我国硬岩掘进机的创新与实践
（见《隧道建设（中英文）》年第4期“专家论坛”，原文为中、英文）
洪开荣，王杜娟，郭如军
导语
近年来，在TBM装备研发、推广应用力度不断加大的背景下，我国TBM设计、制造及施工技术均有了大幅度的提升，然而与国外一样，针对软弱围岩TBM的研发与应用还需进一步研究与提升。
在分析国内外TBM研究与应用现状的基础上，针对大瑞铁路高黎贡山隧道所处地段存在的“三高四活跃”复杂地质条件，开展TBM设计方案研究工作：
1）通过开展原型滚刀破岩及缩尺滚刀磨损试验，为TBM刀盘适应性设计及关键参数计算提供依据；
2）从刀盘刀具高效破岩、TBM扩挖和集成式支护系统等方面对TBM设计方案进行论述；
3）对搭载式HSP法、RTP岩体温度法2种超前地质预报技术进行研究。
研究成果能够为复杂地质条件下高适应性TBM设计、制造及其在高黎贡山隧道工程中的应用奠定基础。
引言
硬岩掘进机（TBM）施工工法具有施工效率高、隧道成型好、对周边环境影响小等优点，适合于深埋长大隧道的施工，已在世界各国的能源、交通、水利和国防等领域的隧道工程建设中得到成功应用，如已经建成的莱索托南水北调工程、英吉利海峡隧道、Vereina铁路隧道等。以美国罗宾斯、德国海瑞克、意大利CMC公司等为代表的厂家已具备了相对完善的TBM设计、制造及施工成套技术，而我国在TBM装备研发与应用方面还需进一步拓展。
针对复杂地质，国内TBM制造厂家在软弱围岩变形、断层破碎地段、高地应力、高岩温、岩爆、高压承压水和涌水等不良地质处理方面进行了有益的探索，并取得了一些进展，在一定程度上突破了长期依赖国外进口及联合制造的瓶颈。
未来一段时间我国将在中西部地区建设大量铁路隧道，越来越多TBM将被用于工程建设。目前：
1）应对不良地质方面的TBM设计仍不完善，存在处理被动（滞后）、应对速度慢、人员操作复杂、延误工期等缺点，难以实现TBM超前探测并及时有效开展辅助工法施工。
2）当遇到突发不良地质情况，易出现卡机等问题，影响TBM掘进效率，更可能造成重大安全事故。
3）常规TBM结构模式固定，存在主机段支护作业空间狭小、各工序相互干扰、物料运输系统复杂、可靠性低等缺点，严重制约TBM掘进效率。
4）当TBM在复杂地质条件下施工时，为克服高地温、高岩爆和突泥涌水等问题，需要针对如何进一步提高TBM物料运输效率、增强设备对复杂地层的适应性开展相关研究工作。
这也是国内外都需要加强研究与开发的。
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国内外TBM研究与应用现状分析
1.1国外TBM研究与应用年，美国工程师CharlesWilson设计了世界首台可连续掘进的TBM，但由于刀具破岩问题未得到有效解决、施工效率难以与钻爆法相媲美，致使TBM无用武之地。直至年，通过采用滚刀技术，成功解决了TBM刀具破岩问题，从此TBM得到了广泛的推广与应用。目前，国外TBM技术已经相对成熟，制造TBM的厂家主要有罗宾斯、维尔特、海瑞克、拉瓦特和小松等。国外具有代表性的部分TBM工程案例统计见表1。
表1国外部分典型TBM应用统计
1.2国内TBM研究与应用国内TBM研发工作始于年，由上海勘测设计院、北京水电学院联合进行方案设计。年，TBM研制被列入国家重点科学研究项目，由上海勘测设计院牵头研制出1台直径3.5m的TBM，并在云南下关的西洱河水电站引水隧洞进行工业性试验（开挖地质为花岗片麻岩及石灰岩，抗压强度为～MPa），最高月进尺达到48.5m。
进入21世纪，作为国家振兴装备制造业重点发展的16个领域的重大技术装备之一，TBM产业迎来前所未有的发展机遇。中铁工程装备集团有限公司（简称“中铁装备”）、中国铁建重工集团有限公司（简称“铁建重工”）等应运而生，截至目前均已具备较强的TBM设计制造能力。
