0 引言
随着社会发展和科技进步,全断面岩石隧道掘进机( TBM) 已成为国内外隧道( 洞) 工程施工的重要选择,广泛应用于水利、矿山、城市轨道、市政交通和铁路隧道等领域。TBM 兼具安全、快速、智能等优点,代表了未来隧道施工的发展趋势[3] 。 然而,TBM 在穿越富水地层、断层破碎带、软岩及高地应力等不良地质段时,突泥涌水、塌方、围岩大变形等问题频发,极易导致卡机。出现卡机后,TBM 掘进停滞,围岩持续变形失稳 ,TBM 结构严重变形侵占了注浆、支护、清渣等作业空间,降低了不良地质段处置的时效性,增加了人员与设备的安全风险,还可能引发水土流失、地下水污染等生态问题。 此外,TBM 脱困处置周期长、技术要求高,导致人工、设备及管理成本激增,项目关键节点工期滞后。
目前工程技术人员和学者已对 TBM 卡机问题进行了大量研究。 在卡机机制方面,Hasanpour 等分析了挤压变形地层的卡机机制,建立了围岩参数、TBM设备参数与推力之间的关系;鲁义强等基于 Burgers模型和 M-C 塑性体串联的 CVISC 黏弹塑性模型,推导了塑性区和黏弹性区径向位移解析解,解决了高地应力围岩挤压型大变形理论解析问题;刘泉声等揭示了深部高地应力挤压变形导致的卡机机制,提出了护盾卡机状态的理论计算方法。 在卡机处置方面,齐梦学等 结合 TBM 施工实践总结了 10 项现有处置技术,并分析了其技术特点与适用性;杨腾添等采用Midas 分析了超前钻注一体化装备在TBM 超前加固技术中的应用可靠性;王亚峰结合高黎贡山隧道施工经验,总结了掘进参数控制、超前加固等关键技术;刘晓春针对大凉山 1 号隧道断层破碎带,提出了预防卡机的预处理技术;杨志勇分析了大瑞铁路高黎贡山隧道的突泥涌水问题,提出了增设迂回导坑等解决方案。 在 TBM 装备改造方面,吕建乐对比了液压扩挖刀、边滚刀外移等设计方案,总结了不同扩挖方式的适用性;陈馈等针对高黎贡山隧道的特殊地质条件,设计了高适应性的 TBM 关键部件,为 TBM 选型和制造提供了参考。
目前,关于 TBM 卡机的研究主要集中在脱困技术上,从装备制造层面进行卡机预防的研究相对较少。本文从装备制造角度出发,深入探讨 TBM 卡机机制,研究防卡和减卡措施,并总结新型防卡、减卡 TBM 设计方案,以期为 TBM 在卡机风险下的安全高效运行提供新的思路和解决方案。
1 TBM 卡机机制
卡机的判定条件为: 护盾所受摩擦阻力 Fsf =∫ptds>Fst。 其中,Fst 为 TBM 最大推力; s 为盾体的外表面积。
1. 1 卡机状态与类型
受围岩破碎、地下水活动、高地应力等不利因素影响,隧道围岩可能发生坍塌或收敛变形。当围岩与TBM 直接接触产生的阻力超过TBM 掘进动力时,就会造成卡机。
根据 TBM 卡机程度,其作业状态可分为 2 种: 1)完全卡机,TBM 无法掘进,仅作为锚杆、锚索等支护作业的工作平台,施工进度严重滞后; 2) 部分卡机,TBM通过人工超前扩挖等措施掘进,施工效率较低。
TBM 卡机程度直接影响其作业状态与性能,严重制约隧道开挖进度。 通过对香炉山隧洞与高黎贡山隧道 TBM 卡机案例的调研,结合卡机成因与 TBM 受力情况,将 TBM 卡机分为应力型卡机和重力型卡机2类,如图 1 所示。
图 1 TBM 卡机类型
1) 应力型卡机 ( squeezing - induced jamming) : 隧道开挖过程中,围岩收敛变形导致的挤压在刀盘、盾壳或后配套上产生的总摩擦阻力超过 TBM 推力,主要发生在高地应力、高流变性、高扰动敏感性的软弱破碎地层中。 由于围岩收敛变形具有空间非均匀性与迟效性,卡机部位通常位于 TBM 护盾与后配套位置。 由于后配套作业空间充足,卡机易处置,因此重点研究护盾卡机的相关问题。
