复杂地质条件下长大引水隧洞TBM主机型式选择方法研究

引言

经过数十年发展,TBM(隧道掘进机）已经被广泛应用于矿山、水利、国防等地下工程建设中,尤其在长大引水隧洞中的应用越来越广泛。TBM施工的地质环境一般比较复杂,TBM对地质环境的适应能力相对较差,使得合理选择TBM主机型式成为保证工程顺利进行的关键。众多学者针对TBM主机选型中出现的问题进行了许多有益的探索。

张军伟等根据TBM掘进过程中的围岩稳定性、隧道突水突泥、掘进效率及岩爆等问题,对TBM合理选型进行了论述,研究成果应用于大伙房输水工程特长隧洞,为类似工程提供了参考。王梦恕针对不同地层探讨了不同类型的盾构和刀盘结构,认为开敞式TBM适用于软岩地层,而护盾式TBM不适用于软岩地层。李卫兵等基于TBM破岩机理,分析了岩石单轴抗压强度、硬度、结构面产状和完整程度等地质因素对TBM选型的影响。陈援针对极硬岩、软弱围岩、岩爆洞段、突水突泥洞段和断层破碎带5种不良地质条件,论述了如何选择合适的TBM类型。总的来说,目前专门针对TBM主机选型的研究并不多,因此,本文针对具体工程和地质情况,开展TBM主机选型研究具有重要意义。

1工程概况

国内某重点调水工程灌溉面积约1200km2(180万亩）,调水线路全长约168km。引水隧洞是其中的控制性工程,总长30.7m,成洞直径为6m。隧洞地质条件复杂,有软岩为主的高地应力、高外水、高强度的安山岩、强膨胀岩(统称三高一强）地段:还有极软岩、涌水、涌泥、涌砂等不良地质洞段。经施工比选,决定采用钻爆法＋TBM相结合的施工方案。其中,进口约7km采用钻爆法施工,其余约24km采用TBM施工。复杂地质条件下长大引水隧洞TBM主机型式选择成为了工程能够顺利进行的关键。

2TBM主机型式选择方法

总的来说,采取"三步走"型式选择原则:(1）收集、查阅TBM主机型式选择的一般规定:(2）结合本工程引水隧洞的特点,确定此次TBM主机型式选择的依据:(3）展开具体比选,确定最终型号。

2.1TBM主机型式选择的一般规定

(1）隧洞施工前,应对掘进机进行型式选择,做到配套合理,充分发挥施工机械综合效率,提高机械化施工水平。

(2）掘进机设备型式选择应遵循下列原则:

1）安全性、可靠性、高效性、经济性相统一:

2）满足隧洞外径、长度、埋深、地质、地形以及洞口等环境条件:

3）满足安全、质量、工期、造价及环保要求:

4）详细阅读工程地质资料,对各种工程地质因素进行分析,考虑地质条件是否适宜掘进机及影响开挖效率的因素,并根据不同的地质情况选择合适类型的掘进机:

5）根据工程工期、工程地质、工程设计和施工工艺等多种因素,对掘进机的掘进性能提出相应要求:

6）对影响掘进机的耐久性和性能的主要关键零部件的主要技术参数进行选择。

2.2某工程引水隧洞TBM主机型式选择的依据

(1）隧洞断面的形状、几何尺寸,隧洞长度、坡度、转弯半径、埋深等设计参数。

(2）隧洞沿线岩石种类、物理特性、节理走向和发育程度,断层数量、宽度、充填物种类和物理特性,岩体自稳性,含水层和水系分布情况,涌水点和涌水量,地应力。

(3）隧洞进出口是否有足够的组装场地,附近是否有城市、江河、湖泊、水库,是否具有掘进的大件运输、吊装条件,施工现场气候条件、水电供应、交通情况等地理位置环境因素。

(4）隧洞施工总工期、准备工期、开挖工期等隧洞施工进度要求。

(5）施工队伍的技术水平和管理水平等。

2.3某工程引水隧洞TBM主机型式选择过程

2.3.1本工程TBM主机型式要求

结合隧洞具体情况,TBM主机型式选择必须满足以下要求:

2.3.1.1对地质的适应性

(1）对地质的适应性。隧洞地质条件复杂、围岩强度变化大,要求本工程TBM刀盘设计和刀具配置既能适应硬岩掘进要求,又能适应软岩掘进要求,且刀盘和刀具应具有较高的耐磨性能,以减少刀具更换的频次,实现连续快速掘进。

