托住顶部时可安装锚杆,护盾通过油缸连接到隔板,护盾随刀盘浮动。一般顶护盾、侧护盾通过液压缸与机头架相连,实现护盾的伸缩和固定;底护盾支撑机头架,机头架内装有主轴承和主驱动大齿轮,底部护盾上的预载油缸承受刀盘及驱动装置的重量,在掘进时与隧道仰拱相接触,对底部石渣起到刮移集渣的作用。

(3)主轴承与刀盘驱动

主轴承一般采用两轴向一径向的三轴滚子轴承或圆锥滚子轴承,轴向预加荷载,内圈旋转,主轴承的组成如图7.10所示。主轴承座于机头架的轴承座内转动环与刀盘由螺栓连接。刀盘轴承亦称掘进机主轴承,主要发展方向是采用三轴式滚子轴承(两排推力,一排径向)替代圆锥滚子轴承,以提高其承载力和寿命,特别是对大直径掘进机的设计更是如此。在目前的技术水平下,刀盘轴承设计寿命为(1.5～2)×104小时。由于刀盘轴承制造周期长、成本高,且施工中洞内难以拆换,在选型时,其设计尺寸、制造质量和使用寿命、润滑和密封及其监控均应成为重要的考核因素。

1—刀盘;2—主轴承;3—联轴器;4—驱动轴;5—齿轮箱;6—小齿轮
图7.10　主轴承及密封示意图

主轴承是在最大推进荷载下,并在曲线段(或纠偏),以及通过不稳定围岩或断层带时所产生的较大倾覆力矩的环境下工作。

刀盘驱动或称主驱动,由机头架内含主轴承和驱动齿轮组成,用于支撑和驱动刀盘旋转。刀盘驱动方式对掘进机施工非常重要。目前,常见的刀盘驱动方式有变频电驱动、液压驱动、双速电驱动。主驱动由多个主驱动电动机、行星齿轮减速器和外伸小齿轮组成,由小齿轮驱动位于机头架内与主轴承相连的大齿圈,从而驱动刀盘旋转。

(4)主轴承密封与润滑

主驱动设有内密封和外密封,用于保护机头架内的主轴承和驱动组件。内外密封分别由三重或四重唇形密封组成,唇形密封外则由迷宫密封保护,迷宫式密封由自动润滑脂系统进行清洗净化。主轴承齿圈和驱动小齿轮为强制式机械润滑,装备有润滑泵、滤清器、电子监测系统。脂润滑系统、机油润滑系统与刀盘驱动系统相互联锁,当润滑系统失效时,刀盘自动停止转动。行星减速器注入部分润滑油,为飞溅式润滑。

(5)支撑系统

支撑系统的支撑缸应能抵抗刀盘传递过来的推力和扭矩,支撑靴要有足够强度和面积,还应核算与洞壁的接触比压值大小。按照支撑的布置方式可分为水平支撑和X形支撑两种方式。

①水平支撑式。水平支撑如罗宾斯、NFM、海瑞克公司生产的掘进机,在主梁的中部有一马蹄形鞍架,鞍架的前端与推进缸相连,在鞍架的两侧各有滑块,鞍架通过滑块与大梁连接并通过滑块沿着大梁滑动。刀盘的推力由推进缸提供,推进的反作用力被传递到水平撑靴板上,并由支撑油缸紧紧地撑到洞壁。刀盘驱动系统驱动刀盘旋转,由此产生的反扭矩由水平撑靴板通过机头架、大梁、鞍架和斜缸传递到洞壁。在推进行程结束时,水平支撑油缸缩进,开始一个新的推进行程。换步时,大梁固定,后支撑放下,收回水平支撑靴,水平支撑油缸和鞍架沿着滑块向前滑动。水平支撑油缸与鞍架成浮动支撑设计,斜油缸和水平撑紧油缸可使TBM连续控制方向,保证直线度和坡度,如图7.11所示。

