單護盾TBM快速掘進條件分析

陽 斌

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引言

TBM施工是一個復雜的系統工程，受眾多不確定因素的影響和制約。目前國內外采用TBM法施工的工程項目較多，不少工程項目受各種不確定因素影響而導致施工受阻，TBM法快速高效的優勢無法得到充分發揮［1-3］。地質條件是TBM工法選擇的先決條件，部分工程項目前期由于地質勘察不夠精確，導致決策過程中出現偏差或失誤；部分工程項目由于TBM設備未根據地質情況進行針對性的配置，或TBM施工所需的配置不能滿足施工要求，導致施工進度無法達到預期效果［4-5］。甘肅省引洮供水一期工程總干渠7#隧洞采用1臺φ5.75 m單護盾TBM施工，該工程于2011年11月創造了月掘進進尺1 868 m的單護盾TBM施工世界紀錄。本文根據該項目的實際情況，對單護盾TBM快速掘進所需的施工條件進行分析，并提出相關建議。

1 工程概況

1.1 工程位置及范圍

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7#隧洞工程位于甘肅省渭源縣境內。7#隧洞全長17 286 m，其中TBM施工段長度為16 986 m，設計斷面為圓形，縱坡為1/1 650，采用1臺全新單護盾TBM施工。隧洞設計開挖直徑為5.75 m，管片襯砌后內徑為4.96 m，管片背后上部270°范圍進行豆礫石（5～10mm）回填，并灌注水泥漿液，設計結石強度為C15，下部90°回填M15水泥砂漿。

該工程管片設計為六邊形，縱向為凹凸面球窩結構，管片環外徑為5 520 mm，內徑為4 960 mm，厚度為280 mm，寬度為1 600 mm。每環管片分4塊（1塊底管片，2塊側管片，1塊頂管片），單塊最大質量約5.2 t。根據地質適應性分為A，B，C，D 4種類型（配筋有區別），其中A型適合Ⅳ類圍巖，B型適合Ⅴ類圍巖，C型適合于塌方段以及搶險用，D型適合Ⅲ類圍巖。管片拼裝展開示意見圖1。

該工程TBM分主機、后配套、加利福尼亞道岔3部分，全長約380 m。其中主機由刀盤、前盾、中盾和尾盾組成，長10.3 m；后配套由17節拖車組成，長170 m；加利福尼亞道岔由29節平板車組成，總長200 m，TBM允許最小轉彎半徑為500 m。設計最大推力為28 883 kN，額定扭矩為4 000 kN·m，脫困扭矩為6 000 kN·m。

圖1 管片拼裝示意圖Fig.1 Sketch of segments erected

1.2 工程地質與水文地質

1.2.1 工程地質

7#隧洞大地構造部位屬中、新生代隴西-渭源盆地，TBM穿越東峪溝—秦祁河之間的低山丘陵區（洮河流域與渭河流域分水嶺），隧洞最大埋深368 m，屬越嶺長隧洞。

隧洞布置于白堊系、上第三系地層之中。地質條件復雜，圍巖相變劇烈，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞段有地下水活動。地下水具多層結構，局部有承壓性，地下水受構造、地層巖性控制，分布與富集變化較大。

隧洞圍巖劃分為不穩定Ⅳ類圍巖和極不穩定Ⅴ類圍巖，其中上第三系極軟巖段劃分為Ⅴ類圍巖，新生代白堊系中硬巖和較軟巖劃分為Ⅳ類圍巖，Ⅳ類圍巖占隧道總長的14%，Ⅴ類圍巖占隧道總長的86%。

1.2.2 水文地質

隧洞巖層總體富水性較差。地下水主要由大氣降水補給，降雨稀少，且年內分布不均，地層滲透性弱，地下水水量一般較小（實測泉水最大流量＜5 L/min）。根據鉆孔揭示、試驗及水文地質調查，砂礫巖、砂巖孔隙率為20%左右，為含水透水層，鉆孔一般有地下水，泉水均出露于砂巖、砂礫巖層部位。泥質粉砂巖和粉砂質泥巖為相對隔水層，地下水分布不均，一般呈層狀分布且局部承壓，所在山體為微弱層狀含水山體。

