隧道硬岩掘进机TBM半洞施工技术探讨

关键词：硬岩掘进机；tbm；半洞；试验 

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 

中图分类号 : u45文献标识码： a 文章编号： 

1 概况 

国内某水电站水工隧洞，处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋深大、洞线长等特点，主要工程地质问题为高地应力条件下的岩爆和地下突涌水等。为满足施工安全和快速掘进等要求，隧洞采用直径12.4m的隧道硬岩掘进机tbm进行开挖施工。 

2 试验目的 

隧洞开挖进入高埋深、高地应力及岩爆易发洞段，为减少强烈~极强岩爆等的发生概率和风险，满足施工进度要求，保证tbm安全、顺利通过该岩爆易发段，研究tbm通过岩爆易发段的可行的施工方案，特进行先钻爆法开挖导洞后tbm扩挖掘进的施工试验，以验证tbm在先导洞后掘进时的可行性及适应性，以及在保证设备不受损坏的前提下，优选适合在强岩爆段能发挥最大掘进功效的掘进参数，指导后续施工。 

3 试验内容及参数 

本次试验主要内容为以下几项： 

（1）根据预定6种不同的tbm掘进参数进行掘进试验，通过对不同掘进参数下设备状况的监控及掘进效果的比较，优选适合于水工隧洞先钻爆法开挖导洞后tbm扩挖掘进施工的掘进参数。 

（2）通过对扩挖掘进试验过程中刀具和各种配件消耗情况的统计分析，监控tbm扩挖施工对刀盘等的磨损造成的影响。 

（3）在tbm进行扩挖过程中，对tbm设备主梁、驱动电机等进行震动等进行监测，以监控tbm在扩挖施工中可能对设备结构上造成的影响。 

（4）通过对先导洞掘进试验前后及过程中tbm油样的分析对比，监控tbm扩挖施工对tbm主轴承及液压系统造成的影响。 

试验采用先期钻爆法开挖完成先导洞室，在tbm开挖掘进前释放高地应力，以减少强烈~极强岩爆等的发生概率和风险。根据以往施工经验和参数，对半导洞试验段断面结构设计为马蹄型断面，具体尺寸宽×高=8.18m×7.35m，为避免tbm开挖至该段以后支护系统对tbm刀盘的影响，对边墙范围施工玻璃纤维锚杆作为临时支护，具体设计见图1： 

 

图1半导洞开挖设计图 

4 试验过程及结果 

4.1 刀盘推力现场测试 

通过对选择的6个工况进行掘进测试，每组测试采用不同的刀盘推力和刀盘转速进行。每个工况掘进距离为20-40cm，并重点对转速2.5-3.0/min之间的推力进行测试，结果见表1： 

表1推力测试工况记录表 

 

4.2 试验期开挖进尺情况 

该试验从5月22日开始，6月2日结束，总共掘进长度为70.43m。根据影响掘进效率因素时间分析饼图（见图2），主要受洞外马蒂皮带等非正常原因影响较大，设备利用率较低。在正常施工参数下，采用先钻爆法开挖导洞后tbm扩挖掘进的施工方案，平均每天进尺可达10-12m，据此推算，月进尺可达300-360m。 

图2 影响掘进效率因素时间分析饼图 

在不良地质洞段，tbm开挖掘进缓慢，同时，为保证施工设备和人员安全施工，一般采用拱架支护，若遇强烈-极强岩爆，支护量增加，施工强度加大，即便在保证皮带运输完全正常的情况下，每班最多掘进一个循环。照此计算，每月进尺约100-120m。因此，根据目前的实验结果，tbm采用钻爆法开挖先导洞然后扩挖通过岩爆段在安全、进度等方面具有一定的优势。 

4.3 刀具磨损及配件更换情况 

根据试验后的数据统计，先导洞试验段刀具损坏形式与全断面开挖基本一致，其破坏形态多以刀圈出现裂缝为主，面刀损坏居多，边刀损坏较少。此外，部分刀具的刀圈存在局部崩刃和偏磨情况，见图3： 

图3 刀具典型破坏形式 

通过与附近相似围岩段tbm全断面开挖的刀具损耗数量对比，扩挖施工的刀具损坏数量明显少于tbm刀盘全断面开挖。此外，设备的其他配件基本属于正常更换，未发现配件异常增加情况。 

4.4 设备监测及油样分析 

4.4.1 设备监测 

通过对主梁、驱动电机等进行震动及应力、应变进行监测，得出如下结论： 

（1）主梁上部应变为正值，受拉应力；主梁下部应变值为负，受压应力，说明主梁存在偏载。 

（2）当转速小于3.5rpm/min时，主梁上部和下部应变变化平缓；当转速度超过3.5rpm/min时，应变开始增加，所以部分断面掘进转速不应大于3.5rpm/min。 

（3）当工况为（9600kn，2.02rpm）、（10600kn，2.52rpm）时，虽然主梁应变偏载较小，但掘进速度低，出渣量很少，不适合用于日常掘进；当工况为（12600kn，2.99rpm）、（13600kn，2.99rpm）、（14000kn，3.0rpm）时，主梁应变偏载较小，掘进速度合适，出渣量正常，适用于日常掘进。 

（4）测试数据显示，试验时主梁受到最大弯矩不足80mpa，掘进过程中主梁不会发生强度破坏，但会对tbm最佳工作状态有一定影响。与全断面掘进相比，扩挖掘进时，在同一工况下主轴承振动速度和加速度都有所增加，在主梁三个方向的振动中，垂向和横向均有所增大，同时，激光棱镜振动较大，可能会对导向产生不利影响。