2) 重力型卡机 ( gravity - induced jamming) : 隧道开挖过程中,围岩破碎塌落和高水压挤压在刀盘、盾壳上产生的摩擦力超过 TBM 推力或刀盘转矩,主要发生在围岩完整性差、结构松散、节理发育的不良地质中( 例如滇中引水工程的断层破碎带、蚀变带、突涌水) 。根据卡机部位,可分为刀盘卡机、护盾卡机及刀盘与护盾双卡 3 种类型。
1. 2 卡机机制
TBM 通常采用被动支护理念,相较于主动支护理念,其卡机风险更高。 卡机情况与围岩地质条件密切
相关,主要表现为围岩强度、完整性及地应力等方面的影响。
1. 2. 1 应力型卡机
隧道施工过程中,TBM 开挖破坏了围岩的应力平衡状态。 软弱破碎围岩在高地应力持续作用下发生收
敛变形,围岩以收敛应力的形式与 TBM 接触,导致卡机。 TBM 应力型卡机盾体受力示意如图 2 所示。 应
力型卡机主要由地应力与岩石强度主导,其变形量与变形速率因岩石强度和地应力大小而异。 例如: 软岩在高地应力下表现为收敛变形量大、持续时间长、变形速率快,极易引发卡机。
图 2 TBM 应力型卡机盾体受力示意图
卡机的判定条件为: 护盾所受摩擦阻力 Fsf =∫ptds>Fst。 其中,Fst 为 TBM 最大推力; s 为盾体的外表
面积。
1. 2. 2 重力型卡机
TBM 开挖过程中,对于结构面( 节理、裂隙、断层等) 发育的围岩若支护不及时,大范围岩石塌落会以重力形式挤压 TBM,造成卡机。 TBM 重力型卡机受力示意如图 3 所示。 重力型卡机主要由围岩结构面发育程度与塌落介质类型主导,由于完整性较差的围岩塌落具有突发性,重力荷载集中于 TBM 护盾上部与刀盘前方,具有突发性强、灾害性大、风险高、上部变形大等特征。
图 3 TBM 重力型卡机受力示意图
卡机的判定条件为:
1) 刀盘阻力 Fcf>刀盘最大转矩 Fct,刀盘卡机;
2) Fsf>Fst,护盾卡机;
3) Fcf>Fct 且 Fsf>Fst,刀盘与护盾双卡。
1. 3 卡机风险分级
影响TBM卡机的相关参数主要有岩石的单轴抗压强度、强度应力比、岩体完整性、岩石硬度等指标 。根据应力型卡机围岩挤压变形与重力型卡机围岩塌落范围,建立了围岩类别、围岩状态和卡机风险对照关系 表 ( 见表1 ) , 据此可定性预测TBM卡机风险。
表 1 TBM 卡机风险对照关系
根据 TBM 卡机风险等级,建立针对性的 TBM 防卡、减卡措施, 以在有效避免卡机的同时充分发挥TBM 设备的性能。
2 TBM 防卡、减卡措施
2. 1 TBM 防卡、减卡技术方向基于 TBM 卡机机制,从围岩状态、支护形式以及TBM 性能 3 个方面,增强 TBM“ 主动” 功能,明确不同卡机风险等级下的 TBM 减卡、防卡重点。
2. 1. 1 应力型卡机防卡、减卡措施
根据应力型卡机特征,秉持充分发挥围岩自承性并加快 TBM 通过的理念,根据不良地质卡机风险,建立如下防卡、减卡措施。
1) 围岩状态方面: 减小围岩地应力。
2) 支护形式方面: 及时、 高效支护, 控制围岩变形。
3) TBM 性能方面: 通过扩挖避免围岩变形挤压护盾,并提高 TBM 动力性能。
2. 1. 2 重力型卡机防卡、减卡措施
根据重力型卡机特征,秉持快速、有效限制破碎围岩持续破坏的理念,根据不良地质卡机风险,建立如下
防卡、减卡措施。
1) 围岩状态方面: 提高围岩完整性。
