适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用_贾连辉.pdf

复杂艰险山区重大工程与环境DOI:10.15961/j.jsuese.202200636适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用贾连辉1，鲁义强2*，贺飞1，刘志飞1(1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016；2.四川大学 深地科学与工程教育部重点实验室，四川 成都 610065)摘要：西南艰险山区隧道建设面临着高原高寒、地形高差大、地质条件复杂等方面严峻挑战，应用全断面隧道掘进机（TBM）是高效建成隧道的有效途径之一，但常规TBM已无法满足复杂地质多变隧道施工要求。为保障TBM安全、高效施工，提出了一种适应极端复杂地质环境的新型双结构TBM。通过对复杂地质条件下TBM工程研究与实践，首先，探讨了不良地质下不同机型TBM的适应性，分析敞开式TBM在高地应力岩爆地层、节理密集带及蚀变岩地层下隧道变形机理；其次，针对岩爆、破碎及节理密集带地层敞开式TBM施工痛点，基于常规敞开式TBM结构，开展预留超前地质预报接口、主机结构增强、强化支护能力和清渣能力、超前释放地应力、安全防护措施、防卡机及脱困等设计，针对单一结构形式TBM面对复杂地质的局限性，建立常规地质“网喷锚”敞开支护和不良地质“钢管片辅推”封闭支护的双结构支护体系；最后，依托于西南某铁路隧道项目，结合双结构TBM现场应用情况，评价双结构TBM在不良地质条件下的适应性，现场整体掘进率表明，双结构TBM在地质多变隧道施工应用效果良好，对于解决在复杂地质条件下TBM施工有一定的借鉴意义。关键词：艰险山区隧道；适应性；双结构TBM；复杂多变地质中图分类号：U455.3文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0014-12Development and Application of Dual-structure TBM for Complex and Changeable Geological TunnelsJIA Lianhui1，LU Yiqiang2*，HE Fei1，LIU Zhifei1(1.China Railway Eng.Equipment Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China;2.MOE Key Lab.of Deep Earth Sci.and Eng.,Sichuan Univ.,Chengdu 610065,China)Abstract:Southwest arduous mountain tunnel construction faces severe challenges in terms of plateau alpine,large terrain height difference,com-plex geological conditions,etc.The application of a full-section tunnel boring machine(TBM)is one of the effective ways to efficiently completethe Sichuan-Tibet Railway tunnel,but the conventional TBM can no longer meet the complex geological and variable tunnel construction require-ments.To ensure the safe and efficient construction of TBMs,a new dual-structure TBM was proposed to adapt to the extremely complex geolo-gical environment.Through the research and practice of TBM engineering under complex geological conditions,firstly,the adaptability of differ-ent models of TBMs under adverse geological conditions