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【摘要】通过分析高深埋地层发生岩爆的特点，对ＴＢＭ设备开挖掘进参数及初期支护参数的调整，减少极强岩爆地段对ＴＢＭ设备的损害。
【关键词】TBM岩爆开挖支护
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
0、引言
锦屏二级水电站3#引水隧洞处于高埋深、高地应力洞段，随着埋深的不断增加，发生强烈岩爆与极强岩爆的几率越来越大，TBM的施工风险也将进入高风险区域。为了减少极强岩爆发生的概率和风险，保证TBM顺利通过该岩爆段，3#引水洞进行了半导洞开挖试验，另外结合现场实际情况，并咨询国外一些施工承包商，编制了针对目前TBM应对岩爆段的支护措施。
一、TBM掘进过程中岩爆有以下特点：
1、随时性：与钻爆法施工不同，施工排水洞在TBM设备过程中，经常能够听到设备护盾内部发生岩爆的响声，即随掘进随发生岩爆。
2、突发性及危害性：岩爆的发生经常是在无征兆的情况的发生，而且会产生较大范围的破坏，如围岩破碎、产生爆坑、振动引起破碎处塌方等。
3、岩爆峰值滞后性：设备掘进过程中，强烈岩爆的发生常具有滞后现象，经常为开挖后20个小时后出现。设备掘进过后10～25m范围内。
4、猛烈性：强岩爆发生时，产生强烈的振动，隧洞围岩顶拱及边墙等瞬时开裂和破碎并向深部发展，并产生塌落、边墙内鼓、片帮等现象，强烈时会产生抛射、弹出等现象。
5、衰减性：岩爆在其峰值发生过后，还会伴有较小破坏的岩爆现象发生，表现为产生相对强岩爆较小爆破声响、已破坏的石块发生位移、破碎围岩裂隙进一步张开等。
6、预报可能性很低：由于构造应力的复杂性，以及目前施工检测手段有限，岩爆现象的发生基本具有完全不确定的特点。即岩爆发生的规模、发生时间、发生位置无法确定。
7、经常发生的还是应力型岩爆，应力型岩爆主要发生在两侧90-270°，两侧90-180度的岩爆对人员设形成较大的危险。
二、支护措施
1、顶拱支护措施
岩爆发生部位多为撑靴前部左右两侧拱肩位置，即8-10点和1-3点钟位置，其类型多为应力型岩爆，其位置与主应力方向有关。顶拱发生的塌方和岩爆对人员和设备危害较大，顶拱的岩爆多是与构造有关断裂型岩爆为主，此外即是顶拱的结构型塌方和因两侧应力型岩爆诱导的结构型塌方。支护措施和防御重点是顶拱防止大的断裂型岩爆和结构型塌方，两侧预防应力型岩爆。
支护参数是，在地质工程师的指导下，顶拱90°范围施工L=3.8m，Φ32@1.0m×1.2m（环向间距×纵向间距），采用预应力空心锚杆，局部加密L＝6.0m的锚杆，预应力至少为80KN，垫板随机采用大垫板。6m锚杆主要是就针对有可能的断裂型岩爆部位和可有可能出现大的结构性塌方的部位。由地质师根据现场情况进行确定。
混凝土：顶拱90°范围，喷射厚度为3-5cm纳米钢纤维或者仿钢纤维混凝土。
2、拱肩和腰部支护措施
两侧发生的岩爆多以应力型为主，塌腔深度在2.0m以内，1.5m-2.0m居多，根据国外和国内的一些工程经验，在地应力较大的岩层，隧洞围岩的环向应力和径向应力差距越大，应力型岩爆的可能性就越大，强度也越高，及时地采用高径向挤压力的锚杆来防止和减弱隧洞两侧的岩爆是个最有效的措施。
中空錨杆+化学灌浆形式来增加早期锚固力和预应力。具体措施如下：
锚杆：两拱肩90-180°施工L=3.8-4.5m（根据Seli工程师意见），Φ32@1.2m×1.0m中空锚杆，然后进行化学灌浆，浆液强度达到一定程度后在进行预应力施加。用化学材料注浆，注浆材料的可在3-8min反应结束，10分种其锚杆粘接力能达到1mpa, 在20-30min粘接强度可达到2mpa, 在60min后粘接强度可达到6mpa,这样，在锚杆注浆结束后，无需长时间的等待，即可对锚杆施加很高的预应力。有效地减缓地应力状态的恶化，从而主动地预防的减弱应力型岩爆。此部分锚杆需在L1区完成。需要对目前的锚杆机进行必须的改造。以满足工作范围。