2 TBM掘進情況

2.1 TBM在出口工作面施工情況

該工程TBM于2009年12月29日在隧洞出口始發掘進，2010年1—4月，通過優化施工組織，逐步熟悉設備性能和挖掘設備潛力，使TBM月掘進進尺分別為245，493.3，666.2，961m，掘進進度逐月提高。TBM在能自穩地質洞段完全可以保證正常快速掘進，在進入粉細砂層后由于圍巖坍塌變形導致TBM接連遭遇卡機，隨著含水率由5%增大至23.2%，發生了突泥涌砂地質災害，最終使TBM栽頭受困無法繼續掘進。

2.2 整體方案變更

2011年初，參建各方根據補充地質勘察資料做出整體方案調整：將隧洞出口TBM拆卸至進口進行掘進（已探明進口段地質情況較好，適宜TBM掘進），受出口TBM被困處地質條件影響，原刀盤和盾體無法拆除，需重新加工制作刀盤、盾殼；針對已通過補充地質勘察探明分散分布的8段不良地質洞段通過增設4座斜井、原通風豎井工作面、拆機后的出口工作面進行人工鉆爆法施工，待開挖支護后，進行TBM空推安裝管片襯砌，部分洞段采用現澆混凝土襯砌。

2.3 TBM在進口工作面施工情況

整體方案調整后，TBM于進口工作面重新始發掘進，經過優化改造后的TBM性能得到大幅度提升，連續創造高產。2011年8月17日TBM自進口始發后，于當年9月創造了單月進尺1 515 m、日進尺80.8 m的單護盾TBM掘進全國新紀錄，10月掘進進尺1 718.6 m，11月掘進進尺1 868 m，刷新了單護盾TBM月進尺世界紀錄。截至2012年4月27日，TBM由進口已累計掘進11 120 m，平均月進尺為1 308 m。

3 單護盾TBM快速掘進條件分析

3.1 地質條件

地質條件是TBM施工的先決條件，施工方案必須根據工程地質條件進行制定，所采購的TBM必須與工程地質條件具有良好的適應性［5-6］。為保證TBM快速掘進，地質條件應滿足以下幾點要求：

1）圍巖具備一定的自穩能力。圍巖在TBM刀盤開挖形成臨空面后會發生坍塌變形，圍巖的變形速率和變形量應至少滿足TBM在正常掘進速度條件下刀盤及盾體不被卡的要求［7］，短距離不良地質洞段掘進，TBM應具備良好的機況進行連續掘進。另外，由于TBM不可避免存在維護保養、故障等停機情況，圍巖的變形速率和變形量應滿足在一定時間段內不會導致TBM被卡的要求，針對經評估認為TBM無法通過的不良地質洞段，應提前進行圍巖預加固或提前采用人工鉆爆法處理。

2）無劇烈的地質構造應力。TBM刀盤開挖形成臨空面后，由于地應力作用，圍巖會發生收斂變形，嚴重時會造成TBM被困被卡。在青海引大濟湟調水總干渠工程實例中，在TBM施工至斷層破碎帶，由于地應力作用（最大地應力實測值達到16 MPa）造成圍巖收斂變形，導致TBM被困數十次，在連續約2年的時間內TBM累計掘進僅200余m，嚴重制約了施工進度，在國內外其他護盾式TBM項目也曾因為類似問題而導致TBM施工受阻。