was discussed,and the tunnel deformation mechanism of open type TBMs under highground stress rock explosion stratum,dense zone of joints and altered rock stratum was analyzed in depth;furthermore,based on the conventionalopen TBM structure,a series of innovative designs have been developed,such as advance geological forecasting interface,mainframe structureenhancement,reinforced support capability and slag removal capability,advance ground stress release,safety protection measures,anti-seize,andextrication,etc.In view of the limitations of single-structure TBM in facing complex geology,a conventional geological net-spray-anchordesign has been established.Finally,based on the Sejila Mountain project,we evaluated the adaptability of dual-structure TBMs in poor geologic-al conditions by combining the application of dual-structure TBMs in the field.Finally,based on the Sejila Mountain project,we evaluated the ad-aptability of dual-structure TBMs in adverse geological conditions,and the overall tunneling rate results in the field showed that the dual-struc-收稿日期:2022 06 21基金项目:国家重点研发计划项目（2020YFB2007200）；中国中铁股份有限公司科技研究开发计划（cz02专项03）作者简介:贾连辉（1981），男，正高级工程师.研究方向：隧道与地下工程装备设计与研发.E-mail：*通信作者:鲁义强，E-mail：网络出版时间:2023 03 07 15:01:25 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023ture TBM was effective in the construction of geologically variable tunnels.Key words:treacherous mountain tunnels;adaptability;dual-structure TBM;complex and changeable geology TBM（tunnel boring machine）是集掘进、支护、出渣工序为一体、最为先进的岩石隧道施工装备，具有掘进效率快、安全性高、适应长距离掘进等优点。TBM工法自20世纪在中国云南洱河水电站引水隧洞1、西康秦岭隧道2、引大入秦输水隧洞3等初步应用以来，中国TBM自主设计研发有了井喷式发展，已成功应用于吉林引松供水工程4、大瑞铁路高黎贡山隧道5、新疆ABH输水隧洞6等隧道建设。随着中西部交通网建设需求，隧道建设正在向地形及地质条件更复杂的西部地区转移，具有复杂地质的西南某铁路工程建设也随之启动7，岩爆、大变形、极破碎等将会给TBM施工带来巨大挑战810。因此，设计研发具备极端环境适应能力的特殊TBM装备是非常有必要的。近年来，国内外众多学者和技术专家对地质多变TBM施工方面进行了大量的研究，杜闯东等11为提升TBM在地质条件复杂、超长隧道开挖的适应性，充分调研了各方研究结果，综合分析了艰险山区铁路TBM选型的合理性。陈花顺等12针对复杂地质隧道提出了TBM选型原则，并对隧道断面进行设计，确定了TBM的开挖直径。