某隧洞用掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工中的工程監(jiān)理控制

高文先

（山西黃河水利工程咨詢有限公司 山西太原 030012）

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）是用于全斷面開挖圓形的硬巖隧道并同時(shí)進(jìn)行錨噴支護(hù)或襯砌混凝土管片的一種先進(jìn)的機(jī)械化設(shè)備。由安裝若干把切削巖石刀具的刀盤及其驅(qū)動(dòng)裝置、液壓推進(jìn)系統(tǒng)、錨噴支護(hù)或管片安裝系統(tǒng)、控制方向的激光導(dǎo)向系統(tǒng)和材料、巖渣運(yùn)輸系統(tǒng)等組成。TBM分開敞式和護(hù)盾式兩種，護(hù)盾式又有單護(hù)盾、雙護(hù)盾和三護(hù)盾等形式。其隧道施工技術(shù)與設(shè)備具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、對(duì)巖體擾動(dòng)小、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，已在很多國(guó)家的水利水電、鐵路、交通、城市建設(shè)等地下工程施工中得到廣泛應(yīng)用。筆者參加了我國(guó)西部某工程TBM施工的監(jiān)理工作。該工程引水隧洞總長(zhǎng)31.9 km，TBM施工段23.7 km，斷面為圓形預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌后內(nèi)徑為6.0 m。六邊形由于地質(zhì)復(fù)雜多變，遭遇了斷層及破碎帶、地下涌水、流砂、膨脹巖、軟巖、極軟巖等不良地質(zhì)條件，造成TBM卡機(jī)48次，總卡機(jī)時(shí)間369天。在參建四方的不懈努力下歷時(shí)4年零2個(gè)月完成了獨(dú)頭掘進(jìn)的艱巨任務(wù)。

1 監(jiān)理在TBM開挖過程中的質(zhì)量控制

該工程TBM開挖是將基本導(dǎo)線引入洞內(nèi)，采用SLS-T導(dǎo)向系統(tǒng)控制掘進(jìn)方向。在確認(rèn)TBM儀表盤的壓力無異常狀態(tài)下啟動(dòng)所有液壓系統(tǒng)液壓馬達(dá)，啟動(dòng)潤(rùn)滑油泵；確認(rèn)供水系統(tǒng)、冷卻水路處于運(yùn)行狀態(tài)。啟動(dòng)刀盤的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)，再啟動(dòng)主推（或輔推）進(jìn)油缸開始掘進(jìn)。在圍巖較好洞段，TBM采用雙護(hù)盾模式掘進(jìn)。即將后護(hù)盾內(nèi)一對(duì)水平撐靴伸出與巖壁撐緊，起到支撐作用，并將推力和扭矩傳給洞壁，將前護(hù)盾支撐油缸（穩(wěn)定器）選擇在低壓位置，刀盤開始旋轉(zhuǎn)并和前護(hù)盾在主推進(jìn)油缸的推力下前進(jìn)；在圍巖較差洞段，TBM采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)，即受圍巖或TBM本身的限制，撐靴不能頂緊巖壁，前護(hù)盾和后護(hù)盾合成一體，伸縮護(hù)盾完全閉合，主推進(jìn)油缸收回，由輔助推進(jìn)油缸支撐管片產(chǎn)生的反作用力推進(jìn)主機(jī)進(jìn)行開挖。

TBM施工機(jī)械化程度高，洞軸線出現(xiàn)偏差不容易修復(fù)?；緦?dǎo)線的偏差直接影響激光導(dǎo)向偏差。為此，在TBM施工中采用雙導(dǎo)線控制洞軸線。在該項(xiàng)目監(jiān)理依據(jù)施工合同、監(jiān)理細(xì)則及相關(guān)規(guī)范規(guī)定，在TBM開挖過程中嚴(yán)格控制其高程和方向。隧洞任何位置及貫通時(shí)的軸線的水平誤差不得超過±100 mm、特殊洞段±200 mm，垂直誤差不得超過±60mm、特殊洞段±120mm。

