深埋長隧洞敞開式TBM成套施工技術(shù)

李貞燁

（新疆水利發(fā)展投資＜集團(tuán)＞有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某引水隧洞工程，位于北疆阿勒泰地區(qū)，為深埋長隧洞，隧洞圍巖巖性為華力西期變質(zhì)黑云母斜長花崗巖，巖石堅(jiān)硬，隧道圍巖級別為Ⅲ-Ⅴ級。該引水隧洞工程采用兩臺TBM?7.93m 敞開式TBM 施工，分別為TBM2（掘進(jìn)長15150m）和TBM3（掘進(jìn)長23550m），總體工程分段情況如圖1所示。隧洞采用一洞雙機(jī)方式進(jìn)行施工，TBM組裝段、檢修段、通過段等采用鉆爆法施工。

圖1 總體工程分段平面圖

TBM2 與TBM3 由3#支洞進(jìn)入，在組裝洞室內(nèi)進(jìn)行組裝。組裝完成后，分別步進(jìn)到掌子面并開始調(diào)試。布置出渣系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、水電系統(tǒng)等，整機(jī)調(diào)試完成后，進(jìn)行掘進(jìn)施工。TBM3 完成TBM3-1 施工段后，向前步進(jìn)，連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)、部分運(yùn)輸系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)場至TBM3-2 施工段。TBM 步進(jìn)至檢修洞室后，對整機(jī)進(jìn)行全面檢修。在4#支洞布置支洞皮帶、通風(fēng)系統(tǒng)，在主洞布置連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)。TBM 檢修完成后，步進(jìn)至掌子面對TBM3-2施工段進(jìn)行開挖，掘進(jìn)至主洞樁號70+890 后進(jìn)行拆卸。TBM2 獨(dú)頭掘進(jìn)，在掘進(jìn)中期對TBM設(shè)備全面檢修，保障設(shè)備狀態(tài)完好，掘進(jìn)至主洞樁號29+187后進(jìn)行拆卸。

2 TBM破巖機(jī)理及施工特點(diǎn)

2.1 掘進(jìn)機(jī)破巖原理

TBM施工技術(shù)，全名為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)，與盾構(gòu)機(jī)用于軟土的應(yīng)用相比，在堅(jiān)硬巖層的施工上，TBM 要求更高的耐用性和可靠性，這使得它成為無可爭議的首選工程工具。TBM 具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)，包括實(shí)現(xiàn)隧洞掘進(jìn)、支護(hù)、排渣等工序的無間斷連續(xù)性，同時(shí)融合了電氣、氣動(dòng)、光學(xué)、機(jī)械、液壓等多系統(tǒng)的工廠化流水線隧洞施工設(shè)備。由于這些特性，TBM 能夠明顯提升工程的綜合效益，加速施工進(jìn)程，以及實(shí)現(xiàn)快速的掘進(jìn)速度等[1-2]。

TBM在運(yùn)行過程中切割巖石，具體地，TBM為刀具提供巨大推力，致使巖體表面形成割痕。刀刃頂部的巖石在巨大壓力下急劇壓縮，隨刀盤的回轉(zhuǎn)和滾刀的滾動(dòng)，分巖石首先破碎成粉狀，積聚在刀刃頂部范圍內(nèi)形成粉核區(qū)，破巖原理見圖2。

圖2 刀具破巖機(jī)理示意圖

巖石破碎的過程其實(shí)是就是微裂隙發(fā)展的過程，首先刀刃切入巖體，在刀刃與巖石的接觸面上會(huì)迅速產(chǎn)生微裂隙，由于推力的不斷加大，微裂隙不斷擴(kuò)展為顯裂隙，顯裂隙進(jìn)一步加大，當(dāng)裂隙貫通時(shí)形成了斷裂體[3]。

2.2 TBM施工優(yōu)點(diǎn)

（1）綜合經(jīng)濟(jì)效益好：TBM施工速度快，工期短，顯著提高經(jīng)濟(jì)效益，雖然TBM的購買和維護(hù)成本較高，但由于其高效率和減少了額外的工程改進(jìn)需求，通常在工程周期內(nèi)能夠節(jié)省成本。

（2）高質(zhì)量、高速度、高度系統(tǒng)化施工：TBM施工分工明確，各個(gè)系統(tǒng)同時(shí)工作，可同步進(jìn)行全斷面開挖、出渣、支護(hù)及灌漿等工藝，一次性成洞。相較于傳統(tǒng)的爆破施工方法，TBM能夠大幅提高施工效率。