3）圍巖中賦存的地下水會對圍巖穩定性造成較大影響。在軟巖地質條件下，地下水是造成圍巖失穩的重要因素［9］。引洮供水7#隧洞TBM在出口段掘進施工過程中，TBM進入粉細砂層后，在含水量＜10%的情況下，圍巖發生塌方，由于該TBM設備具備較大的脫困能力，通過調整掘進參數、控制出渣量等措施，仍可保持掘進。但當含水率逐步增大至17%及以上時，粉細砂層飽水后迅速形成突泥涌砂及管涌現象，導致TBM被困無法掘進。

4）圍巖應具備良好的可掘性。完整堅硬且耐磨性強的圍巖對TBM掘進進度影響非常大，且對TBM刀盤及主機關鍵部件（如主軸承）壽命影響較大，刀具消耗增大會導致換刀時間過長，進而嚴重制約TBM施工進度［10］。根據引洮供水7#隧洞TBM開挖揭示，圍巖主要為白堊系和第三系地層的泥質砂巖、細砂巖、粉砂質泥巖，圍巖單軸飽和抗壓強度為3.0～35.0 MPa，圍巖節理裂隙較發育-發育，TBM在該類圍巖中掘進速度達到60～140 mm/min，單循環（1.6 m）純掘進時間最快僅需要13 min，刀具消耗量小。

3.2 TBM配置

在充分掌握地質條件的基礎上，TBM配置應與地質條件有良好的適應性。

1）TBM能力儲備。單護盾TBM主要設計參數包括總推力、扭矩、刀盤轉速、掘進速度、刀具貫入度等。在考慮到不良地質條件的特殊情況下，設計TBM脫困能力應盡可能有較大的富余，TBM設備的潛力可能在大部分正常地質洞段都無法發揮作用，但當局部洞段遇到不良地質后，設備的潛力將發揮重要作用，成為TBM能否順利掘進通過的關鍵。

2）有針對性地進行TBM設計和配置。TBM作為專用設備，必須進行有針對性的設計和配置，只有保證與地質條件具備良好的適應性，才能充分發揮掘進效率。

①引洮供水7#隧洞單護盾TBM原刀盤設計為純硬巖刀盤，刀盤總質量約為80 t，刀盤伸出前盾切口長度為960 mm，開口率為11%，在出口段軟巖施工中，受圍巖塌方影響，且由于刀盤伸出前盾切口的懸臂部分過長，導致施工受阻。主要體現在2方面：一是對周邊圍巖擾動大加劇了圍巖塌方范圍，導致出渣量控制困難；二是刀盤受塌方圍巖作用的面積較大，且本身自身重力較大，易造成TBM刀盤被卡，在圍巖泥化后地基承載力降低的情況下，TBM栽頭嚴重（豎直方向最大栽頭663 mm），掘進施工嚴重受阻。TBM轉場至進口后，重新加工的刀盤充分考慮了應對不良地質情況，對刀盤結構和伸出前盾切口長度進行了優化，將刀盤質量減少20 t，伸出前盾切口長度減少約200 mm。

②單護盾TBM依靠主推油缸作用在管片上提供推進反力從而向前掘進。引洮供水7#隧洞項目TBM原刀盤設計為順時針方向旋轉（正轉）出渣，可以進行逆時針旋轉（反轉）調整滾動值，但不能出渣。底管片采用混凝土承軌臺+中心水溝的設計方式。TBM在出口段掘進過程中，由于刀盤只能沿順時針方向旋轉掘進，造成管片環沿逆時針方向滾動，為保證管片外觀質量與結構安全，被迫降低推進速度從而降低扭矩并配合墊木板等措施進行調整，對施工進度影響較大，且運輸軌線質量較差，嚴重制約了運輸效率。TBM轉場至進口后，將刀盤設計優化為正反轉均可以掘進出渣，管片環旋轉的難題通過刀盤正反轉掘進進行調整，使TBM掘進速度大幅提高，且運輸軌線質量改善后有軌運輸效率大幅提高。

