長大隧洞TBM高效掘進施工保障措施探討

苑進才

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國隧洞施工技術(shù)的快速發(fā)展，采用TBM施工的長大隧洞越來越多。據(jù)統(tǒng)計，我國有各類可用TBM開挖的隧道工程總長度約5 800 km，需TBM數(shù)量120～150臺，TBM的使用和發(fā)展在我國具有廣闊的市場[1]。TBM施工技術(shù)是一種集掘進、出渣、初期支護于一體，一次成洞的掘進方法，具有連續(xù)、快速、安全、環(huán)保、高度集成化等獨特優(yōu)勢[2-3]。同時，TBM施工對地質(zhì)預(yù)報、設(shè)備管理、施工組織等專業(yè)要求較高。因此長大隧洞TBM施工是一個長期的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，高效掘進施工是體現(xiàn)TBM優(yōu)勢的關(guān)鍵。文獻[4-9]就TBM針對各種地質(zhì)條件下的快速施工技術(shù)進行了深入的研究。但針對不同地質(zhì)、不同設(shè)備狀況、不同人員配備的TBM施工項目，可應(yīng)用和可操作性不強，沒有深入闡述影響TBM高效掘進施工的關(guān)鍵點。本文根據(jù)吉林中部城市引松供水二標段TBM應(yīng)用經(jīng)驗，圍繞風(fēng)險控制、快速施工、持續(xù)均衡施工三個關(guān)鍵方面，探討TBM高效掘進施工保障措施。

2 風(fēng)險控制

2.1 地質(zhì)風(fēng)險

長大隧道多涉及大埋深、復(fù)雜不良地質(zhì)，特別是在兩者的相互作用下，大塌方、大變形造成TBM卡機甚至埋機風(fēng)險增大；突泥突水、強巖爆也嚴重制約TBM隧洞施工，更有甚者帶來工程失敗的重大風(fēng)險。而現(xiàn)有TBM隧洞開挖技術(shù)對復(fù)雜地質(zhì)條件有不適應(yīng)性，是隧洞設(shè)計和施工方案選擇中首要考慮的戰(zhàn)略問題[10]。

在掘進中引入地震法預(yù)報系統(tǒng)、BEAM系統(tǒng)的物探法，或是超前導(dǎo)坑預(yù)報法、常規(guī)地質(zhì)素描法、超前地質(zhì)探孔法，目的是為TBM正常掘進提供指導(dǎo)。每種預(yù)報方法，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況有針對性選用。根據(jù)地勘資料，一般地質(zhì)選用常規(guī)地質(zhì)素描法和TBM掘進中渣石特征、參數(shù)變化來判別圍巖。而對于不良地質(zhì)段優(yōu)先選用物探法。

根據(jù)施工出渣量、渣粒大小的變化以及掌子面反饋到主控室的參數(shù)(貫入度、扭矩、推進力)，結(jié)合理論及經(jīng)驗綜合判斷地質(zhì)情況。例如，當(dāng)主控室屏幕上推進力顯示反拋物線下降、扭矩上升的情況，可判斷刀盤進入軟弱圍巖過渡段，這時應(yīng)適當(dāng)調(diào)整TBM掘進參數(shù)，以適應(yīng)地質(zhì)。

2.2 設(shè)備故障停機風(fēng)險

(1)關(guān)鍵部件監(jiān)測

關(guān)鍵部件監(jiān)測重點包括主軸承、大齒圈、軸承密封、電機變速箱、主機液壓系統(tǒng)。采用油液光譜分析、鐵譜分析、油液理化指標分析(包括污染度、粘度、水分)法進行潤滑系統(tǒng)運行參數(shù)檢查。同時主軸承要定期打開檢修蓋板觀察磨損狀況，拆解主軸承油箱磁濾檢查鐵屑含量。

油液磨損與理化指標分析宜每月一次，當(dāng)指標異常，為防止誤判可再取樣分析。根據(jù)結(jié)果和磨損趨勢對取樣間隔作修改，但檢測結(jié)果要及時。主軸承內(nèi)外密封檢查，必要時進入主梁內(nèi)的刀盤旋轉(zhuǎn)部位觀察。根據(jù)潤滑油泄漏情況隨時進行取樣分析，宜半月一次。主軸承密封是否完好，可以間接通過油液鐵譜片和污染度檢測，觀察油中密封材料顆粒數(shù)量、形狀和大小的變化。

對TBM關(guān)鍵部件進行持續(xù)監(jiān)測，才能掌握磨損規(guī)律及運行狀態(tài)，判斷異常跡象發(fā)生時段或預(yù)測出現(xiàn)的故障，以便作出決策，及時預(yù)防或維修，有效控制重大故障風(fēng)險。

