長距離小直徑洞室采用TBM 掘進施工技術研究

王成文

（中國水利水電第四工程局有限公司，西寧 810000）

1 工程概況和特點

扎西揚頂至古學組右岸通村公路工程位于西藏自治區芒康縣曲孜卡鄉境內。本工程主線洞身段傳統開挖優化為TBM 工法施工，TBM 施工隧洞開挖直徑3.64m，洞身最大縱坡3.21%。施工總長度約5.5km。隧道巖體為印支期花崗閃長巖，該巖體堅硬，完整性較好，地表出露為中風化。依據洞室圍巖的巖質、巖體結構類型、風化卸荷特征以及巖體完整程度等，對圍巖進行分類，中風化花崗閃長巖劃分為Ⅲ2 類，微風化花崗閃長巖劃分為Ⅲ1 類，斷層帶劃分為V 類，斷層影響帶和節理密集帶劃分為Ⅳ類。

2 TBM 施工工藝流程

TBM 施工程序主要包括：施工準備、TBM 設計及設備制造、工廠組裝及調試、工地運輸、現場組裝及調試、步進及始發、試掘進、掘進貫通、拆卸，具體工藝流程詳見圖1。

圖1 TBM 施工工藝流程圖

3 施工方法及操作要點

3.1 施工準備

施工準備階段需具備TBM 進場施工條件，包括運輸道路、施工場地、始發洞室、相關輔助工程、風水電條件、人力資源、機械設備、材料工機具等滿足施工要求，人員安全教育培訓、圖紙資料審核、技術方案及交底等全部到位。

3.2 TBM 組裝

3.2.1 TBM 組裝前準備工作

①制定組裝施工順序；②制定組裝施工計劃；③明確組裝施工方法；④制定組裝安全、質量控制措施及目標；⑤組裝施工作業人員理論及技能培訓；⑥TBM 組裝設備選擇。

3.2.2 組裝施工工藝及技術要求

①機械部件組裝技術要求。

1）部件清潔：機械部件在組裝前，必須做到先全面清潔，尤其是螺栓孔、配合孔、工藝孔、連接面等必須重點清潔，不得有任何碎屑雜物的殘留。2）焊接作業技術要求：TBM 刀盤的材料Q345D 型鋼板，要求焊接作業人員必須具有高級焊工資質。由于刀盤為TBM 的關鍵部件，因此焊接材料為E5015 型堿性焊條，焊接方式為電弧焊。Q345D型鋼板含碳量在0.345%-0.45%之間，厚度大于70mm，在低溫下焊接前應進行預熱。3）焊接溫度控制技術措施：預先規劃刀盤焊接區域，焊接過程加強溫度檢測，實時監控的溫度計，紅外遙感測溫槍，對焊接部件進行精確的溫度控制。需要翻轉焊接時，利用門機將刀盤翻轉定位。

②組裝現場布置及大型部件存放。

TBM 的組裝采取整體組裝、步進的形式。主機部件的存放需預先指定存放區域。

③TBM 組裝方法：TBM 整體組裝按照從前到后的順序。主機組裝完成后拼接后配套拖車，整體組裝和部件組裝同步進行，具體組裝流程詳見圖2。

圖2 組裝流程圖

④TBM 后配套組裝：所有后配套臺車安裝連接完成后，需進行主機、設備橋的安裝。首先安裝主機皮帶，調整各段皮帶機支架位置后固定，然后安裝皮帶，硫化設備皮帶；再進行1-2 號臺車、設備橋、最后整機組裝連接。

3.3 TBM 始發流程

3.3.1 TBM 步進及始發洞施工

①主機、設備橋所有附件安裝完畢后，即可進行步進。TBM 整機步進到位后，即可進行電氣系統長大線纜的鋪設。

②TBM 始發洞開挖完成后，進行噴錨支護，滿足TBM在始發洞內伸出撐靴，TBM 始發前刀盤距離掌子面至少0.5m，便于刀盤轉動。

3.3.2 TBM 調試

TBM 調試工作主要為液壓系統調試、電氣系統調試、PLC 控制系統調試等。

①調試前準備：1）檢查護盾、刀盤與步進機構底板的干涉程度，確保刀盤旋轉不受任何干涉；2）確認撐靴與始發洞壁的安全距離確保撐靴油缸行程要求；3）檢查電氣系統電纜連接是否正常，及高壓系統開關的完成情況；4）檢查液壓系統閘閥的完好性；5）檢查冷卻用水及液壓油、齒輪油油位是否正常；6）調試、巡檢人員必須了解設備各使用按鈕，配置通信設施。