2) 支护形式方面: 及时、高效限制围岩塌落。
3) TBM 性能方面: 提高刀盘、护盾抗冲击能力与TBM 动力性能。
2. 2 通用防卡、减卡措施
2. 2. 1 提升 TBM 动力性能
提升 TBM 的推力与刀盘转矩是增强掘进能力、减少卡机的直接手段。 然而,过大的推力与转矩会影响设备稳定性,可能加剧刀具和设备的损伤,并对地层造成过度扰动。 因此,需根据地质条件和工程需求合理设计 TBM 的推力与转矩。
2. 2. 1. 1 提高 TBM 推力
提高推力可较好地应对护盾卡机问题, 敞开式TBM 推进系统结构布置如图 4 所示,主要通过以下 2种方式提高推力:
1) 增加液压缸数量、增大液压缸直径、增大推进压力,直接提升主机推进力。
2) 增加辅助撑靴、设置辅助推进油缸,额外增加推力。 经设计方案论证,通过辅助撑靴与设置辅助推进油缸的方法可提升最大推力至原推力的 1. 5 倍以上,具体效果取决于结构设计和设备选型。
图 4 敞开式 TBM 推进系统结构布置图
2. 2. 1. 2 提高 TBM 刀盘转矩
针对刀盘卡机问题, 提高刀盘转矩可提升刀盘在破碎地层中运转的可能性,降低卡机风险,例如某主驱动参数见表 2。 具体措施包 括: 1) 选择大减速比减速机; 2) 增加驱动电机数量 ( 原设备需预留安装接口) 。
表 2 某主驱动参数
通过以上方案,刀盘转矩可提升 1. 58 倍。 目前,提高 TBM 推力与刀盘转矩的技术已在引汉济渭、滇中
引水、引江补汉等工程中成功应用。
2. 2. 2 提升 TBM 支护效率
针对不同卡机风险地层,及时有效的支护是控制围岩变形、预防卡机的基本手段。 提升TBM 支护效率的主要措施包括加装钻、注、锚一体化锚杆钻机和搭载TBM 自动喷混系统。
2. 2. 2. 1 加装钻、注、锚一体化锚杆钻机钻、注、锚一体化锚杆钻机是一种集钻孔、注浆和锚固功能于一体的工程设备,由钻孔机构、注浆系统、锚杆安装机构和控制系统组成,钻、注、锚一体化锚杆钻机如图 5 所示。 TBM 搭载该设备可显著提高锚杆施工的效率和质量,同时减少人工干预。
由于钻、注、锚一体化锚杆钻机尺寸较大,在 TBM平台上应用时存在结构与管路干涉问题,一般应用于大直径 TBM。 目前,相关单位已针对 TBM 平台与钻机开展相关研究,优化了钻杆长度、入岩角度及结构设计。 该研究成果已应用于西南某隧道工程( TBM 开挖直径10230mm) 。
图 5 钻、注、锚一体化锚杆钻机
2. 2. 2. 2 搭载 TBM 自动喷混系统
TBM 自动喷混系统通过位移传感器与角度传感器采集喷混系统各关节的行程、角度等参数,基于特征点云处理技术、轨迹规划算法与运动控制技术,实现钢拱架检测、作业轨迹规划、喷混机械手自动控制及喷混作业一键启动等功能。 目前,常用的喷混结构主要包括桥架式和滑车式 2 种。
桥架式喷混结构具有运输通道通畅、喷射覆盖范围广、故障率低、防尘罩防护效果好等优点,但结构空
间占用大、管路布置复杂、维修保养成本高;滑车式喷混结构具有结构简单、空间占用小、成本较低等优点,但作业空间有限、喷射覆盖范围较小、反弹料防护不足。 喷混系统结构如图 6 所示。
目前,桥架式喷混结构已成功应用于西南某隧道工程( TBM 开挖直径 10 230 mm) ,滑车式喷混结构应
用于福建龙岩万安溪引水工程 ( TBM开挖直径3830 mm) 。 2 种喷混结构在降低人员劳动强度的同时,显著提升了支护效率和质量,应用效果良好。
图 6 喷混系统结构(单位: mm)
2. 3 应力型卡机防卡、减卡措施
2. 3. 1 TBM 扩挖技术
