TBM隧洞項目中的設備、施工及勞動組織管理

安 清 泉

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

CCS輸水隧洞長度為24.823 km，隧洞沿線地質條件復雜。根據隧洞穿越的圍巖結構分類，Ⅱ類圍巖約占隧洞總長的60%，主要為隧洞中部迷薩華林地層的安山巖體；Ⅲ類圍巖約占隧洞總長的20%，巖體以層狀結構為主，質量中等，包括進口段花崗侵入巖和浩林地層的砂巖、頁巖；Ⅳ類圍巖約占隧洞總長的20%，分布不連續，主要為斷層及其影響帶。

經過多次專家論證，最終決定CCS輸水隧洞采用雙護盾硬巖全斷面隧洞掘進機掘進，瑪蒂技術有限公司皮帶輸送系統出渣，6+1管片全斷面襯砌的施工方案。

隧洞設計為圓形斷面，開挖直徑9.1 m，成洞直徑8.2 m。隧洞出口段于2012年9月21日正式掘進，至2013年11月30日，除去設備檢修、1#皮帶安裝、錯車平臺安裝、皮帶加力站安裝等，平均日進尺為23.12 m，最高日進尺為46.9 m，平均月進尺為703 m，最高月進尺為1 000.41 m，創造了雙護盾硬巖全斷面掘進機施工的南美最高記錄、同類機型世界第三的最高紀錄。筆者在現場施工中認識到：只有先進的設備、完善的配套設施與科學嚴謹的施工組織管理相結合，才能充分發揮TBM快速掘進的性能。

2 設備管理

2.1 組織管理

項目部制定了《CCS輸水隧洞出口段TBM設備管理辦法》，建立了項目部總工程師→TBM作業部→領班工程師→施工作業組的設備管理組織體系，完善了點、線、片、面、整體管理，逐層分工負責的崗位責任制原則。對從設備組裝到維修保養都制定了嚴格的規章制度，實行標準化作業、程序化管理。

2.2 組裝管理

TBM單件重量達105 t，拼裝場地的承載力為300 kPa。組裝設備主要有：2×200 t龍門吊車1臺，3.5 t伸縮臂叉車2臺，20 t、40 t平板拖車各1輛，25 t、50 t、75 t、160 t汽車吊各1輛。TBM組裝順序：安裝前護盾部件→主軸承→支撐護盾→主推油缸和后護盾電機→皮帶機前半部分和下料槽→安裝刀盤和主軸承連接→撐靴盾油缸→安裝所有的輔推油缸和主驅動電機→伸縮盾頂塊→外盾頂塊和連接油缸→尾護盾→管片安裝器和超前鉆→主機輔助設備→連接橋→1號后配套上的輔助設備→2～9號后配套上的輔助設備→液壓及電氣設備→風水電→皮帶機等設施。設備組裝前，項目部邀請國內有關專家和技術人員編制了《雙護盾硬巖掘進機組裝施工組織設計》，制定了詳細的組裝工藝和操作細則。中方工作人員在HERRENKNECHT AG公司技術人員指導下，花費了9周時間，順利完成了TBM的組裝調試工作。由于TBM設備功能塊較多，操作要求嚴格，組裝時我們嚴格按HERRENKNECHT AG公司提供的技術規范操作，按照HERRENKNECHT AG公司的要求分兩班(12 h)進行組裝，同時分四個工作面進行組裝工作，并認真接受外方技術人員的指導。

2.3 維修保養管理

施工過程中，必須對設備進行全面、規范化的維修保養。認真實施預防性保養是降低設備故障率的前提，可以減少機械設備的維修次數，從而減少不必要的停機。

2.3.1 主軸承的維護

主軸承是TBM最重要的部件之一，潤滑條件對其使用壽命影響極大。主軸承潤滑分三個獨立的回路，油箱和油泵分離，必須經常檢查其密封情況，防止串油。注意定期檢查氣動油脂泵的工作狀況，定期更換潤滑油。主軸承的維護是TBM設備維護的重點，由液壓工程師負責實施。

2.3.2 刀具的檢查及更換

刀具是TBM的主要部件，必須定期檢查、更換，以延長其使用壽命。每個掘進班兩個循環檢查一次刀盤，發現渣中有金屬構件或刀盤區域有異常的噪音、氣味時，應立即停機檢查刀盤，檢查的重點是中心刀和邊刀。

根據刀具磨損規律，刀具組負責人制定了詳盡的刀具更換及調位計劃，及時更換達到磨損量或損壞的刀具，盡量避免在掘進過程中更換刀具。刀具修理人員及時修復損壞的刀具并保證其裝配質量。