图7.11　支撑靴结构示意图

②X形支撑式。X形支撑示意图如图7.12所示。

以维尔特与佳伐机型为例,X形支撑式具有以下优缺点。

1—内凯式机架;2—前外凯式机架;3—后外凯式机架;4—后推进油缸; 5—前推进油缸;6—支撑;7—刀盘驱动轴
图7.12　X形支撑示意图

优点:两对X型支撑,回转电机及传动系中置或后置,整机重心在两对X型支撑之间,定向性、稳定性好,避免了侧滚与机头下沉现象;维尔特机型的两对X型支撑,如TB880ETBM有8块支撑板,每板4个油缸,共32油缸,针对岩石软硬,支撑力的大小可以调节;调节支撑油缸的压力和行程可以调正方向;回转电机及传动系中置或后置,留出刀盘后部空间,使前X型支撑前置,增加整机的定向性与稳定性;使圈梁安装机、锚杆钻机、混凝土喷射机前置,能及时支护;安装扩孔刀2～3把,便于随机扩孔及预防意外卡紧时自身脱困;前后推进油缸分别支撑在外凯氏机架与导向壳体及内凯氏机架突盘上,位置平等,无侧向分力,推力集中;维尔特刀具润滑油内含1%的异味剂(Molyvon),一旦滚刀轴承损坏、密封失效,异味剂溢出,带刺激性的奇臭,预警刀具损坏,可及时更换;维尔特机型随机一套步进装置,步进方便灵活。

不足:两对X支撑,结构复杂,一旦遇故障,维护较困难;转弯半径较大,转向欠灵活;多轴驱动,占空间大,φ4 m以下TBM更显突出;掘进中不能调向,只能换步时调向;上述优点中存在X型支撑液压缸活塞杆受弯矩的不利影响;佳伐机型回转电机及传动系后置,单根粗长传动轴机械加工困难。

(6)皮带桥

皮带桥直接铰接于掘进机主机的后面,支设在平台拖车上。它向上搭桥,加大下面的作业空间,以便安装仰拱块和铺设钢轨。皮带桥内装有皮带机系统和通风系统、仰拱块吊机、材料提升系统等。

2)TBM后配套系统

后配套设备的技术参数、功能、形式在很大程度上影响着主机能力的发挥。在掘进机施工中与其他设备的匹配组合,是为了充分发挥掘进机的优势,保证工程顺利完成,应适当扩大配套设备的生产能力,核算其设备数量,以满足正常施工进度和可能扩大的施工进度需要,要考虑留有适当余地,即允许有一定的不均衡状况。设备选型时应尽量统一同类设备型号,特定工序所用设备应选用专用设备,为发挥出群机效应,应选用质优的匹配设备。

(1)后配套设备分类

掘进机后配套设备按出渣方式的不同,可分为以下三类:

①轨行门架型。该形式后配套设备由一系列的轨行门架串接组成,根据门架台车上安装设备的布置以及出渣、材料列车的长度,确定后配套列车长度。

②连续皮带型。该形式为出渣运物与掘进平行作业,输送机与掘进机同步前进,是实现最佳匹配的一种出渣方式。

③无轨轮胎型。该形式的出渣方式采用自卸车出渣,易于管理。但自卸车排放污染,导致通风成本增加,同时设备占用空间大,后配套设备上需要增加大型渣仓。自卸车出渣方式只能在较大断面的隧道且有特殊要求的场合中使用。

(2)后配套系统选择原则

选择掘进机后配套系统应遵循以下原则:

①满足掘进机连续出渣要求。

②结构简单,体积小,布置合理。

③运行安全可靠。

④易于维修保养,造价相对较低。

⑤根据地质条件,为保证掘进机安全施工,应配置必要的支护设备,如锚杆钻机、超前钻机、喷射机及机械手、注浆机、岩芯钻机等辅助施工设备。

(3)出渣方式的选择

根据工程和设备特点,可采用轨行式配套平台车和连续皮带输送机两种方式。

①轨行式后配套平台车。轨行式平台车可分为门架式和台车式两种形式,其中台车式又分为双线和单线布置形式。

单线布置技术上的复杂程度,比双线布置低。因此,就这点来说,单线布置的可靠性要高。根据经验,技术复杂、技术级别高并不意味着最好,技术级别与项目的最佳匹配才是最好的。另外,对于有时间和工期要求的项目,可靠性是至关重要的因素。单线布置最不利的是列车的调度必须利用TBM换步的时间进行,但即使每次调车时间都长于换步时间(最多不会超过2～3 min),由于系统可靠,仍然可以按照施工计划实现目标。

②连续皮带输送机。连续皮带输送机由于结构简单、运输效率高、便于管理,以及可以减少洞内空气污染、减少在洞内的占用空间,在隧道施工中应用较多。采用连续皮带机可缩短掘进机后配套的长度,减少洞内运输车辆和空气污染,有利于组织施工,形成快速连续出渣系统。掘进机使用连续皮带输送机的优点是:皮带输送可随掘进机每次步进得到延长,具有储存足够长胶带的能力,以发挥掘进机快速掘进的优势。

