基于超長隧洞TBM施工技術(shù)分析
——以榕江關(guān)埠引水工程為例

魏宇航

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510000）

TBM施工技術(shù)，即全斷面隧道掘進機技術(shù)的簡稱，因其主要用于堅硬的巖層體施工，相較于軟土使用的盾構(gòu)機而言，TBM的壽命和可靠性要求更高，是當(dāng)之無愧的“掘進機”之王。它能夠?qū)崿F(xiàn)隧洞掘進、隧洞支護、洞內(nèi)出渣等工序連續(xù)進行，實現(xiàn)電、氣、光、機、液等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧洞施工裝備，因此TBM具有能夠明顯的提高綜合效益、提高施工效率、掘進速度快等優(yōu)點。傳統(tǒng)的鉆爆法無法進行超長隧洞掘進，TBM施工技術(shù)有著不可替代的作用。

1 TBM工程施工條件

榕江關(guān)埠引水工程位于廣東省粵東地區(qū)，工程輸水線路總長34.970 km，根據(jù)現(xiàn)場勘察，引水管段位于榕江南河右岸沖積平原，為沖積平原地貌，沿線分布較厚的第四系海陸交互相堆積地層，地層組成成分主要為淤泥、淤泥質(zhì)粘土及沖積細砂、粗砂，根據(jù)勘探和試驗資料整理成果，本工程粘性土層粘土土質(zhì)均勻，層位基本穩(wěn)定，厚度大，分布廣，為可塑狀，地基承載力相對較大，屬中高壓縮性土，不存在軟土震陷、觸變等問題，可作荷載不太大建筑物天然地基持力層，是引水隧洞的主要持力層，適合TBM施工，需注意軟土穩(wěn)定性差及流砂的問題。根據(jù)合同要求，本工程工期緊、任務(wù)重，因此必須選擇有助于加快施工進度的方法，而TBM施工能夠最大程度地保證施工的連續(xù)性，對縮短工期有很大幫助。

2 TBM掘進參數(shù)選擇依據(jù)

TBM選型主要依據(jù)設(shè)計文件及地質(zhì)勘探文件，機械設(shè)備的選擇要滿足適用性、可靠性、先進性、經(jīng)濟性的要求：

（1）能適應(yīng)于本工程所處泥質(zhì)膠結(jié)的淤泥層、粘土、中粗砂等地層，推進時將地層損失率控制到極小程度，以保證沿線鄰近建構(gòu)筑物及公用設(shè)施不受損壞；

（2）能適應(yīng)本工程小轉(zhuǎn)彎半徑（250 m）盾構(gòu)施工要求；

（3）控制地表沉降，在一般情況下，宜控制在+10～-30 mm；

（4）要求施工每延米綜合價格經(jīng)濟合理，其配置滿足工期要求。

3 TBM施工技術(shù)

3.1 TBM掘進參數(shù)在堅硬圍巖層中的優(yōu)化匹配

（1）在TBM設(shè)計階段，結(jié)合本工程的隧洞所在巖土層的強度、隧洞斷面和花崗巖的堅硬情況，對本工程所用TBM技術(shù)中刀具的安裝與布置、道間距、開口率等設(shè)計參數(shù)進行研究，同時參考以往類似工程經(jīng)驗，確定最優(yōu)掘進參數(shù)，提高掘進效率。

（2）考慮到本工程花崗巖隧洞強度高、完整性好，根據(jù)該地質(zhì)條件特點，擬選擇48.26 cm大直徑盤形滾刀，配備強度高、韌性高、耐磨性好、不易崩裂的刀圈，從而減少倒庫的消耗，提高刀具的使用壽命，減少TBM機械停歇時間，保證工序銜接，保證掘進速度。

（3）考慮TBM工作土層為高強度、高堅硬的花崗巖土層，對于刀具的磨損大，刀具需要更高的更換頻率，因此項目部建立專門的刀具更換小組，負責(zé)TBM刀具的維修、更換和技術(shù)處理。且建立“各刀位上刀具的檔案庫”，針對不同材質(zhì)刀具的試用情況進行記錄和總結(jié)，歸納刀具的損耗規(guī)律，為項目確定最佳刀具，以保證工程的掘進速度。

（4）根據(jù)工程地質(zhì)特點，在正式掘進前，應(yīng)進行試掘進，通過試掘進確定本工程的TBM推力、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度等，確定最優(yōu)掘進參數(shù)。在正式的掘進過程中，應(yīng)根據(jù)掘進過程實時監(jiān)督TBM推力、貫入度等變化，根據(jù)地址條件的改變及時調(diào)整掘進參數(shù)，保證工程的最優(yōu)掘進速度，減少對刀具的磨損。

