基于“4M1E”影響因素的敞開式TBM快速掘進保障措施

徐 贊 ，謝培才

(1．中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 0 65201;2．洛陽市市政排水泵站管理所，河南洛陽 4 71000)

0 引言

采用現代化的全斷面隧道掘進機(Full-face Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)技術穿越復雜地質、修建長大隧道，是世界地下工程建設的發展趨勢，在我國的隧道工程施工中也已日益普及。敞開式TBM對中硬巖有著較好的適應性，具有快速、高效、安全、環保、集成化程度高等獨特優勢。作為一個高效集成的復雜系統，如何充分確保TBM設備利用率和加快掘進速度，是體現敞開式硬巖掘進機優勢的關鍵。影響TBM設備利用率和施工進度的因素很多，歸納起來主要體現在5個方面，即人(從事生產施工的人員，Man)、機(用于現場施工的機器設備，Machine)、料(生產所需的原材料，Material)、法(施工方法及措施，Method)和環(施工環境，Environment)，簡稱為“4M1E”影響因素。文獻［1-4］就TBM的快速掘進施工進行了較深入的研究，但研究內容大都集中于“機”或者“法”，并不全面。本文以新建蘭州—重慶鐵路西秦嶺隧道XQLS2標敞開式TBM施工為例，系統闡述在現場施工過程中針對“人、機、料、法、環”5個方面采取的快速掘進保障措施和成功經驗。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于甘肅省隴南市武都區，隧道長28 236 m，是我國第二長鐵路隧道，也是目前我國采用TBM修建的最長距離、最大直徑的干線鐵路隧道。根據設計，西秦嶺隧道TBM掘進軟弱圍巖地段千枚巖為淺灰色至深灰色，主要為砂質千枚巖和千枚狀夾變砂巖，節理發育，受構造影響，層間揉皺強烈，巖石較破碎，零星夾有灰巖薄層。由中鐵隧道集團承建的西秦嶺隧道左線2010年6月25日正式開始第1掘進段施工，于2011年5月28日實現第1掘進段與羅家理斜井鉆爆段重慶端貫通，提前原施工組織設計130 d。2011年8月30日轉場結束后開始第2掘進段施工，于2013年4月26日掘進至合同分界里程DⅠK403+650處，總計歷時31個月，創造了日掘進進度42．69 m，第1階段平均月掘進508 m，全段平均月掘進415 m等多項國內紀錄，并創造了直徑10 m以上同類TBM施工周掘進進度392．0 m、月掘進進度804．3 m 2項世界紀錄。

優異的施工業績，取決于施工方在施工過程中對人、機、料、法、環5個方面的科學管理和有效控制。TBM法掘進施工每個環節的管理都是保證整機連續作業的關鍵，只有這些保障措施都圍繞掘進機施工這個主題切實開展起來，才能最終體現出掘進機施工的快速和優質。

2 人(Man)

對人的管理是生產管理中的重點，也是最大的難點。提高施工進度，首先要“用好人”，盡可能地發揮作業人員的特點，激發員工的工作熱情，提高工作積極性。

2．1 統一目標，提高作業人員積極性

為提高組織管理水平，西秦嶺隧道TBM掘進工區施行“總數定員、專人專崗、責任到人”的內部承包管理模式，成立掘進一隊、掘進二隊、保養班、刀具班、皮帶班、運輸班、電工班、測量組，并將以往彼此相對獨立的工班(組)歸口于一個項目副經理統一管理，以加強過程控制和工序銜接。人員收入與施工進度、工序質量、現場安全和文明施工直接掛鉤，確保各作業班組在思想意識、共同利益上高度統一、沒有分歧，使項目各項要求從上至下得以完全貫徹落實，保證項目內部個體力量與目標方向相同，避免“內耗”現象。此外，還采取進度考核獎勵機制等辦法調動施工人員的積極性，將人為因素降至最低，大大提高了生產效率。

