單護(hù)盾TBM快速掘進(jìn)條件分析

陽(yáng) 斌

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

TBM施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受眾多不確定因素的影響和制約。目前國(guó)內(nèi)外采用TBM法施工的工程項(xiàng)目較多，不少工程項(xiàng)目受各種不確定因素影響而導(dǎo)致施工受阻，TBM法快速高效的優(yōu)勢(shì)無(wú)法得到充分發(fā)揮［1-3］。地質(zhì)條件是TBM工法選擇的先決條件，部分工程項(xiàng)目前期由于地質(zhì)勘察不夠精確，導(dǎo)致決策過(guò)程中出現(xiàn)偏差或失誤；部分工程項(xiàng)目由于TBM設(shè)備未根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行針對(duì)性的配置，或TBM施工所需的配置不能滿足施工要求，導(dǎo)致施工進(jìn)度無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果［4-5］。甘肅省引洮供水一期工程總干渠7#隧洞采用1臺(tái)φ5.75 m單護(hù)盾TBM施工，該工程于2011年11月創(chuàng)造了月掘進(jìn)進(jìn)尺1 868 m的單護(hù)盾TBM施工世界紀(jì)錄。本文根據(jù)該項(xiàng)目的實(shí)際情況，對(duì)單護(hù)盾TBM快速掘進(jìn)所需的施工條件進(jìn)行分析，并提出相關(guān)建議。

1 工程概況

1.1 工程位置及范圍

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7#隧洞工程位于甘肅省渭源縣境內(nèi)。7#隧洞全長(zhǎng)17 286 m，其中TBM施工段長(zhǎng)度為16 986 m，設(shè)計(jì)斷面為圓形，縱坡為1/1 650，采用1臺(tái)全新單護(hù)盾TBM施工。隧洞設(shè)計(jì)開挖直徑為5.75 m，管片襯砌后內(nèi)徑為4.96 m，管片背后上部270°范圍進(jìn)行豆礫石（5～10mm）回填，并灌注水泥漿液，設(shè)計(jì)結(jié)石強(qiáng)度為C15，下部90°回填M15水泥砂漿。

該工程管片設(shè)計(jì)為六邊形，縱向?yàn)榘纪姑媲蚋C結(jié)構(gòu)，管片環(huán)外徑為5 520 mm，內(nèi)徑為4 960 mm，厚度為280 mm，寬度為1 600 mm。每環(huán)管片分4塊（1塊底管片，2塊側(cè)管片，1塊頂管片），單塊最大質(zhì)量約5.2 t。根據(jù)地質(zhì)適應(yīng)性分為A，B，C，D 4種類型（配筋有區(qū)別），其中A型適合Ⅳ類圍巖，B型適合Ⅴ類圍巖，C型適合于塌方段以及搶險(xiǎn)用，D型適合Ⅲ類圍巖。管片拼裝展開示意見圖1。

該工程TBM分主機(jī)、后配套、加利福尼亞道岔3部分，全長(zhǎng)約380 m。其中主機(jī)由刀盤、前盾、中盾和尾盾組成，長(zhǎng)10.3 m；后配套由17節(jié)拖車組成，長(zhǎng)170 m；加利福尼亞道岔由29節(jié)平板車組成，總長(zhǎng)200 m，TBM允許最小轉(zhuǎn)彎半徑為500 m。設(shè)計(jì)最大推力為28 883 kN，額定扭矩為4 000 kN·m，脫困扭矩為6 000 kN·m。

圖1 管片拼裝示意圖Fig.1 Sketch of segments erected

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

1.2.1 工程地質(zhì)

7#隧洞大地構(gòu)造部位屬中、新生代隴西-渭源盆地，TBM穿越東峪溝—秦祁河之間的低山丘陵區(qū)（洮河流域與渭河流域分水嶺），隧洞最大埋深368 m，屬越嶺長(zhǎng)隧洞。

隧洞布置于白堊系、上第三系地層之中。地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖相變劇烈，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞段有地下水活動(dòng)。地下水具多層結(jié)構(gòu)，局部有承壓性，地下水受構(gòu)造、地層巖性控制，分布與富集變化較大。

