TBM施工關鍵技術探討
——以N-J水電站工程為例

夏 云，陳必振，陸廣東

(中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

TBM施工段沿線地質條件復雜，具有埋深大(最大埋深1870m)、隧道線長的特點。存在高壓外水、遇水頁巖軟化膨脹、高埋深隧道段收斂變形大、突水、穿越圍巖穩定性差復雜地質問題。在TBM施工過程中，成功應用了管棚技術、地質段膠結情況下的仰拱噴護、高埋深全斷面鋼拱支護，清碴帶與卸碴帶的聯動施工技術是保證隧道連接暢通的關鍵。

1 工程概況

1.1 NJ簡況

圖1 NJ工程建筑物及地下洞室布置圖

NEELUM-JHELUM(以下簡稱“N-J”)水電站工程位于AZAD JAMMU & KASHMIR州，為長隧洞引水式水電站。本工程引水隧洞總長28.6km(單線洞和雙線洞交錯布置)，共設置5條施工支洞(分別為A1-A5)，其中A1、A2支洞間的引水隧洞長13,577m，是本工程的關鍵線路和施工難點，擬在此段引水隧洞采用TBM進行掘進施工，見圖1。

2 TBM施工問題

圖2 施工現場圖

TBM施工段為雙線隧道，采用兩臺TBM逆坡自下而上開挖。圖2顯示，單臺TBM開挖長度約11.2km，沿水流方向設計縱坡約0.78%，設計開挖直徑8.5m，TBM施工段地質條件復雜，具有埋深大、洞線長的特點。主要工程地質問題有高壓外水、遇水時頁巖軟化膨脹、收斂變形大、涌(突)水、圍巖穩定性差、隧道穿越斷層破碎帶等。

TBM掘進施工過程中，隨著隧洞埋深不斷增加，逐步進入了高埋深、高地應力巖爆段，最高埋深達1870m，其中埋深>1500m的掘進里程在2km以上。針對復雜地質條件，TBM適應性差，掘進效率較低，施工難度大[1]。

3 NJ-TBM施工關鍵技術

3.1 穿越軟弱地層的管棚技術

TBM通過軟弱斷層帶施工過程中，根據超前地質預報(TST)與超前鉆探等常規的地質預報手段的結合來判斷TBM掌子面前地質情況，若出現不良地質情況可進行超前地質加固施工。采用TBM設備上配備傘狀鉆機對不良地段進行預加固處理。

1)管棚施工參數

TBM到達破碎圍巖洞段前3m開始進行管棚施工，具體里程將根據超前地質預報成果及掘進揭露的實際圍巖地質條件經各方協商后確定。管棚施工長度15m-25m，管棚處理范圍為頂拱120°范圍，鉆孔間距為400mm；管棚鉆孔設備采用TBM配套的傘狀鉆機進行鉆孔，根據傘狀鉆機的設計參數，管棚外插角為7°。管棚鋼管采用φ89mm無縫鋼管，壁厚5.5mm。預先在φ89×5.5mm鋼管上鉆φ10mm的出漿孔，孔距200mm，呈梅花型布置，出漿孔。為防止灌漿對刀盤的影響，護盾頂部及掌子面3m范圍內的鋼管不鉆注漿孔。TBM掘進，當刀盤距管棚端頭3m處開始進行第2個管棚施工，再繼續掘進后進行第3個管棚施工，如此循環直至TBM安全通過地質破碎帶。

2)灌漿技術參數

水泥漿濃度為1∶1.25-1∶0.8，灌漿初壓0.5MPa，終壓3MPa。漿液擴散半徑≥0.5m。灌漿前應按參數進行灌漿現場試驗，灌漿參數應通過現場試驗合格按實際情況確定，以確保達到固結圍巖的目的。

3)管棚施工方法及組織措施

管棚施工主要工序有：跟管鉆進、洗孔、制漿、灌漿、充填M30水泥砂漿或水泥漿，詳見管棚注漿工序，見圖3。

圖3 管棚注漿工序流程圖

4)管棚超前支護施工效果

管棚超前支護施工可以有效支撐頂部圍巖，同時對松散的巖石起到了固結的作用，保障了TBM設備通過軟弱斷層地段。

3.2 遇水泥化地質段的仰拱噴護

NJ工程TBM施工段地質情況為砂巖和頁巖組成，廣泛出露于工程區，泥頁巖遇水軟化及膨脹、圍巖穩定性差，隧洞還具有高埋深、高地應力，大收斂變形洞段等主要地質問題。隧洞的支護手段遵循新奧法理念，隧洞采用柔性支護，仰拱混凝土及時封閉，尤其是遇水泥化地質段，需要盡早進行仰拱混凝土的封閉施工，盡快完成全斷面的支護，通過定期對圍巖、洞室穩定性的監控量測，在保障隧洞安全。

