大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

贺　飞, 曾祥盛, 齐志冲

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州　450016)



大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

贺飞, 曾祥盛, 齐志冲

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州450016)

为了研究中铁工程装备集团有限公司自主研制的首台TBM的各项技术特点与工程适应性，结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况，分析了TBM掘进地层特点以及主要设计参数。引松供水工程四标段掘进岩层复杂多变，富含大量断层破碎地层以及风化灰岩地层，部分地层岩石强度大且石英含量高，对TBM刀盘及刀具要求极高，TBM刀盘面板采用270 mm厚板设计，且刀座基座直接在刀盘面板上加工而成，刀具按非线性方式布置且刀间距控制在82～90 mm；设计了有效的TBM初期支护系统和材料运输平台，并且搭载了激发极化超前地质预报系统。工程掘进结果表明：该台TBM刀盘设计可靠性强且能保证高效破岩，创造了最高月进尺1 226 m、日进尺70.8 m的优异成绩，TBM在不良地质下支护高效快速，超前地质探测结果可靠，各系统运行情况良好。

引松供水工程； 大直径硬岩掘进机(TBM)； 刀盘厚板技术； 超前地质预报

0　引言

大直径硬岩掘进机(TBM)是集掘进、出渣、支护等功能为一体的隧道掘进大型复杂成套设备，是国家铁路、公路、水利、城市建设和国防建设等的隧道重要施工装备。目前世界上TBM技术成熟的厂家有美国罗宾斯、德国维尔特(中铁工程装备集团有限公司已收购知识产权)和德国海瑞克等，欧美先进的基础工业为TBM生产厂家提供了关键部件及系统技术，使其在TBM技术上具有独到的成熟经验和技术沉淀。长期以来，国内一直在积极参与和努力发展TBM技术，并积累了一定的经验。如文献[1-5]介绍了TBM滚刀破岩机制，文献[6-9]对全断面岩石隧道掘进机系统原理技术及施工进行了相关研究。由于国家的高度支持以及部分企业的自主创新，国内企业已经开始研制TBM并应用于实际工程中，但目前依然处于初步阶段，因此，有必要继续深入开展TBM设计及其施工研究，并进行相关技术和施工经验的总结。

本文以中铁工程装备集团有限公司研制的首台TBM在吉林省中部城市引松供水工程总干线四标段应用为背景，分析了该项目的复杂地质情况，系统研究了中铁工程装备集团有限公司研制的首台TBM的设计特点，并对工程掘进情况进行总结，验证了TBM掘进的可靠性和高效性，以及超前地质探测应用的有效性，以期为国内TBM国产化以及TBM施工提供参考。

1　工程概况

吉林省中部城市引松供水工程输水干线全长263.02 km, 总干线布置见图1。输水总干线采用自流输水，丰满水库取水口至饮马河为隧道，长约72 km，开挖直径为7 930 mm，坡度1/4 300，采用3台开敞式TBM掘进施工。其中，TBM3由中铁隧道集团有限公司施工，采用了中铁工程装备集团有限公司提供的具有自主知识产权的1台CTT8030E型TBM施工，是国内首次采用具有自主知识产权的国产TBM施工。

图1　总干线布置

TBM3工程标段总长度22 955 m，总体走向由北东向南西，高程为264～484 m，洞室最大埋深260 m。工程施工布置主要包括引水隧道、通风竖井、调压井、7#施工支洞、8#施工支洞和小河沿施工竖井及其他临时工程。采用TBM施工的主洞共分2个阶段，第1阶段9 683 m(71+501～66+874、66+390～61+334)，第2阶段10 515 m(60+974～50+459)，TBM掘进总长20 198 m，具体如图2所示。

2　工程重难点

2.1掘进距离长、掘进平均指标高

TBM施工的2个阶段合计总长20 198 m，采用单台TBM完成。本工程合同工期为72个月，要求第1阶段掘进平均指标为564 m/月，第2阶段掘进平均进度指标为554 m/月，进度指标要求高[10]，对TBM的可靠性要求高。

2.2灰岩段TBM施工

63+964～70+823(合计6 859 m)为灰岩段，TBM于灰岩段长距离施工在世界范围内尚属首次，灰岩岩体风化的不均质度较明显，施工过程中易出现因掌子面不平整而引发刀具异常损坏或掌子面坍塌堵住刀盘进渣口等情况，TBM的刀盘、出渣和支护系统承受着非常大的考验。缺乏在灰岩地质条件下的施工经验，加大了本工程的施工难度。

2.3TBM断层破碎带施工

隧道经过的断层及低阻异常带39处，Ⅳ级和Ⅴ级围岩等不良地质段共计4 648 m，约占隧道全长的23%，初期支护量大，对TBM辅助工法设备的设计和配置要求高。其中，位于岔路河的异常带和断层Fw24-1、F24-2，隧道埋深浅，地下水补给充足，隧道开挖可能会面临较大的涌水及塌方，对施工极为不利。