TBM 扩挖可增大围岩与护盾之间的间隙,延长围岩变形作用于护盾的时间,从而显著提升 TBM 在大变
形地层的通过性,有效降低卡机风险。 根据不同地层的卡机风险等级,指导设计 TBM 扩挖量。
针对低、中卡机风险地层,增大 TBM 开挖直径是直接有效的防卡措施,通常采用以下 2 种方式实现扩挖:
1) 刀轴垫块。 目前 TBM 刀盘扩挖主要通过更换大尺寸边滚刀与增加刀轴垫块厚度来实现,边滚刀尺寸扩大 12.7mm(19 英寸更换为 20 英寸) ,刀轴垫块厚度一般分为 20、50mm 逐渐增加。 该技术具有灵活性高、地质适应性强、施工简便等优点。 但受限于垫块厚度与刀箱空间,难以满足大尺度扩挖需求,主要应用于低卡机风险地层。 例如: 滇中引水工程香炉山隧洞TBM 段,通过更换大尺寸边滚刀与增加刀轴垫块厚度,实现了开挖半径增加 62.7mm。
2) 扩挖刀箱。 刀盘通过预留 3 把 EC( 机械式) 扩挖刀箱和 1 把双刃 EY ( 液压式) 扩挖刀的方法增大
TBM 开挖直径。 扩挖刀盘如图 7 所示。 正常开挖时,EC 刀箱不安装滚刀,EY 扩挖刀潜藏在刀盘内部。 需要扩挖时,中盾换刀撑靴撑紧洞壁,刀盘后退后进行空转,EY 扩挖刀缓慢伸出逐渐贯入洞壁,刀盘向前扩挖掘进至掌子面后 EY 扩挖刀收回,安装 EC 扩挖刀箱及滚刀, 配合主驱动抬升, 可实现半径方向 50、100、150 mm 连续扩挖。 这种方法具有扩挖部分安装简单、扩挖量易于控制等优点,但扩挖刀箱安装调试过程繁杂,磨损冲击风险高,液压式扩挖刀体积较大,适用于短距离软弱地层。 目前,该技术已成功应用于引江补汉、吉林供水等国家重点工程。
图 7 扩挖刀盘示意图
2. 3. 2 柔性支护技术
应力型卡机地层具有变形量大、持续时间长的特点。 刚性支护方式可能会承受较大的变形压力,一旦超过支护结构的承载能力,将导致支护结构破坏,甚至引发围岩大范围坍塌。 因此,针对应力型卡机地层,应采用具备一定伸缩性并允许围岩产生较大变形的柔性支护方式。
2. 3. 2. 1 阻尼重型钢混管片
阻尼重型钢混管片是一种在管片中安装阻尼器的钢-混凝土复合支护结构,其中阻尼器是一种添加了阻尼材料的结构件,能够提高管片的强度、韧性及荷载分散能力,增强构件的安全性和稳定性。
针对高卡机风险地层, 将阻尼重型钢混管片与TBM 扩挖工艺结合使用,可有效控制盾体尾部软岩大变形,间接控制盾体区域软岩变形。 该方案具有支护速度快、稳定性好、安全性高、见效快等优点,但阻尼重
型钢混管片造价高,仅适用于高卡机风险地层。 搭配阻尼重型钢混管片的工艺如图 8 所示。
图 8 阻尼重型钢混管片安装工艺图
2. 3. 2. 2 让压钢拱架
让压钢拱架支护通过让压装置将围岩中积聚的部分能量传递到外界,为围岩稳定变形提供恒定阻力。让压装置结构如图 9 所示。 该支护结构具有可操作性强、适应性强、应用范围广等优点,能够有效释放开挖过程中的初始地应力,减小钢拱架的被动抵抗力,有利于控制围岩变形,适用于中、高卡机风险地层。
图 9 让压装置结构示意图
2. 3. 2. 3 让压锚索和让压锚杆
在 TBM 隧道支护体系中,传统锚喷支护在应对围岩变形量大、变形速率快、变形持续时间长的应力型卡
机地层时,常表现出结构受力成环慢、锚杆易断裂失效、混凝土易开裂等问题,卡机应对能力不足。
为解决上述问题,采用让压锚索和让压锚杆相结合的支护方式。 长锚索提供较大的拉力和整体支撑,短锚杆提供局部支撑,二者协同作用可将支护结构的负载均匀分配,减小局部应力集中风险,增强整体支护效果。 长锚索 +短锚杆支护如图 10 所示。 该方式可根据不同地质条件和支护要求灵活调整锚索与锚杆的布置,实现最佳支护效果,适用于高卡机风险地层。