圖4 管棚有效支護效果圖

TBM施工段隧洞支護體系由三部分組成，分別為L1區支護施工、仰拱噴射混凝土施工、L2區噴射混凝土施工。L1區主要使用錨桿、網片，TH拱架(根據圍巖情況而定)支護施工，針對遇水泥化地質段仰拱部位主要完成隧洞底部100°范圍內混凝土噴護施工，L2區主要采用TBM自帶的噴護混凝土系統進行260°范圍內的混凝土噴護施工，從而完成全斷面的隧洞支護施工任務。

NJ工程TBM施工段采用柔性支護手段，圍巖支護與圍巖共同變形受力。隧洞采用圓形斷面滿足靜力學上計算條件，因此要盡可能使結構平順以避免產生應力集中現象，同時盡早使結構閉合(封底)，以形成承載環。在遇水泥化地質段，其仰拱混凝土的噴護施工，保證了圍巖全斷面的封閉施工，防止泥巖遇水軟化，有效的保證隧洞支護的安全。

隧洞施工過程中為完善TBM設計的不足，在TBM連接橋底部增設了一套全新的濕噴系統，用于仰拱混凝土噴護施工，使混凝土噴護系統更加完善，及時完成隧洞支護的閉合，使其成為完整的承載環，隧洞支護分區詳見TBM分區支護圖(見圖5)。

圖5 TBM分區支護圖

引水隧洞采用TBM開挖施工，對圍巖擾動小，開挖所形成的斷面為圓形斷面，不產生突出的拐角，避免產生應力集中的現象，隧洞支護采用錨噴的柔性支護方式，尤其是仰拱混凝土的盡早噴護施工，使得圍巖全斷面盡快形成閉環，通過與圍巖的緊密結合，在隧洞的整個支護體系中，起主要作用的是圍巖本身，在進行施工過程中，對隧洞周邊定期進行位移收斂量的量測，通過數據說明隧洞支護滿足施工安全的需要。

3.3 高埋深全斷面鋼拱架支護

1)鋼拱架安裝系統的改良

TBM快速通過高埋深、高地應力巖爆段，其中最主要的施工技術就是快速支護施工技術，常規的錨噴支護不能滿足施工支護的要求，在施工中采取鋼拱架進行加強支護。TBM設備自帶的拱架安裝器從拱架安裝的角度時間較長，安裝精度不夠，對于拱架安裝器的改良工作成為了施工的重點和難點，工程技術人員結合現場的實際情況，創新性將原拱架安裝器的基礎上增加懸挑鋼結構及懸挑鋼結構端頭增加拱架固定裝置(見圖6、7)。

圖6 TH拱架拼裝后效果圖

圖7 TH拱架安裝器細部結構

改良后拱架安裝方面同未改良前拱架安裝器相比，減少TH拱架固定點、減少已安裝好拱架從護盾內脫出步驟，施工中減少TH拱架安裝人員投入的同時，也縮短了TH拱架拼裝時間。在TH拱架安裝精度上得到很大提升，TH拱架安裝定位更加精確、TH拱架的垂直偏差大幅減小，從而保障TH拱架具有良好的受力狀態。

2)鋼拱架快速安裝施工技術

本工法施工準備：一方面，施工現場根據施工需要，將TH拱架相關材料準備齊全，并堆放至拱架安裝器周邊。另一方面，TBM完成掘進施工，需要對L1區圍巖進行排險、清理，鋪設網片、錨桿支護施工，完成以上施工內容后，再進行TH拱架安裝施工[2]。

為縮短TH拱架安裝時間，提高TH拱架安裝精度，在拱架安裝器上增加懸挑鋼結構，懸挑鋼結構≥4個。TH拱架安裝施工，通過轉動旋轉器，將已經確定好的懸挑鋼結構轉動到底部，通過人工將拱架搬運至指定部位，并根據拱架最后搭接情況，進行第一根拱架的預留尺寸并使用TH拱架安裝器上固定裝置將TH拱架進行固定，使用風動扳手將固定裝置上螺栓擰緊。

按照固定方向轉動拱架安裝器，大約轉動角度為60°左右，將第2根TH拱架與第1根TH拱架進行連接(搭接長度為55cm)，將其連接螺栓使用風動扳手擰緊，并將第2根TH拱架與懸挑鋼結構固定。以上是完成了1個小循環TH拱架的安裝施工，繼續進行TH拱架安裝過程同上，略有不同的是在TH拱架與懸挑鋼結構可不進行固定，懸挑鋼結構只是起到控制TH拱架位置和垂直度作用。

當完成5個小循環施工后，TH拱架安裝進入最后1個環節，L1區頂部使用舉升小車將拱架頂至巖面，L1區鉆機平臺底部人工將第6根拱架與第1根拱架進行搭接，同時將張緊油缸放置就位，通過左右兩側鉆機進行TH拱架垂直度的微調，達到TH拱架安裝要求后，通過張緊油缸進行拱架的張緊施工，檢查TH拱架與巖面的貼合情況，TH拱架與巖面緊密貼合后將第6根與第1根TH拱架間連接螺栓使用風動扳手擰緊。

