适用于超小转弯半径的紧凑型TBM设计关键技术研究及应用
——以山东文登抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程为例

路振刚， 王建华， 朱安平， 潘福营， 李 坤， 陈良武

(1. 国网新源控股有限公司， 北京 100761； 2. 中铁电建重型装备制造有限公司， 云南 昆明 650032； 3. 中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州 450016)

0 引言

全断面岩石隧道掘进机简称TBM(tunnel boring machine)，它能够满足掘进、出渣、支护等多道工序同时作业，具有掘进速度快、成形质量高、安全和环保等多种优点[1]。自1964年开始，我国TBM设备研制与施工应用已有50余年，TBM应用及隧洞施工技术在各工程领域内迅猛提升[2-3]。目前，国内外TBM的转弯半径集中在200～800 m，江南线山岭段线路的“钱南号”TBM最小转弯半径为400 m[4]； 黎巴嫩贝鲁特供水项目采用直径3.5 m的凯式敞开式TBM实现了300 m小转弯半径掘进[5]； 深圳地铁6号线2期工程双护盾TBM最小转弯半径为260 m[6]； 克萨斯州奥斯汀市的Parmer航线污水拦截项目采用直径2.5 m的双护盾TBM实现了150 m小转弯半径掘进[7]。

抽水蓄能电站工程为TBM小半径曲线施工应用的新兴领域，其施工不同于山岭输水隧洞，具有掘进区间短、线路曲线小、频繁过站、场地环境受限等特点，按照原山岭输水隧洞TBM的设计已不再具有普遍适用性，需要根据实际环境和工程特点进行必要的选型和针对性设计。

目前，国内学者已经针对小半径曲线项目TBM选型及适应性设计、抽水蓄能电站TBM施工关键技术和风险开展了一定研究。文献[8]从 TBM 技术的发展和抽水蓄能电站的特性方面，初步探讨了抽水蓄能电站地下硐室 TBM开挖的可行性，论述了抽水蓄能电站 TBM 开挖解决方案。文献[9-10]简述了国内外抽水蓄能电站引水斜井施工现状，总结了国外采用隧道掘进机进行抽水蓄能电站引水斜井施工的经验，讨论了抽水蓄能电站引水斜井TBM施工中的几个关键问题，研究了TBM 施工中的风险评估问题，并论证了TBM在抽水蓄能电站施工的可行性； 文献[11-12]分别提出了一种可实现TBM超小半径转弯的新型推进系统，解决了TBM转弯半径受限的问题； 文献[13-15]从TBM刀盘设计方面入手，提出了基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法，在硬岩条件下“一”字布刀比“十”字布刀具有更高的破岩效率； 文献[16-17]对掘进机过站技术进行了研究，提出平移和空推的过站方式，解决了TBM过站多次拆解、组装、调试以及对车站影响的技术难题。

国外抽水蓄能电站起步较早，欧美、日本等发达国家于20世纪六七十年代已开始将TBM应用于抽水蓄能电站施工； 我国抽水蓄能电站的建设起步相对较晚，且主要依靠钻爆法施工。

鉴于TBM在国内抽水蓄能电站的应用还处于起步阶段，且相关探索研究较少，同时考虑到应用环境对TBM的各项指标要求较高，本文依托山东文登抽水蓄能电站30 m转弯半径排水廊道项目，对紧凑型TBM在抽水蓄能电站排水廊道隧洞的应用选型技术、针对性设计、应用效果等方面进行了研究，以期对紧凑型TBM在抽水蓄能电站排水廊道的后续应用提供参考。

1 工程背景及TBM设计要求

1.1 工程背景

文登抽水蓄能电站位于山东省威海市文登区，蓄能电站中的上层、中层、下层排水廊道采用TBM施工，开挖洞径均为3.5 m，洞室布置如图1所示。

图1 抽水蓄能电站洞室布置

上层排水廊道长928 m，隧洞布置为“哑铃”型，过渡位置采用“S”弯设计，共包含2处30 m转弯半径和4处50 m转弯半径隧洞段，上层排水廊道规划示意如图2所示。