1.1 基本導(dǎo)線監(jiān)理控制

（1）審批承包人員、儀器及檢定和貫通測(cè)量方案。（2）跟蹤外業(yè)每站測(cè)量過程，即TBM每掘進(jìn)約50 m，督促承包人從基本導(dǎo)線上延伸一個(gè)施工導(dǎo)線點(diǎn)作為測(cè)站，保證TBM按設(shè)計(jì)軸線掘進(jìn)。（3）TBM每掘進(jìn)約500 m，監(jiān)督承包人延伸布設(shè)一個(gè)基本導(dǎo)線點(diǎn)，精密測(cè)量后報(bào)批，并及時(shí)用于糾正施工導(dǎo)線，向TBM導(dǎo)向系統(tǒng)傳導(dǎo)，通過基本導(dǎo)線控制施工導(dǎo)線。（4）通過VMT系統(tǒng)和施工導(dǎo)線點(diǎn)隨時(shí)測(cè)定刀盤中心坐標(biāo)并轉(zhuǎn)換為軸線樁號(hào)、偏差值，指導(dǎo)TBM操作手糾偏。

1.2 TBM激光導(dǎo)向監(jiān)理控制

TBM在掘進(jìn)施工過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生上、下、左、右的姿態(tài)偏差或滾動(dòng)，嚴(yán)重影響TBM方向的調(diào)整和隧洞施工質(zhì)量。造成TBM發(fā)生上、下、左、右的姿態(tài)偏差或滾動(dòng)主要原因：

（1）由于掌子面巖層軟硬不均，導(dǎo)致TBM刀盤發(fā)生下沉或左右偏差，影響TBM掘進(jìn)方向的調(diào)整。

（2）在軟巖地層，由于持續(xù)的開挖導(dǎo)線偏差導(dǎo)致管片安裝環(huán)偏離安裝軸線，致使輔助推進(jìn)液壓油缸推力中心偏離，可能發(fā)生管片爆皮破損，間接引起TBM掘進(jìn)方向難以控制。

（3）由于存在一定的塌方，穩(wěn)定器不能有效支撐，導(dǎo)致TBM在掘進(jìn)開挖過程發(fā)生護(hù)盾滾動(dòng)，影響TBM開挖和管片安裝。

為此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理每60 min到操作室觀察、記錄TBM主驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流變化情況、激光導(dǎo)向指示情況（如激光脫離靶心）等情況，當(dāng)偏差達(dá)允許值的50%，即洞軸線垂直偏差顯示值大于等于30 mm或小于等于-30 mm、洞軸線水平偏差大于等于50 mm或小于等于-50 mm時(shí)提示TBM操作手采取糾偏措施，糾偏率控制在±4mm/m內(nèi)；如遇軟巖地層宜采用單護(hù)盾模式，使前后護(hù)盾成為一個(gè)整體，有效避免支撐護(hù)盾鏟渣，控制刀盤下沉；發(fā)生護(hù)盾滾動(dòng)的情況時(shí)，提示TBM操作手宜利用反扭矩油缸，同時(shí)配合雙護(hù)盾模式反復(fù)調(diào)整姿態(tài)，保證TBM掘進(jìn)時(shí)方向的正確性。

1.3 地質(zhì)監(jiān)理控制

（1）主要在TBM檢修時(shí)通過刀盤孔檢查掌子面，通過尾盾窗口觀察圍巖變化及滲水情況。

（2）在掘進(jìn)中通過棄渣巖塊的規(guī)格大小，顏色，主要成分及可見擦痕、鏡面、階步等，分析判斷圍巖變化情況。發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)通知承包人做取樣試驗(yàn)，為設(shè)代提供變更管片依據(jù)。

（3）審查簽認(rèn)承包人的地質(zhì)日?qǐng)?bào)、地質(zhì)剖面圖及階段地質(zhì)報(bào)告，分析TBM開挖的工作效率及影響因素。

