隧道硬巖掘進(jìn)機TBM半洞施工技術(shù)探討

關(guān)鍵詞：硬巖掘進(jìn)機；tbm；半洞；試驗 

abstract: the construction method about tbm used for pilot tunnel excavation and extending excavation afterwards is widely applied in large-section tunnel construction. nevertheless, the method of drilling and blasting in half cavern first and then extending excavation with tbm is a creative thought and application. the power tunnel of some large section in china locates in the high stress rock burst area, and the rock burst shall make great damage to the tbm and personnel safety. this passage will take analysis and demonstration in the feasibility of tbm used for half cavern construction, damage to the equipments, construction strength, etc. respectively, which shall be an exploration and reference for the similar project construction. 

key words: rock tunnel boring machine；tbm；half cavern；test 

中圖分類號 : u45文獻(xiàn)標(biāo)識碼： a 文章編號： 

1 概況 

國內(nèi)某水電站水工隧洞，處于高山峽谷的巖溶地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，具有埋深大、洞線長等特點，主要工程地質(zhì)問題為高地應(yīng)力條件下的巖爆和地下突涌水等。為滿足施工安全和快速掘進(jìn)等要求，隧洞采用直徑12.4m的隧道硬巖掘進(jìn)機tbm進(jìn)行開挖施工。 

2 試驗?zāi)康?nbsp;

隧洞開挖進(jìn)入高埋深、高地應(yīng)力及巖爆易發(fā)洞段，為減少強烈~極強巖爆等的發(fā)生概率和風(fēng)險，滿足施工進(jìn)度要求，保證tbm安全、順利通過該巖爆易發(fā)段，研究tbm通過巖爆易發(fā)段的可行的施工方案，特進(jìn)行先鉆爆法開挖導(dǎo)洞后tbm擴(kuò)挖掘進(jìn)的施工試驗，以驗證tbm在先導(dǎo)洞后掘進(jìn)時的可行性及適應(yīng)性，以及在保證設(shè)備不受損壞的前提下，優(yōu)選適合在強巖爆段能發(fā)揮最大掘進(jìn)功效的掘進(jìn)參數(shù)，指導(dǎo)后續(xù)施工。 

3 試驗內(nèi)容及參數(shù) 

本次試驗主要內(nèi)容為以下幾項： 

（1）根據(jù)預(yù)定6種不同的tbm掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行掘進(jìn)試驗，通過對不同掘進(jìn)參數(shù)下設(shè)備狀況的監(jiān)控及掘進(jìn)效果的比較，優(yōu)選適合于水工隧洞先鉆爆法開挖導(dǎo)洞后tbm擴(kuò)挖掘進(jìn)施工的掘進(jìn)參數(shù)。 

（2）通過對擴(kuò)挖掘進(jìn)試驗過程中刀具和各種配件消耗情況的統(tǒng)計分析，監(jiān)控tbm擴(kuò)挖施工對刀盤等的磨損造成的影響。 

（3）在tbm進(jìn)行擴(kuò)挖過程中，對tbm設(shè)備主梁、驅(qū)動電機等進(jìn)行震動等進(jìn)行監(jiān)測，以監(jiān)控tbm在擴(kuò)挖施工中可能對設(shè)備結(jié)構(gòu)上造成的影響。 

（4）通過對先導(dǎo)洞掘進(jìn)試驗前后及過程中tbm油樣的分析對比，監(jiān)控tbm擴(kuò)挖施工對tbm主軸承及液壓系統(tǒng)造成的影響。 

試驗采用先期鉆爆法開挖完成先導(dǎo)洞室，在tbm開挖掘進(jìn)前釋放高地應(yīng)力，以減少強烈~極強巖爆等的發(fā)生概率和風(fēng)險。根據(jù)以往施工經(jīng)驗和參數(shù)，對半導(dǎo)洞試驗段斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計為馬蹄型斷面，具體尺寸寬×高=8.18m×7.35m，為避免tbm開挖至該段以后支護(hù)系統(tǒng)對tbm刀盤的影響，對邊墻范圍施工玻璃纖維錨桿作為臨時支護(hù)，具體設(shè)計見圖1： 

 