(4)TB880E掘进机后配套系统

后配套系统由17个平台拖车和一个连接皮带桥组成,皮带桥用来连接平台拖车与主机,平台拖车摆放在仰拱的轨道上。前进时皮带桥被掘进机后端拉着,在掘进过程中后配套平台拖车是固定的,在掘进结束时被两个液压油缸牵引。在后配套系统上,装有掘进机液压动力系统、配电盘、变压器、总断电开关、电缆卷筒、除尘器、通风系统、操作室、皮带输送系统、混凝土喷射系统、注浆系统、供水系统等。

7.4　掘进机法隧道的支护设计

7.4.1　管片式衬砌

使用护盾掘进机时,一般采用图形所示全周管片式衬砌。其优点是:适合软弱围岩,特别是当围岩允许承载力很低、撑靴不能支撑岩面时,可利用尾部推力千斤顶,顶推已安装的管片获得推进反力;当撑靴可以支撑岩面时,双护盾掘进机可以使掘进和换步同时进行,提高了循环速度;利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好,安全性强,但是它的造价高。为了防水的需要,每块之间要安装止水条,并需在管片外圈和洞壁间隙压入豆石和注浆。

为了预制管片,需要在工地建设混凝土制品工厂,如图7.13所示。

图7.13　管片式衬砌示意图

7.4.2　复合式衬砌

使用开敞式掘进机,可以先施作初期支护,然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌,即复合衬砌,图7.14所示。由于掘进机的掘进速度很快,不可能使二次模筑混凝土衬砌作业与开挖作业保持一样的进度,当衬砌作业落后较多时,就依靠初期支护来稳定围岩。初期支护以锚杆、挂网和喷混凝土支护为主,地质条件较差时还可设置钢拱架。掘进机上可设置前后两排共4台锚杆钻机,以满足对围岩进行锚杆支护作业的需要。拱部的锚杆作业是非常必要的,锚杆作业应能与掘进开挖同时进行。

根据地质条件也有用喷射混凝土作为二次混凝土衬砌的,就是采用二次喷射混凝土作为永久衬砌。在喷射混凝土中安装了钢筋网,还加入了钢纤维。但普遍的做法是采用模筑混凝土衬砌作为二次衬砌,使用模板台车进行混凝土灌注。

下面以秦岭I线隧道为例说明复合衬砌相关设计技术和参数。

图7.14　复合式衬砌

1)喷射混凝土施工

①混凝土喷射:秦岭I线隧道的喷射混凝土施工由位于TBM2号平台车上的湿喷系统完成。喷射系统由2台混凝土输送泵、2台液体速凝剂泵、2台远控喷射机械手及一个手动喷头组成。输送泵的输送能力为8～13 m3/h。喷射机械手可以完成纵向水平移动5 m、机械手臂杆可以水平伸缩2 m,完成拱顶300°范围内的混凝土喷射。

②原材料的选择:水泥:采用52.5散装水泥;砂:选用细度模数为2.5～3.0的中砂,并要求洁净质硬,含水率5%～70%;碎石:采用5～10 mm的碎石;外加剂:采用稳定剂、稠度剂、速凝剂等控制整体稠度。

③配合比的选择:根据试喷阶段的施工经验和TBM喷射系统要求,湿喷混凝土的坍落度为13～15 cm,施工配合比为水泥∶砂∶石∶水= 1∶2.58∶1.4∶0.50,外加剂掺量为速凝剂5%、稠度剂1%、稳定剂0.2%。

④施工工艺流程:混凝土在拌和站拌和后,灌入6 m3的混凝土罐车,然后编组进TBM运输列车,由内燃机车牵引至洞内,再由TBM上的湿喷系统完成喷射作业。

⑤混凝土喷射工艺:混凝土喷射前,首先指派专人对受喷工作面用高压水全面冲洗岩面,对出水点先埋设导水盲沟,同时埋设喷层厚度检查标志;水泥浆润滑混凝土输送泵及送料管;喷射时从最底处开始,分片按由下而上顺序进行,喷嘴与岩面保持1～2 m距离并垂直岩面喷射,初喷层相对薄一些(一般3 cm厚),过15～20 min后再喷至设计厚度。

2)描杆和挂网施工

①锚杆施工。TB880E型掘进机在刀盘后和主机尾部各有2台锚杆钻机,分别完成顶部两边75°和仰拱块两侧以上75°范围内的钻孔。

②挂网施工。钢筋网采用φ8mm钢筋焊成20 cm×20 cm的网格。在洞外加工成形后,随材料车运入洞内,由人工随岩面的起伏铺设,并与锚杆连接牢固。网片一般与岩面保持3 cm的间隙。