隧洞圍巖劃分為不穩(wěn)定Ⅳ類圍巖和極不穩(wěn)定Ⅴ類圍巖，其中上第三系極軟巖段劃分為Ⅴ類圍巖，新生代白堊系中硬巖和較軟巖劃分為Ⅳ類圍巖，Ⅳ類圍巖占隧道總長(zhǎng)的14%，Ⅴ類圍巖占隧道總長(zhǎng)的86%。

1.2.2 水文地質(zhì)

隧洞巖層總體富水性較差。地下水主要由大氣降水補(bǔ)給，降雨稀少，且年內(nèi)分布不均，地層滲透性弱，地下水水量一般較?。▽?shí)測(cè)泉水最大流量＜5 L/min）。根據(jù)鉆孔揭示、試驗(yàn)及水文地質(zhì)調(diào)查，砂礫巖、砂巖孔隙率為20%左右，為含水透水層，鉆孔一般有地下水，泉水均出露于砂巖、砂礫巖層部位。泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為相對(duì)隔水層，地下水分布不均，一般呈層狀分布且局部承壓，所在山體為微弱層狀含水山體。

2 TBM掘進(jìn)情況

2.1 TBM在出口工作面施工情況

該工程TBM于2009年12月29日在隧洞出口始發(fā)掘進(jìn)，2010年1—4月，通過(guò)優(yōu)化施工組織，逐步熟悉設(shè)備性能和挖掘設(shè)備潛力，使TBM月掘進(jìn)進(jìn)尺分別為245，493.3，666.2，961m，掘進(jìn)進(jìn)度逐月提高。TBM在能自穩(wěn)地質(zhì)洞段完全可以保證正常快速掘進(jìn)，在進(jìn)入粉細(xì)砂層后由于圍巖坍塌變形導(dǎo)致TBM接連遭遇卡機(jī)，隨著含水率由5%增大至23.2%，發(fā)生了突泥涌砂地質(zhì)災(zāi)害，最終使TBM栽頭受困無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。

2.2 整體方案變更

2011年初，參建各方根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)勘察資料做出整體方案調(diào)整：將隧洞出口TBM拆卸至進(jìn)口進(jìn)行掘進(jìn)（已探明進(jìn)口段地質(zhì)情況較好，適宜TBM掘進(jìn)），受出口TBM被困處地質(zhì)條件影響，原刀盤和盾體無(wú)法拆除，需重新加工制作刀盤、盾殼；針對(duì)已通過(guò)補(bǔ)充地質(zhì)勘察探明分散分布的8段不良地質(zhì)洞段通過(guò)增設(shè)4座斜井、原通風(fēng)豎井工作面、拆機(jī)后的出口工作面進(jìn)行人工鉆爆法施工，待開挖支護(hù)后，進(jìn)行TBM空推安裝管片襯砌，部分洞段采用現(xiàn)澆混凝土襯砌。

2.3 TBM在進(jìn)口工作面施工情況

整體方案調(diào)整后，TBM于進(jìn)口工作面重新始發(fā)掘進(jìn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化改造后的TBM性能得到大幅度提升，連續(xù)創(chuàng)造高產(chǎn)。2011年8月17日TBM自進(jìn)口始發(fā)后，于當(dāng)年9月創(chuàng)造了單月進(jìn)尺1 515 m、日進(jìn)尺80.8 m的單護(hù)盾TBM掘進(jìn)全國(guó)新紀(jì)錄，10月掘進(jìn)進(jìn)尺1 718.6 m，11月掘進(jìn)進(jìn)尺1 868 m，刷新了單護(hù)盾TBM月進(jìn)尺世界紀(jì)錄。截至2012年4月27日，TBM由進(jìn)口已累計(jì)掘進(jìn)11 120 m，平均月進(jìn)尺為1 308 m。

3 單護(hù)盾TBM快速掘進(jìn)條件分析

3.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是TBM施工的先決條件，施工方案必須根據(jù)工程地質(zhì)條件進(jìn)行制定，所采購(gòu)的TBM必須與工程地質(zhì)條件具有良好的適應(yīng)性［5-6］。為保證TBM快速掘進(jìn)，地質(zhì)條件應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求：