2.3.3 除塵風機的維修與保養

除塵風機故障對施工影響很大。由于粉塵增多，激光穿透力減弱，進而影響管片的安裝、軌道的鋪設和掘進方向的調整。洞內能見度降低，管片安裝工作無法與掘進同時進行，既延長了停機等待時間，同時對施工人員的身體健康造成危害。

將除塵風機列入重點維修保養范圍，定期檢查除塵電機的工況，及時清洗濾網。

2.3.4 管片安裝器的維修與保養

管片安裝器故障對施工進度影響巨大。由于管片安裝器長期進行管片安裝，掘進速度的快慢決定管片安裝的速度，維護人員每天必須對其進行機械、液壓、電氣的保養工作。

2.3.5 管片運輸設備的維修與保養

管片運輸設備包括：管片快速卸載器、管片吊機、管片喂片機。

管片快速卸載器工況的好壞決定管片的卸載速度及小火車運輸速度。維修人員每天必須對其進行液壓系統、電氣系統、遙控系統的保養工作，檢查機械系統是否處于正常的工作位置。

管片吊機每天從事管片吊裝任務。管片吊機每天至少吊運140片管片、12根軌道、50榀鋼支撐，任務非常繁重，維修人員每天必須進行機械、液壓、電氣、遙控、軌道的維修保養工作。

管片喂片機輸送管片的快慢決定管片的安裝速度。維修人員每天必須進行機械、液壓、電氣、遙控系統的保養工作，每隔6個月更換一次喂片機的耐磨塊。

2.3.6 灌漿系統的維修與保養

TBM管片安裝完成后需對管片進行豆礫石、砂漿、水泥漿的回填，輸水隧洞成型洞質量的好壞，其決定因素在于回填灌漿的好壞。

豆礫石回填系統由空壓機、豆礫石上下料系統、豆礫石泵、輸送管道系統組成。維修人員必須進行機械、液壓、吊裝、電氣、管道的保養工作。豆礫石管道由于長期運行需經常更換，每班設專職人員進行更換和維修。

砂漿系統按照每兩環進行灌注。每天維修人員必須進行灌漿泵、灌漿罐、吊機、灌漿管路、電氣系統的保養工作。掘進班根據工作要求及時清洗灌漿罐及管路。

水泥漿回填系統設置在7#臺車。維修人員每天必須進行機械、吊機、管路、電氣的保養工作。

2.3.7 皮帶運輸系統的維修與保養

洞內外皮帶運輸系統包括：1#、2#、3#、4#、5#出渣皮帶系統、皮帶機控制柜、皮帶加力站系統。

洞內主機皮帶運輸系統包括：1#、2#皮帶系統。每班維修人員必須檢查皮帶、托輥、刮渣板、液壓、剛橋架、電氣設備的工作狀況并及時更換配件。

洞內外3#、4#、5#出渣皮帶系統擔負主要的出渣運輸工作，每班維修人員必須進行皮帶的清洗檢查、皮帶托輥更換、托輥架、電氣系統的檢查工作，在皮帶運行時及時處理皮帶跑偏、皮帶吊鏈調整的工作。

洞內皮帶加力站系統承擔皮帶張力拉緊的工作。維修人員每班必須進行電機、傳感器、皮帶的維護工作。

其它部位的維修保養。在維修保養中，將電氣設備的絕緣防護等做為重點保養對象，并對其它設備做一般預防性保養。

2.4 設備管理要領

(1)科學制定并嚴格執行設備維修保養計劃，堅持定期保養、定期維護，實現制度化、規范化管理。

(2)加強設備故障統計和分析研究工作，減少常規性故障的發生，提高故障診斷能力，發生故障后能夠及時排除。

(3)加強設備狀態檢測和油水檢驗管理，特別是對主電機工作狀態進行檢測及主軸承潤滑油進行檢驗。

(4)根據設備配件消耗規律，制定合理的購置計劃，在滿足使用要求的前提下，盡量使用國產配件，以降低工程成本。

3 施工管理

TBM施工時開挖、出渣、運輸、襯砌等工序平行連續作業，要求洞外配套設施的能力必須滿足TBM掘進的需要并且布局合理。TBM施工工序較多，必須編制實施性施工組織設計，制定關鍵工序作業指導書，加強工序銜接，確保施工的連續性。

