TBM施工技術及其工程應用分析

□張谷鵬（遼寧省東水西調工程建設局）

0 引言

近年來，隨著我國經濟社會的快速發展，水利水電工程建設也已進入關鍵階段，對于一些規模較大、涉及多個工作面和多種施工技術的綜合工程，為了有效保障工程施工的進度和質量，對隧道施工技術提出了更高的要求，以TBM為核心設備的全斷面掘進機得到了推廣和應用，并在工程施工中發揮了重要的作用。

1 TBM的工藝原理及施工方法

1.1 TBM的工藝原理及施工特點

TBM設備由美國羅賓斯公司生產，在此以MB280高性能硬巖敞開式掘進機為例，該設備的主機部分由刀盤、機頭架和大梁、支撐和推進系統等三部分組成，其工藝原理是建立自主機監控系統、超前處理系統、支撐系統、后配套系統、牽引系統等各系統的綜合作用的運用，其工藝流程是圍繞TBM掘進、出渣和初期支護3個施工環節進行的，在設備運行前，需對其主機及后配套系統進行調試，工藝流程如圖1。期縮短，成洞后又會節省運行維護費用，極大地提高了經濟效益和社會效益；其四，施工安全，機械施工不僅減少了人工體力勞動量，也減少了事故的發生。除此之外，該技術還具備環保、出渣能力強、導向精度高、初期支護速度快、自動化程度高等優點。

1.2 TBM的施工方法及影響因素

TBM掘進方向的控制尤為關鍵，會直接影響到盤型滾刀的受力，一旦刀具出現損壞就會影響到施工進度，如果出現隧道超挖的情況，還會增加后期的工程量，影響到工程質量。對于TBM掘進方向的控制，應堅持如下原則：確定合理的方向參數，嚴格控制設計中心線與掘進軸線的偏差，并在掘進后進行適時調整。TBM共提供了3種工作模式，即自動扭矩控制、自動推力控制和手動控制模式，前兩種分別適用于均質軟巖和均質硬巖，后者適用于各種地層。在工程施工中，不良地質是限制TBM施工性能的主要因素，這些不良地質情況主要包括開挖面的穩定性、斷層和破碎地帶、擠壓和膨脹底層，以及可鉆掘性極限，對此必須做好準備工作，如在施工中應參考施工地質圖，對可能發生的地質情況作出預判，對于可疑地段，應加強地質預報，在預計到達特殊地質洞段前50.00m，應對TBM電氣、液壓、機械和灌漿等系統進行徹底檢修，確保TBM以最佳狀態通過不良地質洞段；在正常情況下，應對巖渣的巖性、塊度、成分和變化趨勢做出判斷，精確記錄下各系統運行參數，在此基礎上對前方的巖石情況進行判斷；再有，應對刀盤鏟斗進料口進行封堵設計，即裝配鏟斗封堵裝置，確保在遇到不良地質時，能夠減少出渣量，保證刀盤可自由活動以及TBM施工的連續性。

2 TBM技術在工程施工中的具體應用

2.1 工程概況及TBM設備選型

某重點輸水工程TBM施工段的隧道長度為21.60 km，開挖直徑為8.50m，由于工程為埋深長大隧洞，不便于施工，采用以

圖1 TBM設備調試工藝流程圖

概括而言，TBM施工技術具有如下特點：其一，施工速度快，能夠實現連續掘進，并與出渣、初期支護等作業同步完成；其二，施工質量高，機械破巖有效避免了對圍巖造成的擾動，也使模筑混凝土襯砌工程量得以減少；其三，施工高效，隧洞施工工TBM為主、鉆爆法為輔的聯合施工方案，以及開挖與初期支護同步進行的支護方式，本工程施工初期支護設計參數如表1。

根據隧道設計斷面、埋深、襯砌類型、地下水位以及圍巖的穩定性進行TBM設備選型，本工程圍巖類型以Ⅱ~Ⅲ為主，TBM采用的Ⅱ、Ⅲ圍巖純掘進速度花崗巖平均指標為2.40m/h，與TBM設備的理論純掘進速度相一致，工期分析采用的設備利用率為40%~43%，使得TBM施工的綜合管理水平得到有效保障。此外，本工程在TBM設備選型時，還綜合考慮了施工進度、造價以及電力、給排水、通風等條件的影響。本次選用的MB280高性能硬巖敞開式掘進機，在隧洞掘進及襯砌施工中，不僅速度快，還能夠采用柔性支護的方式進行支護，使模筑混凝土襯砌工程量得以減少。

2.2 工效分析及TBM施工方法

根據本工程圍巖地質條件提供的數據，TBM的滾刀貫入速度為6m/h，掘進軌跡為環形，參照刀具貫入指標，將TBM循環形成設為1.80m，不同類型圍巖的TBM作業循環時間分別為：33min（Ⅱ類）、33min（Ⅲa類）、33min（Ⅲb類）、59min（Ⅳ類）和111min（Ⅴ類）；掘進速度分別為：3.30m/h（Ⅱ、Ⅲ類），1.80m/h（Ⅳ類），1.00m/h（Ⅴ類）；掘進月進尺計算結果為：Ⅱ類圍巖700m/月、Ⅲ類圍巖750m/月、Ⅳ類圍巖400m/月、Ⅴ類圍巖200m/月。

TBM施工方法如下：其一，超前地質預報，TBM施工對地質條件非常敏感，在施工前必須做好超前地質預報工作，尤其是不良地質洞段，應對TBM設備的適應性以及圍巖的自穩定性進行準確評估，對掘進參數進行調整；其二，采取合理的支護手段，在主機掘進的同時，TBM主機及后配套設備應完成初期噴射混凝土支護作業，在不良地質洞段，還要進行鋼拱架安裝，支護作業流程為掛網→安裝拱架→安裝錨桿→噴混凝土，在斷層、破碎地帶的施工作業，刀盤轉速選用低速，待圍巖變化趨勢穩定后，再上調推進速度；其三，換步作業及掘進方向的控制，換步作業在掘進循環結束后進行，同時還要對掘進方向進行有效控制，每次換步都要進行調向，防止邊刀不受損傷；其四，輔助措施及施工管理，輔助措施主要包括施工供水、施工排水、施工照明、通訊、通風和供電等內容，施工管理主要包括人員配置、技術、質量、安全等內容。

表1 工程施工初期支護設計參數表

3 結論

TBM施工技術在工程應用中優勢明顯，該技術在我國應用的時間雖短，但是近年來由于加大了對相關技術的研發，TBM施工技術與國際水平距離正在拉近。本文結合TBM的工藝原理及施工方法，對TBM施工技術的具體應用進行了探討，希望能夠為TBM的設備選型提供一定的指導。

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