喷混：喷15-20cm厚纳米钢纤维混凝土，塌方处回填塌腔，及时封闭围岩。
3、TBM操作掘进参数控制及设备调整
在TBM掘进过程中通过优化调整刀盘推力、贯入度、刀盘转速等参数。贯入度控制在15mm，推力控制在16000KN左右，刀盘转速控制在3.5~4转/分钟。
在TBM通过岩爆段过程中，在侧护盾和顶护盾的油缸上做限位保护，使顶护盾和侧护盾的油缸留有一定的储备行程，使岩爆发生时僻免油缸的行程一次全部收尽，从而减少岩爆发生时卡机事故的发生或减少处理卡机事故的难度。
为避免刀盘前部岩爆对刀盘冲击造成主轴承的影响，在撑靴压力和护盾油缸压力上进行调整，以满足TBM能够掘进最低限度为准，当岩爆从刀盘正面冲击刀盘时撑靴和护盾会有一个程度的滑动。
4、先行导洞开挖
TBM在半段面情况下掘进，是为了应对锦屏工程的高危岩爆区的通过而作的试验项目，其存在通过的可能性，但是，半段面下的掘进，由于刀盘大部分没有接触岩面，同样推力下容易造成刀具负载超载，和刀盘主轴承的偏载和主梁应力不均等等对设备的损害。因此，需要根据前面开挖的洞型和刀盘布置结构进行相应的受力计算，确定合适的推进力范围和刀盘转速范围，并在实际的施工过程中找出合适的推进力和转速，以便使设备的损害降到最低。为此，应该做到充分的理论计算和细致的工况试验，来确定合理的掘进参数。
以锦屏3#引水洞50米的半段面试验为例，已经开挖的3#引水洞先导洞试验段位于引（3）11+181～引（3）11+131位置，长50m，先导洞开挖断面为马蹄形断面，宽×高=8.18m×7.35m，该地段的地质情况大理岩岩石的摩擦系数约为0.5，如图所示：
分析先导洞开挖可能对TBM造成的伤害
从图1可以看出，由于先导洞的开挖，顶部空腔部位可能使TBM顶护盾与侧护盾与岩石表面没有接触造成TBM稳定性减弱。
由于TBM刀盘部分面积与掌子面没有接触，刀盘和刀具受力不均匀，导致刀具、铲齿以及刀盘结构受到的冲击载荷加大，可能会使铲齿和刀具过度磨损，从而使刀具和铲齿的寿命降低，增加维修时间及费用。
由于刀盘承受载荷不均匀，可能出现主轴承损坏。
掘进参数理论上的确定
刀盘的受力截面为如图3所示：
本TBM共设计有81把刀具，由于刀盘与围岩接触面积减少，只有约2/3的刀盘与掌子面接触，也就是说只有部分刀具在工作, 刀盘属于偏心受力，在刀盘转动过程中，使用刀具的数量在不断变化。受力的偏心距也在变化，使用计算机将TBM在部分断面下工作时不同转角情况下的使用刀具的情况进行模拟分析（表略）。由分析可看出，在掘进过程中最多用48把刀，最少用41把刀，最大的偏心距是204.66cm , 也说明了用刀越少则偏心距越大，工作状况越恶劣，对主轴承的损坏的可能性最大，即将41把刀具工作且偏心距为204.44cm作为主轴承的验算荷载标准。
主轴承掘进时后滚柱（推力承轴）的挤压面为直径4916mm，宽度为231mm的圆环，此数据从说明书的PDF图上粗略量取，并不十分准确，只用于校核使用，截面参数分别：
面积 A：=37521.17cm2
抵抗矩 Wx=4630121cm3
设推力轴承的滚柱间距为a，弹性模量为E，滚柱的半径为r，则在正常全断面掘进时单个滚柱对滚道的接触应力为：
0.418*√ (81*31500/37521.17*a*E/r) =3.42556*√ (a*E/r) kg/cm2
设部分断面掘进时的单刀最大荷载为Np ，保证局部断面工况时主轴承的滚柱对滚道的最大压强不超过全断面工作时的压强，则有
0.418*√((Np*41/A+Np*41*204.44/Wx)*a*E/r)= 3.42556*√(a*E/r)
由上式可得：刀具的荷载应降到23423.68kg=234.24KN, 整个刀盘的最大荷载应控制在值234.24*41=9603.8kN.