3)闭合钢架施工

①钢拱架安装设备。TB880E型TBM上的钢拱架安装设备由材料吊机、顶层吊机和转运链轨车、拼装轮等组成。

②钢拱架的制作。钢拱架选用Ⅰ16型工字钢制成,加工前除去油污和锈斑。钢拱架要求弯制平顺,并使其在设计半径的圆弧上,每节的两端焊接螺栓连接板。

③钢拱架的运输。钢拱架加工完成后,由运输列车运至掘进机后配套系统的相应位置,由材料升降平台和材料吊机将拱节转运到运输小车上。

④钢拱架的安装。闭合钢架由5节组成。通过举升系统将运输小车上的第1节转到拼装轮上,操作举升装置,取下第2节并放入拼装轮,使用M24螺栓将第2节与第1节的自由端连接,挂上保持钩。重复上述步骤,安装第3节和第4节。借助举升装置,把第5节送入拼装轮上的托架,使之与第4节和第1节连接闭合,并用G型夹板夹持。转动拼装轮180°,并用钢拱架移动装置,把钢拱架水平移出拼装轮到预定位置。

两榀钢拱架间,除支撑靴位置外,施焊φ22 mm纵向连接筋,最后喷混凝土至设计厚度,钢拱架处加厚喷层以包裹钢拱架,确保钢架稳定。

4)围岩坍塌、掉块的地质不良地段支护

(1)TBM施工不良地质地段的特点

作为TBM施工,切削岩石对围岩的扰动相对钻爆法较小,其围岩稳定的前提条件相对优越,但由于TBM上支护设备位置限制,其初期支护一般不能像钻爆法施工那样及时、灵活。针对秦岭隧道采用的TB880E型掘进机而言,按1.80 m/h速度掘进,拱部及边墙锚杆分别需在开挖后3～13 h才能施作;按15 m/d速度掘进,在正常情况下,喷射混凝土需在开挖后5 d才能施作。对于岩石特别破碎地段,利用人工手持式喷头(对机器污染特别严重),在开挖后3h方可施作。因此,在系统初期支护完成以前,围岩要暴露5 d以上,暴露长度73 m,出现围岩松弛变形、落石的概率极大,对围岩受力和TBM设备的安全非常不利。由此可见,TBM施工不良地质地段有其自身特点:

①TBM施工初期支护不如钻爆法施工及时。TBM初期支护的各个工序在开挖后的不同位置平行作业,互不干扰,不像钻爆法施工能很快形成系统支护。

②TBM施工初期支护设备位置固定,其支护必须一次成功,自身无法进行补强,远没有钻爆法施工时机动灵活。

③TBM施工初期支护的目的除为围岩提供支护抗力外,还要确保在初期支护全部完成前(喷混凝土前),围岩不塌陷、掉块损坏机器。

④危石处理困难。由于TBM设备庞大,占据隧道大部分空间,初期支护前岩石暴露时间较长,极易出现危石损坏设备,这就需要根据设备分布位置,选择合适时机,进行找顶、取石,远不如钻爆法方便。

(2)围岩坍塌、掉块的特点

①断层破碎带引起的坍塌。如秦岭Ⅰ线隧道进口段区域性断层和一般断层累计有28条之多,这是造成围岩产生塌方的主要原因。如果断层面方向与隧道轴线方向夹角较小,而且倾角又较小,就会使断层带出露范围较大,当开挖通过以后,围岩平衡状态被破坏,导致应力重新分布,围岩承载力降低,断层破碎带受力不平衡,但在围岩出露刀盘护盾前,尚很难进行必要的支护(只有超前处理),会产生围岩不同程度的塌方。

②节理密集带及挤压软弱结构面产生的坍塌、掉块。节理较密集地带、节理间距较小,岩石的抗压强度受到节理面的影响。节理面的填充物质抗压强度较低,隧道开挖后,原始应力平衡状态被破坏,应力二次重分布,围岩承载力降低,易造成塌方,而且节理发育,节理多在2～3组, 或3组以上,呈X形或米字形交叉布置,更易造成受力不平衡,引起坍塌、掉块。

挤压软弱结构面在断层附近较发育,一般厚为5～100 cm,主要由碎裂岩、构造挤压岩或糜棱岩组成,岩面有滴水或股状、线状出水,这类岩石开挖后立即产生很大坍塌,但由于水的破坏作用及时间推移,围岩变形将逐渐增大,易产生坍塌、掉块。

③岩爆造成坍塌、掉块。岩爆是隧道开挖后,围岩应力超过其强度,围岩失稳、爆落。在埋深较大、陡坡地段,石质坚硬,岩体完整性较好的情况下,受高地应力及斜坡应力的影响,经常出现岩爆现象,持续时间平均4天左右。岩爆部位大部分出现在隧道右侧1/4圆范围内(与地形有关)。如秦岭隧道埋深较大,最深达1600 m,Ⅰ、Ⅱ级围岩较多,岩爆发生非常频繁。