近年来，国内部分企业依托“”计划、“”计划等国家级科研项目开展TBM自主研制工作，取得的部分成果统计见表2。
表2国内自主研发的部分典型TBM统计
在国内岩石隧道工程建设中，TBM应用典型案例统计见表3。
表3国内部分典型TBM应用统计
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TBM关键技术研究现状分析
2.1TBM适应性研究现状近20多年来，TBM施工技术在我国得到了迅速发展，但至今尚无全国性的TBM隧道设计、施工规范，加之我国地域广阔，工程地质条件差异大，如何建立一套合理的与地层特性相适应的TBM设计理论和施工技术体系，已成为TBM装备设计与隧道工程施工所面临的一项亟需突破的难题。
2.2TBM施工技术研究现状针对复杂地质条件下的TBM施工技术难题，国内外相关单位均进行了针对性的研究与尝试，但仍然存在一些问题有待解决，岩爆防控和涌水防控是其中2个比较突出的问题：
1）对于TBM施工岩爆防控还处于探索阶段，只能大致预测岩爆等级，很难准确预测岩爆发生的时间和位置；对中等及以上程度岩爆的控制，在时机、方案选择上缺乏科学的理论指导；面对强或极强岩爆，只能通过配套支护措施来降低岩爆的危害程度，难以对其进行有效的控制。
2）富水地层TBM顺坡掘进存在很大风险，且难以进行有效应对；同时，对于松散体含水地层，存在突泥突水造成TBM沉陷、被淹、被埋的风险。针对隧道突涌水的地质探测、超前处理、排水和堵水等方面的技术措施多来自于经验积累，缺乏理论方法指导，设备配置、工艺与TBM难以实现有机结合，实施效果不理想。
2.3超前地质预报研究现状针对隧道施工的超前地质预报方法可分为地质法和地球物理法2大类。钻爆法隧道施工中，针对工作面前方不良地质体的预报技术已比较成熟。因TBM装备结构及施工工法特点，很多常规地质预报方法在TBM施工隧道内均无法使用或受到很大限制，针对TBM施工的超前地质预报系统还有待进一步开发和完善。
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高黎贡山隧道工程概况分析
3.1工程概况大瑞铁路（新建大理至瑞丽铁路）高黎贡山隧道是目前国内在建的第一特长单线铁路隧道，全长34.5km。该隧道地质条件复杂，隧道出口段采用“主洞大直径TBM+平导小直径TBM”的模式进行施工。其中，正洞采用中国自主研制国内最大直径TBM（“彩云号”，开挖直径9.03m）施工，于年1月6日TBM开始步进；平导采用中国首台再制造TBM（“彩云1号”，开挖直径6.39m）施工，于年8月28日TBM成功始发。高黎贡山隧道施工平面布置如图1所示。
图1高黎贡山隧道施工平面布置图
3.2TBM施工段地质特征TBM施工穿越地层主要为燕山期花岗岩（8.81km，73%），片岩、板岩、千枚岩夹石英岩和变质砂岩（1.44km，22%）。围岩等级以Ⅲ类为主，但Ⅳ、Ⅴ类围岩占比高达40%左右。预测隧道正洞正常涌水量为12.77×m3/d，最大涌水量为19.2×m3/d。掘进段围岩主要参数见表4。
表4TBM掘进段围岩主要参数
3.3不良地质条件分析1）高地应力。隧道最大埋深m，区域应力场较高，测区内洞身附近三向主应力值关系为：垂直主应力（约31MPa）最大水平主应力（20～29MPa）最小水平主应力（13～19MPa）。最大水平主应力优势方向与隧道线路走向夹角为12°～21°，隧道可能发生岩爆及软岩大变形。根据预测，隧道正洞软岩大变形段落总长m，其中轻微大变形段长m；断层破碎带中，局部断层易发生中等大变形，长度为m。