②設備調試流程：TBM 運行之前，對TBM 主機和后配套系統進行調試檢查。首先對電氣系統、液壓系統以及與主機系統有關的連接設備等進行檢驗，經檢驗后進行TBM 設備調試工作，調試工作包括所有的運行系統，設備TBM 設備調試由廠商派專業人員進行操作。

3.4 TBM 洞身掘進

TBM 施工以洞身掘進開挖、支護、出渣三大作業為主，通風、供電、供水、施工物資運輸等其他輔助作業，一切均以開挖掘進作業為核心。開挖掘進作業的同時其他作業并行或連續進行，以不影響開挖掘進作業為原則。TBM 掘進作業流程詳見圖3。

圖3 TBM 掘進作業流程

3.5 TBM 導向測量系統

導向系統采用VMT 自動定位隧道導向系統，由PC機、隧道掘進軟件、激光經緯儀、ElS 靶、控制盒、調制解調器、激光發射器、電纜等組成，能對TBM 掘進時的姿態位置、水平和垂直偏差進行監測控制并顯示預警，操作工可及時根據導向系統顯示的信號數據，實時對TBM 的掘進方向以及姿態等各方面的調整，保證據進方向無誤差，確保隧道掘進的質量和安全。

3.6 TBM 掘進模式的選擇

3.6.1 掘進模式的選擇

TBM 設備提供了三種自適應的掘進控制模式，即恒功率控制模式、恒扭矩控制模式和手動控制模式。在掘進中根據不同圍巖條件選擇不同的掘進控制模式，恒扭矩控制模式宜用于均質軟巖，恒功率控制模式宜用于均質硬巖。因手動控制模式便于操作，操作靈活，適用于各種巖層，故一般宜采用手動控制模式。

3.6.2 掘進參數的選擇和調整

①掘進參數的選擇。參數選擇是影響軟弱圍巖施工的關鍵因素。掘進參數是指刀盤轉速、扭矩、推力以及掘進速度、撐靴系統的撐緊壓力等，根據掘進參數的變化可以推斷圍巖的變化情況，其中：推力大小反映圍巖強度，刀盤扭矩大小反映圍巖完整性。合理選擇和調整掘進參數可有效地減少剝落與坍塌。

②掘進參數調整。TBM 設備在軟弱圍巖中掘進施工，如仍采用硬巖的掘進參數，易增大圍巖剝落，增加支護工作量，嚴重時，將發生刀盤被卡，皮帶機皮帶拉傷或被卡滯；也會使刀具損壞量增加；或導致撐靴打滑，造成停機；掘進方向不受控，刀盤易下沉，機身滾動，掘進方向出現過大偏差等。上述問題將嚴重影響TBM 施工功效的發揮，制約施工進度，且施工質量難以保證。為盡可能避免上述問題發生，取得高效的掘進速度，必須在掘進過程中根據不同巖石級別調整TBM 掘進參數。

3.7 TBM 掘進速度指標合理規劃

3.7.1 TBM 掘進速度指標分析

①TBM 掘進中主要調整和控制的參數：1）刀盤轉速；2）刀盤推力；3）切深（貫入量）；4）刀盤扭矩；5）推進行程；6）撐靴壓力。

②影響掘進性能的主要地質參數：1）圍巖類別；2）巖性；3）巖石抗壓強度；4）巖石的裂隙程度。

3.7.2 參數的監測、分析

柵格轉換矢量后疊置分析法。綜合運用內部點擴散算法、復數積分算法與掃描算法將插值后的柵格圖像轉化為矢量圖形后，運用空間鏈接（Spatial Join）將轉化后的因素分值矢量圖中的分值賦予定級單元。

對TBM 掘進施工工作參數、性能參數、地質參數進行監測與統計分析，取得不同圍巖級別下的掘進參數最佳匹配規律，作為其他工程TBM 施工的重要參數積累和參考。

對TBM 掘進各種狀態參數監測采集，掌握在各種狀態下掘進的工作參數、掘進性能隨圍巖類別、抗壓強度、裂隙狀況不同而發生的變化規律，為合理選擇主要工作參數、進行參數間的優化組合匹配，實現快速掘進、降低能源消耗提供操作時的選擇依據。

