鄂北工程宝林隧洞TBM设备选型及应用研究

刘 怡，罗应贵，潘亚辉

（1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430070，武汉）

鄂北工程宝林隧洞TBM设备选型及应用研究

刘 怡1，罗应贵，潘亚辉2

（1.鄂北地区水资源配置工程建设与管理局（筹），430071，武汉；2.湖北省水利水电规划勘测设计院，430070，武汉）

鄂北地区水资源配置工程宝林隧洞长13.84 km，中段10.56 km采用1台直径4 m敞开式全断面岩石掘进机施工，刷新了国内开敞式最小洞径TBM新纪录。结合具体的工程地质条件，系统介绍了宝林隧洞工程施工方案选取及TBM选型方法，分析比较开敞式和护盾式TBM的适用性，探讨合理选择TBM机型的依据，并总结TBM在鄂北工程应用中取得的经验，以供类似工程TBM选型参考。

鄂北地区水资源配置工程；敞开式TBM；输水隧洞；选型

鄂北地区水资源配置工程为Ⅱ等大（2）型工程，线路全长269.67 km，其中输水干渠宝林隧洞全长13.84 km，隧洞比降 1∶9 600，进口段 2 890 m以及出口段390 m，断面形式为城门洞形，开挖断面尺寸5～5.8 m，采用钻爆法施工；隧洞中部10.56 km，断面形式为圆形，开挖洞径4 m，采用TBM工法施工。

一、钻爆法与TBM工法的比较与选择

宝林隧洞施工难点主要是洞线长（13.84 km），洞径小（4 m），上覆国家森林公园，地势高，山体厚，无合适的施工支洞布置条件。隧洞沿线埋深较大，洞室围岩多以Ⅱ、Ⅲ类为主，进出口断层破碎带和浅埋段为Ⅳ、Ⅴ类，成洞条件相对较差，需支护和衬砌。根据宝林隧洞的工程特点，初步选用全段钻爆法、TBM法+钻爆法两种施工方案。

通过对这两种施工方案在技术、经济、安全、环境影响等方面的综合比较（见表1），TBM+钻爆法在多方面要优于全段钻爆法，同时兼顾了钻爆法可以机动灵活处理不良地质条件的优势，因此宝林隧洞最终采用1台TBM与钻爆法联合施工方案。

二、掘进机型式选择

宝林隧洞确定采用TBM+钻爆法施工后，对TBM掘进机具体型式进行了选择。按照护盾型式的不同，TBM可分为开敞式和护盾式，其中护盾式又可分为单护盾和双护盾。这三种型式的TBM有着不同的适用范围。

1.开敞式TBM适用范围

开敞式TBM主要适用于岩石整体较完整、有较好自稳性的中硬岩地层（单轴抗压强度 50～350 MPa），当采取有效支护手段后，也可适用于软岩隧洞，其中永久性的衬砌待全线贯通后集中进行。

表1 TBM法与钻爆法施工方案对比表

2.单护盾TBM适用范围

对于地质条件较为复杂的隧洞，单护盾TBM较为适用。尤其是当岩石抗压强度较低 （岩石单轴抗压强度小于50 MPa），隧洞以软弱围岩为主，且大多数情况下都采用单护盾模式工作，无法充分发挥双护盾TBM作业优势情况时，采用单护盾TBM更合适。

3.双护盾TBM适用范围

双护盾TBM主要适用于围岩软硬变化频繁、同时又有较多断层破碎带的隧洞。因为双护盾TBM不仅能有效地切削单轴抗压强度5～250 MPa的岩石 （30～120 MPa最为理想），还能有利于缩短工期，因此对于那些工期比较紧张、前期成本投入较为充裕的隧洞工程，选用双护盾TBM具有更大的优势。

4.宝林隧洞TBM机型选择

分析以上3种TBM掘进机适用范围，对比宝林隧洞的地质条件和施工条件，可基本排除单护盾TBM的适用性，进一步从对地质条件的适应性、初期支护与混凝土衬砌、不良洞段的处理方式、施工占地、环境影响及施工地质描述等方面对开敞式TBM和双护盾式TBM进行充分比较（见表2）。通过综合比较，宝林隧洞最终选用开敞式TBM机型。

三、掘进机技术参数选择

在TBM的基本型式确定后，还需结合隧洞的具体情况经计算确定合理的总体技术参数与性能，如总推力、扭矩、刀具的型式、数量和布置方式、一次掘进行程、刀具的切深、刀盘转速和回转功率、出渣方式和出渣运输能力、吊装件最大重量、运输件最大尺寸以及排水、供电、通风、支护、衬砌、方向控制能力、安全保护措施等。这些主要技术参数必须合理匹配才能使整个系统得以顺利地制造、运输、安装并发挥满足工程要求的预期效果。

经过对变频电机驱动、液压驱动和双速电机驱动这3种刀盘驱动方式的综合比较，宝林隧洞最终选择具有较低能源消耗、较高传动效率、针对不同围岩具有良好调速性能的变频电机驱动方式。

表2 开敞式TBM与双护盾TBM对宝林隧洞特点的适应性对比表

宝林隧洞不仅洞线长，而且洞径小，根据这个特点最终选用出渣运输能力强、能够持续运输且洞内转运方便、有利于施工安全的连续皮带机作为出渣运输方式，皮带宽度650mm，输送能力250t/h。

TBM的主要技术参数如推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进行程长度、安装功率等，主要取决于TBM制造业的不断发展。根据相关研究结果及工程经验，一台高效的TBM（开挖直径为D）的技术参数通常按如下规律进行选择：