（3）安全施工：TBM施工形成的斷面具有良好的受力條件，避免了開挖后易出現(xiàn)的局部圍巖應(yīng)力集中問題，有利于施工環(huán)境的穩(wěn)定，施工的安全性提高，事故發(fā)生率降低。

（4）減少噪音和振動(dòng)：相較于傳統(tǒng)的爆破施工方法，TBM產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)更小，對附近的居民和建筑物的干擾更小。

（5）適用范圍廣：TBM可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇合適的刀具和鉆頭，使其適用于各種地下地質(zhì)環(huán)境，包括巖石、砂土、泥土等。

（6）高度智能化：TBM主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示機(jī)械運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀況，并將信息傳輸?shù)降孛婀芾聿块T，實(shí)現(xiàn)對TBM運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還包括導(dǎo)向調(diào)整[4-5]。

3 TBM試掘進(jìn)施工

采用TBM掘進(jìn)機(jī)施工，掘進(jìn)參數(shù)的選擇非常重要，故在TBM 正式掘進(jìn)前需進(jìn)行試掘進(jìn)。TBM 推進(jìn)過程中，根據(jù)不同地質(zhì)、埋深判斷圍巖的穩(wěn)定性、可掘進(jìn)性，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)?？刂坪镁蜻M(jìn)速度，為鋼枕鋪設(shè)創(chuàng)造良好條件。同時(shí)，初期支護(hù)方案、噴射混凝土量根據(jù)圍巖情況、TBM工作情況等及時(shí)調(diào)整。注意糾偏量，以及施工軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差，使得它們在合理范圍內(nèi)，提高TBM運(yùn)行效率。通過試掘進(jìn)達(dá)到以下目的：

（1）檢驗(yàn)TBM掘進(jìn)機(jī)及各個(gè)操作系統(tǒng)的工作情況。

（2）測試各設(shè)備系統(tǒng)的功能，調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最大效益。

（3）了解和認(rèn)識本工程的地質(zhì)條件，掌握根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整TBM 掘進(jìn)參數(shù)的方法，為全程掘進(jìn)提供參考依據(jù)。

（4）理順整個(gè)施工組織，在連續(xù)掘進(jìn)的管理體系中抓住關(guān)鍵線路的控制工序，為以后的穩(wěn)定高產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

4 TBM正式掘進(jìn)施工

4.1 TBM掘進(jìn)

TBM 掘進(jìn)過程是系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)的過程，任何一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)故障，都可能導(dǎo)致掘進(jìn)停止，施工停滯，因此掘進(jìn)機(jī)各系統(tǒng)的正確操作就顯得十分重要[6]。主要包括主機(jī)操作、錨桿鉆機(jī)操作、鋼拱架安裝器操作、噴射混凝土泵操作、注漿泵操作等，在以上操作完成之后，掘進(jìn)開始，施工流程如圖3所示。

圖3 TBM掘進(jìn)流程示意圖

（1）在TBM的掘進(jìn)施工過程中，首先需要根據(jù)多個(gè)因素準(zhǔn)確判斷掌子面圍巖的狀態(tài)。根據(jù)判定結(jié)果，選擇合理的掘進(jìn)模式和掘進(jìn)參數(shù)。如果需要，還可以采用超前地質(zhì)探測來確認(rèn)前方圍巖狀態(tài)。

（2）根據(jù)判定的掌子面圍巖狀態(tài)，施工人員需選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，包括推力、撐靴壓力、刀盤轉(zhuǎn)速等。

（3）當(dāng)TBM 啟動(dòng)的時(shí)候，確保報(bào)警系統(tǒng)正常，按順序啟動(dòng)皮帶機(jī)及潤滑系統(tǒng)。

（4）開始掘進(jìn)作業(yè)之前，要先緊固水平支撐，收起后支撐，并以空載啟動(dòng)刀盤。

（5）在掘進(jìn)過程中，慢速推進(jìn)刀盤靠近掌子面，并在刀盤和巖石表面接觸之前啟動(dòng)刀盤噴水系統(tǒng)，對巖石進(jìn)行噴水。

（6）在TBM 開挖過程中，必須隨時(shí)監(jiān)測TBM 開挖的各項(xiàng)參數(shù)及巖石壓載的情況。依據(jù)TBM裝置的掘進(jìn)參數(shù)以及對前方圍巖的預(yù)測，選取合適的掘進(jìn)參數(shù)，如：刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力等，并隨著圍巖狀態(tài)的變化而及時(shí)地進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，還需要有專業(yè)的安檢員對每臺機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面的檢查，以保證機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