前护盾的对底拱的压力为1200T，顶护盾由于脱空不产生压力。
侧护盾在120bar压力作用下对岩壁的压力为25*25*3.14/4*4*120=235t
克服前护盾的磨擦需的推力为0.5*(1200+235)*10=7175kN
后配套的牵引力最大为700KN，一般为500KN。
所以在部分断面掘进时最大推力控制在234.23*41+7175+500=17285.81KN合计170bar
撑靴压力应适当调小以适应上述说明的推进压力同时减少对围岩的扰动。
为减少对刀具和铲刀有损环刀盘转速需适当降低，在试验过后，根据刀盘的震动情况和设备监控的情况确定刀盘转速为≤3rpm
关于总推进力，以上只是对总推进力进行的理论分析，实际掘进过程中由于前护盾对底拱的压力和侧护盾的压力有关，且底板的磨擦系数也需要进行验证，所以在实际实验过程中通过空推实验，在确定工工况条件下，在刀盘脱离掌子面的情况下测出没有刀盘负荷时的总推力，加上容许的刀盘最大负荷就是控制的最大推力。
以上是掘进前的理论分析
在半段面的试验过程中，做了以下的任务：
空推试验：顶护盾和侧护盾正常施压，测得主推力为103bar左右，，顶护盾油缸收回，侧护盾正常加压，测得主推力（即初始摩擦力）为8747/8260KN，
通过监控各部位震动情况得到以下几个趋势图：
刀具损坏情况，半导洞试验段刀具损坏形式和全断面开挖一样，其破坏形态多以刀圈出现裂缝为主，部位以面刀为主，边刀损坏较少，与半断面开挖相比，全断面刀具损耗反而偏多。
(4) 数据分析和参数确定
1) 从部分断面掘进时主梁应变测试趋势图得出如下结论：
①主梁上部应变为正值，受拉应力；主梁下部应变值为负，受压应力，说明主梁存在偏载；
②当转速小于3.5rpm时，主梁上部和下部应变变化平缓；当转速度超过3.5rpm时，应变开始增加，所以部分断面 掘进转速不应大于3.5rpm；
③当工况为（9600kN，2.02rpm）、（10600kN，2.52rpm）时，虽然主梁应变偏载较小，但掘进速度低，出渣量很少，不适合用于日常掘进；当工况为（12600kN，2.99rpm）、（13600kN，2.99rpm）、（14000kN，3.0rpm）时，主梁应变偏載较小，但掘进速度合适，出渣量正常，适用于日常掘进。建议根据实际情况，在这三个工况中进行选择。
2) 测试数据显示半断面掘进时主梁受到最大弯矩不足80MPa，掘进过程中主梁不会发生强度破坏，但会对TBM最佳工作状态有一定影响；和全断面掘进相比，半断面掘进时，在同一工况下主轴承振动速度和加速度都有所增加；在主梁三个方向的振动中，横向振动在部分断面中有所减小。垂向和横向均有所增大；半断面掘进时，激光棱镜振动较大，可能会对导向产生不利影响。
3) 电机振动加速度在全断面和半断面变化不大；
4) 根据HK技术人员提供的报告， 通过不同的试验，证明适当的、可变的TBM 推力预计为：12070 kN，根据不同地质条件下TBM 的反应而变化，即：50 米半段面隧洞开挖中的开挖推力为：预计10000KN、刀盘速度：2.7rpm，可以在不冲击刀具的情况下，顺利进行开挖。开挖中如能注重这些参数，并进行必要的监测，TBM 在部分断面洞段的开挖是安全的，即刀具、刀盘和主驱动等是安全的。
三、结语
在应对岩爆问题上，需要会集各方智慧在支护参数、设备优化、操作控制等多方面综合考虑，最终找到一个既能保证安全又有一定掘进进尺的最稳妥、最现实的方案，充分发挥TBM的掘进优势，保证设备安全通过岩爆地段。
【关键词】TBM岩爆开挖支护
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：
0、引言