中层及下层排水廊道长1 478 m，隧洞布置为 “螺旋回字”型，过渡位置转弯半径均为30 m，共包含7处30 m转弯半径隧洞段。中层及下层排水廊道规划示意如图3所示。

围岩岩性为石英二长岩、二长花岗岩，饱和单轴抗压强度最高200 MPa，平均110 MPa，石英质量分数为50%～ 60%。隧洞埋深170～420 m，纵坡为40‰，断层为f11-17、 f11-23断层， f11-23断层影响带产状为NE85°、SE75°，宽度为30 m。

图2 上层排水廊道规划示意图

图3 中层及下层排水廊道规划示意图

1.2 TBM设计要求

根据工程分析可知，TBM要具备超小转弯半径掘进的能力，同时在岩石强度高的情况下，要具备高效破岩的能力； 在工程距离较短的前提下，TBM要具备施工经济和转场快速便捷的能力。

1)抽水蓄能电站排水廊道隧洞围绕地下厂房修建(如图1所示)，受线路布局等客观条件限制，需要设计合适的曲率，与引水隧洞普遍的直线线路或者大曲率半径线路不同，其曲线转弯半径要求极小，多为30～50 m。TBM设计时需着重考虑超小转弯半径施工的整机适应性，TBM调向、设备通过能力、皮带机出渣等方面需特殊设计，以满足整机小半径转弯的性能要求。

2)因抽水蓄能电站修建选址的特殊性，紧凑型TBM多应用在以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主的隧洞中，岩石饱和抗压强度多为90～150 MPa，岩石质量指标RQD值为80%～95%，围岩完整性好，石英质量分数高。TBM长距离掘进的情况下，对TBM的高效破岩能力、刀盘耐磨性要求较高。

3)小半径转弯工况时，边缘滚刀刀圈内侧将承受较大的载荷且受力严重偏离了正压力方向，会加速边缘滚刀刀圈内侧的磨损，因此，需对边缘滚刀进行针对性设计以延长刀具使用寿命。

4)排水廊道隧洞围绕地下厂房螺旋分层布置，每层受交通洞、排水洞线路交叉影响，相邻洞口间距为100～400 m，连续开挖距离较短，过站频繁。同时，受洞内运输、组装场地空间限制，无法安装大型起重机械，TBM主机在扩大洞室组装完成顶推掘进至始发洞室后方可进行后配套组装。因此，应尽量缩短TBM主机、单机和整机长度，减小各部件的结构尺寸、质量，以方便洞内运输、吊运和组装，缩短整机组装时间。

2 紧凑型TBM针对性设计

2.1 超小转弯半径TBM推进系统针对性设计

TBM的机型主要有敞开式和护盾式2种，其中，护盾式TBM受筒状护盾与隧洞围岩接触限制，转弯能力较差； 与护盾式TBM相比，敞开式TBM能够适应的转弯半径较小。

根据支撑洞壁结构的不同，敞开式TBM主要分为主梁式和凯式2种结构形式，示意如图4所示。

(a) 主梁式结构

(b) 凯式结构

2种支撑结构的TBM调向原理类似，通过撑靴油缸行程差迫使TBM中心线偏移隧洞中心线，从而实现TBM转向。但二者也有所不同，凯式TBM掘进过程中无法调向，需要在一个掘进行程结束换步时调向，转弯时开挖线路为弦线； 主梁式TBM开挖线路理论上可以和曲线隧洞的设计轴线保持一致，但实际执行过程中并不是每时每刻都在调向，而是间断性地调向，开挖线路是一条首尾相接的多段连续线段。

上述2种结构形式的敞开式TBM在洞径3.5 m时可适应半径大于300 m的转弯，例如： 黎巴嫩贝鲁特供水隧洞采用开挖直径3.5 m的凯式敞开式TBM，隧洞最小转弯半径为300 m，已顺利贯通。但对于30 m的超小转弯半径隧洞，上述2种结构均无法满足。

针对30 m的超小转弯半径隧洞，为增强小半径曲线转弯通过性，对TBM在结构上进行了创新性改革，摒弃传统的设计理念，采用新的空间结构形式，首次在双护盾TBM的基础上，取消尾盾、辅推油缸、管片拼装机等设计，结合敞开式TBM的锚网喷支护系统设计了紧凑型TBM推进系统。

