深埋長隧道TBM施工技術要點探討

李樹元

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引言

全斷面掘進機是集機械、電氣、液壓、光學、氣體等系統為一體，集開挖、支護、清渣等施工工序于一體的隧道掘進施工設備，具有挖掘速度快、環保、綜合優勢高等優點，可實現傳統鉆爆方法難以實現的復雜地形條件下深長隧道的施工，廣泛應用于水利、水電等領域以及交通、礦山、市政工程等隧道工程。在隧道工程中，常被分為硬巖TBM和軟土TBM，巖石掘進機的優點在于該掘進機一般用于在穩定性好、埋藏厚度適中、平均強度高的巖層中開挖長隧道，這種挖掘機需要解決的根本問題是如何破碎巖石，保持挖掘機高效穩定的運行。而軟土隧道掘進機一般用于在地下水位以下、壓力有限的大部分均質軟土層中挖掘長度有限的隧道，這種機器的根本問題是面臨空洞、開挖面的穩定性不足和城市地表的沉降等問題[1]。

目前我國有兩種全斷面掘進機：巖石掘進機和盾構機，TBM是一種適用于開挖堅硬巖石的隧道掘進機，盾構機是一種適用于軟巖和軟土地基的掘進機，當然也存在應用于硬巖的復合盾構。硬巖TBM可分為敞開式TBM、雙盾構TBM和單盾構TBM，硬巖TBM替代了傳統的鉆爆法，適用于山區隧道硬巖開挖，同等條件下，開挖速度比常規鉆爆法快4～10倍，最佳日長度可達150m。具有速度快、質量好、安全經濟等優點，有利于環保和勞動保護，尤其是高效率、高速度，更是可以讓項目提前完成，提前創造價值，這對中國的現代化建設非常重要。軟巖隧道掘進機適用于軟巖隧道施工，它是城市地鐵建設中速度快、質量好、安全性能高的先進技術，盾構機修建的斷面隧道對地塊影響小，不影響地面建筑物和交通，減少了對地表和地下室的大量拆除[2]。這兩類設備的技術開發和應用在我國地下工程領域具有廣闊的前景。

1 TBM掘進法施工概述

TBM法是挖掘隧道、廊道等地下空間的方法，簡而言之，TBM法使用專用的大型切割設備對巖石進行剪切、擠壓和破碎，然后通過相應的輸送設備輸送礫石，分為全斷面TBM開挖施工、單臂鉆機開挖施工、天井鉆機開挖施工和盾構TBM開挖法。其中隧道掘進機是全斷面隧道開挖的專用設備，它利用工具在大直徑轉盤上的擠壓和滾動來破碎巖石，美國羅賓斯公司于1952年開始生產第一臺鉆孔機。1970年以后，挖掘機發展迅速，開挖直徑為1.8～11.5m，在中硬巖中，開挖80～100m3的大斷面隧道，平均開挖速度為350～400m/月，作為美國芝加哥健康管理區的隧道和水庫項目的一部分，一條直徑9.8m的隧道已通過石灰巖挖出，月挖深度可達750m，著名的OSSO頭隧道的直徑為3.09m，頁巖開挖量可達每月2088m。與爆破法相比，隧道掘進機具有挖掘速度快、人力少、施工安全、地表平整、成本低等優點，但也因為機身巨大，運輸不便等缺陷令其只能用于開挖長隧道，不能調整機器直徑，因此對地質條件和巖性變化的適應性低，用途有限。

2 施工技術

2.1 TBM施工選線技術

露天TBM采用破碎巖石機械開挖，隧道周圍巖石擾動范圍為2.0～3.0m，結合工程地質條件，TBM施工段線路埋深確定為：該段盡可能位于穩定巖層中，完整巖層埋深（平均風化線）一般不小于1D（D為開挖直徑），特殊情況不小于0.5D，但必須采取內外加固措施隧道的表面。局部地表回填較厚，可適當增加靠近結構的部分埋深。TBM施工段線路盡量沿城市主干道鋪設，盡量避開既有建筑物（構筑物）、樁基和規劃建設項目。線路平面應盡量平直，最小彎曲半徑R≥300m，并應采用較大的彎曲半徑，以滿足TBM施工線路合理埋深的要求[3]。