(2)關(guān)鍵系統(tǒng)保障

關(guān)鍵系統(tǒng)指直接影響到掘進作業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)，包括撐靴推進系統(tǒng)、主軸承密封潤滑系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、水電系統(tǒng)。其中任何一項出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致停機。關(guān)鍵系統(tǒng)的保障，關(guān)系到設(shè)備利用率與施工的連續(xù)性。

在設(shè)備維保和巡檢中對關(guān)鍵系統(tǒng)重點保障。例如，撐靴推進系統(tǒng)螺栓緊固情況、管線是否磨損、液壓閥組是否靈活；主軸承密封潤滑系統(tǒng)密封出脂狀況，流量溫度是否穩(wěn)定；出渣系統(tǒng)滾輪、托輥運轉(zhuǎn)情況，皮帶接頭是否完好，刮渣器清渣效果。另外關(guān)鍵系統(tǒng)的管路、線路與其他系統(tǒng)盡量獨立，防止其他系統(tǒng)故障引起停機。

避免因配件供應(yīng)引起TBM停機。對設(shè)備性能和使用情況充分了解，保障關(guān)鍵系統(tǒng)易損件和關(guān)鍵部件供應(yīng)。但不能儲備過多造成資金占用，及時做好配件計劃[11-12]。

3 快速施工保障

3.1 優(yōu)化掘進參數(shù)

操作人員監(jiān)控TBM掘進參數(shù)變化、石渣狀態(tài)，結(jié)合圍巖級別、設(shè)備性能、刀具磨損情況等選擇掘進參數(shù)。包括刀盤轉(zhuǎn)速、推進力、電機頻率、推進速度、皮帶機轉(zhuǎn)速等。

不同圍巖掘進參數(shù)的選擇:

(1)Ⅱ類圍巖穩(wěn)定性好，節(jié)理裂隙不發(fā)育，初期支護量小，TBM破巖效率較高，可以實現(xiàn)快速掘進，以推進壓力為主參數(shù)。

(2)Ⅲ類圍巖通常不會出現(xiàn)坍塌，巖石強度低，TBM破巖效率高，可快速掘進。掘進后需要及時做好初期支護，刀盤扭矩和電機電流為主參數(shù)。

(3)Ⅲ類圍巖局部穩(wěn)定性差的洞段，加強初期支護，適當(dāng)快速推進，以電機電流和貫入度為主參數(shù)。

(4)Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間較短，不及時支護隨時可能發(fā)生規(guī)模較大的變形或破壞。初期支護足夠的鋼支撐、錨桿，及時噴射混凝土，保證機械順利通過。掘進以穩(wěn)為主，低貫入，密切關(guān)注扭矩、電流的變化。

(5)Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定，工作重點是加強地質(zhì)預(yù)報，在確保人員設(shè)備安全及工程質(zhì)量的前提下，爭取合理的施工進度。

3.2 正常掘進施工中的主導(dǎo)作業(yè)

TBM正常掘進施工，包括可控的設(shè)備保養(yǎng)、故障維修、初期支護、風(fēng)水電及皮帶延伸等停機時間，正常掘進施工時間在隧洞施工期間占絕大占比。分析主導(dǎo)作業(yè)的目的是明確主導(dǎo)作業(yè)，加大與之相關(guān)的人力與投入，縮短其所占用的時間，減少對掘進的影響，提高效率、加快施工進度。

以吉林中部城市引松供水二標段TBM月施工中各作業(yè)工序所占時間為例進行分析，選取2015年TBM正常掘進的4～8月份，4月份Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，初期支護工作量大；5月中旬圍巖逐漸好轉(zhuǎn)變?yōu)棰箢?，圍巖較穩(wěn)定，支護易實現(xiàn)但工作量仍較大；6月份進入Ⅱ類圍巖，初期支護量減小；7、8月份圍巖穩(wěn)定，巖石較硬(見表1～表2)。

表1 作業(yè)時間占比 %

表2 月掘進進尺 m

通過分析表1可知，維修保養(yǎng)、故障、皮帶硫化作業(yè)時間較穩(wěn)定且占比較低，不是影響掘進施工的主導(dǎo)因素。表1中“其他”為運輸、管理等原因所需時間占比，與支護量大、運力不足有關(guān)，不是主導(dǎo)掘進的因素。結(jié)合表2，換步時間與掘進進尺相關(guān)，每次換步時間控制在3～5 min，為非主導(dǎo)因素。而4～8月份對掘進施工影響大的為支護與刀具檢修，其中4、5月份支護為主導(dǎo)，6月份由支護轉(zhuǎn)為刀具檢修，7、8月份刀具檢修為主導(dǎo)因素。