将刀盘、前盾、主驱动作为设备前端部分，支撑盾和撑靴作为设备后端部分，小直径TBM中间通过多根V型推进油缸连接(大直径可以采用转矩梁和平行油缸的结构形式连接)，油缸端头采用球型铰接形式。这样既能保证设备的稳定性和可靠性，又具备灵活性和超大转角性。推进系统的结构示意如图5所示。

图5 推进系统的结构示意图

当TBM需要转弯时，在一次调向中主机移动距离为Δl(Δl<

(1)

图6 紧凑型TBM转弯示意图

2.2 超小转弯半径TBM导向系统针对性设计

针对超小转弯半径隧洞的特殊施工环境，尤其是30 m转弯半径和主控室远程控制等特点，提出了一种新型TBM激光自动导向系统。其具有以下创新：

1)与主控室通过光纤远程连接控制。

2)采用间接测量的方式，将支撑盾体作为测量对象，结合推进油缸行程进行主机姿态的推算。

3)通过控制推进油缸行程差，进行盾体姿态的调整。

TBM激光自动导向系统主要的硬件设备包括防震型激光标靶(EIS-1225-T)、中央控制箱(CBHFM-0601)、无线信号电台(ZTRS-19)、网端盒(ZTWD-19)、中继盒(RS/EIS)、全站仪(TS16)、带有导向系统的工业电脑以及PLC控制系统等，其原理如图7所示。

图7 适用于超小转弯半径TBM的激光自动导向系统原理图

激光自动导向系统工作流程如图8所示。

图8 激光自动导向系统工作流程

2.3 超小转弯半径TBM物料运输及后配套系统针对性设计

TBM在小半径曲线施工过程中，会因隧洞曲率的变化造成皮带机跑偏撒料、物料运输不连续、后配套台车受侧向力滚转、设备通过曲线时异常碰撞损坏。为增强紧凑型TBM对小半径曲线的适应能力，需对出渣系统的适应性和后配套系统的通过性等进行针对性设计。

1)皮带机的主要功能是将刀盘开挖的渣石运送到TBM后配套后部的渣车上。由于空间限制问题，皮带机采用液压马达驱动、重锤张紧局部收缩的一体式设计形式代替传统的2条皮带机布置方式。

①主机区域伸缩段皮带机采用浮动支撑取代传统的轨道轮组的形式；

②皮带机内外侧高低可调(如图9(a)所示)，在转弯阶段通过抬高内侧防止胶带跑偏；

③内侧增加压辊，强制内侧胶带沿波浪线运行以减小内外侧张力差，减小内侧胶带的波动及跑偏状况；

④缩短皮带机长度，通过调节左右螺杆(如图9(b)所示)减小皮带机夹角。

(a) 上下调节螺杆 (b) 左右调节螺杆

皮带机小半径曲线针对性设计可以实现随刀盘掘进向前延伸和后退换刀的需求。TBM设备内部无转渣点，掘进剥落的渣石经集渣斗落入皮带机直接输送到TBM尾部，节省皮带机搭接空间。

2)物料小车与行走轨道匹配。在后配套台车铰接位置，轨道采用斜口错缝搭接的形式，满足曲线要求，确保不发生脱轨。

3)后配套台车与掘进曲线匹配。TBM后配套采用紧凑型设计，设备布置在后配套台车两侧，中间预留人行通道。后配套台车设备布置在安全线内，且在后配套台车前后端部设有防护梁，在给定的线路上，后配套台车设备与洞壁留有安全余量，台车与台车的铰接满足曲线要求。后配套设备布置见图10。

图10 后配套设备布置图

2.4 硬岩地层刀盘高效破岩针对性设计

高效破岩是TBM施工考虑的首要问题，直接决定了TBM与地质的适应性。高效破岩取决于刀盘刀具的设计合理性、质量可靠性、性能稳定性，主要包括以下几个方面：

1)刀盘高强度设计。TBM刀盘盘体一般分为薄板拼焊和厚板锻造2种方式。二者相比，厚板锻造盘体刚度和强度较高，具有良好的韧性。基于抽水蓄能电站排水廊道小洞径工况，刀盘采用整块结构设计、重型焊接钢结构形式，刀盘面板选用Q345D钢板(锻造370 mm厚板)，刀盘法兰为锻造环件。

