作者：王驹1，齐梦学2，龙斌3，马洪素1
单位：1. 核工业北京地质研究院；2. 中铁十八局集团隧道工程有限公司；3. 中国铁建重工集团股份有限公司
关键词：隧道掘进机；极硬岩；连续小转弯；大坡度；装备技术；创新
1.
项目简介
全球首台大坡度螺旋隧道硬岩掘进机“北山1号”，应用于国家“十三五”规划的百项重点工程之一——中国高放废物地质处置北山地下实验室项目。2019年，该项目经国家原子能机构批复立项，由核工业北京地质研究院作为业主单位组织开展建设。作为“第三代”高放废物地质处置地下实验室（即特定场区型地下实验室），北山地下实验室项目在此前三十多年选址研究基础上，选址于甘肃省酒泉市北山新场。
北山地下实验室地下工程采用螺旋斜坡道﹢三竖井﹢两层试验平巷的主体架构方案（图1）。其中，螺旋斜坡道全长约7.0 km，断面为圆形，开挖直径7.03 m；水平转弯半径255 m，竖曲线转弯半径为380 m；最大坡度10%，平均坡度9%。针对高放废物地质处置工程硐室开挖围岩损伤最小化要求，结合候选场址岩体完整、无大型断裂带、岩爆倾向性小、涌水量少等工程地质特点，核工业北京地质研究院科研团队系统开展了采用岩石隧道掘进机开挖北山地下实验室斜坡道的技术可行性研究，最终提出了全程完整极硬岩地质条件下小半径转弯、大坡度、长距离螺旋下降硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）开挖总体方案。
图1. 北山地下实验室总体布局设计图
连续完整极硬岩地质条件及螺旋下降工程设计特点，对TBM设备技术及施工技术提出了极大挑战。核工业北京地质研究院联合中铁十八局集团隧道工程有限公司、中国铁建重工集团股份有限公司、北京工业大学、中南大学、葫芦岛力天重工机械有限公司等优势团队联合技术攻关，突破了连续完整极硬岩高效破岩、小半径转弯高效掘进、连续单向小半径转弯高效出渣、大坡度安全施工与试验、三维螺旋掘进方向精准控制等技术，成功研制了全球首台大坡度螺旋隧道硬岩掘进机“北山1号”（图2），为打造国际先进、世界一流地下实验室提供了关键的工程开挖装备，同时也为国际高放废物处置工程建设提供了中国方案及关键技术装备。
图2. 硬岩隧道掘进机“北山1号”
2.
“北山1号”TBM装备研发技术创新
“北山1号”TBM开挖直径7.03m，整机长度约95m。额定扭矩5160kNm，刀盘转速0～10rpm，掘进行程＞1.8m。“北山1号”TBM装备研发技术在完整极硬岩高效破岩、小半径转弯高效掘进、连续小半径转弯高效出渣、三维螺旋掘进方向精准控制等方面有了新的突破。此外，为配合地下实验室建设过程中科研试验实施，搭载了先进的科研设备。
2.1 完整极硬岩高效破岩技术
北山地下实验室工程岩体完整，场址内RQD＞90的钻孔岩心占比86%，围岩平均单轴岩石抗压强度172MPa，最大单轴抗压强度高达235MPa。针对完整极硬岩高效破岩难题，“北山1号”TBM装备设计突破了多项技术创新。
（1）新型刀盘设计。在刀盘设计方案，综合对比分析了平面刀盘、锥面刀盘和球面刀盘的破岩性能及对完整硬岩工况的适用性，并开展了不同角度锥面刀盘的破岩及出渣效率研究（图3），提出了适宜角度的锥面刀盘及临空面破岩方式设计方案。研究表明，新型刀盘可使破岩效率提高至常规刀盘的3倍。
图3. 不同角度锥面刀盘性能分析
（2）重载大直径滚刀及小刀间距设计。采用重载轴承和20英寸大直径滚刀，单刀承载力可达375kN，相对19英寸滚刀提高了19%，同时其允许磨损量可提高23%。通过破岩试验及模型分析，采用适宜的小刀间距设计。该滚刀选型及布局方案使破岩性能大幅提升。
（3）采用大推力、高转速设计，配备高性能主驱动，为高效破岩提供可靠的动力保障。