④水造成坍塌。水是造成隧道工程“病害”的重要因素,水将对构造角砾石、碎裂岩、糜棱岩、断层泥及各种充填物起破坏作用,降低其强度,使其承载能力显著降低,遇到断层破碎带、节理密集带、软弱结构面带,有水的出现等,都会加剧塌方的发展,对二次衬砌的混凝土侵蚀和破坏作用,也将是永久的隐患,所以治塌必先治水。

⑤撑靴影响。掘进需要的推力由撑靴来提供,当撑靴处岩石破碎,不能满足撑靴压力时,即造成坍塌。特别当刀盘处在坚硬岩石中,当掘进通过断层而撑靴处在破碎带位置时,掘进所需推力较大,此时更易出现由于撑靴影响而引发坍塌事故。

(3)支护措施

TB880E开敞式硬岩掘进机比较适合硬岩的开挖掘进,对于不良地质段适应性较差,但有必要根据机器的性能及现场实际情况来制定可行的办法,使TBM安全、快速通过不良地质地段。

①通过断层破碎带。掘进机通过断层破碎带时,因石质较软,掘进速度快,每循环1.8 m掘进时间不多于1 h。在掘进过程中,拱部不断有石块滑落,为确保施工人员安全,底部虚渣按常规只有等停机找顶安全后方可清除,才能开始Ⅰ16全圆拱架立设,立设一榀拱架一般需要1 h,两榀需2 h,未考虑底部清渣影响,因此掘进每一循环1.8m,至少需3 h,其中至少2 h耽误在支护上。另外,滑落的大石块会砸坏前部锚杆钻机及操作平台,将影响正常的掘进。要确保TBM安全、快速通过断层破碎带,可以从以下两个方面采取措施:一是防止石渣大量掉落,减少清渣量;二是采取其他支护措施,不立Ⅰ16全圆拱架或少立Ⅰ16拱架。

②通过节理密集带及软弱结构面带。秦岭Ⅰ线隧道进口段工Ⅱ、Ⅲ类围岩约1 206 m,节理密集及软弱结构面地段较多,如果仅考虑如何快速掘进,不重视初期支护质量,将是隧道施工安全的一大隐患。对于节理密集带及软弱结构面带采取以下措施:

a.按设计采取系统锚杆、挂网、喷浆,另外采用槽钢拱架或格栅拱架加固。

b.根据量测结果,对于变形速度超过要求的,人工架立Ⅰ16全圆拱架,加强刚性支护。

c.严格按初喷、复喷要求喷浆,确保喷浆混凝土厚度10 cm以上。

③通过岩爆地段。岩爆按其规模分轻微岩爆、中等岩爆、强裂岩爆三种。其具体表现如下:

a.轻微岩爆。岩爆坑成片连续分布,规模小,坑径几十厘米,且较浅,爆落数量小,这对正常施工影响较小。处理办法为钻浅孔、喷水、释放应力、挂网、喷浆封闭;

b.中等岩爆。岩爆坑成片连续分布,岩爆坑明显,规模较大,坑径可达数米,坑深小于2 m,爆落岩片尺寸较大,数量多,直接威胁施工人员与设备的安全。处理办法:钻浅孔、喷水释放应力;及时“锚、网、喷”,格栅拱架、槽钢拱架支护,控制落石;现场确定立设Ⅰ16全圆钢拱架;

c.强烈岩爆。岩爆坑连续分布,坑深可达2 m以上,爆落岩片尺寸大、数量多,且造成围岩大面积开裂失稳,严重威胁施工人员及设备安全,处理办法为架设Ⅰ16全圆钢拱架,再辅以格栅、槽钢拱架,及时模筑混凝土支护。另外,岩爆有时并不是开挖后立即发生,而是在开挖后“潜伏”一段时间后发生,因此,有必要组织专门人员进行安全常规检查,确保过往车辆及人员的安全。

④TBM通过有水地段。对于围岩渗水地段,有必要采取加强支护措施,确保初期支护的质量。有水地段须加密环向透水管,同时须用草绳等引流排水,防止岩面被大面积淋湿,造成喷浆困难。

5)二次衬砌

秦岭隧道二次衬砌采用穿行式模板台车,其特点是施工速度快。如图7.15所示,内侧模板为穿行状态模板位置,外侧模板为灌注状态模板位置,在穿行架上配置的各油缸动作,完成模板收缩、整体下降等功能。达到穿行条件时,由穿行架背载着该组处于收模状态的模板从另一组处于立模的模板下穿行通过,从而实现穿行目的。