2)刀间距合理布置设计。刀盘刀具的布置及选型充分考虑了工程地质条件和施工要求。合理的刀间距设计有利于滚刀破岩，还可确保刀盘在掘进过程中受力均匀，无较大的应力集中，产生的振动相对较小，进而可以提高刀盘的工作寿命，降低刀具消耗。本工程刀具布置为非线性形式，刀盘中心刀间距为84 mm，正滚刀间距为75 mm，刀具布置均匀。

3)“一”字中心刀布置设计。中心刀的布置分为“一”字布置(见图11)和“十”字布置(见图12)2种方式。厚板刀盘采用一字布刀方式，可将中心刀间距由89 mm优化为84 mm，缩小刀间距可以充分利用盘体表面，增加刀具数量，提高破岩效率。

(a) “一”字中心刀布置图

(b) “一”字中心刀间距示意图(单位： mm)

4)偏刃刀圈结构设计。边缘滚刀安装在刀盘最外侧，采用斜装方式，受力特殊，存在较大偏载，如图13所示。在切削破岩过程中边刀失效形式一般为偏磨。

由刀圈侧边受力模型和边缘滚刀破岩机制可知，转弯段边刀内侧受力可能最大，因为刀圈内侧接触的岩石面积最大。对边刀刀圈转弯段受力进行简要分析，受力示意如图14所示。由图可以看出，边缘滚刀刀圈受力严重偏离了正压力方向，刀圈内侧为主要受力面。这将导致刀圈内侧磨损严重，刀圈使用寿命缩短。

(a) “十”字中心刀布置图

(b) “十”字中心刀间距示意图(单位： mm)

图13 边缘滚刀工作特征

根据小半径转弯条件下的边刀受力情况和滚刀破岩机制可知，在刀圈半径和贯入度固定时，减小接触区径向角度有利于减小接触区应力，进而减少刀圈磨损[18]。在常规刀圈的基础上，增加了偏刃刀圈边刀主要受力一面的厚度，偏刃刀圈示意如图15所示。减小接触区径向角度，增加刀圈的受力面积，可能有利于提高刀圈的使用寿命。

图15 偏刃刀圈示意图

3 紧凑型TBM研制及工程应用

3.1 TBM主要技术参数

鉴于工程地质条件较好，TBM整机设计以小半径曲线掘进、出渣功能为主。TBM整机如图16所示，主要参数见表1。

图16 超小转弯半径TBM整机

3.2 超小转弯半径TBM掘进技术及参数

3.2.1 适应于超小转弯半径的TBM掘进姿态控制技术

超小转弯半径TBM施工时必须保证能够实时监测TBM的位置、TBM的轴线与隧洞设计轴线在水平和垂直方向的偏差以及趋势，以便TBM司机能够依据导向系统显示的偏差数据和趋势及时控制并调整TBM掘进方向，确保TBM沿设计轴线方向掘进。为此，为TBM每组推进油缸设计了单独操作功能并配置了行程测量传感器。依据每根油缸位移传感器测量的行程值，自动导向系统通过油缸分布角度计算出每组油缸的轴向行程值，操作手根据掘进需求调节油缸的轴向行程差值，达到调整控制掘进方向的目的。

表1 TBM主要技术参数

以TBM在半径为30 m的圆曲线掘进为例，隧洞横断面直径为3.5 m，内外侧油缸行程差值示意如图17所示，则每环推进油缸行程差值计算如下：

d1-d2=LD/R=350 mm。

式中：d1为内侧油缸行程值；d2为外侧油缸行程值；L为掘进1个循环到达油缸最大行程时前盾与支撑盾中心的距离，取3 m；D为开挖直径；R为转弯半径。

图17 转弯半径为30 m时内外侧油缸行程差值示意图

3.2.2 掘进参数的选择

文登抽水蓄能电站上层排水廊道上覆岩体厚度为170～280 m，围岩为石英二长岩及二长花岗岩。通过对已有排水廊道TBM小转弯施工情况的统计可知，围岩类别主要为Ⅱ类，部分为Ⅲ类，少量为Ⅳ类(断层及影响带)。其中，Ⅳ类围岩长度约占6%。施工中不同类别围岩对应的掘进参数如表2所示。

