TBM施工組織管理關鍵技術的應用

□韓　旭（遼寧西北供水有限責任公司）

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TBM施工組織管理關鍵技術的應用

□韓旭（遼寧西北供水有限責任公司）

摘要：TBM，即全斷面巖石掘進機，是工廠化地下連續(xù)施工設備，具有結構復雜、技術性強、體積大以及長時間且連續(xù)施工等特點，它不僅已經成為隧道施工中不可缺少的裝備，還可以在一定程度上完成傳統(tǒng)鉆爆方式不能夠進行有效施工的工程，因此其發(fā)展前景是不可估量的。而在水利工程的施工過程中，我們采用了48.26 cm大直徑滾刀、在TBM轉場控制了關鍵工序、在快速遏制圍巖收斂變形等方面都進行了有益的嘗試和探討，并取得了好的效果。文章對現(xiàn)階段TBM施工組織管理過程中所使用的關鍵性技術進行分析和探究，并在此基礎上對TBM的實際應用進行討論，希望能夠對隧道施工水平的提升提供參考。

關鍵詞：大直徑掘進；轉場；措施

0引言

大伙房水庫在遼寧省境內，該輸水工程不僅是其省內的重點工程之一，同時也是TBM技術在水利工程中實際應用的實例，遼寧西北供水公司承擔了19 km的施工任務，工程是利用隧道出口做為TBM的始發(fā)掘進，在16#支洞出洞并進行轉場整備，并完成后續(xù)9 km的掘進任務。下面就對TBM施工組織管理過程中的關鍵技術進行分析。

1在工程施工期間使用大直徑滾刀的實際掘進成效分析

1.1端面密封有更大的截面直徑，允許更大的偏差

在56.67 cm滾刀截面直徑（6.35 mm），允許軸度偏差較小。分析顯示，當滾刀受到嚴重沖擊載荷，刀軸的偏差導致同軸度偏差超出密封所允許范圍，從而導致外來雜質進入。采用硅膠密封圈的48.26 cm刀具解決了這些問題。相比以前的安裝系統(tǒng)，全新的楔塊鎖定刀具安裝系統(tǒng)在可靠性上提供了一個更為廣闊的改進，使得刀座的使用時間也有了一定的提升。在48.26 cm滾刀使用后，證明在開挖硬巖和復合巖層上這是一個明智的選擇。

1.2施工掘進速度的有效提升，能夠在一定程度上減少停工時間

48.26cm刀具的刀圈已被多次證明是限制進一步改良刀具的部件。近來隨著刀具技術領域的進步，降低刀具總價格的同時也增加了生產量。一直以來隨著特種合金和冶金工藝的改進，讓今天的重型（HD）和超重型（XHD）刀圈的硬度、耐磨性能和最重要的韌性都得到了提高。

2 TBM整備工作

通過對TBM整備工作分析后可知，整備工作中主要包含下場拆卸、整修處理等。其中下場拆卸中囊括了制定拆卸方案、對拆卸洞室和襯砌進行開挖以及安裝相應設備等具體工作；而整修處理包含了對施工方案的擬定、階段工作處理等實際工作內容。

2.1下場拆卸的實施

通常情況下都是按照從上到下、由外到內的順序來拆卸TBM，最先拆卸的是液壓和電氣部分，然后是機械系統(tǒng)和主機以及連接橋部分，最后再拆卸各配套系統(tǒng)，配套系統(tǒng)可以同時進行拆卸。在對配套設備進行拆卸以前，必須要做好相應的準備工作，保證其可以進行順利拆卸。

2.1.1制定拆卸方案

制定拆卸方案時，需要在制定好有關大件拆卸方案的同時確定運輸順序、明確包裝和存放方面的要求，進而安排好用車計劃，并預先設計好可能用到的各種表格，以及保證工作安全與質量的措施和針對重大安全事故的應急預案。

2.1.2對拆卸洞室和襯砌進行開挖并安裝相應設備

一般都選擇在洞內進行TBM主機的拆卸工作，所以，將TBM運輸至臨近里程范圍時需要選取一圍巖性質好的地段，然后按照事先制定好的拆卸洞室施工方案開展洞室的開挖工作，之后為防止圍巖出現(xiàn)變形或坍塌問題還要做好襯砌。

2.2整修工作的實施

2.2.1整修方案的擬定

第一步，針對TBM整修項目建立專門的項目部作為領導機構和決策機構，同時組建一個TBM整修專家小組負責把關，以使整修質量得到有效保障。第二步，從整修技術方面著手，在對其進行拆卸以前，就要對設備的實際狀態(tài)以及拆卸以后的結果進行相應的分析，同時還要將維修方案以及各分項進行確定，進而編制出科學、有效的整修進度橫道圖。