2. 4 重力型卡机防卡、减卡措施
2. 4. 1 超前加固技术
2. 4. 1. 1 超前钻机
通过在 TBM 上搭载超前钻机,可实现掌子面前方长距离破碎围岩的超前加固,提高围岩完整性,避免围岩坍塌导致的重力型卡机。 TBM 超前钻机如图11 所示。
图 11 TBM 超前钻机
目前,常规 TBM 超前钻机的钻杆与钢拱架存在干涉问题,需割除干涉处的钢拱架才能正常作业( 作业后进行补强) 。 为提高作业效率,对 TBM 超前钻机的结构与布置进行了改进,如图 12 所示。 具体改进措施包括:
1) 在 TBM 盾体顶部 120° 范围内预留超前钻孔( 以引江补汉工程中铁1468号为例, 钻孔直径为140mm,外插角约为 7°,钻孔间距约为1m) ,解决钻杆与钢拱架的干涉问题;
2)减小外插角,提高掌子面前方围岩的加固距离。
改进后的超前钻机布置断面如图 13 所示。 该设计方案预计可实现 25 m 的钻孔深度,可满足20m的掘进需求。
图 12 TBM 超前钻机布置方式
图 13 改进后的超前钻机布置断面图
改进后的 TBM 超前钻机可搭配不同支护方法,应对不同等级的卡机风险:
1) 超前管棚法。 针对高卡机风险的地层,通过在护盾上方扩挖管棚工作室,结合注浆加固围岩,形成棚护结构。 超前管棚法工艺如图 14 所示。 这种方法通常采用多次搭接循环施作的方式对破碎围岩进行超前加固,具有撑力强、围岩变形控制能力优、地质适应性强等优点,适用于大范围的破碎地层。
2) 超前注浆法。 针对中卡机风险的地层,利用超前钻机向掌子面前方钻孔,注入水泥浆液或化学浆液,
固结破碎岩体。 超前注浆工艺如图 15 所示。 这种方法具有灵活度高、作业简单、围岩完整性好等优点,适用于小范围的破碎地层。 此外,超前钻机还可用于掌子面前方围岩的钻孔泄压,降低围岩应力,提高作业安全性;同时,结合超前地质预报可提高地质探测范围与精度。
图 14 超前管棚法工艺图
图 15 超前注浆工艺图
2. 4. 1. 2 水平搅拌钻加固技术
针对高卡机风险地层,通过在 TBM 盾壳上安装水平搅拌钻,可对前方围岩进行泥浆搅拌加固。 与超前钻机预加固相比,水平搅拌钻可快速对掌子面附近围岩进行加固,具有施工流程简单、操作快捷等优点,适用于围岩强度低、破碎严重、含水量少的地层。 该方法通常与阻尼重型钢混管片结合使用,进一步确保开挖隧道的稳定性。 TBM 水平搅拌钻工艺如图 16 所示。
图 16 TBM 水平搅拌钻工艺图
2. 4. 2 扩挖同步防护技术
与应力型卡机不同, 重力型卡机在扩挖后需同步对围岩进行防护,以防止塌落,避免设备损坏和卡机发生。 因此,亟需开发与扩挖方法相匹配的防护措施。
1) 插刀防护技术。 在 TBM 刀盘与盾体之间安装周向间隔排布的可伸缩插刀( 如图 17 所示) 。 TBM 正
常掘进时,插刀收回,不影响掘进作业;当遇到软弱破碎地层时,插刀通过液压油缸伸出,并通过下部倾斜油缸斜向上抬升,插入围岩。 此时,插刀在刀盘周向形成防护空 间, 并提供额外支撑力, 阻止碎石进入刀盘内部。
图 17 插刀布置图
插刀设计时需重点考虑刀头的前刃角、刃长、厚度、侧刃角、宽度等参数,需结合实际地质特征不断进
行验算优化,在匹配伸缩油缸性能的前提下,实现对不良地层的有效防护。 该技术可有效解决盾体与刀盘间隙导致的碎石卡刀停机问题。 然而,受限于插刀支撑强度与推进力,该技术目前仅适用于软弱破碎地层,一般作为防卡、 减卡的配套装置, 适用于低卡机风险地层。