锦屏二级水电站3#引水隧洞处于高埋深、高地应力洞段，随着埋深的不断增加，发生强烈岩爆与极强岩爆的几率越来越大，TBM的施工风险也将进入高风险区域。为了减少极强岩爆发生的概率和风险，保证TBM顺利通过该岩爆段，3#引水洞进行了半导洞开挖试验，另外结合现场实际情况，并咨询国外一些施工承包商，编制了针对目前TBM应对岩爆段的支护措施。
一、TBM掘进过程中岩爆有以下特点：
1、随时性：与钻爆法施工不同，施工排水洞在TBM设备过程中，经常能够听到设备护盾内部发生岩爆的响声，即随掘进随发生岩爆。
2、突发性及危害性：岩爆的发生经常是在无征兆的情况的发生，而且会产生较大范围的破坏，如围岩破碎、产生爆坑、振动引起破碎处塌方等。
3、岩爆峰值滞后性：设备掘进过程中，强烈岩爆的发生常具有滞后现象，经常为开挖后20个小时后出现。设备掘进过后10～25m范围内。
4、猛烈性：强岩爆发生时，产生强烈的振动，隧洞围岩顶拱及边墙等瞬时开裂和破碎并向深部发展，并产生塌落、边墙内鼓、片帮等现象，强烈时会产生抛射、弹出等现象。
5、衰减性：岩爆在其峰值发生过后，还会伴有较小破坏的岩爆现象发生，表现为产生相对强岩爆较小爆破声响、已破坏的石块发生位移、破碎围岩裂隙进一步张开等。
6、预报可能性很低：由于构造应力的复杂性，以及目前施工检测手段有限，岩爆现象的发生基本具有完全不确定的特点。即岩爆发生的规模、发生时间、发生位置无法确定。
7、经常发生的还是应力型岩爆，应力型岩爆主要发生在两侧90-270°，两侧90-180度的岩爆对人员设形成较大的危险。
二、支护措施
1、顶拱支护措施
岩爆发生部位多为撑靴前部左右两侧拱肩位置，即8-10点和1-3点钟位置，其类型多为应力型岩爆，其位置与主应力方向有关。顶拱发生的塌方和岩爆对人员和设备危害较大，顶拱的岩爆多是与构造有关断裂型岩爆为主，此外即是顶拱的结构型塌方和因两侧应力型岩爆诱导的结构型塌方。支护措施和防御重点是顶拱防止大的断裂型岩爆和结构型塌方，两侧预防应力型岩爆。
支护参数是，在地质工程师的指导下，顶拱90°范围施工L=3.8m，Φ32@1.0m×1.2m（环向间距×纵向间距），采用预应力空心锚杆，局部加密L＝6.0m的锚杆，预应力至少为80KN，垫板随机采用大垫板。6m锚杆主要是就针对有可能的断裂型岩爆部位和可有可能出现大的结构性塌方的部位。由地质师根据现场情况进行确定。
混凝土：顶拱90°范围，喷射厚度为3-5cm纳米钢纤维或者仿钢纤维混凝土。
2、拱肩和腰部支护措施
两侧发生的岩爆多以应力型为主，塌腔深度在2.0m以内，1.5m-2.0m居多，根据国外和国内的一些工程经验，在地应力较大的岩层，隧洞围岩的环向应力和径向应力差距越大，应力型岩爆的可能性就越大，强度也越高，及时地采用高径向挤压力的锚杆来防止和减弱隧洞两侧的岩爆是个最有效的措施。
中空錨杆+化学灌浆形式来增加早期锚固力和预应力。具体措施如下：
锚杆：两拱肩90-180°施工L=3.8-4.5m（根据Seli工程师意见），Φ32@1.2m×1.0m中空锚杆，然后进行化学灌浆，浆液强度达到一定程度后在进行预应力施加。用化学材料注浆，注浆材料的可在3-8min反应结束，10分种其锚杆粘接力能达到1mpa, 在20-30min粘接强度可达到2mpa, 在60min后粘接强度可达到6mpa,这样，在锚杆注浆结束后，无需长时间的等待，即可对锚杆施加很高的预应力。有效地减缓地应力状态的恶化，从而主动地预防的减弱应力型岩爆。此部分锚杆需在L1区完成。需要对目前的锚杆机进行必须的改造。以满足工作范围。
喷混：喷15-20cm厚纳米钢纤维混凝土，塌方处回填塌腔，及时封闭围岩。
