长距离大坡度隧洞敞开式掘进机（TBM） 顺坡掘进施工关键技术

　　主要完成单位：中国水利水电第六工程局有限公司

　　主要完成人：赵辉，张雄伟，许东，阮超，夏卫斌，张志峰，娄广明，孟庆廷、宋明哲，刘洋

　　该项目依托的新疆某隧洞勘探试验交通洞工程，坡比为11.5%，掘进距离5352m，开挖直径8.0m，应用敞开式TBM施工，是TBM在长距离、大坡比、大洞径隧洞顺坡掘进的尝试和突破，对比于其他TBM隧洞施工，如何进行TBM斜坡步进、保证连续皮带机在大坡度长距离运行和逆坡出渣、顺坡掘进供排水、大坡度双向物料运输、复杂地质条件下TBM斜坡掘进和支护处理等是该项目的特点及难点。

　　鉴于上述问题和难点，经相关关键技术研究，形成了成熟完整的技术体系，有效解决了施工技术难题，取得了显著的成效，有效提高斜坡隧洞施工安全、缩短施工工期、节约施工成本，拓展了TBM设备在隧洞施工的应用范围，具备在较大综合坡度隧洞施工中全面推广应用的前景。项目研究获得实用新型专利3项、省部级工法3项、“长距离大坡度敞开式掘进机顺坡掘进施工技术”获得中国大坝工程学会科技进步二等奖、中国施工企业管理协会科学技术进步奖二等奖、中国电力建设企业协会技术进步奖二等奖、中国电力企业联合会电力科技创新二等奖。该项目的顺利完成开创了世界隧洞开挖施工采用主梁式(开敞式)TBM硬岩掘进机完成长距离大坡度顺坡开挖的先河，填补了国内外长距离主梁式TBM斜井施工的空白。经中国电力建设集团有限公司评审鉴定，该研究成果达到国际先进水平。

　　1、主要创新点：

　　创新点1：研发了大坡度TBM组装与步进成套技术，通过计算和模拟，采用竖曲线进行过渡衔接，采用滑板步进方式，改进步进滑板结构(见图1)，实现了TBM组装与斜坡段步进(图2)。

　　图1 滑板步进系统

　　图2 TBM斜坡段步进

　　创新点2：研制了主机皮带尾轮外置轴承、润滑脂润滑机构(见图3、图4)，使油脂润滑与主驱动密封油脂润滑同步，提高了轴承寿命，并可以在不整体拆除尾轮情况下就地更换轴承，方便维修，提高TBM施工效率。

　　图3主机皮带机位置

　　图4 主机皮带机尾轮改造

　　创新点:3：研发了大坡比TBM顺坡掘进排水技术，针对TBM施工特点，研制了专用截水栈桥(见图5、图6)，根据隧洞渗水涌水分布情况合理布置栈桥，采用分段集中，逐级接力排水排渣的措施，达到中途排水清渣效果，减少TBM工作面排水清渣压力。采用逐级排水方案(见图7)，设置水箱接水泵进行接力排水，有效解决了顺坡掘进排水排渣难题。

　　截水栈桥安装效果示意图 截水栈桥结构示意图

　　图5 截水栈桥安装效果示意图 图6 截水栈桥结构示意图

　　图7 综合排水系统示意图

　　创新点4：研发了长距离TBM软弱泥化岩断层通过技术，通过超前地质预报提前研判，按照少扰动、强支护的原则，采取刀盘低转速、低扭矩、小推力的掘进参数，刀盘转速不超过2rpm，推进速度开始为20%，待围岩变化趋于稳定后，推进速度可调整为45%左右，扭矩变化范围小于10%。及时支护，并创新性对隧洞仰拱位置软弱泥化岩进行部分混凝土置换，有效控制围岩变形，避免隧洞底部岩体浸水软化，保证了软弱围岩洞段的顺利掘进。

　　创新点5：研发了大坡度长距离连续皮带机输送技术，改造连续皮带机驱动控制系统(见图8)，通过光纤与TBM主机有效联动，确保皮带机载荷在安全范围内。通过在卸载滚筒位置设置独立的可提供较大力矩的逆止器(见图9)，避免了皮带停机时反转现象，特别是避免了紧急停机时皮带反转导致尾部大量石渣堆积现象。增设两处断带抓捕器(见图10)，防止连续皮带断带后长距离滑落。

　　图8连续皮带机张紧控制系统 图9 卸载滚筒逆止器 图10断带抓捕器

　　创新点6：研发了无轨双向实心胶轮机车(见图11)完成隧洞施工物料运输工作，以适应大坡度、弧形路面的情况下满足施工要求。

　　图11双向实心胶轮机车

　　主要成果及经济社会效益

　　复杂地质条件长距离大坡度隧洞开敞式掘进机(TBM)顺坡掘进施工技术研究，解决了大坡度情况下的TBM适应性设计改造、TBM步进问题，创造性地采用了综合法排水技术和斜井连续皮带机技术，圆满解决了各环节出现的问题并进行总结归纳，达到了工程施工要求。通过成果的应用，取得了显著的成效，与钻爆法施工相比，避免了超欠挖现象，直接经济效益达4428万元，节约工期达6个月以上，而且节能减排效果明显，施工安全性高。

　　复杂地质条件长距离大坡度隧洞采用开敞式掘进机(TBM)顺坡掘进施工，成功完成坡度11%-11.5%，掘进距离5.3-6.4km的长大斜井施工，是国内外TBM施工行业中的首例，拓展了TBM应用范围，攻克了多项施工难题，具有深远的意义，社会效益十分显著。

　　项目负责人：赵辉，正高级工程师，中国水利水电第六工程局有限公司轨道工程公司副总经理。中国工程建设科技创新人才万人计划青年拔尖人才。

　　他组建技术攻关团队，对TBM施工工艺及方法进行不断探索、持续改进，完善施工技术方案，成功研发了长距离大坡度隧洞敞开式掘进机顺坡掘进施工关键技术，解决了长距离大坡度隧洞TBM法施工的难题。取得省部级工法3项，发明实用新型专利8项，独立完成6篇高质量技术论文。2020年荣获电力企业信息技术应用创新成果二等奖;中国施工企业管理协会科技进步二等奖、中国大坝工程学会科技进步二等奖、中国电力建设企业协会电力建设科学技术进步二等奖、中国电力企业联合会电力科技创新二等奖。

　　张雄伟，工程师，中国水利水电第六工程局有限公司TBM专业总工。作为一名从施工现场发展起来的技术工作者，他始终把技术攻关与生产实际结合，从实践工作中总结经验，用技术创新成果反哺实践工作。完成了“长距离大坡度隧洞敞开式掘进机顺坡掘进施工技术”工法，独立完成高水平论文5篇，发明实用新型专利5项，多项已实施的合理化建议平或公司二、三等奖。

　　许东，高级工程师，中国水利水电第六工程局有限公司一级工程师。长期从事隧洞工程TBM法施工，对TBM施工相关技术难题进行技术攻关，大胆创新，其主要研究成果在工程中得到应用，所取得的成功经验以及科技创新成果，开创了长距离大坡度TBM施工先例，极大拓展了TBM设备在隧洞施工的应用范围。发表论文10余篇，发明实用新型专利7项，荣获科技进步二等奖3项。