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引江补汉工程关键技术TBM装备及掘进
发布时间:2022-07-20   内容来源:中国水利杂志
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引江补汉工程主体是一条内径10.2m、长达194km的隧洞。对于这种长隧洞,一般需要在合适位置设置施工支洞,分段施工,实现“长隧短打”。常规的钻爆法施工,爆破作业会产生大量有毒气体、粉尘,爆破作业后的通风排气必不可少。大量实践证明,爆破面距离洞口5km以上时,通风排气作业效率很低,极大影响施工进度,因此施工支洞不能太长。引江补汉工程所在位置为山区,一半洞段埋深在600m以上,多数位置施工支洞本身的长度都接近或超过5km,显然不能布置支洞,加之隧洞穿越地区生态及环境保护区众多,支洞口需要回避,因此增加分段实现“长隧短打”的愿望成为“不可能”。硬岩掘进机,简称TBM,最大的优势是独头工作面长(可达20km以上)。总长194km的隧洞,其中120km需要采用TBM掘进,共计需要9台,工期控制性项目也是施工洞段。可以说,TBM掘进顺利与否关乎工程成败,是引江补汉工程的关键技术之一,需要开展大量研究工作。

一、TBM概念

大家要先建立一个概念——盾构法,简单理解就是做一个前后通透的钢壳子,开挖、出渣、衬砌等作业在钢壳子的保护下进行,大幅降低作业人员安全风险,这就是盾构机的基本原理。根据工作模式的不同,分为两大类,一类叫做盾构机,全封闭施工,主要用于土体,用于岩石时效率很低;一类叫做硬岩掘进机(TBM),非全封闭施工,一般只能用于岩石。两者结构上基本类似,主要区别在于土体掌子面易坍塌、不稳定,盾构机具有稳定土体掌子面的功能;岩石掌子面一般是稳定的,不需要TBM额外给予支撑。

二、TBM发展历史

1846年,比利时人毛瑟发明了世界第一台TBM,准备用于联通法国和意大利的铁路,可惜最终只是造出了机器,却没能应用。1851年和1856年美国人分别造出了两台TBM,一台掘进了3m,一台只掘进了不到0.5m,就都“寿终正寝”了。此后近100年,陆续有人制造出不同原理、不同驱动方式的TBM,应用效果都难以满足实际需要,直到1884 年博蒙特开发出压缩空气式TBM,成功应用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘探导坑, 掘进长度近 10km。1953年,美国人罗宾斯研制出一台直径为7.85 m的TBM,可称为第一台现代意义上的TBM。

国产TBM研发最早可追溯到1964年,由上海勘测设计院和北京电力学院开始承担TBM自主研发任务,之后也有多家单位完成样机研发和试制,但所造TBM掘进速度只能达到同期国际水平的1/5,甚至更低。2014年,中铁工程装备集团有限公司和中国铁建重工集团股份有限公司拥有自主知识产权的TBM相继下线,发展极为迅速,时至今日已占据国内市场。

三、TBM分类及选型考虑因素

TBM一般可分为敞开式和护盾式两大类型。敞开式TBM,一般适用于完整(较完整)围岩占比较高的隧道,在护盾后部配置了钢拱架安装器和喷锚设备,对于围岩较为破碎的洞段也可以在开挖后实现快速支护,但在支护完成之前,人员及设备暴露在裸露围岩下,有一定安全风险;护盾式TBM又分为双护盾TBM和单护盾TBM,与敞开式不同之处在于使用拼装管片代替了喷锚支护,一般认为对较破碎围岩的适应性较好,整个掘进过程,围岩均被盾壳或管片屏蔽在外围,人员及设备的安全风险小。两类设备在结构方面最大的不同在于敞开式盾壳较短,长度约6m;护盾式盾壳较长,长度一般在10~12m。这一不同导致护盾式盾壳卡机风险较高,且卡机后救援难度较大。这里要重点指出的是:卡机包括卡刀盘和卡盾壳,卡刀盘的风险敞开式要大于护盾式。