通過對原拱架安裝器與改良后的拱架安裝器進行對比，原拱架安裝器進行拱架安裝需要60-70min，使用改良后的拱架安裝器進行拱架安裝需要20-30min，從拱架安裝效率得到較大的提升；鋼拱架安裝投入的人員減少到原安裝人員的一半，大大的節約了人工成本；TH拱架安裝精度上得到很大提升，TH拱架安裝定位更加精確、TH拱架的垂直偏差大幅減小，從而保障TH拱架具有良好的受力狀態。

在施工過程中采用改良后的拱架安裝器可大大縮短TH拱架安裝時間，提高施工進尺，同時縮減人工成本，提高工程效益的同時也為隧洞早日貫通提供保障。

3.4 清碴皮帶與出碴皮帶聯動施工技術

1)棄渣清理施工工藝流程

施工準備→連續皮帶啟動→拖車尾部清渣皮帶啟動→小型挖掘機進行清渣施工→連續皮帶停止運行→拖車尾部清渣皮帶停止運行(本循環清渣完成)。

圖8 清渣系統后、右設計視圖

圖9 清渣系統左設計視圖

2)TBM輔助清渣皮帶的布置方案

TBM布置輔助清渣系統的空間狹窄，干擾因素非常多。上部的干擾因素主要是通風系統的風筒和連續皮帶以及連續皮帶的懸掛鏈條，下部的干擾因素主要是機車，要保證機車的安全運行。

TBM施工日均清渣量大約為40m3，清渣皮帶的運輸負荷很小，因此皮帶選型的原則是盡可能窄。布置皮帶時先定位下滾筒，在保證機車安全通行時盡量靠中。上滾筒定位時優先避讓懸掛鏈條，在空間無法滿足時可向右適當擠壓風帶，驅動電機擠壓風帶時做好防護措施避免將風帶損傷。

3)傳輸皮帶支撐結構選型

TBM設計時空間規劃已經非常緊湊，增設的皮帶出渣系統對連續出渣皮帶、洞內通風系統產生一定的干擾，在采取措施后將干擾控制在可接受范圍。皮帶支撐結構設計初步設計考慮為懸臂桁架不帶行走輪的方案。

皮帶系統和堆渣平臺的重量全部靠懸臂桁架承重，桁架末端和TBM拖車剛性連接。優點是承重平臺和TBM拖車成為整體，不受軌道鋪設質量的影響，始終和TBM拖車保持相對穩定。缺點是整套懸臂承重結構的加工量較大。

4)輔助清渣皮帶與主皮帶吊鏈干涉處理

圖10 活動溜槽處于伸出狀態

圖11 活動溜槽處于縮回狀態

連續出渣皮帶是采用鏈條固定在洞壁上，整體和隧道相對靜止。輔助清渣皮帶和TBM拖車相連，掘進時跟隨TBM往前移動，因此掘進時輔助清渣皮帶和連續出渣皮帶會有相對位移。輔助清渣皮帶要正常運行就必須解決出渣斗如何穿過連續皮帶懸掛鏈條的問題。

通過現場多次試驗研究，最佳解決方案是將出渣斗分成兩部分，與懸掛鏈條不干涉的部分做成固定渣斗，與懸掛鏈條相干涉的部分做成活動溜槽。運行時渣土由皮帶先進入固定渣斗，再經過活動溜槽，最后滑入連續皮帶運輸至洞外。

活動溜槽由溜槽和水平軸承滑道組成，可自由向前或向后滑動。實際運行中活動溜槽只有兩種工作狀態，輔助出渣系統運行時采用伸出狀態，溜槽隨TBM往前移動快碰到懸掛鏈條時采用縮回狀態，此時輔助出渣系統暫停運行，當活動溜槽通過懸掛鏈條時恢復伸出狀態進行出渣。在水平軸承滑道上設置限位栓，在活動溜槽伸出或縮回時將其固定。

5)操作要點

隧洞棄渣施工準備相對而言比較重要，并分為兩部分，其一，將清渣皮帶區域小型挖掘機清理的有效范圍進行清理和將混凝土棄渣進行集中；其二，TBM掘進施工的各項工序均要滿足掘進施工的要求[3]。

連續皮帶保持運行狀態時，將清渣皮帶溜槽伸出，啟動清渣皮帶，通過拖車尾部小型挖掘機將棄渣清理至清渣皮帶上，棄渣經過清渣皮帶運輸至連續皮帶，此過程為完成一個清渣小循環，清渣過程就是由若干個小循環組成。當連續皮帶停止時，及時停止運行清渣皮帶，避免棄渣過多，造成皮帶損傷。

4 結 語

文章在N-J水電站工程復雜的地況下進行TBM施工，探討在TBM施工過程中穿越軟弱地層的管棚技術、遇水泥化地質段的仰拱噴護、高埋深全斷面鋼拱架支護、清碴皮帶與出碴皮帶聯動施工技術等技術的應用方案，保證施工安全順利完成。