TBM施工技術(shù)及其工程應(yīng)用分析

□張谷鵬（遼寧省東水西調(diào)工程建設(shè)局）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，水利水電工程建設(shè)也已進(jìn)入關(guān)鍵階段，對于一些規(guī)模較大、涉及多個(gè)工作面和多種施工技術(shù)的綜合工程，為了有效保障工程施工的進(jìn)度和質(zhì)量，對隧道施工技術(shù)提出了更高的要求，以TBM為核心設(shè)備的全斷面掘進(jìn)機(jī)得到了推廣和應(yīng)用，并在工程施工中發(fā)揮了重要的作用。

1 TBM的工藝原理及施工方法

1.1 TBM的工藝原理及施工特點(diǎn)

TBM設(shè)備由美國羅賓斯公司生產(chǎn)，在此以MB280高性能硬巖敞開式掘進(jìn)機(jī)為例，該設(shè)備的主機(jī)部分由刀盤、機(jī)頭架和大梁、支撐和推進(jìn)系統(tǒng)等三部分組成，其工藝原理是建立自主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、超前處理系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等各系統(tǒng)的綜合作用的運(yùn)用，其工藝流程是圍繞TBM掘進(jìn)、出渣和初期支護(hù)3個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行的，在設(shè)備運(yùn)行前，需對其主機(jī)及后配套系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，工藝流程如圖1。期縮短，成洞后又會節(jié)省運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；其四，施工安全，機(jī)械施工不僅減少了人工體力勞動量，也減少了事故的發(fā)生。除此之外，該技術(shù)還具備環(huán)保、出渣能力強(qiáng)、導(dǎo)向精度高、初期支護(hù)速度快、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 TBM的施工方法及影響因素

TBM掘進(jìn)方向的控制尤為關(guān)鍵，會直接影響到盤型滾刀的受力，一旦刀具出現(xiàn)損壞就會影響到施工進(jìn)度，如果出現(xiàn)隧道超挖的情況，還會增加后期的工程量，影響到工程質(zhì)量。對于TBM掘進(jìn)方向的控制，應(yīng)堅(jiān)持如下原則：確定合理的方向參數(shù)，嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)中心線與掘進(jìn)軸線的偏差，并在掘進(jìn)后進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。TBM共提供了3種工作模式，即自動扭矩控制、自動推力控制和手動控制模式，前兩種分別適用于均質(zhì)軟巖和均質(zhì)硬巖，后者適用于各種地層。在工程施工中，不良地質(zhì)是限制TBM施工性能的主要因素，這些不良地質(zhì)情況主要包括開挖面的穩(wěn)定性、斷層和破碎地帶、擠壓和膨脹底層，以及可鉆掘性極限，對此必須做好準(zhǔn)備工作，如在施工中應(yīng)參考施工地質(zhì)圖，對可能發(fā)生的地質(zhì)情況作出預(yù)判，對于可疑地段，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)，在預(yù)計(jì)到達(dá)特殊地質(zhì)洞段前50.00m，應(yīng)對TBM電氣、液壓、機(jī)械和灌漿等系統(tǒng)進(jìn)行徹底檢修，確保TBM以最佳狀態(tài)通過不良地質(zhì)洞段；在正常情況下，應(yīng)對巖渣的巖性、塊度、成分和變化趨勢做出判斷，精確記錄下各系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，在此基礎(chǔ)上對前方的巖石情況進(jìn)行判斷；再有，應(yīng)對刀盤鏟斗進(jìn)料口進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)，即裝配鏟斗封堵裝置，確保在遇到不良地質(zhì)時(shí)，能夠減少出渣量，保證刀盤可自由活動以及TBM施工的連續(xù)性。