圖1半導(dǎo)洞開挖設(shè)計圖 

4 試驗過程及結(jié)果 

4.1 刀盤推力現(xiàn)場測試 

通過對選擇的6個工況進(jìn)行掘進(jìn)測試，每組測試采用不同的刀盤推力和刀盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行。每個工況掘進(jìn)距離為20-40cm，并重點對轉(zhuǎn)速2.5-3.0/min之間的推力進(jìn)行測試，結(jié)果見表1： 

表1推力測試工況記錄表 

 

4.2 試驗期開挖進(jìn)尺情況 

該試驗從5月22日開始，6月2日結(jié)束，總共掘進(jìn)長度為70.43m。根據(jù)影響掘進(jìn)效率因素時間分析餅圖（見圖2），主要受洞外馬蒂皮帶等非正常原因影響較大，設(shè)備利用率較低。在正常施工參數(shù)下，采用先鉆爆法開挖導(dǎo)洞后tbm擴(kuò)挖掘進(jìn)的施工方案，平均每天進(jìn)尺可達(dá)10-12m，據(jù)此推算，月進(jìn)尺可達(dá)300-360m。 

圖2 影響掘進(jìn)效率因素時間分析餅圖 

在不良地質(zhì)洞段，tbm開挖掘進(jìn)緩慢，同時，為保證施工設(shè)備和人員安全施工，一般采用拱架支護(hù)，若遇強烈-極強巖爆，支護(hù)量增加，施工強度加大，即便在保證皮帶運輸完全正常的情況下，每班最多掘進(jìn)一個循環(huán)。照此計算，每月進(jìn)尺約100-120m。因此，根據(jù)目前的實驗結(jié)果，tbm采用鉆爆法開挖先導(dǎo)洞然后擴(kuò)挖通過巖爆段在安全、進(jìn)度等方面具有一定的優(yōu)勢。 

4.3 刀具磨損及配件更換情況 

根據(jù)試驗后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，先導(dǎo)洞試驗段刀具損壞形式與全斷面開挖基本一致，其破壞形態(tài)多以刀圈出現(xiàn)裂縫為主，面刀損壞居多，邊刀損壞較少。此外，部分刀具的刀圈存在局部崩刃和偏磨情況，見圖3： 

圖3 刀具典型破壞形式 

通過與附近相似圍巖段tbm全斷面開挖的刀具損耗數(shù)量對比，擴(kuò)挖施工的刀具損壞數(shù)量明顯少于tbm刀盤全斷面開挖。此外，設(shè)備的其他配件基本屬于正常更換，未發(fā)現(xiàn)配件異常增加情況。 

4.4 設(shè)備監(jiān)測及油樣分析 

4.4.1 設(shè)備監(jiān)測 

通過對主梁、驅(qū)動電機等進(jìn)行震動及應(yīng)力、應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，得出如下結(jié)論： 

（1）主梁上部應(yīng)變?yōu)檎�值，受拉�?yīng)力；主梁下部應(yīng)變值為負(fù)，受壓應(yīng)力，說明主梁存在偏載。 

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)速小于3.5rpm/min時，主梁上部和下部應(yīng)變變化平緩；當(dāng)轉(zhuǎn)速度超過3.5rpm/min時，應(yīng)變開始增加，所以部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)轉(zhuǎn)速不應(yīng)大于3.5rpm/min。 

（3）當(dāng)工況為（9600kn，2.02rpm）、（10600kn，2.52rpm）時，雖然主梁應(yīng)變偏載較小，但掘進(jìn)速度低，出渣量很少，不適合用于日常掘進(jìn)；當(dāng)工況為（12600kn，2.99rpm）、（13600kn，2.99rpm）、（14000kn，3.0rpm）時，主梁應(yīng)變偏載較小，掘進(jìn)速度合適，出渣量正常，適用于日常掘進(jìn)。 

（4）測試數(shù)據(jù)顯示，試驗時主梁受到最大彎矩不足80mpa，掘進(jìn)過程中主梁不會發(fā)生強度破壞，但會對tbm最佳工作狀態(tài)有一定影響。與全斷面掘進(jìn)相比，擴(kuò)挖掘進(jìn)時，在同一工況下主軸承振動速度和加速度都有所增加，在主梁三個方向的振動中，垂向和橫向均有所增大，同時，激光棱鏡振動較大，可能會對導(dǎo)向產(chǎn)生不利影響。