2.4岩石强度

TBM掘进第2阶段主要以花岗岩为主，占整个隧道的59%，岩石抗压强度为80～130 MPa，石英含量34%，对TBM刀盘、刀具破岩能力和耐磨性有很高的要求[11-12]。

3　TBM设计特点及其研究

本工程岩石强度80～130 MPa，Ⅳ级和Ⅴ级围岩等不良地质占比大，TBM开挖距离长，要求应用于施工的TBM在具有很高的可靠性及高效破岩能力的同时，也应兼备足够的软弱围岩通过能力。TBM整机见图3。

图3　TBM整机图

3.1主要技术参数

TBM开挖直径7 930 mm，整机质量达1 320 t，驱动功率达3 500 kW，主要技术参数见表1。

表1　主要技术参数

3.2TBM可靠性及高效破岩设计

1)刀盘面板采用270 mm厚板，保证刀盘力学强度和刚度(如图4所示)。采用无损探伤技术检测板材微观结构，确定板材内部无缺陷，防止板材发生非正常开裂现象。刀盘面板采用厚板减少了不必要的焊接环节，从而减少了很多影响刀盘结构的薄弱点，降低了刀盘焊缝开裂的概率，提高了刀盘中心区域和刀盘的整体强度。

图4　TBM刀盘中心厚面板

2)刀座基座在270 mm厚的板上直接加工而成(如图5所示)，在加工后的刀座基座上通过螺栓安装刀座，保证刀座和刀轴接触表面精度。和其他刀盘的焊接式刀座相比，该方式不存在刀座焊接变形问题，保证了滚刀安装精度，最大限度地减少了刀盘在开挖过程中焊接刀座和刀盘本体焊缝开裂的情况，降低了刀盘的故障率，提高了TBM刀盘的可靠性。

图5　TBM刀盘刀座基座直接用厚板加工而成

3)根据排渣量和排渣速度要求，确定刀盘进渣口12个，8个均匀分布在刀盘边缘，4个分布在刀盘锥板，确定进渣口尺寸分别为950 mm×450 mm和 505 mm×250 mm，以满足最大掘进速度除渣以及刀盘刚度要求。

4)依据刀盘倾覆力矩、径向不平衡力、质心偏移量等最小设计原则，TBM刀具采用非线性布置(如图6所示)，尽量保证刀盘受力均匀，降低刀盘振动。正面及边滚刀采用19 in滚刀，中心刀17 in。依据地质探测结果，刀间距设计在82～90 mm，使得破岩时滚刀之间围岩裂纹适度交汇，避免过度破碎或者裂纹不交汇，以此来提高滚刀破岩效率。

5)主驱动加强型密封设计(如图7所示)，采用迷宫+3道(内外)唇形密封，密封位置可移动设计，密封跑道设计采用耐磨材料热装而成(如图8所示)，以增强密封的可靠性。

图6　刀盘刀具非线性布置

图7　TBM密封系统

图8　密封跑道

3.3初期支护系统设计

1)配置了实用性强、操作便捷的钢拱架安装系统，大大提高了安装速度；作业平台宽敞且能前后移动，便于现场作业。

2)配置了钢筋排支护系统(如图9所示)和网片存储仓(如图10所示)，防止拱顶坍塌、剥落。

3)应急喷射混凝土系统方案。在设备桥上配置应急喷射输送泵，提前安装好管线，遇到不良地质时及时支护，使用方便可靠。

4)混凝土喷射机械手既能实现机械臂伸缩(如图11所示)，又能实现大车行走，大车设计伸缩6 m，伸缩臂伸缩2 m，降低伸缩臂伸出喷射混凝土时因自重产生收不回去的风险，减少故障率。

3.4材料运输通道和平台设计

1)优化设计后的主机平台和材料输送系统既能从主机下部输送钢拱架(如图12所示)，也可从主机上部进行输送，在设备桥处设置垂折臂吊机运输，安全、快捷(如图13所示)。

图9　钢筋排支护系统

图10　TBM网片存储仓

图11　混凝土喷射系统

图12　TBM物料运输通道

2)最大限度地增加主机平台的通行高度、宽度以及设备桥平台宽度，确保物料运输畅通，人员操作空间大，物料存储空间大。

3.5激发极化超前地质预报系统设计

TBM搭载了与山东大学共同研制的激发极化超前地质预报系统，采用多同性源阵列激发极化观测模式，理论上具有减弱电极附近异常体干扰的优势，且能压制掌子面近处异常体的敏感性，不需随着隧道开挖连续探测，阵列电极的接收模式可以实现异常体的三维反演成像。

图13　TBM物料转运

刀盘上安装测量电极14个，护盾及其后方围岩安装供电电极20个、无穷远电极2个，依靠液压控制系统实现电极伸缩，对不良地质涌水、溶洞等进行探测，如图14和图15所示。

(a)

(b)