推力：P=D·α（α=1 800～2 200）kN

扭矩：M=D2·b（b=50～60） kNm

转速：n=c/D（c=40～50） r/min

行程：1.5～2.0 m

驱动功率：N=M×n÷9.55÷η，η 取0.95

宝林隧洞TBM开挖直径4.03 m，刀盘型式采用面板式硬岩刀盘，不含刀具的刀盘重量约30 t，刀盘尺寸4 030 mm，刀具共28把，分别为中心4把双刃滚刀、12把正滚刀、8把边滚刀，滚刀直径均为432 mm，刀具额定荷载225kN，最大荷载250kN。

根据刀盘刀具参数以及上述经验公式，复核计算宝林隧洞TBM主要技术参数如表3所示，证明宝林隧洞所选TBM掘进机主要技术参数能够满足本工程施工需求。

四、探讨TBM选型的合理依据及流程

基于对开敞式TBM在鄂北工程宝林隧洞的应用以及国内外使用掘进机的情况研究，笔者认为TBM选型应遵循以下四个原则：①按照安全性、可靠性、经济性、先进性的顺序考虑，并取得相对统一；②与隧洞开挖长度、直径、埋深、围岩条件、周围地形以及洞口施工条件等相匹配；③满足工程在质量、安全、工期、环保、文明施工以及经济投资等方面的要求；④所选配套设备应满足能耗小、效率高的特点，确保与主机工作性能相匹配、工作状态相适应，不仅要满足生产能力和掘进速度的要求，还应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养等优点。

表3 TBM技术参数计算结果汇总表

综合以上，在TBM的设备选型过程中，以下因素应予以重点考虑：

①隧洞断面形状与大小。隧洞断面形状不仅对TBM的设备型式以及刀盘、护盾、撑靴、主梁（或内外机架）等主要部件的结构与尺寸产生直接影响，还对配套的布置形式、施工材料运输方式以及出渣等具有较大影响。

②围岩地质条件。围岩的岩性与自稳能力对TBM型式选择具有决定性的作用。其中岩性、抗压强度、石英含量等地质特征决定了刀盘的设计结构、选材、开口率，以及刀具的布置、规格、数量、驱动功率的参数等；围岩的裂隙、节理、断层、破碎带等地质条件则决定了TBM的支护方式以及支护设备的选型、数量、布置方式等。

③隧洞坡度、曲线半径等因素。主要对TBM主机、连接桥及配套的结构设计具有较大影响。

④隧洞掘进长度。主要对掘进机的供电方式和关键部件的寿命计算具有决定作用。

⑤隧洞的平均埋深、最大埋深、地应力大小、围岩收敛性。主要影响TBM扩挖量的设计。

⑥隧洞沿线穿越煤系底层时，要考虑围岩的瓦斯含量，TBM电气系统应按照要求采取防爆措施，配备气体监控装置等有关设备。

⑦围岩地质条件、掘进长度、工期要求都是影响TBM掘进速度设计的因素。

综合考虑以上选型基本原则及重点影响因素，形成了TBM选型的合理依据。

五、应用情况

宝林隧洞于2017年4月5日正式开始试掘进，至2017年7月15日，TBM总进尺为1 313 m，日平均进尺13.54m，最高日进尺32.9m（6月4日），平均月进尺381m，最高月进尺520m。根据统计结果，2017年4月5日至6月30日，宝林隧洞TBM因电气、液压、机械等系统设备处于调试期，停机时间较长；6月30日系统调试基本结束，TBM进入正常掘进阶段后设备利用率基本达到国际先进水平，除查刀、换刀、正常维护外无事故停机发生。

从目前的应用情况来看，所选TBM基本适应宝林隧洞的掘进需要，但因实际岩石硬度（160 MPa）及完整性高于初期勘探情况，不利于破岩，导致掘进速度低于预期，下一步需针对地质情况研究调整TBM相关技术参数，以提高掘进速度。

[1]乔世珊，茅承觉，刘春，等.全断面岩石掘进机［M］.北京：石油工业出版社，2005.

[2]王梦恕，等.岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例［M］.北京：中国铁道出版社，2004.

[3]高乃东，陈中竹，宁鹏飞.敞开式TBM在吉林省中部城市引松供水工程的应用 ［J］.黑龙江水利科技，2012，40（10）.

[4]姜兵，杨强.大伙房输水工程TBM选型研究［J］.科技风，2011(21).

[5]琚时轩.全断面隧道岩石掘进机（TBM） 选型的探讨 ［J］.隧道建设，2007，27(6).

Selection of Tunnel Boring Machine for Baolin Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province and its application study

Liu Yi,Luo Yinggui,Pan Yahui

Baolin Tunnel of Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province has a length of 13.84 km.An open-type Tunnel Boring Machine(TBM)with a diameter of 4m was adopted for constructing 10.56 km middle section of the tunnel that set the record of minimum tunnel diameter of China.In the light of geological conditions of the project,a systematic introduction is made on the selection of construction options and TBM for Baolin Tunnel.The suitability of open-type and shield-type TBM are compared so as to provide a base for rational selection of TBM type.Practical experiences of TBM utilization obtained from this project have been summarized so that other similar projects can take it as reference.

Water Resources Allocation Scheme in North Hubei Province;open-type Tunnel Boring Machine;water-conveyance tunnel;model selection

TV68+TV554.2

B

1000-1123（2017）22-0055-04

2017-10-11

刘怡，工程师。

责任编辑 韦凤年