2) 组合施工方法。 针对中卡机风险地层,TBM 盾体插刀通常与扩挖及阻尼重型钢混管片组合使用,带插刀的扩挖工艺如图 18 所示。 该方法无需提前对围岩进行加固处理,工序简单,且不影响 TBM 正常掘进,可实现 TBM 在小范围断层破碎围岩段的快速通过。
图 18 带插刀的扩挖工艺图
2. 4. 3 整机抗冲击性设计
由于重力型卡机围岩塌落具有突发性,TBM 设备损坏风险较高。 因此,需从刀盘、盾体、主轴承等方面
提升 TBM 整机的抗冲击性,以应对不同等级的卡机风险地层。
1) 刀盘结构加强。 刀盘整体强度取决于盘体结构强度。 采用双箱型结构替代单箱型结构,可显著提高刀盘的结构强度与刚度,降低刀盘应力,延长使用寿命。 刀盘结构如图 19 所示。 此外,刀盘刮板座( 铲斗座) 采用一体式锻造结构,相较于钢板焊接结构,其结构强度和耐冲击性能显著增强。
图 19 刀盘结构图
2) 主轴承结构加强。 主轴承采用 3 排圆柱滚子组合轴承,通过滚子双列设计增加长度,提升其承载能力和抗冲击性能。 单列与双列滚子截面对比如图 20所示。
3) 盾体结构加强。 通过采用高强度材料制造盾体外壳和主承力结构,提升盾体尾部结构的抗弯截面系数以及缩短盾体尾部的悬臂长度,可显著增强盾体结构的抗冲击性能。 具体而言,TBM 盾体主结构外层壳体以高强度钢和耐磨钢为主要材料,并辅以不锈钢和复合材料,以兼顾强度、耐磨性和耐腐蚀性。此外，盾体采用箱体式结构设计,内部合理布置加强筋板,进一步优化应力分布并提升整体刚度,从而有效提高盾体在复杂地质条件下的稳定性和耐久性。
图 20 主推滚子轴承截面图
2. 5 防卡、减卡措施的展望
目前,TBM 防卡、减卡措施在实际应用中仍面临诸多挑战: 超前处置措施成本高昂、施工周期长,同步防护措施实施难度大、风险高。 为突破 TBM 卡机问题的技术瓶颈,亟需进一步融合施工工法与装备制造,寻求创新性突破。 以下是一些思考与建议。
2. 5. 1 地应力释放技术
地应力释放是通过预裂、扩挖等措施减小围岩内部应力的有效方法,主要用于应对高地应力地层中的高卡机风险。 合理释放应力可减小围岩变形, 降 低TBM 卡机风险,同时提高施工人员及设备的安全性, 保障工期和控制成本。
通过在隧道顶部打设 3 ~ 5 个孔洞,实现围岩应力释放,扩挖应力槽位置如图 21 所示。 根据应力释放孔
的位置,可分为盾尾应力释放与盾顶应力释放。
1) 盾尾应力释放: 针对软岩大变形地层,围岩裸露出护盾后,通常采用钢拱架/锚杆锚索等方式进行初期支护;同时,在盾尾打设若干应力释放孔,可释放围岩累积的高地应力。 应力释放孔通常采用液压钻机或潜孔钻机在边顶拱 270°范围内打设,孔深为隧道直径的 1 ~ 2 倍,孔径为 50 ~ 150 mm,具体参数可根据工程地质情况调整。 该方式可以实现对初期支护承受围岩应力的直接释放,以及对护盾顶部围岩的间接应力释放,既避免了初期支护结构失效,又降低了卡机风险。
图 21 扩挖应力槽位置示意图
2) 盾顶应力释放: 通过钻机在 TBM 护盾顶部预留的盾体超前注浆孔 120°范围内打设应力释放孔,实现围岩应力释放。 应力释放常采用潜孔式超前钻机,孔深一般为 25 m,孔径为 75 ~ 120 mm,布孔范围、钻进参数可根据地质条件进行调整。 TBM 护盾顶部在设计制造时预留有盾体超前注浆孔,既可实现水平和倾斜式超前注浆,又可作为应力释放孔。
需要注意的是,在应力释放过程中,应力槽内部受到径向挤压导致槽体空间逐步收敛。 因此,工程中需根据实际情况多次钻孔扩挖,确保应力释放至安全范围内。