1）圍巖具備一定的自穩(wěn)能力。圍巖在TBM刀盤開挖形成臨空面后會(huì)發(fā)生坍塌變形，圍巖的變形速率和變形量應(yīng)至少滿足TBM在正常掘進(jìn)速度條件下刀盤及盾體不被卡的要求［7］，短距離不良地質(zhì)洞段掘進(jìn)，TBM應(yīng)具備良好的機(jī)況進(jìn)行連續(xù)掘進(jìn)。另外，由于TBM不可避免存在維護(hù)保養(yǎng)、故障等停機(jī)情況，圍巖的變形速率和變形量應(yīng)滿足在一定時(shí)間段內(nèi)不會(huì)導(dǎo)致TBM被卡的要求，針對(duì)經(jīng)評(píng)估認(rèn)為TBM無(wú)法通過(guò)的不良地質(zhì)洞段，應(yīng)提前進(jìn)行圍巖預(yù)加固或提前采用人工鉆爆法處理。

2）無(wú)劇烈的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力。TBM刀盤開挖形成臨空面后，由于地應(yīng)力作用，圍巖會(huì)發(fā)生收斂變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成TBM被困被卡。在青海引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程實(shí)例中，在TBM施工至斷層破碎帶，由于地應(yīng)力作用（最大地應(yīng)力實(shí)測(cè)值達(dá)到16 MPa）造成圍巖收斂變形，導(dǎo)致TBM被困數(shù)十次，在連續(xù)約2年的時(shí)間內(nèi)TBM累計(jì)掘進(jìn)僅200余m，嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度，在國(guó)內(nèi)外其他護(hù)盾式TBM項(xiàng)目也曾因?yàn)轭愃茊栴}而導(dǎo)致TBM施工受阻。

3）圍巖中賦存的地下水會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成較大影響。在軟巖地質(zhì)條件下，地下水是造成圍巖失穩(wěn)的重要因素［9］。引洮供水7#隧洞TBM在出口段掘進(jìn)施工過(guò)程中，TBM進(jìn)入粉細(xì)砂層后，在含水量＜10%的情況下，圍巖發(fā)生塌方，由于該TBM設(shè)備具備較大的脫困能力，通過(guò)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、控制出渣量等措施，仍可保持掘進(jìn)。但當(dāng)含水率逐步增大至17%及以上時(shí)，粉細(xì)砂層飽水后迅速形成突泥涌砂及管涌現(xiàn)象，導(dǎo)致TBM被困無(wú)法掘進(jìn)。

4）圍巖應(yīng)具備良好的可掘性。完整堅(jiān)硬且耐磨性強(qiáng)的圍巖對(duì)TBM掘進(jìn)進(jìn)度影響非常大，且對(duì)TBM刀盤及主機(jī)關(guān)鍵部件（如主軸承）壽命影響較大，刀具消耗增大會(huì)導(dǎo)致?lián)Q刀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而嚴(yán)重制約TBM施工進(jìn)度［10］。根據(jù)引洮供水7#隧洞TBM開挖揭示，圍巖主要為白堊系和第三系地層的泥質(zhì)砂巖、細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為3.0～35.0 MPa，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，TBM在該類圍巖中掘進(jìn)速度達(dá)到60～140 mm/min，單循環(huán)（1.6 m）純掘進(jìn)時(shí)間最快僅需要13 min，刀具消耗量小。

3.2 TBM配置

在充分掌握地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，TBM配置應(yīng)與地質(zhì)條件有良好的適應(yīng)性。

1）TBM能力儲(chǔ)備。單護(hù)盾TBM主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括總推力、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度、刀具貫入度等。在考慮到不良地質(zhì)條件的特殊情況下，設(shè)計(jì)TBM脫困能力應(yīng)盡可能有較大的富余，TBM設(shè)備的潛力可能在大部分正常地質(zhì)洞段都無(wú)法發(fā)揮作用，但當(dāng)局部洞段遇到不良地質(zhì)后，設(shè)備的潛力將發(fā)揮重要作用，成為TBM能否順利掘進(jìn)通過(guò)的關(guān)鍵。

2）有針對(duì)性地進(jìn)行TBM設(shè)計(jì)和配置。TBM作為專用設(shè)備，必須進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)和配置，只有保證與地質(zhì)條件具備良好的適應(yīng)性，才能充分發(fā)揮掘進(jìn)效率。