2 監(jiān)理對(duì)預(yù)制混凝土管片安裝過程的控制

該工程預(yù)制混凝土管片為六邊形，設(shè)有2道止水，寬160 cm，厚28 cm，四片拼裝一環(huán)，成洞內(nèi)徑6 m。管片安裝是TBM開挖后，在尾護(hù)盾利用管片安裝機(jī)進(jìn)行，一環(huán)管片的安裝分兩次完成，先安裝底、頂管片，后安裝兩片側(cè)管片。每片管片接縫面設(shè)有四個(gè)連接銷孔，相鄰管片通過連接銷連接，保證管片安裝接縫平順。管片安裝完成后，用CK砂漿進(jìn)行勾縫。

在雙護(hù)盾模式下，TBM開挖與管片安裝可同步進(jìn)行，單護(hù)盾模式下不能同步。

2.1 進(jìn)洞管片控制

（1）監(jiān)理檢查進(jìn)洞管片是否合格，蓋合格章為識(shí)別標(biāo)記。（2）進(jìn)洞管片型號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求，即檢查管片模具編號(hào)處所標(biāo)管片型號(hào)與開挖圍巖是否相對(duì)應(yīng)。（3）進(jìn)洞管片外觀質(zhì)量是否符合進(jìn)洞要求，即檢查管片有無缺棱掉角、止水帶脫落或破損等。（4）連接銷和限位板是否滿足安裝需求，即檢查連接銷孔內(nèi)是否干凈、限位板焊接是否符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 管片安裝質(zhì)量控制

（1）管片環(huán)徑向誤差為±20 mm。（2）管片安裝質(zhì)量管片中心區(qū)接縫寬度允許偏差：直段小于等于8 mm，彎段內(nèi)側(cè)小于等于5 mm、外側(cè)小于等于10 mm。（3）管片接縫處錯(cuò)臺(tái)允許偏差：小于等于10 mm。（4）管片安裝后承包人在第二環(huán)位置開始對(duì)管片接縫處進(jìn)行量測(cè)，每量測(cè)五環(huán)監(jiān)理復(fù)核一次。

2.3 管片修復(fù)質(zhì)量控制

（1）管片修復(fù)砂漿嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的配合比（見表1）現(xiàn)場(chǎng)配制。

（2）跟蹤見證取樣并抽檢。（3）管片修復(fù)上道工序未經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收，不得進(jìn)入下道工序。（4）對(duì)承包人未經(jīng)監(jiān)理驗(yàn)收的管片修復(fù)工程量不予計(jì)量，同時(shí)令其返工。

表1 管片修復(fù)砂漿配合比

2.4 勾縫、封孔質(zhì)量控制

（1）勾縫、封孔砂漿嚴(yán)格按照批準(zhǔn)的配合比（見表2）現(xiàn)場(chǎng)配制。

表2 勾縫封孔砂漿配合比

（2）跟蹤見證取樣并抽檢。（3）不定時(shí)檢查承包人管片安裝后的勾縫、封孔施工過程，發(fā)現(xiàn)管片安裝后接縫較寬時(shí)，通知承包人及時(shí)鑲嵌止水條再勾縫，使止水條起到止水作用。（4）勾縫封孔后砂漿如不飽滿順平，與管片結(jié)合不緊密，表面有裂縫，旁站承包人返工。

3 監(jiān)理對(duì)豆礫石回填灌漿過程質(zhì)量控制

豆礫石回填灌漿工序?qū)匐[蔽工程，是TBM施工中的主要工序，是在管片安裝完畢推出尾盾3環(huán)后，利用預(yù)制混凝土管片預(yù)留安裝孔自下而上對(duì)管片外側(cè)環(huán)形空隙對(duì)稱充填豆礫石（豆礫石粒徑一般為5～10 mm），用CK砂漿隔環(huán)封孔后進(jìn)行灌漿。為了施工中統(tǒng)計(jì)方便，按TBM掘進(jìn)順時(shí)針方向?qū)⒏骺拙幪?hào)為A-B-C-D-E-F-G-H-I（如圖1所示）：