2.2 貫通測量

貫通測量有利于開挖過程中的線偏修正，特別是在長而硬的巖石隧道中。在TBM隧道掘進勘查中需要注意的是，隧道內控制勘測的精度水平要高于掘進誤差預測所確定的精度水平，隨著隧道開挖的延長，隧道內導體的邊長應適當加長，以減少對中誤差、瞄準誤差和測距誤差對引導精度的影響。另外，TBM、后視棱鏡、測站（制導系統中全站儀的鏡面設置點）的實際位置經常需要通過儀器探測等手段進行檢測，以保證輸入數據的準確性。以及制導系統測量的數據，進出口兩臺TBM相對時，應定期進行隧道內控制測量的接觸測量，以保證隧道的順利連接，后視棱鏡的位置應選擇在可靠、安全、方便的地方，并采用精密測量法測量其三維坐標，隨著隧道掘進，應根據激光制導系統的要求及時前行，兩個前視棱鏡的位置與TBM的軸線形成固定的相對位置關系。需要經常檢查棱鏡的位置是否牢固，以免因振動引起棱鏡松動，為避免相鄰棱鏡反射光束造成的測量誤差，棱鏡配備專用伺服電機，在軟件的控制下，可交替擋開棱鏡（全站儀對準一個棱鏡時，自動棱鏡開，另一棱鏡自動擋，反之亦然），確保每個棱鏡都能被擋住。隨時獨立準確測量，在開挖過程中，注意檢查它們的交替屏蔽和打開順序是否正常，測斜儀自動監測TBM掘進姿態，其安裝位置與TBM本體形成固定的相對位置關系，經常檢查安裝是否牢固，確保位置關系正確，密切觀察控制臺上的工控機屏幕，監測隧道開挖實際中心線位置與設計中心線位置的關系（包括縱斷面和水平面的位置偏差、刀盤開挖位置等），并及時調整開挖偏差。如發現突然異常，應停止開挖，查明異常原因，排除故障，確保開挖方向準確。

2.3 TBM施工支護技術

敞開式TBM施工區間采用圓形襯砌斷面，隧道開挖直徑即初期支護外輪廓直徑D=6.36m。敞開式TBM施工支護形式按照新奧法理論設計，初期支護采用噴、錨、網聯合支護，必要時采用鋼架加強支護，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土。根據地層及設備情況，鋼架間距一般取0.75m/榀、1.5m/榀或兩者交錯布置。局部圍巖較差段可人工加密增設。當遇局部淺埋、表層厚填土及臨近建構筑物等特殊地段時，可采用洞內超前支護、地表注漿或其他加固措施，確保TBM施工安全。

2.4 刀盤磨損

刀盤是硬巖掘進機的關鍵部件之一，是破巖的直接執行機械部件。隧道硬段巖石非常堅硬，巖石最大單軸抗壓強度為296.5MPa，工具磨損嚴重，檢查更換工具頻繁，TBM推進速度為非常低。正常情況下，平均刀盤推進速度為60～110mm/min，而該段隧道刀盤推進速度為2～30mm/min，大大降低了行車效率，為提高驅動效率，減少刀盤磨損，采取了以下措施。①在密集節理區采用澆注加固圍巖，結合施工現場實際情況，采用新型聚氨酯化學漿料澆筑刀盤前圍巖未開挖，固化圍巖，每期可以加強1.5～3m，效果可以達到理想程度。②合理的開挖參數選擇是因為TBM在強節理區開挖時，為了減少刀盤對圍巖的擾動和刀盤前部巖石對刀盤的影響，破巖工具、TBM參數應合理選擇，結合開挖過程中的實際TBM數據和圍巖情況，低速、小推力、低扭矩的刀盤（轉速約2.7r/min，推力6～12MPa，扭矩不超過額定扭矩的50%）為選擇。此外在掘進過程中，TBM主工可以用5MPa左右的壓力推動上盾體和盾體側筒，保持盾體和隧道壁的浮動支撐，大大降低了振動和峰值扭矩，減少對刀具的沖擊力，減少刀具的異常損壞，弱爆破刀盤前塌落的巖石，應根據刀盤前場地的圍巖情況進行弱爆破或人工清理，以減少或避免大石塊對刀盤和隔板的破壞，對刀盤前巖石進行爆破時，應采用低爆破控制載荷，保護刀盤工具，防止爆破時飛石損壞刀盤工具。③保護和改進切削工具———刀盤，為提高刮渣機整體強度，避免刮板過早失效，結合圍巖實際情況，刮板可采用40mm耐磨鋼板制成，提高抗巖石沖擊能力，同時，為了提高刮板的抗巖石沖擊能力，采用30mm耐磨鋼板對刮板座進行修復，為提高刮刀座強度，刮刀座架板采用40mm耐磨鋼板加固，用30mm耐磨鋼板修補加固刀盤，提高刀盤強度；使用40mm耐磨鋼板切割電弧防護罩并加固孔防護罩，以保護孔和面板免受損壞，當切削孔發現裂紋時，應及時進行焊接，以防止裂紋進一步擴散，影響刀具和刀盤的應力結構[4]。

