全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)在中部引黃工程中的應(yīng)用

靳忠財

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司，山西 太原 030002）

1 概述

從20世紀(jì)90年代開始，我國在水利、電力、地鐵及城市地下工程等行業(yè)開始逐步采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化連續(xù)流水作業(yè)，能同時完成破巖、出渣、支護(hù)、襯砌等作業(yè)，并一次成洞，掘進(jìn)速度快，效率高，是一種快速、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保的施工機(jī)械。

山西省中部引黃工程是山西省“十二五”規(guī)劃中大水網(wǎng)建設(shè)的一項重要工程，工程主要由384.5 km的輸水隧洞及配套建筑物組成。隧洞開挖采用鉆爆法和TBM兩種方式，其中TBM施工長度達(dá)80余km，約占隧洞開挖長度的22%。該工程TBM施工采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)，斷面為圓形，直徑5.06m。TBM施工隧洞段襯砌為預(yù)制C45混凝土管片拼裝式結(jié)構(gòu)，管片內(nèi)直徑4.3m，管片厚度25 cm，管片外直徑4.8m，四片管片組成一環(huán)，管片型式為六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，管片與圍巖之間的空隙用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

TBM施工包括隧洞掘進(jìn)、回填灌漿、施工通風(fēng)及除塵、施工期洞內(nèi)排水、有害氣體監(jiān)測、TBM機(jī)上及機(jī)外的通訊、管片制作及安裝等措施。其中管片制作為常規(guī)預(yù)制混凝土。

2 TBM掘進(jìn)施工

2.1 隧洞掘進(jìn)

正常情況下掘進(jìn)一個循環(huán)施工，刀盤及護(hù)盾在液壓推進(jìn)缸作用下向前掘進(jìn)，同時水平支撐系統(tǒng)牢固的固定于洞壁，這時隧洞內(nèi)后配套系統(tǒng)保持相對靜止；刀盤停止運(yùn)行，水平支撐油缸收回，穩(wěn)定靴撐緊，通過推進(jìn)油缸收回拖拽水平支撐滑動支架向前運(yùn)動，此時連接于水平支撐滑動支架和后配套之間的牽引油缸跟隨推進(jìn)油缸的收回而伸出。伸出水平支撐油缸，通過收回連接于水平支撐滑動支架和后配套之間的牽引油缸，牽引后配套向前移動。

掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)一般有自動扭矩控制、自動推力控制、手動控制模式三種控制模式，施工期間，通常選用手動推進(jìn)模式。

掘進(jìn)參數(shù)是影響掘進(jìn)速度的重要因素，主要由刀盤的推進(jìn)速度、扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力4個指標(biāo)表示。正常情況下，選定的推進(jìn)速度不大于35%電位計設(shè)定最大推進(jìn)速度值，開始掘進(jìn)時推進(jìn)速度選擇15%，之后逐漸提高推進(jìn)速度，刀盤轉(zhuǎn)速可選擇較高轉(zhuǎn)速，但推進(jìn)力不宜太高。推進(jìn)壓力不小于120 MPa，一般控制TBM推進(jìn)平均速率為30 mm/min；推進(jìn)壓力不小于80 MPa，一般控制TBM推進(jìn)平均速率為60 mm/min。

當(dāng)圍巖軟弱，巖石強(qiáng)度不足以支撐水平撐靴時，可采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式；對均質(zhì)軟巖、一般節(jié)理的地層，所需推進(jìn)力較小，可選擇自動扭矩推進(jìn)控制模式，推進(jìn)速度調(diào)整在80%左右，扭矩值不大于80%，且變化范圍不大于10%，觀察貫入度指標(biāo)以小于12 mm（20in盤刀）為佳。

對巖石硬度變化較大、節(jié)理較發(fā)育的地層，選擇手動控制模式，觀察推力和扭矩的變化。此工況下，即使扭矩和推力均未達(dá)到額定值，也會使部分刀具過載，產(chǎn)生沖擊載荷，降低刀具壽命，同時會造成主軸承受力惡化。故應(yīng)盡量降低推進(jìn)速度，控制在30%以下。

有不規(guī)則的石渣塊體出現(xiàn)時，應(yīng)注意觀察地質(zhì)是否有較大的變化，查明情況后再進(jìn)行掘進(jìn)，可將刀盤轉(zhuǎn)速降低并相應(yīng)降低推進(jìn)速度，待振動減少并恢復(fù)正常后，再將刀盤轉(zhuǎn)速提高。