图7.15　穿行式模板台车穿行原理示意图

根据模板总成的结构条件,在穿行架与模板分离后能够自稳的条件为混凝土已达到初凝状态。当此组模板的混凝土达到初凝时,上一组模板已达到脱模强度。此时穿行架与此组模板分离,后退至上组模板处与之连接、脱模,然后收模,穿行至下一循环处进行连续衬砌施工。这样大大节省了混凝土脱模等待时间,提高了衬砌速度。

每一套穿行式模板台车,前面配一组防水板铺设工作架,而在穿行式模板台车的后面配一组修整工作架,中间核心部分是穿行式模板台车。穿行式模板台车由2～3组模板总成、一台穿行架组成,每组模板长16.5 m,它是集“机、电、液”于一体的大型设备。

7.5　掘进机隧道实施案例

1)工程简介

北宜高速公路穿越崎岖山区,共5座隧道,隧道总长度达20.1 km,其中最长的坪林(原坪林)隧道长约12.9 km,是完成北宜高速公路建设计划的关键工程,雪山隧道示意图如图7.16所示。该条隧道由东行线和西行线两条主隧道和一条“导坑”隧道组成,中间有三对通风用的竖井,最深的超过500m;两条主隧道之间,有28座人行联络隧道和8座车行联络隧道。发生紧急情况时,人员可从联络隧道向导坑隧道撤离,这也是当时世界上独一无二的设计。

沿线通过的地层由东而西大致为枋脚层、妈冈层、大桶山层、粗窟层、干沟层及四棱砂岩层。本隧道西半段路段,岩性主要为砂岩、页岩、硬页岩及砂页岩互层,岩性较佳;东半段路段主要为硬页岩及四凌砂岩,岩质较为破碎,只有四凌砂岩的单轴抗压强度达148～167 MPa。

隧道最大埋深720 m,通过石槽、石牌、大金面、巴凌、上新与金盈等6条主要断层(其中最大断层带预计宽达50 m以上)及莺子濑与倒吊子两处向斜构造,地下水丰富。

图7.16　雪山隧道示意图

为缩短工期、减少环境污染、降低劳工需求压力,主隧道采用2台当时技术装备最先进的双护盾掘进机施工。TBM的开挖断面直径约为11.74 m,开挖后岩壁支撑以混凝土管片为主,隧道洞口段先行以钻炸法施工。导洞采用直径4.8 m双护盾掘进机施工。

2)隧道开挖

对于这座长12.9 km的坪林隧道,原来设想会以较快速度掘进。因为现代化的掘进机技术具备掘进速度快这一优点,同时还具备对劳动力要求少的特点。

该隧道计划用3台护盾式硬岩TBM施工:1台直径为4.8 m的罗宾斯TBM用于平导掘进, TBM总长(含后配套系统)约188 m,采用电驱动;2台直径为11.74 m的维尔特TBM用于主洞掘进,TBM总长(含后配套系统)约237 m,由液压驱动,它是当时世界最大尺寸,也是功能最齐全的双护盾掘进机。3台TBM均由宜兰往坪林方向(1.255%上坡)施工。

对于主洞,预计一台TBM平均掘进进度达360 m/月,而采用钻爆法平均进度为50 m/(月·工作面)。长12.9 km的坪林隧道,采用TBM法工期为4.5 a,比采用钻爆法15 a的工期短得多。

由于当时只掌握有很少的地质资料(图7.17),风化岩层和茂密的植被使得探测钻孔和勘测工作开展非常困难。沿12.9km长的隧道定线施作的10个岩芯钻孔(计2 271 m)的大部分和其他辅助调查都是在东线洞口段范围内进行的,而且只有很少的岩芯钻孔穿过了大于750 m的覆盖层,到达隧道高程。

图7.17　雪山隧道地质剖面图

施工前,对2台主洞双护盾掘进机进行了多方面的改进:

①安装了扩孔刀,以便可在有压地层中扩大掘进直径。

②刀盘可以相对于护盾抬升,以扩大护盾上方的间隙。

③刀盘可顺时针和逆时针两个方向转动,转速可变化,以获得最大启动力矩。

④在刀盘上安装盘式滚刀和掏槽滚刀。

⑤刀盘上进渣孔口可部分关闭,以控制岩渣进入。

⑥关闭刀盘圆周上的进渣孔口和辅助液压控制的闸板,关闭运渣槽,以阻止水和稀泥进入盾壳内。

⑦在盾尾后面安装超前钻机,以方便进行支护。

⑧设置链式输送机取代皮带输送机,以便将一同输送的水排入设置在盾壳底部的抽水坑内。

在坪林隧道开挖中遇到的主要问题与隧道东口最初2～3 km极为复杂的地质状况有关。然而,在设计阶段没有对这一极为复杂的地质状况进行充分评估。

岩体由极硬的砂岩(石英含量达98%)组成,为有薄黏土夹层的层状构造体。由于存在黏土夹层,该岩体有时为松散岩层,有时为挤压地层。岩体中的孤立带、断层带和破碎带(地下水库)有大量地下水突然涌入。