Grandori13分析了复杂条件下传统大直径TBM开挖时局限性问题，并开发出了针对性TBM机型。鲁义强等14针对高应力下TBM易发生卡机事故，对护盾长度和推力进行计算，并进行工程验证，证明了计算的合理性，为地质复杂环境TBM盾体设计提供重要依据。Bo等15利用CatBoost和SMBO混合模型方法对松花江引水隧道TBM施工进行地质灾害监测，实现了预报岩爆发生的精确判断。Ayawah等16基于机器学习对TBM超前探测及识别岩土类型进行预测分析且得到显著进展。Feng等17以巴基斯坦尼卢姆杰卢姆水电工程为实例，揭示了岩爆发育过程中随时间演化规律，对后续开挖隧道发生岩爆进行预警。洪开荣等1819对TBM装备进行改进，通过对刀盘适应性设计、超前地质预报技术的研究，提高复杂地质条件下TBM的适应性。Han等20统计工程实例岩爆数据，总结不同岩爆等级TBM施工方法。邓青力21通过对节理密集带地层进行研究，采用超前支护、超前注浆和对围岩补浆加固等方法，使TBM的掘进得到良好改善。沙明远等22探究了TBM通过软弱围岩掘进参数变化规律，结合工程实际给出了在围岩坍塌导致卡机时的处理措施。尚彦军等23针对昆明上公山隧道数次发生卡机事故，开展了护盾变形研究及卡机处理对策。洪开荣等24对断层破碎带、软硬岩等复杂地质条件下TBM施工关键技术进行探究与论述。李国良等25针对TBM在高地应力硬岩岩爆地质中的掘进提前防控关键技术，提出了成套的设计方案。王彦杰等26研究了TBM在西南山区铁路隧道施工中应对不良地质适应性问题，并提出了面对不良地质施工措施及建议。Lin等27探究了断层破碎带影响TBM卡机的可能性，对复杂地形TBM施工提出了处理措施及建议。综上所述，许多学者对复杂地质条件下TBM的选型、结构优化及施工技术进行了研究，但缺乏针对高地应力、断层破碎带不良地质28TBM创新性设计研究，且在此方面尚未形成系统性成果。因此，本文依托西南某铁路隧道项目，从结构创新及优化、设备配置、施工措施等方面对双结构TBM应对极端不良地质条件进行针对性设计，评价双结构TBM工程应用效果及适应性，为复杂地质条件下TBM设计提供参考，提高TBM在不良地质条件下的适应性，降低工程风险。1 复杂地质条件下TBM适应性分析岩爆、断层破碎带、节理密集带等不利因素的地质条件下，对山岭隧道建设和TBM适应性提出了较高的要求。复杂的地质条件大大降低了TBM的掘进效率，甚至有卡机的风险2930。因此，合理地选择TBM机型是顺利修建复杂地质隧道的关键因素之一。1.1 TBM选型目前TBM分为敞开式TBM和护盾式TBM。针对复杂地层不同机型TBM可靠性和经济性存在较大差异，尤其是西南地区铁路地质多变的隧道工程，地质勘察任务很难开展，存在着岩爆、断层带及大变形等重大风险。因此，TBM选型得当可有效缩短工期、降低施工风险、节约成本；反之，若选型不恰当则会延长工期、提高工程造价、增加事故频率。在复杂地层掘进中护盾式TBM具有安全性、稳定性的特点，但由于其护盾较长,遇到不良地质层时进尺困难、被卡被困的风险极大，且处理难度高3133。相较于护盾式TBM，敞开式TBM不易被卡，在实施超前处理及卡机脱困时较容易，且成本较低。经过专家及业内人士对西南某铁路隧道地质的特点进行多轮评审，建议西南某铁路工程隧道施工一般采用敞开式TBM11。然而，敞开式TBM在通过断层破碎带时，撑靴撑起会导致破碎围岩塌方，使开挖时撑靴出现打滑现象，从而影响正常掘进，遇岩爆地段，崩塌围岩碎渣会落在TBM底部，导致积渣严重，其底部落渣及撑靴塌腔情况如图1、2所示。第 2 期贾连辉，等：适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用15 1.2 敞开式TBM隧道变形机理为研究在复杂地质条件下敞开式TBM掘进对围岩的影响，对不良地质条件下敞开式TBM隧道变形进行机理分析。高地应力岩爆地层、节理密集带及蚀变岩均可引起隧道较大变形，但其变形原因和过程不尽相同，分析如下：1）高地应力岩爆地层致使隧道变形高地应力岩爆段地层隧道变形在护盾内部和盾尾区域按空间位置和岩爆等级先后分为6个阶段，见表1。需要指出的是，现有敞开式TBM法隧道应对岩 图 1TBM底部落渣Fig.1Slag falling from the bottom of TBM 图 2撑靴塌腔Fig.2Collapsing cavity of support shoe 表 1敞开式TBM在岩爆地层隧道变形阶段Tab.1 Deformation stage of open TBM tunnel in rockburst formation 阶段特征表现过程第1阶段：岩爆冲击主机区域形成破碎岩块TBM刀盘开挖岩爆地层后，无法实现及时支护区域，诱发围岩发生岩爆形成破碎岩体，填满护盾与围岩间的空隙，隧道成形轮廓内收。