2）地层破碎。高黎贡山隧道正洞TBM施工段将遇到的破碎—极破碎岩体地段有20处（共计m）；平导洞TBM施工段将遇到的破碎—极破碎岩体地段有15处（共计m）。整个隧道穿越的Ⅳ、Ⅴ类围岩占比高达40%左右。
3）高地温。高黎贡山隧道越岭地段，深孔钻探实测最高温度40.6℃，路肩面最高温度36.7℃，洞身D1K+～D1K+段（长度10.km）岩体温度介于28～39℃。
4）高地震烈度。施工区域位于滇西南地震带，地震活动强度非常大，频度高。测区地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱周期为0.45s。强震与活动断裂分布的相关性极高，大部分6级以上强震沿活动断裂分布。场址历史上遭受过强震，6年5月龙陵发生7.3级地震。
5）溶岩与突涌水。进口段为三叠系白云岩以及侏罗系、奥陶系、寒武系等地层中的夹层型可溶岩，长度共计m，岩溶弱—中等发育；隧道中部为志留系灰岩、白云岩，长度为m；隧道出口段为泥盆系灰岩、白云岩，长度为m，岩溶弱发育。
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TBM关键参数适应性研究
4.1TBM滚刀破岩适应性研究TBM刀具的布置对TBM破岩效率的影响至关重要，尤其是刀刃间距，合理的刀刃间距对提升TBM的掘进能力具有重要影响。
4.1.1不同刀刃间距试验方案
利用TBM掘进模态综合试验台（见图2），调整刀盘上滚刀的刀刃间距分别为80、90、、、、mm，开展6种不同刀刃间距下的滚刀破岩试验。
图2TBM掘进模态综合试验台
所用岩样为花岗岩，强度为~MPa。岩样形式如图3所示，分别加工4块（每种形式取样2块），然后进行拼接，中间的缝隙用混凝土填充。
图3岩样形式
4.1.2不同刀刃间距滚刀破岩效果分析
不同刀刃间距条件下的实际滚刀破岩效果如图4所示。
图4不同刀刃间距滚刀破岩效果照片
由图4可知，当刀刃间距分别为80、90、、mm时均能有效破岩，岩样表面无岩脊；当刀刃间距为、mm时，岩样表面刀刃间距之间局部有未掉落的岩石，但是随着掘进的继续和贯入深度的增加，残留的岩石会随之掉落。
对不同刀刃间距试验组的岩渣进行筛分分类，筛分统计结果如图5所示。
图5不同刀刃间距岩渣筛分统计结果
由图5可以看出，不同刀刃间距下，岩渣各个粒径所占比例虽略有不同，但总体分布情况相近。其中，粒径在40~50mm的岩块和低于2.5mm岩粉所占比例较高，分别为11%~16%和18%~25%。
4.1.3不同刀刃间距破岩比能分析
保持掘进速度和刀盘转速稳定不变，分析不同刀刃间距条件下的破岩比能，滚刀刀刃间距/贯入度（S/p）与比能的关系曲线如图6所示。
图6Ｓ/ｐ与比能之间的关系曲线
由图6可以看出，对于该花岗岩，刀刃间距与贯入度之比（S/p）为25~30时，比能最低，约为~kJ/m3。当刀刃间距为80mm时，最优的贯入度为2.7~3.2mm/r；当刀刃间距为mm时，最优的贯入度为4~4.8mm/r。单独从比能的角度分析，mm刀刃间距较合理，但考虑到该工程TBM掘进过程中将遇到高强度岩石的情况，TBM实际平均贯入度较低。因此，刀盘正面滚刀刀刃间距采用80mm有利于刀具破岩；中心滚刀由于破岩量小，采用90mm或mm的刀刃间距较为合适。
4.2滚刀磨损适应性研究TBM刀具磨损受地质、机械等因素的影响。为了掌握这些因素对滚刀磨损的影响规律，采用缩尺后的小尺寸滚刀开展室内磨损试验（原型滚刀室内刀具磨损量较小，很难获取相关数据），试验装置如图7所示。
图7小尺寸滚刀复合磨损试验装置
4.2.1不同岩性小尺寸滚刀磨损试验