TBM选型重点因素在于地质情况和投资。地质情况通常很复杂,且各个因素互相影响,最主要的三个方面:第一是围岩的破碎程度,第二是地应力大小(可简单理解为埋深的大小),第三是围岩强度高低。对于完整度较好、地应力不大的围岩,两类TBM都能实现快速掘进。据报道,最高月进尺可达到1800m,是普通钻爆法速度的15倍,考虑到管片价格较高,这类围岩一般选择敞开式TBM。对于地质情况不好的围岩,当围岩破碎时容易坍塌,敞开式TBM掘进时需要同步开展钢拱架加锚杆加喷混凝土支护,必要时还需要模筑混凝土加强支护,投资大幅度增加,进尺速度大幅度下降,敞开式的优势大大降低;但护盾式因盾壳较长,在这类地层施工卡机风险相对较高。当地应力较大时,坚硬完整围岩易发生岩爆,人员及设备均承受很大风险,施工人员承受的心理压力很大。据调研,国内某些工程隧洞施工时段,工人需要身穿防弹衣、头戴钢盔作业。软弱破碎围岩会出现两类问题,一是泥质胶结类岩石出露后易遇水泥化,需要快速封闭,护盾式TBM具有一定优势;二是地应力较大时岩石易发生收敛导致盾壳卡机,此时盾壳较短的敞开式TBM有一定优势。

引江补汉工程单台TBM掘进长度在13~18km之间。对于这么长的分段,各种地质情况都会出现,此时TBM选型就会变成一个极其复杂、综合性极强的技术问题。据了解,国内多数工程TBM选型往往历时很长,业主、设计、施工、厂家、专家等意见不一,最终选型完成后的实施结果也好坏参半,尤其是大直径隧洞。

四、TBM装备发展方向

1.增加工作模式

盾构机优点在于把水和围岩都隔绝在外,安全性最高,缺点在于掘进速度慢,在岩石地层中效率更低,导致工期不可忍受且成本很高;敞开式TBM优点在于掘进速度快,成本低,缺点在于安全性较差;护盾式TBM优点在于把围岩隔绝在外,安全性高,缺点在于盾壳卡机风险较高,成本较高。因此,TBM的发展方向就很明显了,可以造一台机器,兼顾上述设备优点,遇到不同地层采用不同的掘进模式。现在主流的多模式为盾构和单护盾TBM结合,遇到土层和极破碎岩层采用盾构模式,遇到普通岩层采用单护盾模式。这种多模式TBM已经开始逐渐应用。

2.增加功能

一是在敞开式TBM盾壳内增加一套辅助推进油缸,在盾壳后部增加一套管片拼装设备,在岩爆或破碎岩层中拼装管片按单护盾模式掘进;二是在护盾式TBM盾壳后部增设一套锚喷支护装置,在较好岩层中实现敞开式掘进;三是在敞开式盾壳后部增加全断面立模设备,实现掘进后立即浇筑速凝混凝土代替支护措施。这三种方式有的已实现工程应用,有的已仍处于试验研究阶段。

3.功能优化设计

TBM包括主机、后配套等设备,长度一般为100~200m,需要具有不同功能的设备共同工作实现正常掘进。在功能优化阶段需要考虑以下因素:一是以往更多考虑的是功能的有无,在易用性方面考虑较少,如超前钻机;二是对地质复杂程度考虑不足,出现功能缺失,如盾壳后部快速清渣设备、侧拱快速立模设备等;三是进一步优化用于超前物探设备的搭载方式。

4.实现智能化

一是根据大量案例及勘探和揭露地质情况,结合大数据分析技术实现掘进参数设定自动化;二是结合大数据和机器学习技术,对地质情况、掘进参数、物探成果等进行综合判断,实现坍塌、涌水突泥、岩爆等灾害预警。其中掘进参数自动化设定已有个别成功案例,灾害预警尚在探索阶段。

5.改变破岩方式

现在的TBM采用圆形刀具压碎岩石实现掘进,国内已有单位在探索射流、激光、声波等其他破岩方式,其中射流辅助破岩用于超硬岩掘进已有一定研究成果。

五、引江补汉工程TBM装备及掘进应用研究方向

引江补汉工程隧洞具有埋深较大、直径超大、距离超长、穿越地层复杂多变的特点。掘进过程中坍塌、岩爆、涌水突泥、软岩变形的风险很高,需要开展深入研究。

1.TBM选型研究

TBM选型及适应性评价尚无可靠的评价指标。复杂地质条件下TBM的适应性表现出不确定性,不仅具有随机性,还具有模糊性,现行规范对TBM适应性进行评价时,考虑的地质因素及相应评价标准尚显不足,欠缺TBM适应性的评价指标及标准。实施过程中,参建各方及专家也很难达成一致意见,尤其是大直径TBM选型。