掘进方向破碎岩块填充间隙塌落的围岩护盾轮廓线刀盘开挖轮廓一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景发生岩爆岩爆护盾护盾护盾岩爆岩块围岩围岩围岩刀盘刀盘空隙2.5 cm第2阶段：高等级岩爆冲击导致护盾或盾尾破坏护盾外侧部分岩爆能量等级高，冲击力强，当岩爆冲击力及围岩碎块重力超过护盾承受极限时，引起护盾收缩或盾尾变形。掘进方向受破碎岩石挤压，护盾变形护盾收敛变形一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景发生岩爆岩爆护盾护盾下沉变形盾尾围岩围岩刀盘刀盘第3阶段：岩爆产生的破碎围岩导致盾尾支护变形岩爆形成的大量围岩碎块脱出盾尾，大量掉落挤压钢筋排，引起钢筋排内弯变形，使隧道内净空继续内收变形减小。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景发生岩爆岩爆盾体钢筋排钢筋排下沉钢筋排下沉钢拱架钢拱架钢拱架护盾钢筋排弯曲变形围岩围岩围岩刀盘刀盘第4阶段：钢筋排弯曲变形后侵占拱架径向安装空间钢筋排弯曲变形后，侵占了拱架原设计安装空间，安装拱架时无法将变形后的钢筋排顶回原位，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景发生岩爆岩爆盾体钢筋排钢铁架安装不到位钢铁架安装不到位拱架安装不到位钢拱架护盾围岩围岩围岩刀盘刀盘第5阶段：岩爆碎裂围岩致使钢筋排弯曲变形岩爆冲击波碎裂围岩，造成钢筋排外侧围岩形成大量岩块崩落，挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当其重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内收变形。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景发生岩爆岩爆盾体钢筋排钢筋排变形钢筋排下沉钢拱架钢筋排变形下沉钢拱架盾体围岩围岩围岩刀盘刀盘第6阶段：滞后性岩爆冲击破坏钢筋排+钢拱架支护结构在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时发生滞后性岩爆，强烈的冲击波引起钢筋排及钢拱架结构过载而出现大幅内收扭曲变形，侵入隧道净空，初支结构被破坏。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进纵剖面示意图岩爆地层 TBM 掘进横剖面示意图案例实景（极强滞后性岩爆）发生滞后性岩爆盾体钢筋排钢筋排变形滞后性岩爆钢拱架变形拱架变形钢拱架扭曲变形钢拱架盾体围岩围岩围岩刀盘刀盘 16工程科学与技术第 55 卷爆的施工方法以被动防护为主，掘进一定进尺后停机；等待岩爆发生后，把岩爆产生的破碎围岩通过加强支护处理。高地应力下硬岩岩爆能量等级高，TBM施工过程不同位置不同时间发生的岩爆产生的碎裂岩块会强烈冲击护盾、钢筋排、钢拱架等各个部位；这种强烈动力冲击对设备、支护等的力学性能、结构承载能力的劣化影响不容忽视。2）节理密集带、蚀变岩地层隧道变形节理密集带、蚀变岩地层围岩结构松散、破碎，自稳能力差，此类地层中隧道变形按时间先后分为6个阶段，见表2。通过对敞开式TBM复杂地质下隧道变形机理分析，在地质多变的隧道，遇岩爆、节理密集带、蚀变岩地层施工时，围岩会处于一个不稳定状态使出现大范围掉渣、坍塌等现象，导致隧道收敛变形、围岩轮廓收缩，从而引起TBM护盾严重变形、支护结构破坏，大大降低施工效率。在穿越地质多变地带中，如何提升掘进效率，保证设备及人员安全成为了亟待解决的问题。因此，需开展TBM设计创新，以提高TBM在岩爆、破碎及节理密集带适应性。2 双结构TBM功能结构为提高敞开式TBM在不良地质条件下的适应性，对敞开式TBM进行优化改进，本文提出一种新型双结构TBM，即在敞开式TBM基础上增加管片支护和辅助推进功能，使其能够有效的应对不同的地质条件，实现在复杂地质下高效掘进。双结构TBM结构如图3所示。