3、TBM操作掘进参数控制及设备调整
在TBM掘进过程中通过优化调整刀盘推力、贯入度、刀盘转速等参数。贯入度控制在15mm，推力控制在16000KN左右，刀盘转速控制在3.5~4转/分钟。
在TBM通过岩爆段过程中，在侧护盾和顶护盾的油缸上做限位保护，使顶护盾和侧护盾的油缸留有一定的储备行程，使岩爆发生时僻免油缸的行程一次全部收尽，从而减少岩爆发生时卡机事故的发生或减少处理卡机事故的难度。
为避免刀盘前部岩爆对刀盘冲击造成主轴承的影响，在撑靴压力和护盾油缸压力上进行调整，以满足TBM能够掘进最低限度为准，当岩爆从刀盘正面冲击刀盘时撑靴和护盾会有一个程度的滑动。
4、先行导洞开挖
TBM在半段面情况下掘进，是为了应对锦屏工程的高危岩爆区的通过而作的试验项目，其存在通过的可能性，但是，半段面下的掘进，由于刀盘大部分没有接触岩面，同样推力下容易造成刀具负载超载，和刀盘主轴承的偏载和主梁应力不均等等对设备的损害。因此，需要根据前面开挖的洞型和刀盘布置结构进行相应的受力计算，确定合适的推进力范围和刀盘转速范围，并在实际的施工过程中找出合适的推进力和转速，以便使设备的损害降到最低。为此，应该做到充分的理论计算和细致的工况试验，来确定合理的掘进参数。
以锦屏3#引水洞50米的半段面试验为例，已经开挖的3#引水洞先导洞试验段位于引（3）11+181～引（3）11+131位置，长50m，先导洞开挖断面为马蹄形断面，宽×高=8.18m×7.35m，该地段的地质情况大理岩岩石的摩擦系数约为0.5，如图所示：
分析先导洞开挖可能对TBM造成的伤害
从图1可以看出，由于先导洞的开挖，顶部空腔部位可能使TBM顶护盾与侧护盾与岩石表面没有接触造成TBM稳定性减弱。
由于TBM刀盘部分面积与掌子面没有接触，刀盘和刀具受力不均匀，导致刀具、铲齿以及刀盘结构受到的冲击载荷加大，可能会使铲齿和刀具过度磨损，从而使刀具和铲齿的寿命降低，增加维修时间及费用。
由于刀盘承受载荷不均匀，可能出现主轴承损坏。
掘进参数理论上的确定
刀盘的受力截面为如图3所示：
本TBM共设计有81把刀具，由于刀盘与围岩接触面积减少，只有约2/3的刀盘与掌子面接触，也就是说只有部分刀具在工作, 刀盘属于偏心受力，在刀盘转动过程中，使用刀具的数量在不断变化。受力的偏心距也在变化，使用计算机将TBM在部分断面下工作时不同转角情况下的使用刀具的情况进行模拟分析（表略）。由分析可看出，在掘进过程中最多用48把刀，最少用41把刀，最大的偏心距是204.66cm , 也说明了用刀越少则偏心距越大，工作状况越恶劣，对主轴承的损坏的可能性最大，即将41把刀具工作且偏心距为204.44cm作为主轴承的验算荷载标准。
主轴承掘进时后滚柱（推力承轴）的挤压面为直径4916mm，宽度为231mm的圆环，此数据从说明书的PDF图上粗略量取，并不十分准确，只用于校核使用，截面参数分别：
面积 A：=37521.17cm2
抵抗矩 Wx=4630121cm3
设推力轴承的滚柱间距为a，弹性模量为E，滚柱的半径为r，则在正常全断面掘进时单个滚柱对滚道的接触应力为：
0.418*√ (81*31500/37521.17*a*E/r) =3.42556*√ (a*E/r) kg/cm2
设部分断面掘进时的单刀最大荷载为Np ，保证局部断面工况时主轴承的滚柱对滚道的最大压强不超过全断面工作时的压强，则有
0.418*√((Np*41/A+Np*41*204.44/Wx)*a*E/r)= 3.42556*√(a*E/r)
由上式可得：刀具的荷载应降到23423.68kg=234.24KN, 整个刀盘的最大荷载应控制在值234.24*41=9603.8kN.