小直径TBM是专门用来在良好岩体中开挖平导的,并且预计施工进度很快,但这台TBM在不良地质条件下遇到了严重问题——在1 km余的隧道掘进中,掌子面坍损多达10次,造成TBM受阻。由于岩体的强度和耐磨性很高,在平导掘进中钻勘探孔和防排水孔很困难,且耗时费钱;同样,为了改善岩体性质,以便以后大直径TBM进行正洞开挖,需沿平导断面圆周钻注浆孔也很困难,且耗时费钱。

虽然以预测的不良地质情况为基础,2台大直径TBM是以当时最先进的技术制造的,但是,这两台TBM却是在极为不利的岩层中掘进,且这种极为不利的岩层不能像当初预计的那样从平导内进行注浆改良。

考虑到上述因素,可能会出现以下问题:

①由于岩石的耐磨性极高,对整个刀盘的磨损很快,因此,不能给刀盘施加足够的推力,从而造成掌子面不稳定,且难以控制。

②隧道拱顶和边墙不稳定,从而造成对混凝土衬砌和隧道开挖断面之间的环形间隙进行的日常注浆难以实施。

③由于盾壳与围岩之间可能的相互作用(如岩块对盾壳造成的摩擦),盾壳可能会被卡住,且由于不能对较薄的混凝土衬砌施加足够高的轴向推力,因此盾壳脱困困难。

主洞(东线)于1993年7月23日开工(计划于1999年完工),先在洞口以钻爆法开挖732 m,1996年5月采用TBM施工,东线TBM共掘进3 925 m,处理和故障停机5次,计374天。1997年7月10日TBM在掘进中,掌子面发生顶拱及侧壁岩体连续坍塌80 m,深度达3.5 m以上,且涌水量增加,TBM无法掘进(图7.18),于是决定暂停TBM全断面开挖,改以在顶部进行导坑钻爆方式先行支撑补强及前方地质处理工作,而后用TBM来挖掘下台阶并安装管片衬砌。采用这种“混合”方法完成了近1 935 m长度隧道后,才恢复TBM全断面开挖。

总结TBM在东线的施工中,下述问题严重影响了TBM的正常掘进:

①由于盾壳周围围岩的变形,盾壳常被卡住,当加大油缸推力使护盾前移时,管片的强度又不能提供足够的反力。

图7.18　掌子面塌方

②刀盘没有足够的推力顶住掌子面,造成掌子面的坍塌而无法控制。

③拱顶和边墙的变形使管片和隧道开挖间隙的注浆充填无法进行。

④超前支护也受干扰。

主洞(西线)于1993年7月23日开工(计划于1999年完工),先在洞口以钻爆法开挖881 m,1996年8月改以TBM施工,西线TBM施工期间共掘进456 m,处理和故障停机总计10次,计961天。

TBM于1997年12月在开挖456 m时,通过上新断层带的剪裂带交错区时,位于隧道截面左上方,未被探测到的地下蓄水突然爆出,冲毁无螺栓连接的管片衬砌,此时TBM刀盘后方约30 m处也出现750 L/s、水压达1.8 MPa的涌水,涌水及岩渣造成已安装的管片断裂,其上方有约7000 m3岩块掩埋了TBM主机和它后面90 m长的后配套系统。

经厂家确认,修复西线受损的TBM的代价比买一台新TBM还要贵,因此这台TBM被放弃,并于1999年底完成拆除作业。主洞(西)全线改钻爆法施作至2003年4月贯通。

导洞位于主隧道两个行车孔洞之间的较低位置。开挖导洞的目的不仅仅是为了探测基岩的结构状况,也是为了超前排出山体涌水以降低山体地下水位和水压,除此之外,也可在必要的时候由探洞处理两台主洞掘进机前方的岩层。导洞工程完成之后即可作为避难洞和排水洞使用。1991年11月,订购了一台直径为4.8m的罗宾斯掘进机,施工计划是长12.9 km的导洞工程应于1995年3月结束。