表 2敞开式TBM在节理密集带、蚀变岩地层隧道变形阶段Tab.2 Deformation stage of open TBM tunnel in joint dense zone and altered rock stratum 阶段特征表现过程第1阶段：围岩失稳坍塌导致隧道收敛变形节理密集带、蚀变岩地层围岩自稳能力差，TBM开挖后，护盾外侧与围岩间存在空隙，围岩随着TBM的掘进而塌落，填充护盾外侧与围岩之间的空隙，导致隧道成形轮廓内收。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图案例实景围岩失稳坍塌护盾围岩塌落破碎岩块塌落填充回填护盾轮廓线刀盘开挖轮廓护盾塌落的围岩塌落的围岩护盾围岩围岩围岩刀盘刀盘空隙2.5 cm第2阶段：破碎围岩重量超过护盾承载极限导致护盾收缩或盾尾变形围岩持续塌落形成大量岩渣落在护盾上，当岩块重量超过护盾承载极限后引起护盾收缩或盾尾变形，隧道内净空减少。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图案例实景围岩失稳坍塌护盾围岩塌落受破碎岩石挤压，护盾变形左侧项护盾变形右侧项护盾变形护盾错位护盾下沉变形围岩围岩刀盘刀盘第3阶段：盾尾岩渣脱出挤压致使钢筋排弯曲变形随着TBM持续掘进，大量塌落的岩渣脱出护盾后，落在钢筋排上。当岩渣重量超过钢筋排承载极限后，引起钢筋排内弯变形。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图案例实景围岩失稳坍塌盾体钢筋排钢筋排下沉钢筋排下沉钢拱架钢拱架钢拱架围岩塌落钢筋排被挤压变形护盾围岩围岩围岩护盾刀盘刀盘第4阶段：钢筋排弯曲变形造成拱架径向安装侵限钢筋排内弯变形后，侵占了拱架原设计径向安装空间，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图案例实景围岩失稳坍塌盾体钢筋排钢拱架安装不到位钢拱架安装不到位拱架安装不到位钢拱架拱架错位护盾围岩围岩围岩刀盘刀盘第5阶段：破碎围岩失稳坍塌致使钢筋排弯曲变形围岩失稳坍塌后，大量松散岩渣挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当松散岩渣重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内弯变形。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图围岩失稳坍塌案例实景盾体钢筋排钢筋排变形钢筋排下沉钢筋排下沉变形钢拱架钢拱架钢拱架钢筋排被挤压变形护盾围岩围岩围岩刀盘刀盘第6阶段：围岩在初支封闭成环或达到设计强度之前松弛变形在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时，松散围岩引起围岩进一步松弛变形，造成钢筋排+钢拱架初支结构进一步下沉、收敛变形。掘进方向一般地层 TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进纵剖面示意图、级围岩TBM 掘进横剖面示意图围岩松弛收敛案例实景盾体盾体钢筋排隧道沉降隧道收敛钢拱架收敛变形钢拱架钢拱架收敛围岩围岩围岩刀盘刀盘 第 2 期贾连辉，等：适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用17双结构TBM工作机制为：岩爆段掘进时，安装管片为作业人员和设备提供防护；遇断层或软弱围岩导致撑靴打滑无法提供支撑反力时，通过安装管片支撑提供推反力，实现推力转换；遇破碎段掘进时，安装管片或型钢骨架及时封闭围岩，减少清渣量。在地质条件良好时，双结构TBM主机区采用“钢拱架+钢筋排+锚杆”支护；在遇较长距离的破碎、软岩、岩爆地质时，通过模式转换，在主机区安装管片或型钢骨架支护，提高不良地质适应性。双结构管片实物如图4所示。双结构TBM主机区支护集成设计如图5所示。图5中，在主机区设置拱架/管片拼装机，既进行钢拱架安装，以及进行管片或型钢骨架安装。该装置一方面设置拱架安装所需的撑紧装置，另一方面设置有管片抓举装置，通过齿轮齿圈驱动实现管片回转。在分块盾体周边沿隧道轴线布置多组辅助推进油缸，利用已安装管片提供推进反力，此时主推进油缸处于随动状态，不提供推进力。双结构TBM在撑靴前设置超前钻机，在隧道顶部通过根管钻进并配合超前注浆实现管棚支护作业，同时该钻机通过超前钻孔实现超前地质探测。3 复杂地层双结构TBM设计 3.1 针对岩爆地层西南某铁路隧道项目属于高海拔施工，TBM掘进段存在岩爆、破碎带、节理密集带、高地温等地质风险与作业环境。