圖1 預(yù)留安裝孔編號(hào)圖

施工工藝流程：豆礫石回填→底管片非灌漿孔封孔→TBM后配套前部灌漿 (底拱60O范圍回填砂漿或先充填豆礫石后回填灌漿)→側(cè)、頂管片非灌漿孔封堵→TBM后配套尾部自下而上對(duì)稱灌漿→封孔→檢查。為了加強(qiáng)豆礫石回填灌漿質(zhì)量，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，從設(shè)計(jì)樁號(hào)76+495.746（8455環(huán)）開始設(shè)封閉環(huán)，間距30～100 m。封閉環(huán)安裝后，采用北京瑞米加固I號(hào)化灌材料整環(huán)化灌封閉。從而使回填灌漿達(dá)到起壓快、串漿距離短、耗時(shí)少，漿液結(jié)石密實(shí)度高的效果。豆礫石回填灌漿施工質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到洞體的安全與穩(wěn)定運(yùn)行，是監(jiān)理控制的重點(diǎn)。

3.1 原材料控制

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理復(fù)核每一次水泥、粉煤灰、豆礫石等原材料進(jìn)洞數(shù)量、生產(chǎn)日期、豆礫石遜徑是否超標(biāo)等。

3.2 豆礫石回填控制

（1）檢查豆礫石是否干凈濕潤(rùn)、豆礫石噴射機(jī)運(yùn)行是否正常。

（2）遇圍巖收斂變形洞段或膨脹巖洞段時(shí)要求承包人先回填側(cè)拱,頂拱滯后，以避免頂管片承壓破裂甚至坍塌。

（3）圍巖較為穩(wěn)定洞段要求承包人按照批準(zhǔn)的施工方案及時(shí)回填，如豆礫石跟不上時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)側(cè)拱回填、頂拱利用第二天設(shè)備檢修時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)填。

3.3 底拱砂漿回填控制

施工部位：連接橋。（1）按批準(zhǔn)的配合比（見表 3）制漿。（2）監(jiān)理全程旁站底拱砂漿回填過程，壓力要求：0.2～0.3MPa。（3）每單元（200 m）注漿孔數(shù)124～125個(gè)。

表3 底拱回填砂漿配合比

（4）封孔需滿足圖2規(guī)定。

圖2 灌漿孔，封堵孔位置圖

3.4 回填灌漿控制

施工部位：后配套尾部。（1）在開灌前，監(jiān)理檢查封孔是否合格、預(yù)留灌漿孔是否滿足每單元（200 m）287～292個(gè)的要求（見圖3）。

圖3 每單元封堵孔、灌漿孔位置

（2）檢查是否按批準(zhǔn)的配合比（見表4）制漿。

表4 回填灌漿配合比

（3）監(jiān)理每60 min檢查一次漿液比重。閉漿要求：5 min內(nèi)不進(jìn)漿或10 min內(nèi)進(jìn)漿量小于5L，D、F孔的閉漿壓力0.6 MPa、其他孔閉漿壓力0.4 MPa（已含0.1 MPa管路損耗）。

3.5 豆礫石回填灌漿質(zhì)量檢查

根據(jù)承包人提交的豆礫石回填灌漿記錄表，布置檢查孔。對(duì)豆礫石回填灌漿質(zhì)量檢查的全過程進(jìn)行旁站。合同規(guī)定：壓水檢測(cè)每200 m進(jìn)行1次，在灌漿實(shí)施7 d后進(jìn)行鉆孔壓水或壓漿檢測(cè)，在0.3 MPa的壓力下初始10 min內(nèi)注入量不超過10 L為合格，壓漿檢測(cè)是在0.3 MPa的壓力下初始10 min內(nèi)注入量不超過5 L為合格；如壓水或壓漿檢查不滿足合同要求，指令承包人及時(shí)補(bǔ)灌，直至合格。取芯檢測(cè)每200 m4個(gè)，在豆礫石回填灌漿28 d（加粉煤灰為90 d）后芯樣抗壓強(qiáng)度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為C10，能做抗壓強(qiáng)度的芯樣每個(gè)單元不少于1個(gè)，每個(gè)分部不少于8個(gè)；如取出的芯樣不成形或松散體、芯樣蜂窩達(dá)1/3長(zhǎng)度時(shí)為不合格，要求承包人及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)灌，補(bǔ)灌28 d（加粉煤灰為90 d）后在補(bǔ)灌孔周邊10 m范圍重新布孔檢測(cè)。壓水或壓漿試驗(yàn)、取芯檢查程序滿足合同或設(shè)計(jì)要求時(shí)，對(duì)檢查結(jié)果進(jìn)行簽認(rèn)。