表2 不同类别围岩对应的掘进参数

Ⅱ类围岩节理裂隙不发育，单轴抗压强度高，滚刀破岩能力较弱，掌子面阻力较大，贯入度为3～5 mm/r。掘进中推力偏大，选择推力为额定推力的80%以上，刀盘转速选择为最大转速的70%～75%。围岩强度高且完整，贯入度较小，刀盘的转动负载小，所需的驱动转矩低，为刀盘额定转矩的25%～30%，掘进速度可达到最大掘进速度的30%～40%。

Ⅲ类围岩微风化或弱风化，裂隙发育，强度偏低，滚刀破岩效率较高，贯入度为7～9 mm/r，掘进速度相比Ⅱ类围岩较大，能达到最大掘进速度的50%～70%。根据掘进速度、皮带机的承载状态综合调整刀盘转速为10～12.5 r/min，能实现TBM掘进效率的最大化。根据刀盘转速、贯入度、出渣情况综合调整掘进推力，将其控制在7 500 kN左右。由于贯入度大，刀盘的转动负载大，所需的驱动转矩比Ⅱ类围岩条件下偏高，可达刀盘额定转矩的55%～65%。

Ⅳ类围岩断裂及软弱结构面较多，呈碎石状镶嵌结构，局部呈碎石状压碎结构，控制岩体贯入度为3～5 mm/r。在刀盘破岩的扰动下，掌子面可能出现大块岩石塌落。为降低刀具和皮带机损坏风险，根据刀盘转矩的变化情况及时调整掘进速度，控制其为最大掘进速度的40%～55%。掘进中采用较小的推力，推力一般控制在3 500 kN以下，同时适当降低刀盘转速，提高刀盘的实时输出最大转矩，以应对突发破碎情况。由于围岩破碎，掌子面围岩可能出现塌方，导致刀盘的转动负载波动范围较大，一般可达到刀盘额定转矩的35%～40%。

3.2.3 适应于超小转弯半径的TBM掘进换步

换步是TBM每个施工循环结束的必要环节，同时也是保证、调整TBM掘进方向的重要步骤。TBM换步作业流程如图18所示。通过前盾垂直油缸使顶护盾与隧洞拱顶贴紧产生摩擦，为收缩推进油缸前移支撑盾提供反作用力，推进油缸回缩1个行程，拖拉油缸拉动拖车跟随支撑盾前移来实现换步，换步过程中需要注意以下4点。

图18 TBM换步作业流程图

1)通过两侧油缸调整，使支撑盾的左右侧垂直于隧洞中心线方向，有利于TBM掘进过程中的方向控制； 同时，增加撑靴与岩壁的接触面积，防止推进过程中撑靴打滑。

2)根据导向系统上显示的TBM水平偏差趋势，控制左右油缸行程差与换步前保持一致，确保TBM水平姿态沿隧洞设计方向。

3)确保TBM垂直姿态沿隧洞设计纵坡方向，油缸上下行程差与换步前保持一致，减小刀盘的位移差。

4)可单独操作奇偶数油缸调节滚动，防止滚动过大导致设备与隧洞壁发生碰撞。

3.3 过站工艺针对性设计

排水廊道开挖线路会与进场交通洞交叉，整体线路被分割为多个区间且交通洞开挖建设早于排水廊道，TBM在前一个区间施工完成后，需过站向第2个区间施工。

3.3.1 过站原则

由于TBM在抽水蓄能电站排水廊道隧洞施工中具有弯度多、距离短的特点，导致善于长距离、快速掘进的TBM在过站时不能耗费过多时间，同时还要确保在曲线环境中过站的轴线轨迹不能产生任何偏移，否则将无法顺利进入接收洞。这也是超小转弯半径TBM过站的难点和风险所在。TBM 过站应遵循“快速、 安全、精准、干扰小、控成本”的原则，既要满足施工质量控制又要保证施工工期节点，故TBM过站采取的原则如下。