2.2.2整修階段

首先，要選取專業(yè)水平高的廠家來負責相應項目的整修，只有在和相應部門簽訂合同以后，才能進行相應的整修。其次，在整修過程中要結合相關科研成果和以往的施工經驗不斷對技術進行革新，以求在保證質量的基礎上改進和提升系統(tǒng)，并盡量向著國產化方向邁進，將后續(xù)的施工成本降下來，例如，對除塵風機進行優(yōu)化和改進，提升廢水循環(huán)使用的成效等。同時，對于已經具備預組裝和測試條件的要進行相應的預組裝和測試來檢測其性能參數(shù)和功能，即整修質量的驗收，比如油缸、閥站和一些獨立設備。

3控制圍巖發(fā)生變形的策略

3.1 TBM在破碎圍巖中相應參數(shù)變化的實際規(guī)律

對于TBM的推進速度而言，當其處于軟巖的工作環(huán)境中時，該設備的實際推動速度在5 ～7 mm/rpm左右，而在TBM進入到相應軟弱過渡段時，設備的推進速度就會出現(xiàn)一定的上升，但是上升幅度相對不大，這時就需要對膠帶輸送機實際出碴質量以及能力進行充分考慮，通常情況下禁止在施工操作中進行長時間的貫入，并且在推進速度逐漸下降時也要減少相應的貫入度。在TBM全部進入到軟弱圍巖環(huán)境中以后，相應的貫入度要保證在3.50 mm/rpm左右，這一掘進速度能夠保證TBM工作的穩(wěn)定性。

對于TBM實際推進壓力而言，當TBM進入到硬巖區(qū)域內進行掘進作業(yè)時，必須要將其推進速度有效控制在其額定速度的3/4左右，而實際推進壓力要保證在150 ～180 Bar之間；當TBM在軟弱圍巖過渡段開展作業(yè)時，其推進壓力有所下降，變化情況可以用反拋物線來表示，在過渡段長度不斷增加的同時，推進壓力的下降時間會隨之增長，推進速度也會在推進壓力不斷減小的過程逐漸減慢；當TBM工作環(huán)境完全屬于軟弱圍巖地帶時，推進壓力要保持在50～70 Bar范圍內的相對穩(wěn)定狀態(tài)，推進速度則約為額定速度的40%。

3.2 TBM在對軟弱破碎圍巖進行掘進期間，產生坍滑、坍塌、形態(tài)等方面的原因分析

3.2.1發(fā)生于工作面前方的坍滑、坍塌現(xiàn)象

圖1　掌子面前方坍塌示意圖

通過對圖1觀察可知，在TBM刀盤正前方，直徑為8.80m左右的范圍內會出現(xiàn)一定的坍滑以及坍塌等現(xiàn)象。究其根本原因就是因為設備刀盤前方的圍巖發(fā)生破碎，使得圍巖的穩(wěn)定性喪失，進而出現(xiàn)圍巖大面積松動，導致巖層剝落以及坍塌等問題，進而對設備掘進造成嚴重的影響。

3.2.2在TBM上部以及正前方出現(xiàn)的坍滑及坍塌現(xiàn)象

由于該設備刀盤的前部上方位置呈現(xiàn)出相應的弧狀，極為容易引起巖石發(fā)生掉落的現(xiàn)象，進而引發(fā)一定安全隱患。如果在設備前方出現(xiàn)坍滑以及坍塌等情況，就會使圍巖形成一定的坡度，從而使坍滑及坍塌區(qū)域逐漸變大，超過8.80 m的范圍，如圖2所示。

圖2　刀盤前上方坍塌示意圖

而導致這一現(xiàn)象的根本原因就是，當設備刀盤前上方以及刀盤前部的圍巖發(fā)生破碎以后，使得圍巖穩(wěn)定性不足，進而出現(xiàn)松動和下沉等現(xiàn)象，使得掌子面發(fā)生坍塌，再加之刀盤前上方的巖石穩(wěn)定性的欠缺，使上方的巖層隨時會發(fā)生掉落，導致上方區(qū)域內的塌腔不斷擴大，進而使TBM掘進受到影響。

而這種類型的坍滑及坍塌現(xiàn)象主要在以下幾個方面體現(xiàn)出來，TBM刀盤頂部的護盾上方有巖石塌落，對刀盤頂護盾產生一定作用力，或是當?shù)侗P頂部護盾成半鍋底狀時，就會非常容易引發(fā)巖石掉落的現(xiàn)象，進而導致坍塌情況出現(xiàn)，如圖3所示。

