開敞式TBM施工過程質量控制技術研究

我國應用TBM開挖隧道的案例較多，如西康鐵路秦嶺I線隧道、山西萬家寨引黃入晉工程、遼寧大伙房水庫一期輸水隧道、甘肅引大入秦工程、四川錦屏二級水電站引水隧道以及桓集隧洞、吉林引水供水工程總干線等。

TBM施工的最大特點是集掘進、出碴運輸、通風除塵和支護于一體，連續(xù)掘進，支護緊跟，一次成洞，從而克服了傳統(tǒng)隧道掘進法——鉆爆法（D&B）施工工序復雜、進度慢、工作條件差、工人勞動強度大、超欠挖嚴重、獨頭開挖長度受限（一般不超過3km，否則通風難以保證）、對圍巖擾動大、安全性能差，難以實現(xiàn)高速、高效、安全、文明施工的缺點。同時，TBM根據(jù)開挖洞徑要求，可以定制多種規(guī)格的刀盤直徑。以刀盤直徑8m為例，TBM施工質量控制主要集中在洞室開挖、錨噴支護過程中。本文試對開敞式TBM施工過程質量控制的技術要點進行探討。

質量控制技術

開挖質量控制

除發(fā)生塌方的洞段外，TBM開挖無超挖或欠挖，開挖質量主要是指開挖軸線滿足設計要求的程度，控制了軸線偏差，也就控制了開挖質量。

1.施工測量質量控制

TBM軸線控制主要依據(jù)設備激光導向系統(tǒng)，測量人員在將測量數(shù)據(jù)準確地輸入TBM激光導向系統(tǒng)后，日常工作便是根據(jù)已有測量控制點，開挖一定洞長后測量一次，然后將測量數(shù)據(jù)輸入激光導向系統(tǒng)，如此循環(huán)進行測量軸線控制。

2.隧道開挖過程質量控制

TBM開挖由控制系統(tǒng)控制，激光導向系統(tǒng)、掘進機運行參數(shù)（包括刀盤轉速、扭矩或刀頭最大推力、掘進速度推進油缸壓力等）均通過該系統(tǒng)來觀察和控制，隧道開挖質量受操作人員專業(yè)水平、圍巖地質條件、掘進機工作狀況等多種因素影響。操作人員必須是經(jīng)過專門培訓、并有一定操作經(jīng)驗的技術工人，在開挖過程中需時刻掌握TBM當前位置，掘進機偏轉情況和掘進機運行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)掘進已偏離設計洞軸線時要及時分析原因、調(diào)整偏差。所以，在日常維修中，要注意檢查，以避免因故障而影響開挖質量。

錨噴支護質量控制

TBM施工錨噴支護主要采用新奧法的理念，采用柔性支護，盡量利用圍巖自承能力指導隧道設計和施工。其特點是在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、錨桿支護，以便控制圍巖的變形和應力釋放，從而在支護和圍巖的共同變形過程中，調(diào)整圍巖應力重分布而達到新的平衡，以求最大限度地保持圍巖的固有強度和利用其自承能力。新奧法的原理的主要工作為錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、噴混凝土。

1.錨桿

TBM施工過程中錨桿的設計規(guī)格主要受到TBM開挖洞徑的影響。由于受到TBM設計錨桿鉆機的影響，錨桿的布置是近似洞徑切線方向布置，如圖1所示。8m直徑的隧洞錨桿一般長2.0m～3.5m，錨桿直徑為Φ22～Φ25。

（1）施工材料

錨桿：錨桿的材料應按施工圖紙的要求，選用熱扎II級或III級螺紋鋼筋。

水泥：注漿錨桿的水泥砂漿中的水泥應采用水泥強度等級不低于42.5的普通硅酸鹽水泥。

砂：采用最大粒徑小于2.5mm的中細砂。

水：水質應符合JGJ63-89第3.0.4條的規(guī)定。

水泥砂漿：砂漿標號必須滿足施工圖紙的要求，預應力錨桿的水泥砂漿的抗壓強度等級為30M Pa，其余為25M pa。

（2）錨桿孔的鉆孔

錨桿孔的開孔應按施工圖紙布置的鉆孔位置進行，其孔位偏差應不大于100mm。

錨桿孔的孔軸方向應滿足施工圖紙的要求，鉆孔方向近似于洞室圓的切線方向；局部加固錨桿的孔軸方向應與可能滑動面的傾向相反，其與滑動面的交角應大于45°。

注漿錨桿的鉆孔孔徑應大于錨桿直徑，若采用“先注漿后安裝錨桿”的程序施工，鉆頭直徑應大于錨桿直徑15mm以上；若采用“先安裝錨桿后注漿”的程序施工，鉆頭直徑應大于錨桿直徑25mm以上。

錨桿孔深必須達到施工圖紙的規(guī)定，孔深偏差值不大于50mm，孔內(nèi)巖粉和積水必須清除干凈。

（3）錨桿的注漿

錨桿注漿的水泥砂漿配合比，應在以下規(guī)定的范圍內(nèi)通過試驗選定：

水泥：砂 為1：1～1：2(重量比)；水泥：水為 1：0.33～1：0.35。

錨桿注漿應采用專用注漿設備，保證注漿飽滿。

砂漿應拌和均勻，隨拌隨用，一次拌和的砂漿應在初凝前用完，并嚴防石塊、雜物混入。

先注漿的永久支護錨桿，應在鉆孔注滿漿后立即插桿；后注漿的永久支護錨桿，應在錨桿安裝后立即進行注漿。

錨桿注漿后，在砂漿凝固前，不得敲擊、碰撞和拉拔錨桿。

（4）錨桿質量檢查

錨桿施工完成后主要進行注漿密實度和錨桿拉拔力的檢查。

砂漿密實度檢測：按照試驗檢測頻率要求，用錨桿無損聲波檢測儀進行錨桿密實度的檢查，密實度達到設計要求以上即可，未達到要求需要進行錨桿補做施工。

錨桿拉拔力檢測：按照試驗檢測頻率要求，采用錨桿拉拔儀進行檢測，當拉拔力達到設計值后，錨桿未破壞，則滿足設計要求。

2.鋼筋網(wǎng)