3 隧道進口段TBM掘進法施工技術

3.1 隧道掘進機開挖原則

開挖采用階梯法，運輸采用無軌運輸。初期支護應及時封閉開挖面，并做好隧道的監測和測量工作，根據監測結果，及時調整防水涂料的配套參數和施工時間。整個隧道斷層破裂帶的隧道入口和平交處淺埋應按照短程開挖、低爆破（雖然采用隧道掘進機開挖，但局部爆破不可避免）的原則。圖1為單護盾的復合式TBM施工工法流程。

圖1 單護盾的復合式TBM施工工法流程

3.2 洞口段開挖

這需要將隧道開挖過程中采用分層開挖，施工機械以大功率挖掘機為主，使用裝載機和推土機平整和壓實入口場地，對堅硬的巖層進行鉆孔爆破時，應使用自卸車將巖石傾倒到指定的挖方區或填方區。隧道入口周圍的巖石是一塊松散的巨石區域，為保證洞口周圍巖石的穩定性，采用階梯式開挖法：第一步將土方開挖至開挖線的形狀，并保留基土，在基土平臺上搭建大管棚，用于前向支撐；第二階段包括在高級支護完成后挖掘中央地面和主隧道，船首前壁和洞口的涂層應先修補，及時補水層，該段施工避開雨季并遵循“短進尺，弱爆破，快封閉，強支撐”的施工原則。圖2為洞口開挖流程。

圖2 洞口開挖掘流程

3.3 邊仰坡施工

進洞前，首先完成洞頂排水溝、洞外截水溝，以便預計引離地表水。然后，自上而下進行邊仰坡開挖，嚴禁掏底取土或使用大量爆破，施工中盡量減少對原巖層的擾動，最后，按設計坡度對邊仰坡一次修整到位，并分層進行邊坡防護，以防巖土風化，雨水滲透而坍塌。在隧道洞口邊，仰坡采用錨噴防護，坡面修整好后按設計要求成孔，成孔后及時將錨桿送入孔中。使用水泥砂漿注漿，水泥砂漿強度不低于20MPa，其配合比要符合設計要求。注漿時先高速低壓從孔底注漿，當水泥砂漿從孔口溢出后，再低速高壓從孔口注漿，注漿壓力為0.4MPa。為增加漿液的和易性和水泥砂漿的早期強度，在漿液中摻入適量的減水劑和早強劑。同時在編鋼筋網時，依托錨桿頭掛焊φ6鋼筋網，逐點焊牢，同時邊敲擊筋條貼合巖面凹凸起伏（間距不大于3cm），保持平順，特別凹陷處應增加掛網錨桿固定。噴射小石子混凝土前對巖面應先噴水濕潤，以免混凝土層成殼脫落，在網片生銹前及時從上向下噴射。噴射小石子混凝土的配合比、外加劑摻量、氣壓、水量、噴距、每次噴厚、層次等應經現場工藝試驗確定[5]。

4 結語

因TBM系統龐大復雜，系統性強，不同機型、不同地質條件下的TBM施工都有其特殊性，都會因各種原因在眾多環節上影響生產效率。從設備到場前期準備開始著手，周密安排，統籌規劃，密切關注生產環節的銜接，注重對各種數據的統計分析，是提高TBM生產管理水平進而提升實際施工效率的有效途徑。