为实现TBM安全快速掘进，顺利通过不良地质段，对岩爆地层施工进行针对性设计，其设计流程如图6所示。3.1.1 超前地质预报根据隧道掘进实际情况，在TBM设备的主控室处预留集成微震监测系统接口，通过持续监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波，对岩石工程动力型灾害进行24 h不间断监测，监测范围为掌子面前10 m内，实现随掘、随探、随报。3.1.2 增强主机结构强度选择ANSYS作为本次有限元计算模型，设置单元为20 mm，选择自由网格划分模式，共划分四面体单元28 800 745个，刀盘所用材料为Q355D钢板。有限元模型采用的材料参数为：弹性模量2.0 e11Pa，泊松比0.3，密度7 850 kg/m3，约束刀盘法兰连接面的全部自由度作为位移边界条件线膨胀系数1.2 e5。双结构TBM刀盘面板采用特制270 mm锻造钢板，一般刀盘普遍采用120 mm及以下的钢板焊接而成，会导致刀盘应力集中、变形、开裂，不同厚度和制造 图 3双结构TBM结构Fig.3Dual structure TBM structure 钢管片图 4管片实物Fig.4Physical of segment 1 23541.应急混喷系统；2.锚杆钻机系统；3.超前钻机系统；4.撑靴；5.管片抓举装置图 5双结构TBM主机区集成设计Fig.5Integrated design of dual-structure TBM host area 18工程科学与技术第 55 卷工艺的刀盘面板变形量和应力差异较大，通过有限元分析结果显示，同等载荷下，120 mm钢板刀盘最大应力及变形分别是270 mm锻造厚度刀盘的2倍、3倍，充分说明270 mm锻造厚度刀盘具有明显优势。有限元仿真云图如图7、8所示，两种厚度刀盘有限元计算对比见表3。由表3可知，不同的刀盘面板厚度和制造工艺其变形量和应力是不同的，因此，提高刀盘面板厚度并优化制造工艺，能够有效的提高刀盘的耐磨性，降低刀盘应力，延长刀盘寿命，抗岩爆性能更好。目前，主轴承较多采用单排主推滚子轴承，针对工程长距离、硬岩掘进的特点，将单排主推滚子轴承优化为双排主推滚子轴承，该形式的轴承承载能力 岩爆针对性设计超前地质预报预留微震检测接口增强刀盘强度增强主轴承结构配置管片拼装超前钻孔释放地应力滚刀防护油缸防护钢拱架+钢筋排支护能力增强主机结构强度安全防护措施释放地应力强化 L1 区支护能力 图 6双结构TBM针对岩爆设计流程Fig.6Design process of dual-structure TBM for rock burst (a)刀盘应力云图(b)刀盘变形云图应力/MPa位移/mm47.186(Max)0.254 67(Max)41.94336.731.45726.21520.97215.72910.4865.2430.000 912 26(Min)0.226 370.198 080.169 780.141 480.113 190.084 890.056 5930.028 2970(Min)图 7270 mm锻造厚板刀盘应力及变形云图Fig.7Cloud diagram of stress and deformation of 270mm forged thick plate cutter head (a)刀盘应力云图(b)刀盘变形云图应力/MPa94.553(Max)84.04773.54268.03652.5342.02431.51921.01310.5070.000 387 7(Min)位移/mm0.828 25(Max)0.736 270.644 190.552 160.400 140.308 110.276 080.184 050.092 0270(Min)图 8120 mm钢板刀盘应力及变形云图Fig.8Cloud map of stress and deformation of 120 mmcutter head 表 3120 mm钢板刀盘与270 mm锻造厚板刀盘有限元计算对比Tab.3 120 mm steel plate cutter head and 270 mm forgedthick plate cutter head finite element calculationcomparison 对比项最大应力/MPa最大变形/mm120 mm钢板刀盘94.50.82270 mm锻造刀盘47.00.25 第 2 期贾连辉，等：适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用19强，抗冲击性能更优。