（4）人造裂隙辅助破岩设计。通过前期吉林引松供水工程TBM1施工现场试验验证了人造裂隙辅助破岩的性能，结果表明，在掌子面超前造孔、控制爆破形成人造裂隙的洞段，TBM掘进速度平均提高17.8%～42.3％。在此基础上，结合本工程地质条件，进一步开展了人造裂隙辅助破岩系统设计，“北山1号”搭载了用于超前造孔的钻机系统（图4），可满足多种环向炮孔布置方案要求。
图4. 搭载的造孔钻机系统
2.2 小半径转弯高效掘进技术
针对255m小半径转弯，在“北山1号”TBM设计方面提出了多项优化设计。结合完整硬岩工程地质条件，采用短护盾、短主机设计，护盾长度由常规的5m缩短到3m、主机长度由常规的25m缩短到16m。选用大行程双撑靴油缸，保证隧道转弯时TBM撑靴仍可撑紧洞壁。后配套系统采用小长度、大安全间距门架式双层布局（图5），极大提高了对小转弯施工路径的适应性。
图5. 后配套双层布局设计
2.3 连续小半径转弯高效出渣技术
皮带机出渣具有连续出渣效率高、故障率低、成本低、安全环保等优点，但北山地下实验室连续7个同向小半径转弯工程设计对皮带机出渣系统提出了极大挑战。通过专项设计研究，创新提出了连续小半径同向转弯皮带机高效出渣技术。特殊研制的皮带机出渣系统涵盖了胶带优化选型、多点位协同驱动设计、转弯处皮带姿态控制设计，辅以限位轮、压带轮、自动调偏、防翻带等优化设计，并通过严格的工厂试验进行验证（图6）。试验皮带机水平转弯半径200m，水平转弯角度185°，运行状况良好，验证了北山地下实验室斜坡道小半径螺旋提升连续皮带机出渣技术的可行性与可靠性。
图6. 皮带机工厂试验
2.4 三维螺旋掘进方向精准控制
针对斜坡道三维螺旋下降掘进路径，开发了主推油缸、双撑靴油缸、扭矩油缸等多油缸姿态自适应推进系统、纠偏调向机构及其控制方法；在“北山1号”TBM设备上配备了先进的移动测站式激光导向系统，将全站仪安装在TBM设备上，避免了转弯段频繁移站，只需循环前移后视棱镜即可实现连续实时精准导向；同时联合开发了导向系统方向控制预警技术、辅助驾驶自动巡航系统，使掘进机具备了小转弯半径、大坡度施工路径下的精准螺旋曲线掘进能力。
2.5 “北山1号”TBM搭载科研设备
为配合地下实验室建设过程中科研试验实施，“北山1号”TBM搭载了超前取芯钻机、洞壁取芯钻机、环向洞壁自动清扫系统，服务于地质编录及工程岩体质量评价研究。同时搭载了刀盘状态监测系统、渣片分析系统、振动监测系统等智能化监测设备，为TBM智能化高效施工研究提供了先进的试验装备保障。
3.
结语
“北山1号”TBM于2022年9月4日在长沙下线，11月1日抵达北山地下实验室施工现场，11月18日完成设备组装、启动步进（图7），12月30日开始掘进。2023年5月29日，“北山1号”TBM 胜利通过首个转弯段，既标志着该核心关键设备通过调试考验，更标志着我国在这一技术创新领域的成果应用取得重大进展。截至2023年10月底，北山地下实验室斜坡道掘进里程2540余米，成功通过了极硬岩地层、2个255m小半径转弯、-10%大坡度、-10%～-3%交替变坡掘进（图8），北山地下实验室斜坡道全面进入快速施工阶段。
图7. “北山1号”TBM步进至斜坡道内部
图8. 螺旋斜坡道小半径转弯及大坡度掘进成洞内景
“北山1号”TBM作为全球首台大坡度螺旋隧道硬岩掘进机，其成功研制为建设国际一流的国家重点工程北山地下实验室提供了核心关键装备，其成功应用为突破螺旋大坡度超长距离极硬岩TBM高效掘进技术奠定了坚实基础。“北山1号”TBM必将走向国际舞台，为国际该领域重大工程建设提供关键装备技术。
“北山1号”TBM装备技术研发团队：
核工业北京地质研究院
中铁十八局集团隧道工程有限公司
中国铁建重工集团股份有限公司
北京工业大学
中南大学
葫芦岛力天重工机械有限公司