2. 5. 2 悬臂掘进机超前导洞技术
通过在 TBM 掌子面前方搭配悬臂掘进机开挖导洞,待导洞完成后,剩余断面由 TBM 快速掘进通过。该技术可有效释放岩体地应力,并且悬臂掘进机开挖导洞半径小,遇到不良地层时致灾性低,适用于完整性较好的高地应力大变形地层,可有效应对应力型卡机。其融合了高端机械装置与传统隧道分步开挖的思路, 关键在于上导洞支护方式的选择与 TBM 掘进控制。
1) 上导洞支护方式的选择: 导洞完成后围岩应力重新分布,围岩应力长时间聚集将引起软岩大变形的持续发生。 因此上导洞合理的初期支护是保障导洞安全性与可行性的关键,而不是卡机之后再扩挖换拱。一般可采用挂网锚喷等柔性的方式进行支护,在保障导洞稳定性的前提下充分进行应力释放。
2) TBM 掘进控制: TBM 掘进过程中,导洞区域滚刀空载,进入岩体时发生荷载突变,部分滚刀频繁承受冲击荷载,增加了滚刀异常损坏的风险;此外,导洞的存在加剧了刀盘的偏载受力,增大了滚刀轴承的负荷,进而导致轴承过早损坏,降低了滚刀的使用寿命、掘进效率和施工安全。 因此,需要严格控制推力、转速、贯入度等掘进参数,并加强 TBM 状态监测工作,加强刀盘刀具检查与维护保养工作。
2. 5. 3 悬臂掘进机“ 挑顶” 扩挖技术
通过在 TBM 盾尾 L1 区加装悬臂掘进机,可在护盾顶部采用“ 挑顶” 或“ 开槽” 的方式进行扩挖,如图22 所示。 该方法具有机械化程度高、扩挖范围大、扩挖能力强等优点,能够实现与 TBM 掘进同步作业。 该
技术通过扩挖出一条通道对围岩高地应力进行释放,并截断围岩应力传递路径,一方面避免围岩持续变形引起卡机,另一方面有利于卡机后的脱困。 其实施的关键在于解决悬臂掘进机出渣与破碎地层支护 2 大核心问题。
1) 悬臂掘进机出渣: 掘进产生的渣土若未原位处理,可能掉落至 TBM 作业平台,导致安全风险高、清渣
难度大、洞内粉尘污染严重。 因此,需设计高效的出渣系统,将渣土直接输送至 TBM 出渣皮带机,并配备除尘装置,确保施工环境安全清洁。
图 22 加装悬臂掘进机进行扩挖的结构图
2) 破碎地层支护: 扩挖后围岩应力重新分布,破碎地层仍存在塌落风险。 需开发快速支护工艺与装备,例如模块化支护系统或智能支护机器人,以高效应对破碎地层的稳定性问题。
上述 2 种技术较为适应软岩地层引起的卡机,但无法适应断层破碎带地质条件。 因导洞开挖面积小,采用悬臂掘进机方法开挖极易扰动拱顶上方岩石,引起大块岩渣脱落,若不及时支护,甚至会引起导洞坍塌。
3 创新型防卡、减卡 TBM
3. 1 双结构 TBM
为提高 TBM 在破碎带等地层中的适应性,在敞开式 TBM 的基础上研制了 “ 双结构 TBM” , 如图 23 所示 。 该设备通过在主机区设置拱架/管片拼装机,实现了“ 网-喷-锚” 和“ 钢管片-辅推”2 种支护方式及
推进模式,显著提升了 TBM 在软岩破碎地层中的掘进效率和安全性。
图 24 为多自由度钢拱架/钢管片拼装一体装置,具备钢拱架及钢管片拼装功能。 常规情况下安装钢拱
架支护;遇严重破碎地层时,在盾体保护下安装钢管片,既为作业人员提供防护,又提高了支护及掘进效率,同时减少了清渣工作量,但采用钢管片支护增大了施工成本,一般只在强破碎带地层中使用。
图 23 双结构 TBM 示意图
图 24 多自由度钢拱架/钢管片拼装一体装置
目前,双结构 TBM 已成功应用于引水工程。 双结构 TBM 支护结构如图 25 所示。 该类型 TBM 有效解