4 TBM通過不良地質(zhì)洞段施工質(zhì)量監(jiān)理控制

該工程地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，開挖揭露的IV、V類圍巖占90%以上，TBM在施工中遭遇到斷層發(fā)育洞段、泥質(zhì)膨脹巖發(fā)育洞段、煤系地層洞段、放射性地質(zhì)環(huán)境洞段、土洞段、含水洞段等不良地質(zhì)洞段，使得TBM掘進(jìn)時(shí)要么方向偏移，管片安裝接縫超標(biāo)、錯(cuò)臺(tái)大和裂縫；要么機(jī)頭被壓、盾體抱死導(dǎo)致卡機(jī)。為防止TBM通過后出現(xiàn)洞體坍塌等事故發(fā)生，確保管片安裝后的穩(wěn)定和隧洞的施工安全，監(jiān)理從以下幾方面加以控制：

1）TBM通過不良地質(zhì)洞段預(yù)案審查。即要求承包人針對(duì)不同地質(zhì)條件制定對(duì)應(yīng)的施工預(yù)案，并根據(jù)揭露的圍巖狀況進(jìn)行細(xì)化，以便TBM施工通過。

2）TBM掘進(jìn)遭遇不良地質(zhì)時(shí)的控制。

（1）監(jiān)理會(huì)同發(fā)包人、設(shè)計(jì)、承包人地質(zhì)人員跟蹤作業(yè)，根據(jù)初設(shè)地質(zhì)報(bào)告和TBM正常工作時(shí)，對(duì)巖渣的巖性、塊度、成分和變化趨勢(shì)作出判斷，及運(yùn)行過程中，TBM精確地紀(jì)錄下了包括液壓推進(jìn)油缸的實(shí)時(shí)壓強(qiáng)(MPa)，主電機(jī)的功率參數(shù)（kW），以及機(jī)頭前進(jìn)速度（mm/h）等判斷前方地質(zhì)條件的變化。

（2）同時(shí)在停機(jī)和刀具檢修時(shí)，使用TBM在護(hù)盾上的觀測(cè)窗口，地質(zhì)工程師對(duì)圍巖觀察作出的判斷；從刀盤進(jìn)入掌子面對(duì)圍巖的觀察作出判斷。

（3）要求承包人進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，如通過超前地質(zhì)鉆探的芯樣、鉆進(jìn)速度，或通過高密度電阻法測(cè)量等對(duì)前方的圍巖進(jìn)行詳細(xì)的探測(cè)。

（4）要求承包人加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)，增加開挖直徑，使得TBM在通過不良地質(zhì)洞段時(shí)處于良好的工作狀態(tài)。

（5）如遇卡機(jī)時(shí)，承包人應(yīng)對(duì)TBM主機(jī)部位的全部或局部巖石進(jìn)行人工擴(kuò)挖解負(fù)，同時(shí)對(duì)頂部圍巖和掌子面進(jìn)行固結(jié)灌漿加固處理；然后調(diào)整TBM姿態(tài)和掘進(jìn)參數(shù)，向前推進(jìn)。TBM脫困后，將擴(kuò)挖部位用素混凝土回填，空間較小時(shí)可回填豆礫石。

（6）安裝重型管片，必要時(shí)整環(huán)用鋼板鎖死，確保TBM通過后隧洞的安全與穩(wěn)定。

通過艱苦細(xì)致的監(jiān)理工作，在參建各方的積極配合下，克服重重困難，于2009年年底隧洞精準(zhǔn)貫通，得到安全鑒定專家組的高度評(píng)價(jià)。