当前TBM施工逐渐标准化、信息化、精细化,引江补汉工程有必要深化理论探索,总结以往工程经验,分析现阶段技术水平,通过开展针对本工程特点的超大直径TBM选型技术研究,进一步降低施工风险,节约工程投资,保证施工工期的总体可控性。主要研究目标是增加定量指标,减少选型的不确定性,为此需要建立大直径TBM掘进数据库,得出不同类型TBM应对同一地质问题效果,以此为基础开展选型工作。研究成果对促进同类工程进展和TBM施工技术进步具有重要现实意义。

2.功能优化设计

一是提高设备的易用性,现阶段想造出一台适用于所有地层的掘进机是不可能的,针对不良地质体,考虑超前加固、超前堵水措施,降低坍塌和涌水突泥的风险是可以做到的,为此需要大幅度提高超前钻机的易用性,提高工作效率;二是针对可能遇到的地质问题增加功能,如应对软弱破碎围岩的快速立模功能、应对软岩变形的扩挖功能、应对破碎围岩的清渣功能、锚杆钻机全断面钻孔功能、刀具状态的快速监测功能等;三是通过TBM智能掘进系统的进一步实用化研究,提高设备本身的可靠性,降低人为失误导致的掘进风险。

3.超前地质预报及风险分级评价研究

目前,TBM设备直接搭载预报设备已成为共识并已有部分工程实例,但预报成果存在“狼来了”的情况,地质预报单位致力于不放过一个疑似危险,但正因危险太多,容易让大家无所适从。调研发现,现有的物探方法用于避免重大安全事故效果良好,用于指导施工尚存不足,需要开展进一步研究。

在超前地质预报方法方面主要开展以下研究:一是通过增加因子、优化算法,进一步提高现有物探方法的固有准确率;二是TBM在掘进过程中通过岩-机关系互馈等方式可感知岩体的力学特性等参数,将其与超前预报信息相融合,在此基础上对预报结果进行校核与多源信息融合分析,开发TBM掘进岩-机信息与超前预报数据等多源数据的融合平台,实现TBM掘进“近距离预测(10m以内)-中距离水体探测(30m以内)-远距离构造探测(100m以内)”的多层次、渐进式超前预报,提高对岩体地质预报感知的可靠性;三是通过对已有大数据分析实现坍塌预报功能的进一步优化,在引江补汉工程选取塌方、卡机高风险洞段开展现场试验,随着TBM向前掘进,融入新的掘进数据、岩-机相互作用、地质信息以及设备运行的机电液等参数,实现基于大数据挖掘实现坍塌、卡机预警功能的实用化;四是根据护盾式TBM结构特点与施工情况,提出针对性的微震传感器布置设计方案,解决围岩封闭条件下的岩爆微震智能预警难题。

4.超前处理

调研发现,国内TBM掘进施工有一个较为流行的理念:除每天固定的设备检修外,TBM设备掘进不宜停机,遇到不良地质问题应保持慢速掘进状态,不宜主动停机处理,在出现卡机或其他导致无法掘进的事故时,再采取脱困措施。在上述理念的影响下,很多地质情况复杂的隧洞开挖往往付出很大的进度和投资代价。

隧洞在开挖过程中,破坏了含水层原有的结构,同时使得地下水动力条件发生转变。隧洞施工涌突水不仅降低围岩稳定性,而且给施工带来很多不良影响,特别是在有大量高压涌突水的情况下,不但会造成设备和仪器损失、投资增加、工期延误,甚至导致人员伤亡,酿成不可挽回的重大灾难事故。由此,有必要开展复杂地质条件下深埋长隧洞超前处理关键技术研究,探索涌水突泥、大流量涌水、高外水压力等复杂地质条件下合适的灌浆处理方案、材料组合使用体系、成套工艺和关键技术,对于保障工程建设安全、保证工程工期、保护生态环境具有重要意义。

从国内已完工的几个超大直径TBM项目看,有一个共同点就是应对不良地质体效果有限。通过装备选型更加科学、装备功能的优化、超前预报准确率的提高以及真正实现超前处理,有望大幅提高TBM掘进技术应对不良地质体的能力和效率,实现工期可控并提高掘进过程的固有安全性。作为引江补汉工程的建设者,希望能通过上述研究及工程实践,创新TBM掘进技术理念,促进国内超大直径TBM装备及掘进技术发展。

作者:杨旭辉

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