2．2 發揚民主，讓工人成為工區的主人

一個工區的發展，歸根結底依靠的是一線工人。工人作業在生產第一線，他們更了解工區制定的計劃和決策是否真正符合生產施工的實際情況，是否切實可行。在安排工作時，定人定崗、責任到人，讓工人充分了解作業任務和目標，能夠促使工人在執行任務過程中，結合自身能力充分評估作業工序。當情況發生變化時，不是機械地回避，而能夠自己動腦解決。遇到突發情況，與工人平等協商，讓工人參與決策，各抒己見，充分聽取一線工人的意見和建議，誘發他們思考解決問題，對工人提出的合理建議積極采納并予以鼓勵，使最終決策更加合理，同時也能夠增強員工自信心，使工人與工區形成合力，真正地把自己當作工區的一分子，更有責任感，努力發揮自己的才智能力，為工區服務［5］。

2．3 加強員工培訓，營造學習氛圍

西秦嶺隧道建設初期，大部分參與施工的技術人員都是剛參加工作不久的大學生，很多施工人員也只有盾構方面的施工經驗。為提高TBM技術水平，保證設備狀態完好，項目主要技術力量向TBM整體傾斜，多次派員工到南疆鐵路吐庫二線中天山隧道等工程實地跟班學習，并派TBM主管工程師、施工負責人、液壓工、修理工等多人到TBM制造廠家學習。通過采用以老帶新、理論學習、集中培訓等手段，充分融合老工人的豐富經驗與組織力強、新學生的基礎知識扎實與思維活躍的特點，實現立足于穩、穩中求變，推動技術創新，最終實現項目整體技術水平的提高。另外，項目還專門外聘了1名TBM設備專家，通過“拜師學藝”的方式培養項目中堅力量。通過這些方式，極大提高員工工作的自主性和熱情，推動了項目的技術進步。

3 機(Machine)

TBM是由幾十個獨立的子系統有機地連接成的一個完整的大系統，任何一個環節的故障均會影響到TBM的正常掘進。關鍵部位的損壞更會導致整臺TBM處于停滯甚至癱瘓狀態，從而影響整個工程的進展，同時也會大大增加成本。合理的TBM選型與配置是隧道正常掘進的基礎;科學的設備檢測診斷與維護保養、刀具管理、配件供應等環節和必要的設備改造，不僅可以對設備進行有效保護、減少機械故障、降低項目成本，同時也可以降低施工風險，為快速掘進提供有效保證。

3．1 TBM 選型

西秦嶺隧道走行于秦嶺高中山區，隧道最大埋深約1 400 m，全長28 236 m，采用鉆爆法和TBM法聯合施工。其中，隧道出口在圍巖較好的地段分2段采用TBM掘進:第1段長5 594 m，第2段長7 340 m。圍巖以Ⅲ級和Ⅳ級為主，構造裂隙中、弱富水區，巖石整體較完整，有較好的自穩性，因此首選敞開式TBM。

用于西秦嶺隧道施工的敞開式TBM，在遇到局部不穩定的圍巖時，可通過TBM所附帶的輔助設備施作錨桿、架立鋼拱架、掛設鋼筋網、噴射混凝土進行加固，以保持洞壁穩定，而且在掘進過程可直接觀測到洞壁巖性的變化，便于地質素描和調整施工工藝。可以說，TBM選型的成功，是西秦嶺隧道快速掘進的基礎和保證。

3．2 設備監測診斷與維護保養

對TBM實施全面規范化的監測診斷與維護保養是降低故障率、減少設備維修次數、減少不必要停機的先決條件，如此才能保持機器性能完好。自西秦嶺隧道敞開式TBM進洞開始掘進以來，項目成立TBM掘進保養班，由機電副總工程師率領機械、液壓、電氣、潤滑、檢測專業工程師和熟練技工，執行保養任務。除正常跟班監測診斷外，嚴格堅持每日第1掘進階段 7:00—11:00(第 2掘進階段 8:00—14:00)交接班期間強制停機維護保養。

西秦嶺隧道TBM主要監測診斷技術包括振動監測、油樣分析(潤滑油理化性能分析、鐵譜分析、顆粒計數分析)、工業內窺鏡檢測、故障聽診儀檢測、溫度監測、壓力檢測、流量檢測、聲學監測及無損探傷檢測，由西秦嶺隧道TBM檢測站專職負責，油樣光譜分析委外進行。具體監測對象如表1所示。