在節(jié)理發(fā)育、裂隙較多或破碎帶、斷層等地質(zhì)條件下，掘進(jìn)較為困難，應(yīng)降低掘進(jìn)速度低，還需經(jīng)常停機(jī)進(jìn)行超前預(yù)處理。控制扭矩變化范圍不大于10%，控制貫入度指標(biāo)在6 mm以下。刀盤轉(zhuǎn)速選用低速，推進(jìn)速度開始為20%。待圍巖變化趨勢穩(wěn)定后，推進(jìn)速度可上調(diào)45%左右，扭矩變化范圍小于10%。

當(dāng)出渣皮帶機(jī)上出現(xiàn)一定比例（如20%左右）的塊狀石渣時，降低推進(jìn)速度，控制貫入度不大于6 mm。當(dāng)皮帶機(jī)上連續(xù)不斷出現(xiàn)大量塊狀石渣時，調(diào)低刀盤轉(zhuǎn)速，并降低貫入度。

在軟弱圍巖條件下的掘進(jìn)，應(yīng)特別注意支撐靴的位置和壓力變化。撐靴位置選擇不好，會在掘進(jìn)中打滑，造成停機(jī)，也會直接影響掘進(jìn)方向。此外撐靴剛撐到洞壁上時，洞壁較軟，極易陷落，觀察儀表盤上撐靴壓力值下降較快，操作人員及時給撐靴補(bǔ)壓，避免發(fā)生撐靴失壓引起撐靴滑動。

對富水節(jié)理較發(fā)育洞段，應(yīng)經(jīng)常停機(jī)進(jìn)行超前探測和放水，選擇手動控制模式，觀察推力和扭矩的變化，盡量降低推進(jìn)速度，控制在30%以下，控制扭矩變化范圍不大于10%，控制貫入度指標(biāo)在3 mm以下。

2.2 通風(fēng)除塵、排水、有害氣體監(jiān)測及施工期通信

為方便節(jié)能，風(fēng)機(jī)可根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)度分級使用。當(dāng)掘進(jìn)長度在3 km以內(nèi)時，采用一級供風(fēng)可滿足隧洞通風(fēng)所需風(fēng)量；掘進(jìn)至3～5 km時，采用二級供風(fēng)可滿足隧洞所需風(fēng)量；掘進(jìn)至5～8 km處采用三級供風(fēng)，直到掘進(jìn)至8 km處采用四級供風(fēng)。掘進(jìn)長度超過12 km，應(yīng)設(shè)置通風(fēng)支洞，布置二次增壓風(fēng)機(jī)，將新風(fēng)送至TBM機(jī)頭部位，滿足作業(yè)人員需要。

TBM除塵采用TBM附帶的COGEMA DVS 6干式除塵器，可滿足TBM掘進(jìn)時產(chǎn)生的粉塵除塵需要。

洞內(nèi)排水設(shè)計按照經(jīng)常性排水量設(shè)計，考慮應(yīng)急排水的需要，洞內(nèi)排水采用以封堵為主、排水為輔的原則，避免對泉域地下水環(huán)境產(chǎn)生影響。施工中根據(jù)設(shè)計圖紙對可能的涌水段，打超前勘探孔，依據(jù)探孔出水量決定在周圍進(jìn)行超前灌漿，外水壓力較小的洞段應(yīng)采用表面封堵的方式，集中的滲水點(diǎn)應(yīng)采用導(dǎo)管引出，隨后封堵。在TBM伸縮盾內(nèi)配置3臺排污水泵，3臺水泵將污水排至TBM尾部污水箱，再通過2臺多級離心泵通過污水卷盤、洞壁排污鋼管排至洞口污水沉淀池沉淀后排放。TBM機(jī)尾設(shè)2臺高揚(yáng)程離心水泵，揚(yáng)程300m，用于洞內(nèi)突發(fā)涌水時強(qiáng)力排水。配套1臺300 kVA備用發(fā)電機(jī)，以備大量涌水時送至機(jī)上的20 kV高壓電斷電時滿足強(qiáng)排水泵排水需要。

中部引黃工程隧洞所處的地理位置周圍有煤礦采掘區(qū)、儲煤區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工過程中可能遇到煤系地層、放射性元素及有害氣體，因此需要對這些可能存在的放射性元素、有害氣體進(jìn)行監(jiān)測。