①引洮供水7#隧洞單護(hù)盾TBM原刀盤設(shè)計(jì)為純硬巖刀盤，刀盤總質(zhì)量約為80 t，刀盤伸出前盾切口長(zhǎng)度為960 mm，開口率為11%，在出口段軟巖施工中，受圍巖塌方影響，且由于刀盤伸出前盾切口的懸臂部分過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致施工受阻。主要體現(xiàn)在2方面：一是對(duì)周邊圍巖擾動(dòng)大加劇了圍巖塌方范圍，導(dǎo)致出渣量控制困難；二是刀盤受塌方圍巖作用的面積較大，且本身自身重力較大，易造成TBM刀盤被卡，在圍巖泥化后地基承載力降低的情況下，TBM栽頭嚴(yán)重（豎直方向最大栽頭663 mm），掘進(jìn)施工嚴(yán)重受阻。TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)至進(jìn)口后，重新加工的刀盤充分考慮了應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)情況，對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)和伸出前盾切口長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，將刀盤質(zhì)量減少20 t，伸出前盾切口長(zhǎng)度減少約200 mm。

②單護(hù)盾TBM依靠主推油缸作用在管片上提供推進(jìn)反力從而向前掘進(jìn)。引洮供水7#隧洞項(xiàng)目TBM原刀盤設(shè)計(jì)為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)）出渣，可以進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）調(diào)整滾動(dòng)值，但不能出渣。底管片采用混凝土承軌臺(tái)+中心水溝的設(shè)計(jì)方式。TBM在出口段掘進(jìn)過(guò)程中，由于刀盤只能沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)掘進(jìn)，造成管片環(huán)沿逆時(shí)針方向滾動(dòng)，為保證管片外觀質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全，被迫降低推進(jìn)速度從而降低扭矩并配合墊木板等措施進(jìn)行調(diào)整，對(duì)施工進(jìn)度影響較大，且運(yùn)輸軌線質(zhì)量較差，嚴(yán)重制約了運(yùn)輸效率。TBM轉(zhuǎn)場(chǎng)至進(jìn)口后，將刀盤設(shè)計(jì)優(yōu)化為正反轉(zhuǎn)均可以掘進(jìn)出渣，管片環(huán)旋轉(zhuǎn)的難題通過(guò)刀盤正反轉(zhuǎn)掘進(jìn)進(jìn)行調(diào)整，使TBM掘進(jìn)速度大幅提高，且運(yùn)輸軌線質(zhì)量改善后有軌運(yùn)輸效率大幅提高。

③引洮供水7#隧洞項(xiàng)目TBM在設(shè)計(jì)中考慮到供料和出渣的重/輕編組車快速轉(zhuǎn)換的問題，在后配套拖車尾部設(shè)計(jì)了1座200 m長(zhǎng)加利福尼亞會(huì)車平臺(tái)（隨TBM掘進(jìn)移動(dòng)道岔），使后配套內(nèi)編組接渣完成后輕編組能迅速到位，保證了掘進(jìn)施工的連續(xù)性，在后續(xù)TBM快速施工中起到了重要作用。

3.3 配套設(shè)施

TBM本身具備快速掘進(jìn)的能力，相關(guān)配套設(shè)施必須匹配快速掘進(jìn)要求。

1）TBM供料及出渣。引洮供水7#隧洞項(xiàng)目TBM供料及出渣采用單線+會(huì)車平臺(tái)有軌運(yùn)輸方式，1列編組可滿足2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的材料供應(yīng)和出渣需要。在掘進(jìn)高峰期單循環(huán)（1.6 m）最快作業(yè)時(shí)間為25 min，其中掘進(jìn)時(shí)間為13 min，管片安裝時(shí)間為12 min，有軌運(yùn)輸距離約11 km。共采用4列編組（其中機(jī)頭采用27 t德國(guó)小馬機(jī)車，車輛制動(dòng)效果好，運(yùn)輸效率高），在6 km處設(shè)固定會(huì)車平臺(tái)1處，即高峰期編組50 min必須到達(dá)TBM尾部加利福尼亞會(huì)車平臺(tái)，做好重/輕編組車快速轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備。由于底管片采用混凝土承軌臺(tái)設(shè)計(jì)，在解決了管片滾動(dòng)問題后軌線鋪設(shè)質(zhì)量好，編組列車在該種軌線條件下重車出洞平均速度能夠達(dá)到15 km/h，輕車進(jìn)洞平均速度能夠達(dá)到18 km/h，完全可以滿足掘進(jìn)需要，15～18 km獨(dú)頭掘進(jìn)的隧洞采用該種運(yùn)輸方案亦能滿足。