監測的主要狀態參數主要有六個：①刀盤推進速度的監測；②刀盤轉速的監測；③刀盤推力的監測；④功率利用率的監測；⑤刀盤扭矩的推算；⑥切深（貫入度）的推算。

監測方法：利用TBM 本身的數據采集記錄系統，在掘進過程中對各參數跟蹤記錄，將扭矩、推力、推進速度、切深、功率利用率、轉速、推進缸壓力等性能參數采集匯總。

參數分析：根據監測系統采集的數據進行回歸分析，建立與地質參數對應的關系曲線，進行曲線擬合，建立回歸方程。關系曲線相關參量有：切深（貫入度）與扭矩、切深與推力、切深與掘進速度、掘進速度與功率利用率。

利用關系曲線，總結規律，為TBM 操作司機提供不同圍巖條件的最佳匹配數據。獲得最佳的TBM 掘進效能。

TBM 施工快慢主要由掘進速度和有效運轉率來體現。掘進速度快，有效運轉率高，施工速度快，月進尺就多。

4 施工風險源及應對措施

4.1 TBM 淺埋段斷層節理密集帶施工是重點

①巖石斷層破碎帶是安全隱患之一。因圍巖穩定性極差，容易發生坍塌、掉塊，造成巖塊堵塞出料口并卡機的現象，同時可能會碰到少量裂隙水，存在滲水漏水現象，若斷層附近地下水活躍，加上埋深比較淺，則更易發生塌方、冒頂等現象。為了及時掌握斷層的潛在影響，施工過程中可利用TBM 自帶地質預報探測設備進行探測，并結合前期勘察資料，安排適量的超前注漿預處理。

4.2 長距離大下坡重載出渣安全運輸是重點

為滿足掘進需求，電瓶車空載進洞，滿載出洞，最大坡度3.21%，長距離大下坡重載出渣安全運輸是重點。

主要對策：①機車剎車制動系統針對性設計；②控制能力針對性設計。

4.3 逆坡排水

①風險源分析。逆坡排水需防止TBM 設備機頭處積水過深，危及隧洞施工的設備及人員的安全，影響正常的施工生產。

②應對措施：1）TBM 刀盤、電動系統等關鍵部件均采用IP67 防水等級，提高設備自身的防排水能力；2）TBM 靠近前盾部位配置大功率水泵和應急排水接口，一備一用，后配套同樣應配備大功率水泵對出現大股突涌水等惡劣情況時及時抽排，從而保障設備安全；3）加強超前地質預報，將超前地質預報納入工序管理；4）根據超前地質預報所揭示地質斷層及地下水的水量情況，視地質情況采取超前預注漿、超前小導管注漿等；5）TBM 施工中，洞內必須保證排水工作24 小時正常運轉，供電系統必須保證24 小時不間斷運行；同時，現場配備應急電源，滿足緊急情況下抽排水設備正常運行。

4.4 TBM 破碎帶施工

①風險源分析。TBM 破碎帶段施工主要為支護工作量大，清渣量大，破巖圍巖卡刀盤、卡盾體風險等。

②應對措施：1）為使TBM 快速通過斷層破碎帶地層等不良地質段，TBM 大推力、大扭矩設計；2）TBM 盾體分塊可伸縮設計，在破碎帶通過盾體的伸縮可有效解決TBM 卡機問題；3）根據超前地質預報所揭示地質斷層及地下水的水量情況，結合以往施工經驗和結構設計要求，視地質情況采取超前預注漿、超前小導管注漿等支護方式對破碎圍巖進行超前支護；4）TBM 施工前，對隧洞區域進行詳細地質補勘，核實確定隧道掘進地質情況。

5 結語

通過在西藏高海拔地區采用小直徑TBM 對長距離洞室掘進，在工期緊、難度大、風險高、不確定因素多，可借鑒的施工經驗少的條件下。對TBM 組裝、始發、掘進、拆卸等方面通過嚴控TBM 組裝工藝和技術要求、導向測量、掘進模式選擇與參數調整、掘進速度指標分析和不同巖石條件下掘進參數的選擇等技術手段和施工風險應對措施等不斷研究，成功的突破長距離小直徑洞室采用TBM 掘進平均每日掘進在20m 以上，取得了掘進突破700 米/月的成果，達到國內小直徑TBM 在高海拔地區長距離洞室掘進進尺領先水平，為今后高海拔地區采用小直徑TBM 掘進施工提供可借鑒的寶貴經驗。