导洞自1991年7月开工,先以钻爆法开挖525 m,导洞TBM于1992年12月22日开始掘进,到2003年10月20日全线贯通时,共掘进5 169 m,TBM受困停机的总天数达1 228天。其中,前8次受困,平均耗时1～3个月进行处理,第9次用了10个月、第10次用了7.5个月、第10次用了4.3个月、第12次用了2.5个月、第13次用了2.4个月时间处理。此外,更换大齿圈用了2.8个月。

在掘进过程中,由于掌子面崩塌而卡住切削头的状况已经发生有10次之多。每次崩塌发生后,都需要人工开挖绕行洞绕过掘进机盾壳,以清出被卡住的刀头。最初施工人员认为掘进机的功率及扭矩过小而不足以使切削头切削钻进,并且在切削头被岩块卡住时不能使切削头转动。

以导洞TBM第10次受困为例:1996年2月5日开挖面上方发生坍塌后,地下水随即涌出,最大出水量达143 L/s。地质状况是:坚硬而破碎石英砂岩,并夹有厚度十至数十厘米的薄层页岩及碳质页岩,层面走向大致和隧道纵轴方向一致,还有两组断层通过导洞,断层破碎含泥带的宽度达10m,形成不透水的阻水带,挡住了前方的高压含水层,当TBM开挖靠近时,巨大的水压将断层破碎带冲破、大量涌出,后续长期观测涌水量仍维持在100 L/s,地下水涌入TBM内、机头前方崩坍,此时被迫停机221天,对TBM进行抢救。

导洞TBM受困停机之后,需要从机尾处另行挖掘迂回导洞,绕行至TBM机头处,挖掘的同时还需要灌浆止水,然后将机头位置坍塌的渣料挖除,检查修复TBM受损的部分。

导洞TBM受困的主要原因是页岩受地质构造作用后,剪裂带多呈破碎且部分含“剪磨泥”, TBM一旦开挖至此地质软弱带时,开挖面围岩容易崩塌。大量土石渣料挤入刀盘及盾体内,造成TBM刀盘受阻,且渣料输送系统来不及处理而受困。遭遇涌水的地点,属于页岩中的较透水的破碎带,其汇集的水量较大,当开挖此软弱带时,开挖面先发生坍塌,水也随即由松动的破碎带中涌出。

经过组织者长时间的论证,为减少工期压力,决定增加6个工作面,采用爆破法从北洞口及竖洞进行,即通过直径7m,深250m的2号工作井来实施。隧道挖掘总量的1/3以上是从北洞口用爆破法完工的。从2号竖井挖掘隧道长度总数达5 454 m。因此,为了克服沿隧道方向的不良地质条件带来的不利影响,拟采用向掌子面前方进行系统、持续的预处理方案,但由于该方案预计费用较高、需用时间较长而排除在外。最后决定采用钻爆法穿过这一石英岩层区,然后回过头来在地质情况良好的地段再使用两台大直径TBM进行机械化开挖。

本章小结

(1)隧道掘进机是一种集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械,简称TBM。掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层挖掘隧道的一种施工方法,与钻爆法相比,掘进机法虽然投资大,但具有施工快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。

(2)TBM一般可分为开敞式TBM和护盾式TBM两大类型,其中护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分。开敞式和护盾式掘进机的区别在于:开敞式掘进机在开挖中依靠撑于岩壁上的水平支撑提供设备推力和扭矩的支撑反力,开挖后的围岩暴露于机械四周;而护盾掘进机则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑,围岩由于有护盾防护,在护盾长度的范围内不暴露。

(3)TB880E开敞式掘进机是在我国铁路隧道施工中首次成功应用的大型成套设备,它主要适用于硬岩隧道掘进施工,对局部断层地带也具有一定的通过能力。该机主要由主机、后配套系统及辅助施工设备三大部分组成。主机主要由刀盘、刀盘护盾、刀盘主轴承与刀盘驱动器、辅助液压驱动、主轴承密封与润滑、内部凯氏机架、外部凯氏机架与支撑靴、推进油缸、后支撑、液压系统、电气系统、操作室、变压器、行走装置等组成。

(4)TBM法隧道支护类型主要有管片式衬砌和复合式衬砌,复合式衬砌的实施主要包括:喷射混凝土施工、锚杆和挂网施工、闭合钢架施工、围岩坍塌、掉块的地质不良地段支护和二次衬砌。

思考题

7.1　简述TBM法与钻爆法相比的优点和局限性。

7.2　简述TBM的类型及其适用范围。

7.3　简述TBM的构造及其工作原理。

7.4　简述TBM法隧道的复合式衬砌是如何实施的。

7.5　台湾雪山隧道的TBM法的工程实践有哪些经验和教训。