为了探索岩石磨蚀性强弱对滚刀磨损的影响规律，开展了花岗岩、砂岩、闪长岩、灰岩、大理岩等5种岩石的小尺寸滚刀磨损试验和岩石磨蚀性试验。
试验方案：小尺寸滚刀采用直径1.7英寸、刃宽1.9mm的平刃滚刀，滚刀的贯入度设定为0.05mm/行程，每切割一次的行程为mm，滚刀每滚压m称量质量损失一次，共测3次求平均值。利用岩石磨蚀伺服仪测试5种岩石的CAI值。
试验结果表明：滚刀磨损速度不仅与岩石的抗压强度有关，而且与岩石磨蚀性指标CAI有一定的正相关性。另外，虽然闪长岩、灰岩和大理岩3类岩石的抗压强度较高，但在试验过程中观察发现：滚刀的破岩效率较高，岩屑均为大块掉落，岩石特性较脆、易于破碎，滚刀磨损较低。
4.2.2不同贯入度小尺寸滚刀磨损试验
试验方案：小尺寸滚刀采用直径1.7英寸、刃宽1.7mm的平刃滚刀，滚刀的贯入度分别设定为0.08、0.07、0.05、0.03mm/行程，每切割一次的行程为mm，滚刀每滚压m（即个行程）称量质量损失一次，共测3次求平均值。开展灰花岗岩（72MPa，CAI值为3.5）和红花岗岩（98MPa，CAI值为3.8）条件下的滚刀磨损试验。
试验结果表明：所选红花岗岩磨损性明显高于灰花岗岩，随着贯入度的增加，滚刀的质量磨损率呈线性增加。当贯入度达到一定值后，滚刀磨损量会急剧上升，主要由于大贯入度下滚刀所受到的垂直力大，滚刀刀刃发生了卷边，刀刃材料卷边后更容易掉落，致使滚刀磨损量急剧上升。建议在TBM现场掘进时，控制推力避免发生滚刀卷边，从而控制刀具磨损。
4.2.3不同种类小尺寸滚刀磨损试验
1）不同刀刃宽度
试验方案：使用刀刃宽度分别为1.9、1.6、1.3mm3种不同刃宽的1.9英寸滚刀，在其他试验参数相同的情况下，开展滚刀磨损试验。试验刀具的尺寸按1∶10缩小，材料及工艺与原型滚刀相同，用天平（精度0.g）称量小尺寸滚刀磨损质量。
试验结果表明：滚刀磨损质量与刃宽基本呈正比，可以推断滚刀径向磨损量与刀刃宽度关系不大；从试验载荷来看，滚刀所受载荷并未因刃宽变窄而有较大程度的降低（质量磨损是和体积磨损呈正比的，体积的磨损量为刃宽×周长×径向磨损量，质量磨损量与刀刃宽度基本呈正比，可以推测径向磨损量基本是相同的）；根据岩样破裂情况来看，刃宽变窄之后贯入能力增加，但2道压痕间的贯通能力减弱。
2）不同直径
试验方案：使用滚刀直径为1.7英寸、1.9英寸和2.0英寸的微型滚刀，材料、工艺与原型滚刀相同，在贯入度为0.05mm/行程条件下，开展滚刀磨损试验。
试验结果表明：小尺寸滚刀直径改变后，滚刀的百米磨损量并没有明显的变化，可见滚刀的磨损速度与滚刀直径并没有直接关系；同时，1.7英寸滚刀百米磨损量逐级增加，主要是因为试验过程中刀刃发生了明显卷边，因此高强度硬岩条件下建议尽可能使用大直径滚刀，可以增加滚刀的允许磨损量，进而延长滚刀使用时间。
3）不同刃形
试验方案：分别使用直径1.9英寸、刃宽1.9mm的圆刃滚刀（圆角1mm）和平刃滚刀开展滚刀磨损试验。
试验结果表明：平刃滚刀磨损后有卷边，圆刃滚刀磨损后几乎无卷边；从磨损质量来看，圆刃滚刀百米磨损量明显低于平刃滚刀，因此建议在高强度硬岩条件下采用圆刃滚刀。
4.3高黎贡山TBM关键设计参数TBM关键设计参数见表5。
表5高黎贡山TBM关键设计参数
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TBM设计方案研究
5.1刀盘刀具高效破岩设计针对岩石强度中等、完整性好、石英含量高的特点，需加强刀盘破岩与保护措施。设计思想为：在不需对刀盘进行较大规模修复的前提下，完成本项目的开挖掘进。根据工程概况及地质资料，刀盘的整体设计方案为：开挖直径为9.03m，盘体材质为QD，刀盘质量约t，划分为5块，如图8所示。