2）洞外場(chǎng)地布置。洞外場(chǎng)地軌線布置、供料系統(tǒng)、翻渣系統(tǒng)的布置需充分考慮編組車輛在洞外快速翻渣和裝料的問題。引洮供水7#隧洞項(xiàng)目洞外翻渣系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)翻渣機(jī)，1次可同時(shí)翻轉(zhuǎn)2臺(tái)側(cè)卸式渣車，一列編組10節(jié)渣車翻渣時(shí)間基本控制在20 min內(nèi)，在翻渣的同時(shí)進(jìn)行進(jìn)洞材料的裝車，翻渣完成后即可進(jìn)行編組并進(jìn)洞，滿足了洞內(nèi)快速施工的需要。

3）其他配套設(shè)施。長(zhǎng)距離TBM施工通風(fēng)、供水、供電、排水等均需考慮快速掘進(jìn)的需要。以施工通風(fēng)為例：引洮供水7#隧洞項(xiàng)目采用一站式壓入式通風(fēng)方案，使用瑞士進(jìn)口GIA 4×75 kW 風(fēng)機(jī)，直徑1.6 m的國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)風(fēng)管，通過(guò)在洞內(nèi)11 km處進(jìn)行的通風(fēng)檢測(cè)表明，洞內(nèi)回風(fēng)風(fēng)速滿足規(guī)范要求，各有害氣體含量均在規(guī)范要求以下，經(jīng)實(shí)踐證明該方案充分保障了洞內(nèi)通風(fēng)效果，為快速施工奠定了基本條件。

3.4 施工組織與管理

引水隧洞TBM施工是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需進(jìn)行精心的施工組織與管理。

1）建立完善的項(xiàng)目管理體系，并在施工過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行，通過(guò)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)文化的建立與隊(duì)伍建設(shè)，營(yíng)造良好的工作氛圍，建立開放的溝通渠道和協(xié)調(diào)機(jī)制。

2）通過(guò)優(yōu)化的施工組織和有效的激勵(lì)機(jī)制，規(guī)范管理過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)一線職工的工作積極性。

3）嚴(yán)格推行TBM及常規(guī)設(shè)備的按時(shí)維修保養(yǎng)工作。應(yīng)根據(jù)TBM設(shè)備特性制定詳細(xì)的維保制度和每日、周、月維保計(jì)劃，剛性進(jìn)行設(shè)備停機(jī)維保，及時(shí)研究和預(yù)判設(shè)備故障，提前處置問題。對(duì)于關(guān)鍵配件應(yīng)建立預(yù)警機(jī)制，保證配件儲(chǔ)備的準(zhǔn)確性、適用性和充足性，為TBM快速掘進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4）高度重視進(jìn)度與設(shè)備、進(jìn)度與安全、進(jìn)度與質(zhì)量關(guān)系的協(xié)調(diào)平衡。

5）通過(guò)技能培訓(xùn)與考核提高施工人員的技術(shù)水平。

6）有效建立TBM掘進(jìn)控制、測(cè)量導(dǎo)向、管片安裝、工程地質(zhì)變化、設(shè)備故障、安全與質(zhì)量等內(nèi)容的信息反饋與處置機(jī)制，確保在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)問題后能夠進(jìn)行快速處理。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)以上分析，認(rèn)為TBM快速掘進(jìn)所需具備的條件為：

1）適合TBM快速掘進(jìn)的地質(zhì)條件；

2）TBM 設(shè)計(jì)和配置須與地質(zhì)條件有良好的適應(yīng)性；

3）配置與快速掘進(jìn)匹配的配套設(shè)施；

4）精心的施工組織與管理。

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