為保證施工安全，在隧洞施工的TBM掘進(jìn)段布置有害氣體監(jiān)測設(shè)備。TBM掘進(jìn)機(jī)上安裝一套有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，可監(jiān)測瓦斯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、氧氣、一氧化氮等7種氣體，分別布置于伸縮盾、TBM主機(jī)皮帶機(jī)頭部、操作室外、除塵風(fēng)筒尾等位置。隧洞內(nèi)有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)通過安裝于洞內(nèi)工業(yè)廣場、加利福尼亞道岔等部位的氣體監(jiān)測器，監(jiān)測可燃?xì)怏w、氧氣、硫化氫、一氧化碳等氣體的濃度，當(dāng)監(jiān)測氣體超出設(shè)定上、下限值時，監(jiān)測器將發(fā)出聲光報警信號。

施工期通信包括TBM機(jī)上的通訊和TBM與機(jī)外的通訊兩部分，TBM機(jī)上采用有線通訊、無線對講機(jī)兩種方式進(jìn)行通訊，通過分布在操作室、前護(hù)盾、后配套尾部等5部礦用廣播電話，相互間進(jìn)行廣播通話；通過無線對講機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)上人員通訊。在洞外調(diào)度值班室安裝有程控電話交換機(jī)，通過有線通訊方式，總調(diào)度室可與TBM機(jī)上TBM操作室、二次注漿系統(tǒng)、避險室等處，以及洞內(nèi)錯車道岔、洞內(nèi)工業(yè)廣場等處進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

2.3 管片運(yùn)輸、安裝及回填灌漿

中部引黃工程襯砌所用預(yù)制管片分為D1，D2，D3型。其中，D1型管片用于Ⅱ，Ⅲ類圍巖洞段，D2型管片用于Ⅳ，Ⅴ類圍巖洞段，D3型管片用于特殊地質(zhì)條件洞段。

用叉車將管片堆放場安裝好止水條的管片混凝土管片運(yùn)到軌道上的專用管片運(yùn)輸車上，固定裝好。按照操作手冊要求由管片安裝操作工專人操作管片的安裝。安裝時應(yīng)將管片環(huán)向接縫控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，并盡可能減小縱向縫的寬度。通過彎道時，要盡可能減少彎道內(nèi)側(cè)的接縫寬度，以保證彎道外側(cè)接縫內(nèi)的止水條相互接觸，必要時對超過設(shè)計縫寬的洞段嵌填遇水膨脹橡膠止水條，然后再勾縫。

TBM施工特點(diǎn)之一是開挖和管片安裝兩種施工活動同時進(jìn)行，管片安裝質(zhì)量的好壞直接影響隧洞的防滲效果。為精確安裝管片，首先安裝底管片和頂管片，然后安裝側(cè)向管片，管片環(huán)安裝完成后，管片的縱縫、環(huán)縫內(nèi)燕尾槽用特制CK砂漿勾縫，并將勾縫表面抹平。一環(huán)管片安裝用時約15 min。一般不影響掘進(jìn)速度。

相鄰管片的環(huán)向縫之間的機(jī)械連接件（定位銷）由硬質(zhì)塑性材料制作而成，其抗拉強(qiáng)度最小為40 N/mm2，抗剪斷強(qiáng)度最小為20 N/mm2。定位銷插入預(yù)制管片上加入帶肋塑料襯套的預(yù)留孔內(nèi)，其抗拔力不小于60 kN。每個管片接縫面設(shè)2個定位銷。

管片短邊的縱向斜接縫內(nèi)裝設(shè)由PVC制作的圓柱形導(dǎo)向桿，以利管片正確就位和保持接縫平整。

開挖隧洞斷面與管片間的空隙底拱90°范圍內(nèi)采用砂漿回填，其余間隙采用豆粒石回填灌漿。根據(jù)工程實(shí)踐，每隔50～90m形成一道封閉環(huán)效果較好。具體封閉環(huán)距離根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定。灌漿通過預(yù)制管片安裝孔進(jìn)行。在灌注中嚴(yán)格控制灌注壓力，最大壓力控制在0.5 MPa之內(nèi)。在TBM后配套的中部，按一定的孔序用特制的CK砂漿將非灌漿孔進(jìn)行封堵。

3 結(jié)語

目前，TBM施工在國外長大隧道、重要隧道工程得到了廣泛應(yīng)用。我國于20世紀(jì)90年代在水利工程上開始使用，但由于購置掘進(jìn)機(jī)及其配套設(shè)備費(fèi)用昂貴，且掘進(jìn)機(jī)及其他配套設(shè)備在很大比例尚需依賴國外采購，因此國內(nèi)很多承包商還沒有掌握掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)，施工經(jīng)驗(yàn)缺乏。掘進(jìn)機(jī)施工在修筑長大隧洞上的速度和質(zhì)量優(yōu)勢，必將在我國今后的經(jīng)濟(jì)建設(shè)和西部大開發(fā)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。