3.1.3 强化主机区支护能力1）钢拱架+钢筋排结合引汉济渭工程，借鉴TBM采用“钢筋排+钢拱架”支护方式穿越岩爆地质经验，双结构TBM强化钢拱架安装器能力满足H200钢拱架安装；护盾尾部安装钢筋排存储槽，并增加钢筋排安装范围，由拱顶120增加至250，钢筋排存储槽及钢排支护效果如图9所示。2）配置管片拼装装置钢拱架/管片拼装装置采用液压驱动，具备钢拱架及钢管片（或型钢骨架）拼装功能。地质良好情况安装钢拱架；遇强岩爆地层，在盾体保护下安装管片，为作业人员提供防护，同时，提高了支护及掘进效率，减少清渣工作量。钢拱架/管片一体模型如图10所示。3.1.4 安全防护措施及超前释放地应力1）滚刀防护刀盘在掘进时会对滚刀造成冲击，降低滚刀的使用寿命。为了防止滚刀受损，设计滚刀保护块，降低刀盘旋转过程中大块岩石对滚刀的冲击，防止滚刀遭到破坏。滚刀防护块如图11所示。2）油缸防护若发生等级较高岩爆现象，护盾油缸会遭到破坏。为了不影响岩爆地层中TBM掘进效率，在顶护盾设置多组油缸，且在顶护盾与驱动箱之间增加机械限位，降低岩爆对护盾油缸的冲击破坏。3）超前释放地应力为了降低TBM掘进区域地应力，削弱岩爆发生等级和风险，采用TBM潜藏式水锤超前钻机超前钻孔、掌子面喷水及出露围岩喷水释放地应力。3.2 应对破碎、节理密集带结合敞开式TBM在破碎、节理密集带等地质应用情况，针对复杂地质强化敞开式TBM初期支护能力、加强脱困能力设计、强化清渣系统、并结合其它辅助措施，综合提高双结滚刀构TBM在破碎、节理密集带地层的适应性。针对断层节理密集带设计如图12所示。3.2.1 集成超前地质预报预留集成超前地质探测系统接口，在TBM设备搭载了超前预报系统，该系统集成激发极化仪与地震仪，实现了前方30 m内的富水地层精确探测、前方 图 10钢拱架/管片拼装一体装置Fig.10Steel arch/segment assembly integrated device 刀盘防护块图 11滚刀防护块Fig.11Reel guard 断层、节理密集带针对性设计超前地质预报L1区快速模筑装置L1区应急混喷系统预留超前探测接口设置刀盘扩挖辅助推进系统强化刀盘扭矩配置清渣皮带机配置清渣机械臂潜孔式水锤钻机强化支护防卡机措施强化清渣系统超前地质处理 图 12针对断层、节理密集带双结构TBM设计流程Fig.12Dual structure TBM design process for faulted and jointed dense zones 图 9钢筋排存储槽及钢筋排支护效果Fig.9Rebar row storage slot and reinforcement effect ofreinforcement row support 20工程科学与技术第 55 卷130 m不良地层的3维成像及定位。通过该系统对TBM前方的不良地层进行超前预报，提前做好针对性措施。3.2.2 强化支护1）增配快速模筑混凝土装置敞开式TBM撑靴处遇断层、节理密集带引起局部塌腔时，撑靴无法撑紧岩壁，无法为刀盘提供推进反力。常规设备需人工安装木模板，注浆加固后TBM掘进通过，该方式掘进效率低。针对这种情况，采用双结构TBM模板快速安装装置，在破碎地层辅助完成快速模板安装，配合注浆系统，完成岩壁模筑作业。模筑设计如图13所示，模筑装置实物如图14所示。2）应急喷混系统针对软弱破碎带地层TBM适应差的难题，在TBM主机区域配置应急混喷系统，应急混凝土喷射机械手集成在钢拱架操作平台上，圆周方向喷浆范围为260，相对岩壁距离喷嘴具有可调节性。遇断层破碎带地层时，围岩一旦出盾体，即可进行喷浆封闭围岩，降低破碎岩层的坍塌，实现及时支护，复杂地质下安全掘进。应急混喷机械手现场应用如图15所示。3.2.3 防卡机及脱困针对性设计1）刀盘扩挖对刀盘增加了扩挖功能，在破碎地层时避免护盾与围岩相接触，从而降低卡机风险，减少破碎围岩侵空。2）辅助推进系统避免在不良地质条件下TBM出现卡机现象，对敞开式TBM盾体结构内安装多组辅推油缸。采用管片支护应对破碎地层，辅推油缸撑紧管片进行掘进，降低卡盾风险，盾体辅助推进方案设计如图16所示。3）选配双速减速机对双结构TBM增加双速减速机，与电液双驱脱困相比，具有脱困扭矩大、操作便捷、可长时间脱困模式掘进的优点。3.2.4 TBM清渣系统清渣工作是施工作业的重要组成部分，尤其是不良地质时，清渣工作占用大量掘进时间。