3.1 洞外配套設施的管理

根據TBM的施工特點，結合列車編組順序和運輸方式，將刀具修理車間、砂漿拌合站、豆礫石堆放區、機修車間、管片堆放區等配套設備沿運輸軌道成條形布置，達到各工序協調動作的目的，保證管片運輸及材料供應的連續性。

3.2 洞內施工管理

TBM隧洞施工是以掘進作業為核心,以掘進、襯砌、皮帶出渣、管片和材料運輸為主要作業,軌道延伸、通風、供電、供水、排水等為輔助作業進行的，其具有并行性、協調性、連續性和密集性等特點,從而決定了TBM施工組織管理技術上的特殊性。為此，在TBM施工組織管理方面主要采取了以下技術措施：

(1)根據TBM的施工特點,建立各作業工序間的合理關系;

(2)確定TBM施工管理的主要內容、方法和措施;

(3)建立TBM施工作業計算機分析決策系統,利用該系統對作業性能和數據進行分析,找出影響作業性能的因素,提出提高掘進速度和掘進機利用率的具體措施。

3.2.1 開 挖

TBM掘進每循環進尺1.8 m，平均循環時間為25～40 min。受圍巖類別、節理發育程度等影響，循環時間最短為25 min，最長為1 h，循環時間與圍巖類別有較大關系。

施工中發現，巖石抗壓強度為68～90 MPa、節理發育而又不致坍塌的圍巖是TBM掘進的最佳施工條件。開挖管理作為施工管理的重要環節，其核心是掘進參數的選擇和掘進方向的控制。

TBM工作模式：TBM分雙護盾和單護盾工作模式。TBM操作手必須根據TBM自身的狀態和圍巖條件決定TBM的工作模式，一般情況下應遵循以下原則：

①雙護盾:適用于圍巖成洞條件較好、掌子面或已開挖段無大面積塌方、無卡機或伸縮護盾換步困難。

②單護盾:適用于圍巖成洞條件差，如巖石強度弱、收斂變形大、破碎或大量涌水，致使TBM控制困難或支撐掌無法正常工作。

TBM的掘進參數：TBM操作手須根據TBM自身狀況和圍巖條件確定合適的掘進參數，并遵循以下基本原則：

> 主推力：單護盾≤20 000 kN，雙護盾≤

25 000 kN

> 刀頭轉速≤5.5 r/min

> 扭矩：單(雙)護盾≤6 MN·m

> 掘進速度：單(雙)護盾≤80～90 mm/min

> 貫入度：單(雙)護盾≤15 mm/r

> 主推和輔推油缸行程差：單(雙)護盾≤60

mm

> 80%的原則：任何情況下，TBM掘進參數以在最大容許值的80%以內為宜

> 油缸壓力：一般情況下，油缸壓力≤150 bar；如果圍巖條件差，應降低油缸壓力

> 支撐靴油缸：①單護盾：由于圍巖條件差，采用單護盾掘進。在管片安裝期間，為避免TBM向前滑行，應采用支撐靴并降低壓力以穩定TBM；②雙護盾：一般情況下≤250 bar，調整該壓力，使TBM穩定，易于管片安裝。

上述參數均互相影響，增加某個系數可能會導致其他參數下降。因此，操作手必須綜合考慮，權衡利弊，確定合適的參數值。

3.2.2 出 渣

出渣采用連續皮帶方式。皮帶機分為1#主皮帶、2#皮帶、3#皮帶、4#皮帶、5#皮帶，洞外由25 t自卸車運輸轉運到主渣場的方式。

3.2.3 管片襯砌

管片襯砌安裝時間的快慢決定TBM掘進的快慢。該TBM采用6+1左右型管片，管片分為D、C、B型，根據掘進期間圍巖的類別，選擇合適的管片型號；另外，TBM配備了豆礫石回填輸送泵、水泥砂漿輸送泵、回填灌漿系統等足夠的支護設備，但在通過斷層破碎帶、軟弱、涌水帶等特殊地質地段時停機時間過長，制約了TBM掘進速度的發揮。

3.2.4 支撐管片的安裝及軌道延伸

支撐管片的安裝利用管片吊機起吊，人工定位，每塊約需7～8 min，每安裝6塊支撐管片需延伸一次運輸軌道。

以上工作與掘進同時進行，若工序銜接處理不好，將會占用循環時間。施工中必須加強同洞外行車調度的聯系，以保證支撐管片及延伸材料的及時供應。

3.2.5 施工測量

TBM掘進方向由VMT激光導向系統控制。該系統能夠不間斷地提供TBM所處位置與隧洞設計軸線的偏差，并將其顯示在操作室的控制單元上，主操作手根據這些信號調整TBM的掘進方向和姿態。