（7）完成一次掘進(jìn)循環(huán)后，需要進(jìn)行換步和調(diào)向，調(diào)整TBM 姿態(tài)，確保施工軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差在合理范圍內(nèi)。必要時(shí)，在掘進(jìn)施工過程中也可以進(jìn)行微小的調(diào)整。

4.2 掘進(jìn)參數(shù)的控制及選擇

在掘進(jìn)的過程中，要時(shí)刻關(guān)注著刀盤的推力狀況，要對出渣的狀況有一個(gè)清晰的認(rèn)識。要根據(jù)實(shí)際情況，正確地選擇掘進(jìn)方式、掘進(jìn)速度等掘進(jìn)參數(shù)，并且要在掘進(jìn)的過程中，隨時(shí)調(diào)整自己的方向，充分地掌控著掘進(jìn)方向。將掘進(jìn)方向控制在水平和豎直向分別為設(shè)計(jì)軸線的±100mm、±50mm之內(nèi)。這就要求司機(jī)可以熟練掌握TBM 換步調(diào)向技術(shù)，并且按照“提前預(yù)判，提前實(shí)施”的原則，對調(diào)整工作要有較強(qiáng)的預(yù)判能力。堅(jiān)持以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果指導(dǎo)TBM 掘進(jìn)施工，根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整[7]。

（1）Ⅱ類圍巖穩(wěn)定好，巖石強(qiáng)度相對較高，TBM 破巖效率相對較高，可實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。

（2）Ⅲ類圍巖局部穩(wěn)定性差，掘進(jìn)后需要及時(shí)做好初期支護(hù)；穩(wěn)定性較好的洞段，隧道內(nèi)部一般不發(fā)生坍塌，巖體強(qiáng)度較低，具有較高的破巖效率，可達(dá)到快速開挖的目的?？傊瑖鷰r穩(wěn)定洞段保進(jìn)度、局部穩(wěn)定性差的圍巖洞段，加強(qiáng)初期支護(hù)。

（3）Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時(shí)間較短，所以要根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對洞內(nèi)進(jìn)行及時(shí)的支護(hù)，避免出現(xiàn)變形、坍塌等不良地質(zhì)情況。如有發(fā)生坍塌、軟巖變形、突涌水的風(fēng)險(xiǎn)，需做好方案、物資、人員準(zhǔn)備工作。

（4）Ⅴ類圍巖極不穩(wěn)定，本標(biāo)段中的Ⅴ類圍巖大都處于斷層破碎帶，且是突涌水多發(fā)洞段，此洞段不能專注于提高施工速度，應(yīng)注重超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在安全的前提下穩(wěn)定推進(jìn)工作進(jìn)度。

4.3 TBM及配套設(shè)施的保養(yǎng)維護(hù)

（1）TBM刀盤刀具、主軸承是TBM正常運(yùn)作的關(guān)鍵因素，因此必須重點(diǎn)考慮其壽命和可靠性。對于刀盤刀具，做好審查工作，關(guān)注刀盤強(qiáng)度，優(yōu)化剛度及耐磨性設(shè)計(jì)，監(jiān)督刀盤焊接、制造工作，保證施工過程中刀盤刀具符合維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)[8]。對于主軸承系統(tǒng)，其具有自動(dòng)化、精細(xì)化的特點(diǎn)，為避免壓痕、擦傷、劃傷等常見類故障，需要進(jìn)行周期性的主軸承狀態(tài)檢測，當(dāng)然，這也要求檢測人員具有扎實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和充足的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

這樣的人物，莫說是戲劇舞臺，在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中都是獨(dú)一無二。君不見蔡伯喈、鄭元和、王十朋、劉智遠(yuǎn)、朱買臣……哪個(gè)不是功名路上留傳奇？再看梨園戲《董生與李氏》《御碑亭》……哪個(gè)不是情感波瀾鑄成戲？

（2）在TBM 的施工過程中，建立健全TBM 及配套設(shè)施的保養(yǎng)和維護(hù)制度，加強(qiáng)對TBM 及配套設(shè)備在運(yùn)行過程中的監(jiān)測，重點(diǎn)監(jiān)測對象包括：主軸承密封、刀盤刀具、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、主軸承、主機(jī)液壓系統(tǒng)；根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用油液磨損分析、運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測、噪聲診斷、振動(dòng)分析、鐵譜分析和光譜分析、電渦流測試等監(jiān)測診斷方法，建立和完善TBM 及配套設(shè)備的保養(yǎng)維護(hù)規(guī)章制度。