鋼筋網(wǎng)一般布設在洞頂120℃～270℃之間，與錨桿焊接牢固，并在鋼筋網(wǎng)施工完成后，采用噴射混凝土覆蓋。

（1）鋼筋網(wǎng)的制作

按施工圖紙參數(shù)要求，先制作鋼筋網(wǎng)加工模具。一般鋼筋網(wǎng)網(wǎng)片大小在長1.5m～2.5m，寬1.0m～2.0m之間。

鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格尺寸間距為150m m～300mm，鋼筋采用直徑為6.5mm～8.0mm光面鋼筋，隧洞內(nèi)鋼筋保護層厚度控制不小于50mm。

（2）鋼筋網(wǎng)施工

鋼筋網(wǎng)掛設時，盡量長邊方向垂直洞軸線布置，鋼筋網(wǎng)與錨桿頭焊接牢固。

鋼筋網(wǎng)之間要有足夠的搭接長度，以滿足穩(wěn)定、牢固要求。

3.鋼拱架

鋼拱架主要在洞室圍巖較差部位，為了加強支護強度而采用。鋼拱架一般采用H型鋼和工字鋼制作，全圓封閉結構。

（1）鋼拱架制作

鋼拱架采用H型鋼和工字鋼制作，先根據(jù)尺寸大小，進行鋼材、連接板的下料工作。

對已準備鋼材通過拱架彎曲機，彎出設計弧度。

對已壓彎鋼材進行連接板的焊接。

對已加工完成的拱架進行現(xiàn)場預組裝。

（2）鋼拱架的安裝

鋼拱架安裝采用TBM設備鋼拱架安裝機逐段進行安裝。

鋼拱架安裝在已安裝好的鋼筋網(wǎng)下部，與鋼筋網(wǎng)形成整體。

鋼拱架與鋼筋網(wǎng)、巖面之間楔緊，相鄰鋼支撐之間連接牢靠，與系統(tǒng)錨桿牢固焊接。

每榀鋼拱架通過縱向連接件連接成整體，并與錨桿頭焊接，安裝完畢后立即噴射混凝土將其覆蓋。

4.噴射混凝土

TBM噴射混凝土施工，主要通過TBM設備自帶噴射混凝土機械手進行，一般分為刀盤位置應急手動噴射系統(tǒng)和主梁自動噴射系統(tǒng)。

（1）混凝土材料

水泥：采用PO42.5普通硅酸鹽水泥。

速凝劑：質量符合施工要求，并有生產(chǎn)廠家的質量說明書，初凝時間不低于5m in,終凝時間不大于10m in。

砂子采用細度模數(shù)2.5～3.5的中粗砂。

石子采用5mm～10mm的石子。

（2）配合比

噴射混凝土配合比，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗選定，并符合施工圖紙要求，速凝劑的摻量通過現(xiàn)場試驗確定，噴射混凝土的初凝和終凝時間，滿足施工圖紙和現(xiàn)場噴射工藝的要求，噴射混凝土的強度符合施工圖紙要求，為了降低噴射混凝土堵管的情況，混凝土塌落度控制在14cm～18cm之間。

（3）運輸

采用6m3混凝土罐車通過機車牽引運輸至工作面，再通過TBM后配套的提升設備提升至上料處。

（4）噴射混凝土施工

在噴射前對噴射面進行檢查，并作好準備工作：清除開挖面的浮石、墻腳的石渣和堆積物；處理好光滑巖面；安設工作平臺；用高壓風水槍沖洗噴面，對遇水易潮解的泥化巖層，采用壓風清掃巖面；埋設控制噴射混凝土厚度的標志；作業(yè)區(qū)具有良好的通風和充足的照明設施。

在受噴面滴水部位先施工排水孔，埋設導管排水，導水效果不好的含水層可設盲溝排水，對淋水處可設截水圈排水；對于大流量的地下涌水，需埋設導流管引流，在不影響噴射效果的情況下再施噴。

噴射混凝土時，先進行隧洞拱腳部位的施工，逐漸向上，這樣可以避免形成回彈量堆積到受噴面影響質量。

噴射混凝土表面，平均起伏滿足設計要求。噴射混凝土的回彈率：洞室拱部不大于25%，邊墻不大于15%。

（5）質量檢查

噴射混凝土施工時，采用埋設厚度標識的方法進行混凝土厚度質量控制；噴射混凝土強度檢查，則采用現(xiàn)場噴射混凝土大板（450mm×350mm×150mm），試驗室切割成標準試件的方式進行。

結語

TBM施工是一個密集的系統(tǒng)工程，除了設備的高度機械化、電氣化、自動化，施工過程也環(huán)環(huán)相扣。必須保證每個環(huán)節(jié)的落實，方可進行整個系統(tǒng)的循環(huán)。TBM質量控制需要跟隨TBM掘進施工，隨時檢查每個環(huán)節(jié)、工序的施工質量，方可控制整個工程的質量。