③引洮供水7#隧洞項目TBM在設計中考慮到供料和出渣的重/輕編組車快速轉換的問題，在后配套拖車尾部設計了1座200 m長加利福尼亞會車平臺（隨TBM掘進移動道岔），使后配套內編組接渣完成后輕編組能迅速到位，保證了掘進施工的連續性，在后續TBM快速施工中起到了重要作用。

3.3 配套設施

TBM本身具備快速掘進的能力，相關配套設施必須匹配快速掘進要求。

1）TBM供料及出渣。引洮供水7#隧洞項目TBM供料及出渣采用單線+會車平臺有軌運輸方式，1列編組可滿足2個掘進循環的材料供應和出渣需要。在掘進高峰期單循環（1.6 m）最快作業時間為25 min，其中掘進時間為13 min，管片安裝時間為12 min，有軌運輸距離約11 km。共采用4列編組（其中機頭采用27 t德國小馬機車，車輛制動效果好，運輸效率高），在6 km處設固定會車平臺1處，即高峰期編組50 min必須到達TBM尾部加利福尼亞會車平臺，做好重/輕編組車快速轉換準備。由于底管片采用混凝土承軌臺設計，在解決了管片滾動問題后軌線鋪設質量好，編組列車在該種軌線條件下重車出洞平均速度能夠達到15 km/h，輕車進洞平均速度能夠達到18 km/h，完全可以滿足掘進需要，15～18 km獨頭掘進的隧洞采用該種運輸方案亦能滿足。

2）洞外場地布置。洞外場地軌線布置、供料系統、翻渣系統的布置需充分考慮編組車輛在洞外快速翻渣和裝料的問題。引洮供水7#隧洞項目洞外翻渣系統設置2臺翻渣機，1次可同時翻轉2臺側卸式渣車，一列編組10節渣車翻渣時間基本控制在20 min內，在翻渣的同時進行進洞材料的裝車，翻渣完成后即可進行編組并進洞，滿足了洞內快速施工的需要。

3）其他配套設施。長距離TBM施工通風、供水、供電、排水等均需考慮快速掘進的需要。以施工通風為例：引洮供水7#隧洞項目采用一站式壓入式通風方案，使用瑞士進口GIA 4×75 kW 風機，直徑1.6 m的國產優質風管，通過在洞內11 km處進行的通風檢測表明，洞內回風風速滿足規范要求，各有害氣體含量均在規范要求以下，經實踐證明該方案充分保障了洞內通風效果，為快速施工奠定了基本條件。

3.4 施工組織與管理

引水隧洞TBM施工是一個復雜的系統工程，需進行精心的施工組織與管理。

1）建立完善的項目管理體系，并在施工過程中嚴格執行，通過項目團隊文化的建立與隊伍建設，營造良好的工作氛圍，建立開放的溝通渠道和協調機制。

2）通過優化的施工組織和有效的激勵機制，規范管理過程，充分調動一線職工的工作積極性。

3）嚴格推行TBM及常規設備的按時維修保養工作。應根據TBM設備特性制定詳細的維保制度和每日、周、月維保計劃，剛性進行設備停機維保，及時研究和預判設備故障，提前處置問題。對于關鍵配件應建立預警機制，保證配件儲備的準確性、適用性和充足性，為TBM快速掘進奠定堅實的基礎。

4）高度重視進度與設備、進度與安全、進度與質量關系的協調平衡。

5）通過技能培訓與考核提高施工人員的技術水平。

6）有效建立TBM掘進控制、測量導向、管片安裝、工程地質變化、設備故障、安全與質量等內容的信息反饋與處置機制，確保在現場出現問題后能夠進行快速處理。

4 結論與討論

通過以上分析，認為TBM快速掘進所需具備的條件為：

1）適合TBM快速掘進的地質條件；

2）TBM 設計和配置須與地質條件有良好的適應性；

3）配置與快速掘進匹配的配套設施；

4）精心的施工組織與管理。

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