4.4 初期支護(hù)

本標(biāo)段的TBM初期支護(hù)主要包括錨桿、鋼拱架、噴射混凝土，根據(jù)不同地質(zhì)情況，采用不同方式的支護(hù)。

（1）錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)首先要進(jìn)行鉆孔，應(yīng)嚴(yán)格按照施工圖紙的要求，運(yùn)用TBM上得鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，并做好標(biāo)記，一般孔深比錨桿長5~10cm。然后可以采用砂漿錨桿、中空錨桿、中空預(yù)應(yīng)力錨桿，安裝錨桿時(shí)用人工配合鉆機(jī)大臂進(jìn)行錨桿的安裝，桿體安裝完畢，安裝墊板和螺母。其中砂漿錨桿要根據(jù)圖紙要求注漿飽滿，預(yù)應(yīng)力錨桿利用扭矩扳手按照設(shè)計(jì)施加預(yù)應(yīng)力。

（2）噴射混凝土。本工程噴錨采用濕噴工藝，工藝流程如圖4所示。

圖4 混凝土濕噴工藝圖

工藝要點(diǎn)：

（1）施工準(zhǔn)備。在噴射混凝土之前用水或風(fēng)對被噴面進(jìn)行沖洗，然后在混凝土表面做好標(biāo)記，可以利用錨桿露出的長度，控制混凝土的用量。檢查各個(gè)設(shè)備、線路系統(tǒng)是否運(yùn)作正常，以保證混凝土質(zhì)量。

（2）嚴(yán)格按使用說明書操作噴射機(jī)。開始時(shí)先給風(fēng)，再開機(jī)，后送料，結(jié)束時(shí)待料噴完，先停機(jī)，后關(guān)風(fēng)。

（3）開始時(shí)先給速凝劑，再給料，結(jié)束時(shí)先停料，后停速凝劑。根據(jù)料速的大小和回彈量的多少，適當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)壓，速凝劑溶液在噴咀處的壓力稍大于風(fēng)壓。

（5）突然斷水?dāng)嗔蠒r(shí)，噴頭迅速移開受噴面，嚴(yán)禁用高壓風(fēng)直吹未凝結(jié)的砼。

4.5 掘進(jìn)出渣

TBM 掘進(jìn)采用皮帶機(jī)系統(tǒng)出渣，連續(xù)皮帶機(jī)受料端安裝在TBM 后配套上，卸料端位于主洞連接洞室與支洞交叉口部位，將棄渣卸入支洞皮帶機(jī)。接下來運(yùn)輸?shù)街Ф纯诘呐R時(shí)棄渣場，再以自卸車運(yùn)輸?shù)接谰脳壴鼒觥?/p>

TBM2 皮帶機(jī)出渣運(yùn)輸，石渣經(jīng)連續(xù)皮帶機(jī)、支洞皮帶機(jī)及自卸車轉(zhuǎn)運(yùn)至永久棄渣場。

TBM3 皮帶機(jī)出渣運(yùn)輸按掘進(jìn)的不同階段分為兩個(gè)階段：第一階段，石渣經(jīng)連續(xù)皮帶機(jī)與TBM2 共用支洞皮帶機(jī)至洞口的臨時(shí)棄渣場。第二階段，連續(xù)皮帶機(jī)轉(zhuǎn)場，在4#支洞與支洞口布置支洞皮帶機(jī)，其設(shè)置與3#支洞類似。最終將渣石運(yùn)輸?shù)接谰脳壴鼒觥?/p>

5 結(jié)論

本文以新疆某引水隧洞為工程背景，針對隧洞特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了該工程TBM掘進(jìn)施工的特點(diǎn)等。

（1）闡述了掘進(jìn)機(jī)破巖機(jī)理，并介紹了TBM施工的特點(diǎn)，TBM具有綜合經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng)、高質(zhì)量、高速度、自動(dòng)化程度高等優(yōu)勢。

（2）TBM 試掘進(jìn)可以了解和認(rèn)識本工程的地質(zhì)條件，檢驗(yàn)TBM掘進(jìn)機(jī)及各個(gè)操作系統(tǒng)的工作情況，調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)最大效益并為后續(xù)的工作奠定基礎(chǔ)。

（3）詳細(xì)闡述了TBM施工流程，掘進(jìn)參數(shù)的控制及選擇，重點(diǎn)說明了初期支護(hù)中的錨桿支護(hù)、噴射混凝土及掘進(jìn)出渣等系列輔助作業(yè)，相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)可為敞開式TBM在深埋長隧洞中的應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。