2 TBM技術(shù)在工程施工中的具體應(yīng)用

2.1 工程概況及TBM設(shè)備選型

某重點(diǎn)輸水工程TBM施工段的隧道長度為21.60 km，開挖直徑為8.50m，由于工程為埋深長大隧洞，不便于施工，采用以

圖1 TBM設(shè)備調(diào)試工藝流程圖

概括而言，TBM施工技術(shù)具有如下特點(diǎn)：其一，施工速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，并與出渣、初期支護(hù)等作業(yè)同步完成；其二，施工質(zhì)量高，機(jī)械破巖有效避免了對圍巖造成的擾動，也使模筑混凝土襯砌工程量得以減少；其三，施工高效，隧洞施工工TBM為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合施工方案，以及開挖與初期支護(hù)同步進(jìn)行的支護(hù)方式，本工程施工初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)斷面、埋深、襯砌類型、地下水位以及圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行TBM設(shè)備選型，本工程圍巖類型以Ⅱ~Ⅲ為主，TBM采用的Ⅱ、Ⅲ圍巖純掘進(jìn)速度花崗巖平均指標(biāo)為2.40m/h，與TBM設(shè)備的理論純掘進(jìn)速度相一致，工期分析采用的設(shè)備利用率為40%~43%，使得TBM施工的綜合管理水平得到有效保障。此外，本工程在TBM設(shè)備選型時(shí)，還綜合考慮了施工進(jìn)度、造價(jià)以及電力、給排水、通風(fēng)等條件的影響。本次選用的MB280高性能硬巖敞開式掘進(jìn)機(jī)，在隧洞掘進(jìn)及襯砌施工中，不僅速度快，還能夠采用柔性支護(hù)的方式進(jìn)行支護(hù)，使模筑混凝土襯砌工程量得以減少。

2.2 工效分析及TBM施工方法

根據(jù)本工程圍巖地質(zhì)條件提供的數(shù)據(jù)，TBM的滾刀貫入速度為6m/h，掘進(jìn)軌跡為環(huán)形，參照刀具貫入指標(biāo)，將TBM循環(huán)形成設(shè)為1.80m，不同類型圍巖的TBM作業(yè)循環(huán)時(shí)間分別為：33min（Ⅱ類）、33min（Ⅲa類）、33min（Ⅲb類）、59min（Ⅳ類）和111min（Ⅴ類）；掘進(jìn)速度分別為：3.30m/h（Ⅱ、Ⅲ類），1.80m/h（Ⅳ類），1.00m/h（Ⅴ類）；掘進(jìn)月進(jìn)尺計(jì)算結(jié)果為：Ⅱ類圍巖700m/月、Ⅲ類圍巖750m/月、Ⅳ類圍巖400m/月、Ⅴ類圍巖200m/月。

TBM施工方法如下：其一，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，TBM施工對地質(zhì)條件非常敏感，在施工前必須做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，尤其是不良地質(zhì)洞段，應(yīng)對TBM設(shè)備的適應(yīng)性以及圍巖的自穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；其二，采取合理的支護(hù)手段，在主機(jī)掘進(jìn)的同時(shí)，TBM主機(jī)及后配套設(shè)備應(yīng)完成初期噴射混凝土支護(hù)作業(yè)，在不良地質(zhì)洞段，還要進(jìn)行鋼拱架安裝，支護(hù)作業(yè)流程為掛網(wǎng)→安裝拱架→安裝錨桿→噴混凝土，在斷層、破碎地帶的施工作業(yè)，刀盤轉(zhuǎn)速選用低速，待圍巖變化趨勢穩(wěn)定后，再上調(diào)推進(jìn)速度；其三，換步作業(yè)及掘進(jìn)方向的控制，換步作業(yè)在掘進(jìn)循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行，同時(shí)還要對掘進(jìn)方向進(jìn)行有效控制，每次換步都要進(jìn)行調(diào)向，防止邊刀不受損傷；其四，輔助措施及施工管理，輔助措施主要包括施工供水、施工排水、施工照明、通訊、通風(fēng)和供電等內(nèi)容，施工管理主要包括人員配置、技術(shù)、質(zhì)量、安全等內(nèi)容。

表1 工程施工初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 結(jié)論

TBM施工技術(shù)在工程應(yīng)用中優(yōu)勢明顯，該技術(shù)在我國應(yīng)用的時(shí)間雖短，但是近年來由于加大了對相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，TBM施工技術(shù)與國際水平距離正在拉近。本文結(jié)合TBM的工藝原理及施工方法，對TBM施工技術(shù)的具體應(yīng)用進(jìn)行了探討，希望能夠?yàn)門BM的設(shè)備選型提供一定的指導(dǎo)。

[1]陳炳瑞，馮夏庭，曾雄輝，等.深埋隧洞TBM掘進(jìn)微震實(shí)時(shí)監(jiān)測與特征分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，11（2）:277-280.

[2]謝洪濤，陳帆.基于CoPS理論的TBM技術(shù)創(chuàng)新組織模式研究[J].科技進(jìn)步與對策，2012，11（8）:9-12.

[3]周小松.TBM法與鉆爆法技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比分析[D].西安理工大學(xué)，2010.

[4]張良貴.雙護(hù)盾TBM主推進(jìn)系統(tǒng)的研究[D].燕山大學(xué)，2013.

[5]劉術(shù)臣.TBM技術(shù)發(fā)展方向及其國內(nèi)應(yīng)用前景[J].鐵道建筑技術(shù)，2010，10（1）:1-3.