表1 TBM狀態監控表［6］Table 1 TBM monitoring items［6］

為減少TBM的故障停機時間，提高設備的利用率，確保TBM正常運轉，例行維護檢查按表2進行。

3．3 刀具管理

刀具是TBM掘進系統的關鍵部件之一。TBM刀具管理的環節環環相扣，只有認真做好每一個環節的具體工作，才能將刀具管好、用好。為加強刀具管理，項目實行刀具工程師主管負責制，配備刀具班及刀具修理車間，把刀具的用、管、養、修提高到管理的高度上。

在刀具的用、管、養和修過程中，為詳細記錄和整理原始數據，必須建立《刀具管理臺賬》。臺賬應在以下幾個方面進行細化:

1)每一把刀具的詳細使用情況。

2)刀具維修時，每一把刀具的相關測量數據、配件消耗及采用的維修工藝。

3)繪出不同地層、地質、地段與刀具磨損及消耗的關系圖。

表2 例行維護檢查表Table 2 Routine maintenance checklist

4)修好的刀具要根據更換部件分類在刀體做好標記(見圖1)。

圖1 修好的刀具分類標記Fig．1 Marking classification of repaired cutters

5)準確及時地記錄修完的刀具出廠后的相應內容。

通過對以上資料的分析，總結經驗和教訓，將結果反饋用于指導掘進，有計劃性地實施刀具的檢查和更換，有效地利用刀具，減少刀具異常損壞，降低刀具消耗，縮短刀具更換時間并對刀盤進行保護，增加掘進時間，保證施工順暢，降低施工風險，并能夠最大限度地減少在刀具方面的投入，對降低刀具的使用成本有重要意義。

3．4 配件供應

TBM配件儲備和采購在TBM施工管理中是一個比較系統的任務。當前國內TBM在隧道工程中的應用尚未形成規模，TBM配件供貨市場相對有限，配件采購往往需要國外進口或定制加工，造成采購周期較長，這就要求施工現場必須要有一定的易損配件儲備，否則會導致停機待料，延誤工期，造成損失。但與此同時，TBM配件的價格又相對比較昂貴，不可能對所有配件進行儲備。只有對TBM機械性能有充分的了解和認知才能夠做到配件儲備充裕、采購及時但又無大量配件積壓造成資金占用甚至浪費。配件儲備和采購應著重從以下方面著手:

1)通常部件庫存量應是整機數量的10%［7］，設立專門的存放庫房分類存放，建立《TBM配件管理臺賬》并安排專業高效的管理人員負責，并每周與掘進班、保養班、刀具班進行溝通后核實消耗與庫存。

2)加強TBM監測診斷與維護保養，對于日常檢查出的問題及時做出科學判斷，提前做好配件計劃。

3)通過系統的日常監測診斷與維護保養臺賬，確定TBM配件壽命周期、易損配件類型等，做好周期性檢查及采購工作。

4)對于實現國產化的TBM配件，在能夠滿足施工需要的情況下，優先采用國產化配件以縮短采購周期，緩解成本壓力。

5)日常加強配件供應商的比選，通過互聯網、電話溝通詢價，完善配件供應系統，建立《配件供應商合作臺賬》，明確聯系方式、供貨方式、付款方式及供貨周期等，一旦需要，根據臺賬信息并結合項目實際情況選擇適宜供貨商及時完成采購。

6)對于單件價格昂貴、壽命周期不易確定、供貨時間長的配件，應與周邊同型號TBM施工方建立配件儲備合作關系，兩家或多家單位根據“分類存儲、拆借使用、后續補倉、互惠共利”的原則儲備配件，以最大限度減少對TBM施工的影響。