以往对TBM设备进行人工清渣效率低、劳动强度大，尤其对于高海拔区域，因此，对双结构TBM进行优化设计：主梁内部设置清渣皮带，将掉落在主梁内部的渣土运出主梁，避免人工进入主梁进行清渣；仰拱块安装区域配置清渣机械臂；设备桥处布置清渣皮带机，皮带机采用“人字”胶带，将隧道底部渣土提升至设备桥上部平台，输送到后配套皮带机。3.2.5 配置潜孔式水锤钻机与传统顶锤式超前钻机相比，冲击动力前置在长距离钻孔时能量损失小、凿岩效率高。护盾预留有斜向和水平钻孔位，在不良地层情况下可实现超前钻孔及管棚支护，管棚支护作业如图17所示，超前钻孔作业如图18所示。2131.锚杆钻机；2.锚杆钻机平台总成；3.模板快速安装装置图 13模筑设计Fig.13Formwork scheme design 注浆模板图 14模筑装置实物Fig.14Physical drawing of the mould device 图 15应急混喷浆机械手现场应用Fig.15Field application of shotcrete manipulator 图 16盾体辅助推进方案Fig.16Shield auxiliary propulsion scheme 第 2 期贾连辉，等：适应复杂多变地质隧道双结构TBM研制与应用21 4 双结构TBM工程应用 4.1 工程概况西南某铁路隧道位于高原东南部林芝市境内，隧道全长37.965 km。设计采用4台TBM+钻爆法联合施工方案，隧道最大埋深约1 700 m，该隧道最大水平主应力为6.8145.52 MPa。运用双结构TBM在林芝巴宜区鲁朗镇东久村境内，与鲁朗车站桥顺接CZXZZQ-2标段，其地理位置如图19所示。TBM施工标段地层主要是花岗岩、片麻岩等。隧道有、级围岩，其中主要以围岩等级为主，占施工隧道里程64.36%。4.2 施工情况在掘进过程中，双结构TBM遇到断层、节理密集带地质条件时，撑靴区域的岩石有坍塌、空腔现象，导致撑靴无法支撑洞壁为刀盘提供反作用力，为此，现场通过采用主机区快速混凝土模筑装置，提高施工效率，设备模筑效果如图20所示；轻微岩爆下积渣严重，在仰拱块安装区域配置清渣机械臂，将渣石倒入清渣皮带机上实现清渣，现场清渣机械臂工作情况如图21所示；现场初期支护采用钢筋排+钢筋网+钢拱架的方式，在通过不良地质时使用管片，可以有效地节约施工成本，支护效果如图22所示。2021年9月高原高寒大直径双结构TBM“雪域先锋号”开始正式掘进，根据双结构TBM应对高原高寒、复杂地质条件下掘进情况，进行为期70 d的现场跟进，图 17管棚支护作业Fig.17Pipe shed support operation 图 18TBM超前钻孔作业Fig.18TBM over-drilling operation 色季拉山隧道出口标段出口标段CZXZZQ-1标施工段CZXZZQ-2标施工段37 965 m图 19铁路隧道施工标段地理位置Fig.19Location of railroad tunnel construction biddingsection 安装模板注浆效果图 20模筑使用效果Fig.20Effect of the use of the mold 设备桥清渣皮带机清渣机械臂图 21清渣机械臂工作情况Fig.21Working of the slag removal robot arm 图 22双结构TBM支护效果Fig.22Effect of double-structure TBM support 22工程科学与技术第 55 卷在10月的19 d内累计进尺188.88 m（当月最高日进尺22.75 m），11月累计进尺443.9 m（当月最高日进尺29.19 m），12月的20 d内累计进尺367.17 m（最高日进尺为25.72 m）。统计双结构TBM的掘进时间、换步时间、支护时间、正常维保时间及故障停机时间，计算各工序时间与总施工时间之间的百分比，得到双结构TBM掘进时间及各种原因停机时间占比，如图23所示。由图23可知：双结构TBM掘进时间总体上处于较高水平，占比为33%；换步时间、TBM故障及正常维保时间占比较小，支护作业停机时间占比较高，为25%。主要原因是该项目隧洞的地质环境较差，小岩爆、断层及节理密集带区域较多，需用大量的时间投入支护作业。5 结论本文研究了新型双结构TBM在复杂地质条件的设计与应用，得到以下结论：1）通过对在不同地质条件下，敞开式TBM和护盾式TBM掘进情况进行对比分析，推荐在复杂地层下使用敞开式TBM；并对在复杂地层下隧道变形机理研究，表明单一结构形式面对复杂地质有一定的局限性，从