(2）对收敛变形的适应性。根据前期地质勘测资料可知,隧洞工程含有断层破碎带、煤系地层、富水涌水洞段、膨胀泥岩塑性变形段、大塌方段等多种不良地质洞段,因此本工程TBM型式选择和制造过程中已采纳开工前的研究成果。

2.3.1.2长距离掘进

本工程TBM掘进距离长达23.7km,为保证本工程TBM具有良好的可靠性、使用性能和配套系统,以实现本工程TBM持续掘进,应确定本工程TBM关键部件的设计寿命。

2.3.2本工程TBM主机型式的确定

2.3.2.1TBM主机类型选择

众所周知,一般情况下,在软岩及中等长度隧洞且整条隧洞地质情况相对较差的条件下（但掌子面能自稳）使用单护盾TBM。即使在围岩类别稍差时,它可发挥出较快的掘进速度,且比双护盾式TBM投资少。

双护盾式TBM主要适应于复杂地层的长隧洞开挖,一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧洞,对各种不良地质和岩石强度变化有较好的适应性。人员及设备在护盾的保护下进行工作,其安全性也较支撑式TBM更好。当岩石软硬兼有,又有断层及破碎带时,双护盾TBM能充分发挥优势。遇软岩时,软岩不能承受支撑板的压应力,则可由盾尾辅推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌混凝土管片上,以推进刀盘破岩前进,掘进与衬砌交替进行,不能同时并举,此时类似单护盾式TBM:遇硬岩时,则靠支撑板撑紧洞壁,由主推进液压缸推进刀盘破岩前进。预制混凝土衬砌混凝土管片在盾尾的保护下,由混凝土管片安装机进行拼装,实现边掘进边衬砌,TBM掘进速度较快。

隧洞主洞全长30708m,V～V（含V1、V2）类围岩总长为29121m,占洞长的94.8%:Ⅱ～I类围岩总长为1587m,占洞长的5.2%。岩石饱和抗压强度为0.2～15.6MPa,大多数为软岩,岩体完整性及围岩稳定性较差。由前期地质勘查可知,隧洞将穿越土洞及土岩洞过渡带、断层破碎带、基岩深槽、煤系地层、膨胀性泥岩、涌水、侏罗系软岩或极软岩以及二叠系硬岩洞等多种复杂地层,采用TBM施工时,需衬砌与开挖同步完成,因此,本工程隧洞较适合采用双护盾TBM,同时软岩施工时,撑靴收回,可进行单护盾施工。

2.3.2.2刀盘驱动方式选择

刀盘驱动方式选型对掘进机施工非常重要。目前常见的掘进机刀盘驱动方式有:变频电驱动、液压驱动、双速电驱动。不同驱动方式各有利弊,具体如表1所示。

从3种刀盘驱动方式的性能对比中可知,变频驱动虽然设备费用较高,但具有高的传动效率,能源消耗较低,可节约岩石开挖的电力费用,针对不同的围岩具有良好的调速性能,使滚刀能够良好破岩,对本工程不同的地质情况尤为重要。从隧洞前期地质勘探资料反映,围岩岩性多样化,主要为泥岩、砂砾岩、凝灰岩、含土砂砾石、砂岩等,综合考虑在不同围岩岩性下良好的调速性能和破岩能力,从而实现在地质稳定均匀的地层获得较高转速,在地质不匀不稳定的软岩地层或断层破碎带获得较低转速、较高扭矩,同时更好地保护刀具,保持持续掘进。因此,本工程TBM刀盘驱动方式确定采用可靠性高、传动效率高、能耗经济的变频电机驱动方式。

3结语

全断面硬岩掘进机从20世纪90年代初应用于我国水工隧洞施工,已成为长隧洞硬岩施工的首选设备之一,但是全断面硬岩掘进机对地质条件依赖性较强,只能适应岩性较均一的中硬岩地层,如出现大断层充填物又含水的软岩以及软硬相间的地层,高地应力的强膨胀软岩、突泥、涌水、涌砂地段等复杂不良地质洞段,易出现埋机、卡机或工期延长等问题,被迫改为钻爆法(常规法）,造成巨额经济损失或安全事故等。本文以国内某重点调水工程引水隧洞施工为例,提出了"三步走"TBM主机型式选择方法,确定了最终的TBM主机型号和刀盘驱动方式。该工程已投入运行9年,结构安全可靠,证明了该TBM主机型式选择方法达到了预期效果。