3．5 設備改造

為使TBM適應實際施工項目的工程地質特點，在建設初期進行設備選型是十分必要的，但由于地質勘查的局限性以及不同圍巖段的巖石特性不同，在實際施工中，往往需要進行必要的局部性能改造以滿足現場施工。例如在TBM掘進通過軟弱千枚巖地層時，遇到節理裂隙發育情況，掌子面坍塌嚴重，部分滾刀接觸不到巖面，坍塌體中含有大量較大巖塊直接經鏟斗進入主機皮帶中。由于原刀盤鏟斗刀牙為螺栓連接、梳狀排列的組合式刀牙(見圖2)，整體強度不高，磨損較嚴重且遇大塊碴體時易損壞、脫落，導致頻繁更換，且大塊巖石容易從刀牙脫落缺失處進入刀盤砸壞主機皮帶，影響連續施工。通過對材料耐磨性和可焊接性的綜合評估，利用整體型16Mn鋼整體刀牙替代組合式刀牙，并在擋碴板位置增焊1—2塊16Mn鋼板以阻擋大塊石碴的進入，同時進行皮帶機接料裝置改造，增加緩沖裝置，縮小出料口與皮帶之間的落差，以減小沖擊。通過對設備改造和加強施工組織管理，在實際生產中取得了良好的施工效果，降低了設備故障率，使刀盤運轉時間提高30%以上［8］。

圖2 刀牙改造Fig．2 Cutter teeth alteration

4 料(Material)

TBM快速掘進需要施工所需的各種合格的原材料連續、快速地運輸到掘進作業區，故在原材料質量控制和供應調度方面應予以重視。

4．1 “合格材料”供應

“合格材料”供應是TBM能夠快速掘進的一個重要保證措施。這里的合格材料是指既符合國家相關質量標準又能夠滿足洞內特殊施工環境和施工工藝需要的合格原材料或半成品。眾所周知，TBM法施工是一種集成化較高的隧道施工方法，在一個掘進周期里，任何一道工序的延遲都將直接影響到整個掘進周期的時間。在西秦嶺隧道TBM第2掘進階段，由于隧道埋深較大且獨頭掘進距離較長，洞內作業溫度高、濕度大，初期支護所需液體速凝劑經洞外試驗合格后運往洞內，實際應用時如存放時間偏長則會出現白色沉淀引起速凝劑管堵塞，不僅造成了原材料的浪費，而且極大地擾亂了正常的工序，影響了施工進度。經過聯系廠家多次實地查驗并調整配制工藝后，問題得到了較好地解決。TBM施工是一個持續高溫、潮濕的環境，而且施工所需材料往往需要經過多次倒運、短期庫存，在原材料供應和半成品加工時也應對上述情況相應予以考慮，真正做到“滿足施工現場需要”。

4．2 材料領用及洞內運輸

圖3 材料供應流程圖Fig．3 Flowchart of material supply

經過方案比選，西秦嶺隧道材料洞內運輸采用25 t內燃機車牽引編組成列的材料車，四軌雙線有軌運輸模式。洞內有軌運輸涉及人員、仰拱預制塊、噴漿料、鋼筋網、鋼拱架、鋼軌、錨桿、襯砌混凝土以及洞內清理出的碴料等，運輸車輛數量有限而運輸任務繁重，矛盾相對突出。為保證TBM掘進所需材料供應的連續性，避免因材料供應中斷造成掘進停機，專門設立機車調度控制中心，負責機車的調配、裝卸、編組、日常保養等工作，并規定進洞左側軌道為進洞方向(即重車道)，右側為出洞方向(即輕車道)。TBM掘進所需材料運輸流程見圖3。

襯砌混凝土澆筑時，輸送泵需占用1條運輸軌線。為提高軌道利用率，洞內每500 m設置1處道岔(已襯砌完成部分可陸續拆除)，確保機車運行順暢，并在洞內斜井與正洞相接處安排洞內調度員，合理調度車輛進出TBM作業區，急需材料先行供應，防止車輛在TBM尾部過度集中引起擁堵。

5 法(Method)

為了保證TBM的快速掘進，在以往的TBM施工中，建設者們通過不斷地探索和總結取得了很多顯著的成果，本文僅就西秦嶺隧道保證敞開式TBM快速掘進的重點和創新點進行闡述。

5．1 超前地質預報

當TBM掘進施工時，由于千枚巖節理發育或存在斷層破碎帶，層間結合差，巖體本身碎塊狀結構，加之刀盤切削作用和地應力調整影響，致使千枚巖沿節理面、斷層面或巖層松動、錯落，甚至出現大面積失穩、坍塌。對于機械化程度高、可進不可退的TBM施工來說，若在施工中突遇地質災害，在無支護之前產生大量塌方、涌水、掉塊，使機器被埋、被淹、被卡，將會出現進退兩難、難以處理的局面，影響整體施工進度。