4　掘进机应用特点

4.1TBM掘进情况

四标段地质条件是全线地质条件最复杂的标段，作为首例采用大直径硬岩掘进机在灰岩地层施工的隧道工程，TBM从2015年6月1日始发至2016年7月3日，TBM掘进后裸露的围岩呈现出溶腔溶洞发育、围岩变化频繁、地层软硬不均、涌水多发等不良地质条件。TBM安全穿越了7 km灰岩、12处断层破碎带、5处低阻异常带，最大断层影响宽度200 m，并且成功穿越了53 m的全断面碳质板岩段，攻克了围岩强度低、易塌方、岩体泥化粘刀盘、撑靴打滑、调向困难等诸多难题。在施工中，TBM掘进整体保持了连续、快速、稳定的态势，刀盘、刀座均未发生影响施工的损伤，刀盘出渣能力得到了充分验证，完成了7 346.8 m的掘进任务，创造了自主研发硬岩掘进机平均月进尺600 m、最高月进尺1 226 m、最高周进尺351.9 m、单班组最高进尺38.5 m、最高日进尺70.8 m的优异成绩，TBM表现出高效的破岩能力(如图16所示)和不良地质条件下高效快速支护能力(如图17所示)，各系统设计运行情况良好，各参数满足工程掘进要求。

图15　激发极化三维成像图(单位：Ω·m)

(a)

(b)

图17　TBM强大的软弱围岩支护能力

4.2超前地质探测应用情况

吉林引松供水工程主干线永盛兴至出口段洞线长809 m，地貌为丘陵和沟谷，地面高程257～338 m，隧道埋深35～116 m。穿越地层岩性为石炭系余富屯组凝灰岩、燕山早期钠长斑岩侵入体和三叠系大酱缸组砂砾岩。为了解TBM施工掌子面前方的地质情况，采用搭载于TBM设备的前向三维激发极化探测系统，对施工隧道进行了超前地质预报，本次预报掌子面桩号为71+424.5(如图18所示)。

本次探测的激发极化三维成像图如图19所示。激发极化预报结果如下：1) 71+424.5～+407.5段落，三维反演图像中掌子面范围内电阻率值相对较高，左侧区域出现相对低电阻区域，二电流半衰时之差数据局部为正值，结合掌子面地质分析，推断围岩与掌子面揭露情况相近，富水性不强，与掌子面相比含水性无明显变化，局部可能发育裂隙渗水。2) 71+407.5～+

394.5段落，三维反演图像中此段落范围电阻率值逐渐增大，且二电流半衰时之差大部分为负值，结合地质情况，可推断该段落围岩裂隙发育，较上一段落围岩富水性变差。开挖记录对比与预报结果对比如图20所示。由图20可知，与探测结果较为吻合。

(a)

(b)

(a)(b)

图19激发极化三维成像图(单位：Ω·m)

Fig. 193D imaging of induced polarization (Ω·m)

5　结论与建议

大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标的成功应用，验证了我国自主研发的首台TBM设计中的刀盘厚板技术、刀具非线性布置、初期支护系统布置、运输通道和平台布置、超前地质预报技术的合理性与可靠性，摆脱了我国硬岩掘进机(TBM)长期依赖进口、核心技术受制于国外制造商的困难局面。当然，要满足国家大规模基础建设对TBM需求迅猛发展的要求，还需对以下技术进行完善和提升。

图20　开挖结果与探测结果对比

Fig. 20Comparison between excavated results and predicted results

1) 虽然在刀具布置方面采取了一些优化减振措施，但TBM在掘进过程中，刀盘甚至整机都表现出了强烈的振动，给工作环境以及TBM整机寿命带来很大危害，研究TBM减振措施是急需解决的问题。

2) TBM在硬岩掘进过程中，提升TBM刀具耐磨性能和使用寿命有待进一步研究。

3) TBM主轴承目前依然以进口为主，突破主轴承技术，实现主轴承国产化应是后续研究的重点。

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Application of Large-diameter Hard Rock Tunnel Boring Machine (TBM) to TBM-3 Section of No. 4 Bid of Songhua River Water Conveyance Project in Middle Jilin Province

HE fei, ZENG Xiangsheng, QI Zhichong

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

The characteristics and main design parameters of large-diameter hard rock TBM used in No. 4 Bid Section of the Songhua River Water Conveyance Project are analyzed. The rock strata of the project are complicate; there are many fracture zones and limestone and quartz locally; and it requires high-performance of TBM cutterhead and cutting tools. As a result, the TBM cutterhead is manufactured by 270 mm thickness plate; the nonlinear distance among cutting tools is 82-90 mm; effective primary supporting system and material transportation platform are designed; and advance geology prediction system is adopted. The construction practice shows that the TBM cutterhead designed is reliable and high-efficient; the supporting efficiency of TBM in bad geological conditions is high; and the advance geology prediction results are reliable.

Songhua River Water Conveyance Project; large-diameter hard rock tunnel boring machine (TBM); cutterhead manufactured by thick plate; advance geology prediction

2015-11-25；

2016-03-17

国家高技术研究发展计划“863计划”(2012AA041801)

贺飞(1984—)，男，贵州石阡人，2007年毕业于贵州大学，机械设计制造及自动化专业，本科，工程师，现主要从事隧道掘进机设计研发工作。E-mail: tbm666@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.08.019

U 455.3+2

B

1672-741X(2016)08-1016-07