图8刀盘方案
5.1.1刀盘高强度设计
刀盘中心块及边块采用锻造mm厚板，减少焊缝，增加了刀盘的刚度及强度，提高了刀盘的疲劳寿命；法兰采用mm厚的锻件，强度高、刚度好，使主轴承受力均匀，保证了主轴承的使用寿命；刀座采用QD锻件制作，其背部设计有异型支撑板，以增加刀座的刚度和强度，从而保证刀座具有较长的使用寿命。
5.1.2小刀刃间距布置设计
刀盘共布置62把滚刀刀刃，中心刀刀刃间距为89mm，正滚刀刀刃间距为80mm，采取小刀刃间距设计，刀盘的破岩能力较强，且可有效降低刀盘振动，延长刀具使用寿命。
5.1.3刀具非线性布置设计
采用刀具非线性布置设计，刀盘受力更均匀，避免较大应力集中，有利于延长刀盘寿命；同等岩石强度的条件下，振动相对较小，有利于降低刀具消耗。
5.1.4刀盘多进渣口设计
设计12组进渣口，具有足够的容渣空间，保证刮渣干净，减少刀具的二次磨损。刮板与刮板座采用高强度的螺栓连接（背装式），便于拆卸及更换。进渣口处设计多种导渣板，提高刮渣的效率，减小刮板的磨损。
5.2TBM扩挖设计TBM有50mm和mm2种扩挖直径，同时为实现TBM连续长距离扩挖，在刀盘变直径的同时，进行驱动抬升，防止刀盘直径变大后在底护盾与围岩之间形成间距。
本工程TBM底护盾与机头架之间通过螺栓进行刚性连接。若需要变直径开挖，需在局部扩挖之后，首先拆除底护盾与机头架之间的连接螺栓，通过举升油缸将机头架抬起一定高度，在机头架与底护盾之间填装入相应厚度的钢板，最后将机头架与底护盾重新进行刚性连接。
5.3隐藏式超前钻机设计超前支护钻机结构如图9所示，在主梁平台下部单独设计超前钻机、推进梁及环形齿圈梁。超前钻机泵站与L1区锚杆钻机系统共用。
图9隐藏式超前钻机结构示意图
正常掘进时，超前钻机随一段齿圈轨道梁暗藏于主梁平台下方，两侧分别固定2段齿圈轨道梁。需要超前钻孔作业时，通过两侧油缸将超前钻机及齿圈轨道梁一同升起并与两侧齿圈梁连接，可形成一个整齿圈环。超前钻机可沿着齿圈梁以一定的外插角行走一圈，可用于超前锚杆、超前小导管和超前管棚等钻孔作业，并可配合超前注浆设备，辅助进行刀盘前方围岩的超前支护。
5.4集成式支护系统设计设备配置钢筋排支护系统、钢筋网存储系统、钢拱架安装机、锚杆钻机、L1区混凝土应急喷射系统及L2区混凝土喷射系统等，钢筋排支护范围扩大至°。集成式支护系统设计方案如图10所示。
图10集成式支护系统设计方案
TBM通过不良地层时，为减少围岩出护盾后的坍塌与收敛，应在主机段设计湿喷机械手及时封闭围岩。通过结构及空间优化，在钢拱架撑紧机构上增加圆弧轨道及齿条。齿条设计必须考虑避免喷射混凝土回弹料对齿条的污染、覆盖以保护齿条，确保小车可以上下自由行走。行走小车通过齿轮齿条啮合，实现湿喷小车沿圆弧轨道行走。湿喷喷嘴安装于湿喷小车上，并可调节洞壁与喷嘴的间距。
L1区湿喷上料，采用了接力方式进行混凝土泵送，通过L2区混喷泵将湿喷料输送至设备桥右侧2台混凝土输送泵中，再通过设备桥右侧输送泵，将混凝土泵送至L1区湿喷喷嘴。
5.5制冷系统设计TBM上配置强制制冷系统以降低工作区域的温度，亦可考虑洞外运输冰块的可能性。TBM制冷系统的设计选型要充分考虑TBM设备、岩壁及渣土产生的热量；通风及制冷机组均会带走一部分热量，并且是绝大部分。
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TBM超前地质预报技术研究
6.1搭载式HSP法超前地质预报技术结合TBM设备特点，研发搭载式HSP超前地质预报设备，实现小型化地质预报，并与TBM设备融合，完成地质预报工作。