前护盾的对底拱的压力为1200T，顶护盾由于脱空不产生压力。
侧护盾在120bar压力作用下对岩壁的压力为25*25*3.14/4*4*120=235t
克服前护盾的磨擦需的推力为0.5*(1200+235)*10=7175kN
后配套的牵引力最大为700KN，一般为500KN。
所以在部分断面掘进时最大推力控制在234.23*41+7175+500=17285.81KN合计170bar
撑靴压力应适当调小以适应上述说明的推进压力同时减少对围岩的扰动。
为减少对刀具和铲刀有损环刀盘转速需适当降低，在试验过后，根据刀盘的震动情况和设备监控的情况确定刀盘转速为≤3rpm
关于总推进力，以上只是对总推进力进行的理论分析，实际掘进过程中由于前护盾对底拱的压力和侧护盾的压力有关，且底板的磨擦系数也需要进行验证，所以在实际实验过程中通过空推实验，在确定工工况条件下，在刀盘脱离掌子面的情况下测出没有刀盘负荷时的总推力，加上容许的刀盘最大负荷就是控制的最大推力。
以上是掘进前的理论分析
在半段面的试验过程中，做了以下的任务：
空推试验：顶护盾和侧护盾正常施压，测得主推力为103bar左右，，顶护盾油缸收回，侧护盾正常加压，测得主推力（即初始摩擦力）为8747/8260KN，
通过监控各部位震动情况得到以下几个趋势图：
刀具损坏情况，半导洞试验段刀具损坏形式和全断面开挖一样，其破坏形态多以刀圈出现裂缝为主，部位以面刀为主，边刀损坏较少，与半断面开挖相比，全断面刀具损耗反而偏多。
(4) 数据分析和参数确定
1) 从部分断面掘进时主梁应变测试趋势图得出如下结论：
①主梁上部应变为正值，受拉应力；主梁下部应变值为负，受压应力，说明主梁存在偏载；
②当转速小于3.5rpm时，主梁上部和下部应变变化平缓；当转速度超过3.5rpm时，应变开始增加，所以部分断面 掘进转速不应大于3.5rpm；
③当工况为（9600kN，2.02rpm）、（10600kN，2.52rpm）时，虽然主梁应变偏载较小，但掘进速度低，出渣量很少，不适合用于日常掘进；当工况为（12600kN，2.99rpm）、（13600kN，2.99rpm）、（14000kN，3.0rpm）时，主梁应变偏載较小，但掘进速度合适，出渣量正常，适用于日常掘进。建议根据实际情况，在这三个工况中进行选择。
2) 测试数据显示半断面掘进时主梁受到最大弯矩不足80MPa，掘进过程中主梁不会发生强度破坏，但会对TBM最佳工作状态有一定影响；和全断面掘进相比，半断面掘进时，在同一工况下主轴承振动速度和加速度都有所增加；在主梁三个方向的振动中，横向振动在部分断面中有所减小。垂向和横向均有所增大；半断面掘进时，激光棱镜振动较大，可能会对导向产生不利影响。
3) 电机振动加速度在全断面和半断面变化不大；
4) 根据HK技术人员提供的报告， 通过不同的试验，证明适当的、可变的TBM 推力预计为：12070 kN，根据不同地质条件下TBM 的反应而变化，即：50 米半段面隧洞开挖中的开挖推力为：预计10000KN、刀盘速度：2.7rpm，可以在不冲击刀具的情况下，顺利进行开挖。开挖中如能注重这些参数，并进行必要的监测，TBM 在部分断面洞段的开挖是安全的，即刀具、刀盘和主驱动等是安全的。
三、结语
在应对岩爆问题上，需要会集各方智慧在支护参数、设备优化、操作控制等多方面综合考虑，最终找到一个既能保证安全又有一定掘进进尺的最稳妥、最现实的方案，充分发挥TBM的掘进优势，保证设备安全通过岩爆地段。