决了围岩变化频繁、地层软硬不均等工况下的设备稳定性难题,显著控制了隧道围岩变形量,充分体现了其良好的适应性。
图 25 双结构 TBM 支护结构图
3. 2 掘爆机 BBM
针对 TBM“ 卡机” 频发问题,中国工程师提出了一种新 型 掘 爆 机 BBM ( boring and blasting machine ) 。BBM 结合了 TBM 与钻爆法的优势,既能解决 TBM 在软岩破碎地层中掘进效率低、卡机风险大的问题,又能克服常规钻爆法进度慢、隧道超欠挖难以控制的缺点,实现了 2 种工法的优势互补。 掘爆机 BBM 结构示意如图 26 所示。
图 26 掘爆机 BBM 结构示意图
BBM 通过刀盘空心设计,实现了掘进与爆破工艺灵活转换,是一种适用于岩石地层的边掘边爆新工法。
该技术可实现 TBM 法与新奥法之间的灵活转换,便于实施超前注浆、支护等措施,有效应对不同地层带来的TBM 卡机问题。 TBM 法与新奥法工法转换示意如图27 所示。
根据不同的地层情况, 拟搭配采用不同的掘进工艺。
1) 软岩大变形地层。 针对软岩大变形地层,BBM通过中空刀盘采用钻爆法超前开挖部分断面隧道作为导洞。 该方法一方面可释放高地应力地层的应力,另一方面为锚杆台车超前加固掌子面围岩提供作业空间。 该工艺不仅减少了额外开挖导洞工作量,还提高了超前注浆的精度与范围,加固效果显著。 软岩大变形地层 BBM 开挖工法如图 28 所示。
图 28 软岩大变形地层 BBM 开挖工法示意图
2) 破碎带地层。 针对断层破碎带地层,BBM 除在盾体顶部采用超前钻机加固掌子面前方破碎围岩外,还可通过中空刀盘对掌子面碎石进行清理或注浆加固。 破碎带地层 BBM 开挖工法如图 29 所示。通过破碎地段后,转换为全断面开挖。
图 29 破碎带地层 BBM 开挖工法示意图
3. 3 子母 TBM
在掘爆机 BBM 的基础上,研发了一种可实现不同内径隧道开挖的全机械法 TBM———子母 TBM,如图 30所示。 子母 TBM 中,子机具有独立的主机驱动与撑靴装置。 作业时,通过预先在母机中安装子机,实现大断面掘进时子母机同步作业, 小断面掘进时子机独立作业。
图 30 子母 TBM 示意图
子母 TBM 的研发是地下空间开发装备的进一步革新,对于 TBM 卡机问题具有以下优势:
1) 超前释放应力。 子机 TBM 通过小断面超前掘进,施工风险低,可探明掌子面前方复杂地质情况,并超前释放围岩应力,降低整机卡机风险;子机掘进还可提供超前作业面,便于不良地质的超前处理。
2) 卡机脱困。 内外刀盘独立旋转,大断面掘进时可通过调整内外刀盘的转向、转速、转矩等参数,有效减少刀盘卡机与结泥饼问题,有利于 TBM 卡机脱困。
4 结论与展望
1) 根据围岩作用于 TBM 的应力形式,将卡机类型分为应力型卡机与重力型卡机 2 种,并通过卡机机制
分析,明确了应对不同卡机风险等级的防卡、减卡技术方向。
2) 根据不同卡机风险等级,提出了提升 TBM 动力性能与支护效率的通用卡机措施,TBM 扩挖、初期柔
性支护的应力型卡机措施,以及超前加固、扩挖同步防护、整机抗冲击性的重力型卡机措施,以应对不同风险等级的卡机问题。
3) 创新研发的双结构 TBM、掘爆机 BBM 和子母TBM,具有灵活性高、适应性强、卡机风险应对能力强
等优势,为复杂地质条件下 TBM 技术的创新发展提供新思路。
目前,TBM 对不良地质适应性差的问题严重制约了其发展。 未来发展的主要目标是实现 TBM 不卡机、
不换拱。 为此,亟需开发新理念、新技术和新产品,以适应日益复杂的施工环境并提高施工效率。