隧道地質超前預報要解決的問題主要有:斷裂、破碎帶等不良地質對象的性質、規模的判定;不良地質體的位置及產狀的確定;巖體工程類別的識別，圍巖地下水狀態［9］等。以設計地質勘測資料為基礎結合超前探測手段，在進入軟弱、構造影響破碎段等不良地質前，加強綜合地質預報的頻率，判明圍巖情況，進行必要的預處理措施和選用相應的施工方案。根據地質情況采用超前小導管注漿加固、超前注漿堵水、鋼支撐、護盾后初噴及時封閉加固;適當選擇掘進參數，以自動導向系統控制TBM掘進姿態;后配套區錨網噴支護等多種手段通過軟弱破碎、突泥涌水等災害性地質地段。

5．2 出碴體系

連續皮帶機出碴方式作為3種TBM可供選擇的配套出碴方式(汽車運輸出碴、軌道礦車出碴、連續皮帶機出碴)中最快速、高效的一種，對洞內運輸干擾最小、出碴效率最高，在條件許可的情況下應優先采用。

西秦嶺隧道連續皮帶機出碴采用豎向固定支撐法(邊基施工段)和三角斜向支撐法(邊基未施工段)將連續皮帶機橋架固定在洞壁上，隨著TBM向前推進，連續皮帶機支架不斷向前延伸。掘進時，連續皮帶機承載碴體后穿越同步襯砌臺車至斜井“三岔口”位置，通過斜井轉載皮帶機穿越羅家理斜井輸送至洞外，經洞外上山皮帶機直接翻越山體(見圖4)，并經碴場延伸皮帶機被輸送至棄碴場內部［10］，通過連續分碴器實現連續皮帶機出碴與工程車碴料轉運作業工序之間的無縫銜接。在整套出碴體系中，碴體從巖面剝落直至棄碴場的運輸全程零干擾，有效避免了因碴體轉運不及時對TBM掘進造成的影響。

圖4 上山皮帶機布置Fig．4 Arrangement of continuous belt conveyor

5．3 監控與通信系統

西秦嶺隧道施工針對TBM長距離獨頭掘進、長距離有軌運輸的實際特點，在施工前期進行了認真的籌劃，并結合工程實踐經驗，采用信息化管理手段，在隧道內布設5套通信方式，即視頻監控系統、對講機系統、車載系統、有線電話系統和移動通信系統以保證信息暢通［11］。在TBM上重點施工部位安裝攝像頭，通過調度室監控中心可以及時掌握洞內施工情況，洞內的具體需求通過有線電話傳達到調度控制中心，調度控制中心做出響應，機車運行至TBM后方后，TBM施工人員可通過對講機根據現場當前需求情況對機車進行調度，確保保障及時、生產連續。

5．4 技術與工藝創新

隨著TBM應用越來越廣泛和深入，施工人員逐步實現了對TBM設備、施工及其配套技術的“學習—掌握—摸索—創新”，加之在施工管理過程中項目管理團隊集思廣益、加大專項資金的投入以及對技術創新、工藝變革的“提出—論證—實踐—總結—獎勵”機制，有效地鼓勵了一線員工在做好本職工作的前提下總結經驗、推陳出新，推動了很多新技術、新設備的產生。成功克服了大直徑TBM山地運輸、狹小區域組裝、空載步進、快速掘進、弧形步進滑道滑模施工、同步襯砌、連續皮帶出碴、長距離獨頭通風及有軌運輸、仰拱預制塊空中翻轉等諸多重大難題。總結申報發明專利2項(TBM同步襯砌施工方法，TBM整體式軌道托架及TBM電機驅動、整體式軌道托架步進方法)、實用新型專利5項(TBM同步襯砌模板臺車及臺架，連續分碴器，車載式ⅠC卡加油管理系統，分體式自動行走混凝土輸送泵，連續皮帶收放裝置)、工法2項(特長大距離TBM空載步進技術，連續皮帶機出碴下的同步襯砌施工技術)。開工以來項目產生技術性改革96項，合理化建議71項。這些新技術、新設備［12-22］在施工中的成功應用有效提高了生產效率，保證了TBM的快速連續施工。