3.2 TBM穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)

（1）TBM在不同種類的圍巖體中、斷層破碎帶等不良地質(zhì)段進行掘進時，應(yīng)盡可能減少對圍巖的擾動，可以優(yōu)先采用微擾動掘進方式，合理的降低TBM推力、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度等參數(shù)，保證TBM能夠勻速通過不良地質(zhì)洞段，減少或者避免圍巖的坍塌，避免TBM在不良地質(zhì)洞段的間歇時間。同時考慮TBM在通過斷層地質(zhì)段無法提供充足的掘進力，因此推力只能由頂推油缸提供，而且拼裝管片時是不能同時進行掘進作業(yè)的，所以，項目部要考慮在管片拼裝作業(yè)上增加人員與技術(shù)投入，保證管片拼裝速度，減少對TBM的掘進間歇時間，以保證工程按期完成。

（2）在正式掘進過程中，應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報，可利用地質(zhì)勘察資料、巖土形狀變化和掘進參數(shù)，結(jié)合TBM上自有的超前鉆機和實時地質(zhì)勘探系統(tǒng)，在掘進過程中做到地質(zhì)超前預(yù)報，及時調(diào)整掘進參數(shù)，做好預(yù)防工作。

（3）根據(jù)本工程前期地質(zhì)勘探情況，本工程掘進過程中，存在軟弱破碎段、涌水洞段以及TBM難以直接正常掘進地段，對于此段工程，考慮采取導(dǎo)管超前注漿施工技術(shù)，提前對該地段地質(zhì)進行加固處理，待土層強度達到能夠保證TBM正常掘進而不引起土層塌陷時，方可正常掘進通過。

（4）在進行TBM設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合本工程特點和地質(zhì)條件，對不良地質(zhì)條件的影響進行充分考慮，提前配備足夠的備用資源和技術(shù)儲備，保證在不良地質(zhì)情況下能夠迅速采取措施，有效保證TBM迅速脫困。對于刀盤或者護盾的卡頓，可以進入刀盤內(nèi)部清理卡頓物體，當(dāng)卡的比較嚴重時，可由護盾后側(cè)采取人工挖除的方式幫助TBM脫困。

（5）因TBM屬于地下作業(yè)，因此要考慮地下水影響，對于突涌水和滲水的影響，要考慮有效的排水措施，TBM要有可靠的排水設(shè)備。優(yōu)先考慮利用隧洞集水外排，同時在洞內(nèi)布置排水管和排水設(shè)備，保證TBM不受地下水的影響導(dǎo)致停機。

3.3 關(guān)于TBM施工始發(fā)基坑布置與施工運輸?shù)膬?yōu)化

（1）對于TBM始發(fā)基坑的布置，首先要滿足功能要求，包括：滿足現(xiàn)場施工，現(xiàn)場施工需要用到的材料，如水泥罐、豆礫石料倉、管片堆放場等的布置；滿足起重吊裝設(shè)備最大限度地與施工工藝（TBM分節(jié)始發(fā)）相對應(yīng)，當(dāng)場地有限時，可根據(jù)施工工藝的前后順序，進行適當(dāng)調(diào)整，提前做好相關(guān)規(guī)劃，要求使用方便、高效施工。

（2）考慮施工現(xiàn)場用電布置，如：變壓器的設(shè)置、高壓線的引入、多級配電柜布置等，入場變壓器要在高壓線進入施工現(xiàn)場處，二級配電箱要設(shè)置在用電設(shè)備集中處，開關(guān)箱的設(shè)置要根據(jù)機械設(shè)備的使用情況而定。

（3）對于TBM的始發(fā)基坑內(nèi)組裝和基坑布置應(yīng)進行綜合考慮，首先要考慮TBM在基坑內(nèi)的組裝速度，還要考慮TBM在運行期間作業(yè)的高效性。基坑內(nèi)部的集水井、管片吊裝系統(tǒng)、皮帶機主驅(qū)動、石料上料系統(tǒng)等可適當(dāng)擴挖基坑。

（4）始發(fā)基坑的施工應(yīng)作為關(guān)鍵工作考慮，在始發(fā)基坑施工前，也能夠結(jié)合工期綜合考慮，盡快完成始發(fā)基坑的施工，在基坑完成后，及時進行TBM機組組裝調(diào)試。

（5）因TBM機組在現(xiàn)場組裝，但是機組各部件到現(xiàn)場的時間有所不同，因此要對TBM機組的組裝順序和部件的運輸順序進行考慮，將組裝與運輸同步進行，節(jié)省TBM機組的組裝時間。TBM及其配套系統(tǒng)在始發(fā)基坑進洞進行調(diào)試時，同時做皮帶機組、軌道系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)的安裝。