圖3　刀盤前上方坍塌示意圖

對其產生原因進行分析：就是由于TBM刀盤護盾上方的圍巖出現(xiàn)裂縫使得周圍圍巖產生一定的塑性。而在設備開始進行掘進時，其巖層狀態(tài)相對穩(wěn)定，但是在切削工作完成以后，刀盤的實際位置正處于護盾的正上方，這時圍巖就會受到相應應力的實際影響而出現(xiàn)一定的變形，進而使其穩(wěn)定性在護盾的振動下失效，出現(xiàn)松動、脫落現(xiàn)象。

3.3預防TBM施工期間發(fā)生圍巖塌滑及坍塌現(xiàn)象的有效措施

3.3.1針對圍巖破碎地段的處理措施

針對部分破碎圍巖區(qū)域來說，不僅要充分利用設備上方的防護柵，還可將掛有雙層鋼筋網的Φ22 mm砂漿錨桿安裝在隧道頂部120°范圍內，進而有效提升圍巖穩(wěn)定性水平，實現(xiàn)使用超前保護圍巖穩(wěn)定的目的。

而在圍巖破碎帶的實際寬度相對較大時，需要制作一組長18 m間距為30 cm的管棚，鋼管的直徑要保證在40 mm左右，進而使其能夠在拱度為120°內的區(qū)域中形成相應的支護區(qū)，并且要保證該支護區(qū)的穩(wěn)定。同時還要保證拱架的搭設和掘進同時進行。當掘進大約8 m時開始制作下一組管棚，將前后兩組管棚的搭接寬度控制在6 ～8 m范圍內，管棚的制作和支護要保證TBM完成破碎帶的掘進以后才能夠停止。

例如，桃花鋪工程中的1號隧道，其建筑樁從IDK197+147 到IDK197+156，這一施工段就處在斷層破碎帶內，由于受到此破碎帶的實際影響，所以，在TBM開展作業(yè)時會引起比較嚴重的坍塌現(xiàn)象，此時可利用施工超前管棚來解決，確保TBM能夠順利通過軟弱破碎地段。

3.3.2針對拱頂部位的坍塌處理措施

當對巖石進行開挖以后，就會出現(xiàn)巖層塌落的碎塊，掉落在刀盤的護盾上，而這時就可以將直徑為22 mm的錨桿與面積為100 cm2的鋼筋網焊接成相應的整體后，再噴射混凝土。

在進行掘進期間，一旦在刀盤以及護盾處出現(xiàn)坍塌時就要對其進行有效的處理，實際操作步驟是，首先，要先將設備停止運行，然后將護盾上方的石塊清理干凈，而后對其進行超前噴護，并且搭設鋼拱架，使用相應的鋼管進行連接，進而達到封腔的目的。其次，在刀盤前進期間還要不斷進行鋼架架設以及鋼管的封堵工作，同時使用C20混凝土進行回填，從而保證塌腔能夠與其周圍的巖體構成相應的整體。

3.3.3針對拱墻區(qū)域內的坍塌有效處理措施

對于小范圍、短距離的軟弱地段來說，由于其自身外機架支撐面積小，所以，鎖死部分撐靴就能夠保證其順利通過。同時，也正因為此狀態(tài)下的外機架支撐面積小，故需要相應地對掘進參數(shù)進行適當調整。

在拱墻處發(fā)生較大面積的坍塌時，TBM不能承受相應的擠壓力，直接影響使用質量問題，這時就一定要暫停設備對其進行有效處理，具體措施為：要充分使用支護方式來對危石進行清理，然后應用混凝土對塌腔進行噴射，厚度要保證在8 cm左右。這時要設置相應的鋼拱架，使用厚度為2 cm左右的鋼板來對塌腔進行有效處理，用棉紗堵住相應的漏洞，使用強度為20的混凝土進行回填，保證塌腔與周圍圍巖構成一個整體，并且還要在鋼板外部再噴射一層混凝土，確?；炷翉姸冗_到預期標準時再進行掘進施工。同時還要保證相應環(huán)節(jié)處理效果符合工程施工標準，進而為后續(xù)工作的順利進行打下基礎，提升工程整體質量。

4結論

通過該工程的大膽嘗試和有益探討，在大直徑滾刀的應用、TBM轉場整備工作、采取有效措施遏制圍巖收斂變形等方面均取得了很好的效果。通過對工程實踐總結相應的數(shù)據、完善設計方案，進而為以后水電工程的建設提供相應的參考。

參考文獻

［1］戴潤軍，楊永強.西秦嶺隧道連續(xù)皮帶機出碴下的同步襯砌施工組織管理［J］.隧道建設.2011（04）.

［2］周云晴.輸水隧洞TBM施工進度分析與實時控制研究［D］.天津大學，2008.

（責任編輯：左英勇劉長垠）

中圖分類號：TU72

文獻標識碼：B

文章編號：1673-8853（2016）05-0049-03

收稿日期：2016-04-20