适用于软岩隧洞的 TBM 设备功能特性研究

杨宏欣

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

适用于软岩隧洞的 TBM 设备功能特性研究

杨宏欣

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

文章通过全断面硬岩掘进机（ 简称 TBM）在新疆达坂软岩隧洞的工程实例，阐述了适用于软岩隧洞开挖的 TBM 设备功能特性应有良好的适应性，TBM 选型和制定过程中应确定合理的 TBM 掘进性能主要技术指标， 并考虑既要满足多种复杂地质条件、 与施工方案相匹配，也要符合工期、安全要求。

TBM 设备；软岩隧洞；功能特性

在机械化掘进隧洞中，掘进机设备好坏是决定工程成败的关键因素之一，工期、成本和质量安全等在很大程度上都取决于 TBM 设备。众所周知，TBM 掘进技术在硬岩掘进中具有较强的适应性，而对软岩,则对 TBM 设备功能特性进一步提出新的要求。本文以 TBM 在新疆达坂软岩隧洞工程的成功应用为例，阐述了适应于多种复杂地层的超长距离的软岩隧洞开挖的 TBM 设备应具有良好、适应性较强的功能特性。在选型与定制过程中，须充分考虑 TBM 掘进性能主要技术指标的合理性、TBM 设备功能和性能与地质条件和环境条件相适应、与施工方案相配套等关键技术问题。

1 TBM 掘进性能主要设计指标的合理性

TBM 设备在选型和定制过程中，需根据工期要求、工程地质、工程设计、施工工艺、不良地质洞段的适应性等多方面因素对 TBM 掘进性能提出合理要求，从而确定贯入度、纯掘进速度、设备完好率、掘进作业利用率等 TBM 设备的主要技术指标。不同岩石条件下的 TBM 贯入度、纯掘进速度、掘进作业利用率是衡量工程能否按期完成的重要依据，它的合理性与否决定了工程目标的实现。

根据工程地质和工期要求，可要求设备制造商提供 TBM 在不同地质条件下的贯入度或纯掘进速度的参考值，对上述值进行评判是否满足掘进速度要求。

设备完好率是一个主要取决于 TBM 设备制造商技术水平的性能参数。完好率越高，说明设备本身性能越好。设备选型和制定过程中可向 TBM制造商要求设备完好率达到 70%～90%。

掘进作业利用率是掘进时间占总施工时间的比例，利用率越高，掘进进尺就越高。为提高掘进作业利用率，在提高 TBM 设备完好率的同时,选型设计中还需考虑 TBM 掘进、支护、出渣等各个系统间的协调配合，并加强施工组织管理。

2 TBM 主机及辅助设备的选型与地质环境的适应性

2.1 安全可靠性

达坂隧洞工程 TBM 连续掘进距离长达约 23 km，为保证 TBM 在各种不良地质条件下具有良好的安全可靠性、使用性能和配套系统，以实现TBM 持续掘进，在选型设计中确定： 主轴承、推进、支撑油缸、PLC 等 TBM 关键部件设计寿命；在油、气、电、水等系统设计中使用变频、液压、PLC程序控制等先进技术；设置 VMT 自动导向系统，精确控制 TBM 掘进方向等。同时，为创造适宜、安全的施工作业环境实现人性化管理，TBM 选型和定制中应考虑设置通风除尘装置、有害气体监测装置、安全通道、消防设施、应急设备等。

2.2 适应性

根据前期地质勘测资料，达坂隧洞工程可能含有土洞、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、极软岩以及二叠系硬岩洞段等多种不良地质洞段。在设备选型和定制过程中需全面考虑，TBM 主机与辅助设备的功能特性应与多种地质环境相适应，如：刀盘设计和刀具配置既能适应硬岩掘进，又能适应软岩掘进，且刀盘和刀具应具有较高的耐磨性能；配置超前钻机或锚杆钻机，用于富水涌水洞段、断层破碎带等不良地质洞段地质预报工作和超前预加固工作；针对富水涌水洞段，TBM 考虑配置排水泵，超前钻机、注浆设备用于超前地层加固堵水，电气设备应有良好的防水性能；针对膨胀泥岩塑性变形和塌方洞段，考虑刀盘采用封闭式设计，可设置扩挖刀，TBM 盾体结构需有足够的强度、刚度和推力、扭矩等能力储备，结构设计可做导洞开挖；撑靴压力能根据地质条件调整；针对煤系地层洞段，应考虑设置瓦斯监测系统,同时 TBM 二次通风的能力需充分考虑对瓦斯气体的稀释能力，并配置二次通风机、水泵、应急发电机、应急照明灯等防爆设备。

根据达坂隧洞前期勘探的工程地质及水文地质资料中关于地层有关物理力学性质参数、构造、环境等多种因素，初步确定的刀盘贯入度、刀盘驱动功率、推进总推力、额定扭矩、脱困扭矩、转速、径向扩挖等 TBM 的主要掘进参数应能满足各种不良地质条件的需求。

3 主机及后配套辅助设备的选型布置与施工方案的配套性

TBM 主机与后配套的辅助设备是与掘进机主机相匹配的，它们分别安装在后配套台车上，具体位置是从其本身的特性、安装尺寸、重量及台车平衡等方面综合考虑。液压系统安装在台车前部，尽量减少液压管线的长度和管线压力损失；电气设备尽量与液压、水系统设备分开布置，消除安全隐患；变压器、控制柜、空压机、应急发电机等较重、大件设备的安装除考虑安装尺寸外，还考虑台车的平衡性，根据主机和后配套辅助设备的重量在不同台车底部增加了不同程度的配重；皮带机处于后配套台车的上部中心，为出碴运输和混凝土管片运输提供较大的空间。

TBM 主机及其后配套系统在选型和制定中需考虑与施工方案相配套，结合掘进、支护、出渣三大作业并行作业特点，对 TBM 掘进速度、管片安装支护、皮带运输系统出渣能力、后配套台车设施及轨道布置、列车渣料运输能力以及相关施工设备设施的布置及性能要求进行系统的优化配置与协调，考虑掘进速度与出渣能力是否匹配，掘进速度与支护能力是否匹配，材料运输、回填灌浆、供水、供电、通风、除尘、轨道铺设等与主机设计是否匹配。TBM 施工应以掘进作业为核心，其它辅助系统配置不能延误掘进作业。后配套系统需满足掘进、支护、出渣所需的材料、供水、供电、通风、除尘等项要求，使整个 TBM 施工系统成为安全、快速和高效掘进的集成作业系统。

工程实践表明，达坂软岩隧洞 TBM 的总体设计、主要技术参数确定、支护设备的配置是科学合理的，TBM 设备适应于软岩隧洞的功能和特性即满足了多种不良地质条件的需求，符合工期要求，也与施工方案相匹配，为推动软岩隧洞全断面岩石掘进机设计与施工技术的进步提供借鉴。

［1］杜彦良，杜立杰，等.全断面岩石隧道掘进机系统原理与集成设计［M］.武汉：华中科技大学出版社.

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［3］张铸.TBM 工作原理及设备选型［J］].科技情报开发与经济，2007，17（9）：264-265.

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