（6）考慮隧洞的洞徑較小，洞內(nèi)空間較小，洞內(nèi)的施工布置不能靈活設(shè)置，因此要提前對洞內(nèi)的施工布置進行優(yōu)化，TBM出渣用的皮帶機可采用懸掛的方式進行布置，充分利用隧洞下方的空間，為了使洞內(nèi)的雙軌線和單軌線的布置都能得到滿足，可在隧洞的中間部位設(shè)置錯車平臺，TBM施工的通風(fēng)管道可布置在隧洞的頂部。如圖1所示。

圖1 TBM施工的通風(fēng)管道布置

（7）TBM始發(fā)基坑內(nèi)布設(shè)雙軌線、多軌線，中間采用岔道連接，通過運輸小車，滿足管片、豆礫石、水泥等材料的運輸。主隧洞采用單軌線布置，在靠近TBM設(shè)備尾部段設(shè)置雙線錯車道會車平臺，盡可能避免軌道運輸TBM掘進的影響。

（8）考慮到TBM屬于地下作業(yè)，地下排水和地下出土，距離隨著掘進距離的增長而增長，因此要在中間設(shè)置多處集水井和抽水泵，抽水泵的功率大小隨隧洞的長度及滲水量進行調(diào)整設(shè)置，保證地下水能夠及時有效排至洞外集水井。

3.4 TBM及配套設(shè)備的壽命保證

（1）TBM能夠正常運作的關(guān)鍵是TBM刀盤刀具、主軸承，因此保證其壽命和可靠性必須重點考慮。首先做好刀盤的審查工作，優(yōu)化刀盤強度、剛度及耐磨性設(shè)計，對刀盤焊接、制造工作加以監(jiān)督，做好施工過程中的刀盤刀具的檢查與維護工作。

（2）在TBM掘進過程中，項目部建立健全TBM及配套設(shè)備的維護與保養(yǎng)制度，加強TBM及配套設(shè)備的運行狀態(tài)的監(jiān)測，重點監(jiān)測對象包括：主軸承密封、刀盤刀具、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、主軸承、主機液壓系統(tǒng)；可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采用油液磨損分析、運轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測、噪聲診斷、振動分析、油品理化指標(biāo)分析、無損探傷等監(jiān)測診斷方法；建立并完善TBM及配套設(shè)備的維修保養(yǎng)規(guī)程。結(jié)合本工程的地質(zhì)特點，針對性地選擇合適的大直徑盤型滾刀，以保證刀具的使用壽命盡可能地滿足施工需求，減少刀具更換間歇時間，保證施工掘進速度。

3.5 控制TBM掘進方向的技術(shù)措施

在超長隧洞掘進工作中，必須嚴格控制TBM掘進放線，一方面是確保隧洞施工精確度，保障后期使用的可靠性，另一方面是為了減少誤差掘進對刀具的磨耗及對機械設(shè)備的損傷。因此，在正常掘進工作開始前，必須重點考慮TBM掘進方向控制系統(tǒng)的選擇，合適的導(dǎo)向系統(tǒng)能夠為操作手最大程度地提供TBM位置及方向信息，能夠基于三維空間進行自動確定TBM的方位和掘進方向，同時對于TBM掘進方向偏差能夠及時提供信息。

根據(jù)以往經(jīng)驗和本工程特點，結(jié)合專家意見，本工程擬采用VMT激光導(dǎo)向系統(tǒng)。VMT激光導(dǎo)向系統(tǒng)中引入了三種不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，分別是大地作別系統(tǒng)、TBM坐標(biāo)系統(tǒng)、DTA坐標(biāo)系統(tǒng)。其中TBM坐標(biāo)系統(tǒng)與TBM軸線相關(guān)，系統(tǒng)能夠進行激光靶位置、控制點及參考點的計算，采用本坐標(biāo)系統(tǒng)進行主導(dǎo)控制，能夠用來精確TBM的位置，詳見圖2。

圖2 TBM坐標(biāo)系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

通過以榕江關(guān)埠引水工程為例對TBM施工技術(shù)進行分析，結(jié)合本工程的特點，本工程存在超長隧洞、穿越建筑物、穿越不良土層等多種常見的、對于TBM施工技術(shù)影響較大的情況，綜合考慮在TBM施工過程中可能遇到這些情況時應(yīng)采取的措施，為后續(xù)的TBM施工提供一定的參考經(jīng)驗。