1)TBM过站方案应结合施工现场设计综合考虑,其技术需具备先进、精确、实用、可靠、快速、经济等特点。

2)TBM过站方式与过站段隧洞开挖相互配合,过站段施工应优先考虑为TBM过站提供快速通过条件，同时防止过站过程中本段隧洞施工产生扰动。

3)在满足安全的前提下，过站技术应优先考虑最快速通过，将施工工序干扰降到最低程度。

4)具备空推过站条件时优先整机空推通过,避免TBM洞内拆装的安全风险和工期影响。

3.3.2 总体方案

本项目主要采用步进过站的方法，首先对步进段现场水电条件进行配置，清理洞内积水，配备照明及其他动力设备电源，步进段隧洞地板进行硬化处理。按照步进通过设计要确保洞门与步进段高差符合要求，然后开始安装好步进架，TBM开始步进通过，同时对水、电管线进行延伸，进入下段始发洞至掌子面后步进完成。由于在曲线上步进，此过程需特别注意TBM空推步进的姿态调整不能产生偏差。TBM步进过站流程如图19所示。

图19 TBM步进过站流程

3.4 紧凑型TBM应用效果

TBM在扩大洞室内采用35 t龙门吊组装的方式。主机组装完成后，顶推进入始发洞室开始后配套组装。TBM组装洞室如图20所示。

图20 TBM组装洞室图

受场地限制，现场采用“梭式矿车+转渣皮带机”的方式进行岩渣的转运输送(见图21)。

为提高出渣效率，在后配套尾部增加1节梭式矿车(见图22)作为储料仓临时存储掘进渣土，大大缩短了等待出渣梭式矿车的时间。

紧凑型TBM自2019年10月始发掘进，2020年8月30日实现全线贯通，累计掘进长度为2 314 m，掘进速度为23～35 mm/min，推力为5 000～7 000 kN。直线段最高日进尺 20.548 m，曲线段最高日进尺11.165 m。

在以Ⅱ、Ⅲ类为主的花岗岩地层中，TBM平均月进尺约为300 m(含曲线段)，出洞轴线偏差控制在50 mm以内，设备完好率92.53%。各轴线段刀具磨损值见表3。

图21 TBM渣土输运图

图22 储料梭式矿车

表3 各轴线段刀具磨损值

在偏刃刀应用方面，以19#和20#刀位刀圈为研究对象，进行初装刀圈(C1、C2)与偏刃刀圈(P1、P2)的磨损量和磨损速率对比，结果如表4所示。在相同地层掘进145.43 m后，19#和20#刀位的偏刃刀圈较常规刀圈的磨损速率分别降低了7.4%和17.5%。

表4 C1、C2和P1、P2刀圈的磨损量、磨损速率对比

4 结论与建议

山东文登抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程采用1台紧凑型TBM施工，自2019年10月始发掘进，2020年8月30日实现全线贯通，累计掘进长度为2 314 m，直线段最高日进尺为20.548 m，曲线段最高日进尺为11.165 m。本工程为我国TBM施工领域首个小半径曲线施工项目，不仅实现了洞内始发、到达、过站和转场，也实现了30 m的超小半径曲线掘进。主要结论与建议如下：

1)抽水蓄能电站等小半径曲线隧洞施工采用紧凑型TBM切实可行，具有施工安全性高、环境优良、速度快等多项优势。

2)紧凑型TBM应用于抽水蓄能电站超小转弯半径隧洞施工时，应重点考虑刀盘高效破岩能力和小半径曲线适应性，针对抽水蓄能电站地质围岩完整性好、强度高的特性进行针对性设计与创新。

3)紧凑型TBM相比其他形式的TBM具有更小的转弯半径，可以满足超小曲率半径施工要求。

4)新型TBM激光自动导向系统可以满足超小转弯半径的施工需求，且精度较高。

5)偏刃刀技术可以降低刀圈磨损速率，增加刀圈使用寿命，提高 TBM 的掘进效率。

6)在TBM出渣方面，采用梭式矿车+皮带机的出渣方式，并通过增加储料梭式矿车缩短出渣等待时间。在后续应用中，建议对小半径曲线、小洞径TBM掘进出渣等施工配套技术开展研究，以提高施工效率。