其优势体现在：1）采用“被动源”作为激发震源，无需打孔放炮或锤击等方式激震；2）测试过程中无需停工，不影响施工，亦无需施工单位额外配合；3）现场测试时间短，约20min，操作便捷；4）设备采用一体化设计，集成度高，轻巧、方便携带且性能稳定；5）探测结果以二维切片或三维图形式显示，结果直观、形象。
6.2RTP岩体温度法超前探测技术岩体温度法就是基于隧道开挖范围内的温度场畸变原理，通过温度场畸变的位置和范围来预测预报隧道施工期地下水的情况，进而做出科学的预测预报，防止隧道施工期地下水灾害的发生。
采用自主研发生产的RTP型多通道瞬态温度法地质预报仪，并配备专用便携式传感器埋置系统，采用内部电源对传感器进行供电。
测试之前，首先在隧道中选择一个合适位置，进行最佳钻孔试验，获得稳定温度场的围岩深度数据。在隧道开挖掌子面后方的周边（左边墙、拱顶、右边墙），按照一定规律沿隧洞轴线方向各均匀施作一排固定深度的钻孔，在钻孔底部布置传感器，钻孔填充砂浆并密闭。稳定12h后，通过测温仪器获得传感器数据。
结论与建议
针对大瑞铁路高黎贡山隧道所处地段存在的“三高四活跃”复杂地质条件，开展了原型滚刀破岩与缩尺滚刀磨损试验，提出了高适应性TBM设计方案。通过研究TBM装备软弱大变形段开挖、高地温环境应对等关键技术，研制出能适应复杂地质条件的高适应性TBM，并应用于高黎贡山隧道工程。为提高TBM对不同地质条件的适应能力，后期将结合在建的高黎贡山隧道施工情况，进一步从以下几个方面开展相关研究工作：
1）不同地层TBM关键参数适应性研究。基于岩机相互作用机制，研究TBM刀盘与推进系统适应性设计的关键要素。在刀盘设计方面，建立TBM破岩适应性设计理论与方法。基于依托工程地质水文条件，根据岩机作用模型，进行TBM关键参数计算。
2）软弱大变形TBM变截面开挖关键技术研究。针对依托工程存在的长距离软弱围岩，为预防软弱围岩大变形可能导致的隧道收敛，TBM开挖截面直径需要考虑长距离扩挖掘进的需要，开挖和支撑结构需要进一步创新。基于机械设计机构运动理论、强度理论和刚度理论，开展数值仿真，进行刀盘、护盾等关键机构动作、刚度、强度分析，得出适用于变截面隧道全断面开挖的关键部件机构、结构形式，指导TBM变截面开挖、支撑等关键部件系统设计。
3）高地应力岩爆预防与控制关键技术研究。针对在高地应力情况下，地层岩爆发生频繁，依托工程属于高埋深、高地应力地层，岩爆危害风险极大，对比微震、声发射等优缺点，开展岩爆预测方法研究；同时，通过高地应力岩爆发生时空分析，提出岩爆防控方法和措施。
4）破碎岩层TBM快速掘进适应性关键技术研究。针对软弱破碎岩层TBM掘进效率低、施工风险大且广泛存在卡机（卡刀盘、卡护盾等）、坍塌等问题，基于岩石稳定特性，在考虑扰动情况下，采用数值分析方法，分析岩石性能时空演变，提出TBM护盾防卡措施及快速支护方法，为TBM护盾及快速支护装置设计提供理论支撑。
5）高地温地层TBM掘进环境保护关键技术研究。高地温在TBM掘进段可能存在，依据工程设计资料考虑地温冗余，主要从设备工作温度、工作区间环境温度开展设备温度热交换和隧道通风理论分析，为TBM高地温掘进环境保护系统提供理论依据和防控措施建议。
6）TBM隧道施工防涌水关键技术研究。针对深埋地层隧道工程施工特点，分析依托工程复杂的水文地质情况，选择富水严重地段，结合工程地质采用渗流场分析方法，分析隧道最大涌水量。针对涌水压力及流量特点，分析超前注浆地质改良封水措施可行性，提出超前注浆工艺措施，指导TBM涌水地层装备适应性设计；同时，以工程涌水极限点为原则，指导TBM排水装置选型与设计，并对装备机电液装置的防水设计提出要求。
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