VMT導向系統每70 m前移一次。此項工作在停機保養時間進行，不占用循環時間。施工中將TBM主機位置與VMT建立聯系，相互校核以減少測量誤差，從而控制掘進偏差。

3.2.6 通風除塵

通風由φ2.4 m主風筒供給，通過后配套尾部的儲存風筒經過接力風機送到TBM各個工作區域。除塵通過刀盤噴水和除塵裝置實現，凈化后的空氣作為清潔空氣吹入隧洞。

掘進期間，通風、除塵系統一直處于工作狀態。施工中注意檢查風筒有無漏風現象，檢查并清掃除塵風機的過濾網罩。

3.2.7 風、水、電管路的延伸

風筒儲存筒內存有風筒500 m，TBM自帶φ200供水水管50 m、φ300排水管50 m，20 kV高壓電纜500 m，均盤在卷筒上施工中隨后配套系統的前移，風、水、電管路自動向前延伸。每天維修班根據掘進長度安裝φ200的供水管路。

4 勞動組織管理

TBM機械化作業的特點要求施工企業必須將有限的人力資源進行科學合理的配置，充分發揮員工的生產積極性。

4.1 勞動力配置

在對TBM的管理中，始終堅持以掘進為中心配置勞動力。TBM勞動力的配置按照分工協作、各個工種緊密配合、每班執行無縫交接、落實到每個人每個崗位，做到人盡其責。

隧洞內分兩班掘進(16 h)、一班維修保養(8 h)，管片生產按流水作業方式進行，機修車間實行兩班工作制。

掘進班(每班)：主副TBM操作手2人，值班工程師1人，班長1人，副班長1人，安全工程師1人，測量1人，管片安裝6人，管片運輸4人，豆礫石回填及砂漿灌注5人，后配套回填灌漿8人，伸縮盾清渣2人，機械、液壓修理2人，電工3人，刀盤工2人，軌道、皮帶、風筒延伸7人，錯車平臺調度1人，合計47人。掘進班負責掘進過程中的所有工作。維護班48人，負責刀具檢查、更換及其它維修保養工作以及掘進工作。洞外運行班78人，負責管片裝卸、運輸及材料的供應。另外，刀具修理6人，洞外皮帶組8人，軌道維護和風筒維護6人。

機修車間30人，負責鋼支撐及其它材料的加工，洞內水管制作、電路的延伸、材料的制作以及各類行走機械的保養、維修等。

發電廠10人，負責所有施工面、營地的供電工作。

重機部24人，負責洞外洞渣的轉運工作。

TBM作業部所屬的行政、技術、安檢、調度、醫療、保安、生活等管理人員共有28人，生產人員計為304人。

4.2 安全環保

TBM掘進的快慢與安全緊密相連。針對該TBM地下隧洞施工安全，我們建立健全了以下各項安全措施:

> 洞內各個班組設置專業安全工程師，每天定期檢查各個工作面的設備安全、員工勞保發放情況。

> 制定了小火車安全操作和板車維護規程。

> 制定了皮帶運行安全操作規程。

> 制定了軌道維護保養和風筒維護規程。

> 制定了施工區及生活區用電管理規程。

> 制定了洞內逃生艙管理規程。

> 制定了洞內消防、有害氣體防范規程。

環境保護歷來都是工程的重中之重:我們在厄瓜多爾原始森林施工，對環境保護的要求更加嚴格，由此項目部制定了以下各項規章制度：

> 洞內油水排放制度。

> 洞外垃圾堆放區域管理制度。

> 廢舊材料堆放管理制度。

> 渣場環境治理制度。

5 結 語

TBM作為一種嶄新的施工技術，對施工企業的管理提出了更高的要求。施工中必須加強現場組織調度工作，制定嚴格的操作規程和崗位職責，協調好各工序的關系，只有這樣，TBM高速安全的優勢才能夠發揮出來。筆者認為：在今后的工作中，還應注意以下幾點：

(1)針對不同的地質條件，做好組織管理和技術上的準備，確保TBM連續作業。

(2)加強設備的維修保養工作，提高機械的利用率。

(3)做好各項統計工作，為TBM今后的施工積累資料。

(4)繼續優化勞動組合，建立一個高效的管理、服務、生產系統，逐步發揮TBM大型機械化施工的優勢。TBM施工作為一門嶄新的管理技術、工程技術，具有廣闊的發展前景。