TBM正常掘進施工中圍巖較差時初期支護為主導(dǎo)作業(yè)，其他時期刀具檢修為主導(dǎo)作業(yè)。

3.3 工序銜接中的緊湊與靈活

圖1為吉林中部城市引松供水二標段TBM在2016年8月份施工中各作業(yè)所占時間餅狀圖。Ⅱ類圍巖穩(wěn)定，掘進614.6 m，更換刀具196把，連續(xù)皮帶硫化兩次，無較大設(shè)備故障。

圖1 施工各作業(yè)所占時間餅狀圖

圖1中設(shè)備利用率表現(xiàn)較高，刀具檢查與更換、支護作業(yè)(根據(jù)圍巖情況)占用時間合理。對比表1，經(jīng)過一年的掘進施工，隨設(shè)備老化而運輸線路延長，“故障”、“其他”項控制較好。而“維護保養(yǎng)”作業(yè)、“硫化皮帶”作業(yè)所占時間較少，分別為6.75 h、4.6 h，一個月內(nèi)的保養(yǎng)時間和兩次硫化時間不合理，原因為采用并行作業(yè)與穿插保養(yǎng)所致。

(1)并行作業(yè)

指多個作業(yè)同步進行，以提高施工效率。表現(xiàn)為合理安排工序，銜接緊湊、靈活，施工時間高效利用。例如，刀具檢查更換與設(shè)備保養(yǎng)、硫化皮帶同步；風(fēng)水電延伸與初期支護同步，不占用掘進時間；故障停機時間進行刀具檢查。因此，維護保養(yǎng)、硫化皮帶作業(yè)占用時間較少。

(2)穿插維保

維保作業(yè)碎片化，不在固定時間集中進行，但維保頻率及質(zhì)量不能降低。除與其他作業(yè)并行外，可在掘進期間進行維保，如軸承的潤滑。將保養(yǎng)任務(wù)重新分組，靈活操作，既節(jié)約時間，相比集中保養(yǎng)又減少維保人員，降低成本。

4 持續(xù)均衡施工保障

(1)設(shè)備老化與工程適應(yīng)性改造

工程適應(yīng)性改造是對投入生產(chǎn)的設(shè)備進行優(yōu)化改造，避免各系統(tǒng)設(shè)備有較大變動的前提下，抓住問題關(guān)鍵，大幅度提高設(shè)備性能。TBM設(shè)備老化不可避免，引起施工效率降低。與設(shè)備廠家聯(lián)合，結(jié)合現(xiàn)場應(yīng)用，對TBM設(shè)備應(yīng)用中出現(xiàn)的問題進行分析，找出不足和缺陷原因，制定改進方案，并在現(xiàn)場進行執(zhí)行驗證。

針對設(shè)備老化加強維保，易損件及時更換，防止損壞擴大。管線出現(xiàn)老化或過度使用存在隱患時，要果斷更換。密切關(guān)注新技術(shù)、新設(shè)備，吸收有益部分引進，提高設(shè)備性能。例如，在吉林中部城市引松供水二標段TBM施工中，在皮帶機系統(tǒng)的刮渣清掃器前部加裝新型耐磨橡膠，顯著提高了刮刀壽命。

(2)建立高效掘進施工的優(yōu)化機制

隨工程的深入，施工人員經(jīng)驗不斷積累，能力得以提升，管理組織趨于穩(wěn)定，運轉(zhuǎn)高效。將個人能力提升轉(zhuǎn)化為整體的提升；處理新老交替的問題，保證連續(xù)施工；優(yōu)化資源配置，降低成本，建立高效掘進施工優(yōu)化機制。

數(shù)據(jù)為支撐，數(shù)據(jù)是施工情況的客觀反映，圍繞設(shè)備完好率、設(shè)備利用率、刀具消耗率、材料節(jié)超等對數(shù)據(jù)進行整理加工。利用數(shù)據(jù)，掌握動態(tài)，促進施工。要明確優(yōu)化對象，對施工效率、進度、成本影響深遠的(例如換刀效率、掘進參數(shù)、配件采購等)，需逐步優(yōu)化。改進是一個長期的過程，通過不斷積累才有質(zhì)變，優(yōu)化機制的效果才能顯現(xiàn)。

5 結(jié)束語

吉林中部城市引松供水二標段TBM施工段至2017年8月貫通，設(shè)備完好率月均94.7%，最高達98.06%；利用率月均56.85%，最高月利用率達75.6%，平均月進尺在600 m以上。

(1)地質(zhì)風(fēng)險關(guān)系到TBM項目的成敗，設(shè)備與人員的風(fēng)險直接決定高效施工的難易程度。

(2)快速掘進是TBM應(yīng)用到長大隧洞施工的目的，把握影響掘進進度的主導(dǎo)因素，提高施工效率。

(3)連續(xù)均衡施工容易被忽視，其實質(zhì)是企業(yè)效益、TBM事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，應(yīng)引起足夠的重視。