6 環(Environments)

TBM施工具有機械化程度高、對地層擾動小、可以減少隧道開挖中輔助工程等優點，洞內環境較鉆爆法普遍較好，但由于隧道獨頭掘進施工距離達到19 762 m，對隧道通風、溫度控制及有害氣體監控與處理還是提出了較高的要求。一旦環境控制出現問題，將嚴重影響到作業人員的健康以及部分原材料的性能。

6．1 通風與溫度控制

因采用TBM獨頭掘進施工，隧道通風難度很大，主要特點和難點是隧道斷面大、送風距離長、機械設備散熱量大、且TBM未配置制冷降溫系統。隧道通風總長12 200 m，選用3×160 kW變頻風機與φ2．2 m風管匹配，變頻控制，有效地節約了電能。通風分2個階段:

1)將風機布置在洞口，采用一套通風管送風，通風距離總長為9 900 m。

2)出口掘進段與羅家理斜井鉆爆段貫通后，將通風機安裝在羅家理斜井井口送風。TBM步進通過羅家理斜井鉆爆段開始二次掘進后，為避免斜井三叉口位置風損失過大造成通風效果差等問題，將通風機安裝在三叉口位置隧道正洞內，采用斜井巷道式通風，從正洞出口引進新鮮風，羅家理斜井排出污風。為彌補通風距離長、通風管穿越襯砌臺車彎折較多導致的通風效果的降低，采用串聯接力風機形式，確保洞內通風效果。

在TBM上，主要人員工作面(如鋼拱架安裝區、鋼筋網片掛設區、轉載皮帶值班區等)均安裝射流風機，降低作業環境溫度。通過上述措施，TBM施工區總體溫度能夠控制在30℃左右、設備滿負荷運轉時控制在35℃以內。

6．2 有害氣體監控與處理

為保證洞內作業人員健康，TBM上設置有害氣體檢測系統和火災監控系統，直接和TBM主控制電腦聯網，發現有害氣體或達到設定的警戒值就會報警。若不及時處理，主控制電腦將會自動停止掘進和關閉相關的電器設備，集中保證通風系統供風。

7 結論與體會

TBM實現了隧道施工的工廠化，體現了機械化作業和施工條件的改善，具有生產的連續性。但TBM項目本身又是一個較復雜的系統工程，所涉及的專業多、領域廣，“人、機、料、法、環”任何一個環節的疏忽，都可能會影響TBM的正常工作，并直接影響掘進效率。西秦嶺隧道是蘭渝鐵路全線控制性工程，工期緊，任務重，為確保如期完成施工任務，結合工程特點，針對5項因素做出分析并提出解決方案，取得了較好的施工效果。

1)綜合分析5項因素，最重要的一環是“人”，只有“人”有了較高的管理能力、專業技能、質量意識，立足本職、齊心協力，嚴格執行管理制度，才能真正實現對“機、料、法、環”等因素的有效控制。近年來隨著TBM在我國工程建設領域的快速推廣，TBM施工專業人才不斷流失(雖然對于國內TBM施工市場做出了重大貢獻，但對于特定的工程項目，影響極其嚴重)，而新進技術人員的成熟尚需要實踐的磨練，出現了技術力量與施工需求相脫節的情況，這就要求必須加大TBM施工人員的培養和儲備。

2)TBM屬于典型的非標準設備，一旦出現故障就會造成成本的增加、進度的延誤，甚至需要變更工程方案造成巨大損失。因此，應根據工程地質條件和水文地質條件對TBM合理選型，在施工過程中規范操作，加強日常維護與保養、加強刀具管理、合理采購和儲備配件，并結合工程實際對TBM可能存在的不足進行必要的改造，消除了“機”的影響，才能夠建立快速掘進的基礎。

3)有了“人”和“機”的保障，通過對材料供應、施工方法、環境控制等方面的科學管理，能夠充分發揮人員的主觀能動性和體現設備的先進性，從而使快速掘進得以實現。

4)TBM作為專用性很強的工程機械，每一個掘進機工程都是一次新的嘗試和挑戰，因此，今后工程實踐中，在汲取先前成功經驗的同時，進行創新和總結是必要的。

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