長大隧洞TBM高效掘進施工保障措施探討

苑進才

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400700)

1 引言

隨著我國隧洞施工技術的快速發展，采用TBM施工的長大隧洞越來越多。據統計，我國有各類可用TBM開挖的隧道工程總長度約5 800 km，需TBM數量120～150臺，TBM的使用和發展在我國具有廣闊的市場[1]。TBM施工技術是一種集掘進、出渣、初期支護于一體，一次成洞的掘進方法，具有連續、快速、安全、環保、高度集成化等獨特優勢[2-3]。同時，TBM施工對地質預報、設備管理、施工組織等專業要求較高。因此長大隧洞TBM施工是一個長期的、復雜的系統工程，高效掘進施工是體現TBM優勢的關鍵。文獻[4-9]就TBM針對各種地質條件下的快速施工技術進行了深入的研究。但針對不同地質、不同設備狀況、不同人員配備的TBM施工項目，可應用和可操作性不強，沒有深入闡述影響TBM高效掘進施工的關鍵點。本文根據吉林中部城市引松供水二標段TBM應用經驗，圍繞風險控制、快速施工、持續均衡施工三個關鍵方面，探討TBM高效掘進施工保障措施。

2 風險控制

2.1 地質風險

長大隧道多涉及大埋深、復雜不良地質，特別是在兩者的相互作用下，大塌方、大變形造成TBM卡機甚至埋機風險增大；突泥突水、強巖爆也嚴重制約TBM隧洞施工，更有甚者帶來工程失敗的重大風險。而現有TBM隧洞開挖技術對復雜地質條件有不適應性，是隧洞設計和施工方案選擇中首要考慮的戰略問題[10]。

在掘進中引入地震法預報系統、BEAM系統的物探法，或是超前導坑預報法、常規地質素描法、超前地質探孔法，目的是為TBM正常掘進提供指導。每種預報方法，應根據地質情況有針對性選用。根據地勘資料，一般地質選用常規地質素描法和TBM掘進中渣石特征、參數變化來判別圍巖。而對于不良地質段優先選用物探法。

根據施工出渣量、渣粒大小的變化以及掌子面反饋到主控室的參數(貫入度、扭矩、推進力)，結合理論及經驗綜合判斷地質情況。例如，當主控室屏幕上推進力顯示反拋物線下降、扭矩上升的情況，可判斷刀盤進入軟弱圍巖過渡段，這時應適當調整TBM掘進參數，以適應地質。

2.2 設備故障停機風險

(1)關鍵部件監測

關鍵部件監測重點包括主軸承、大齒圈、軸承密封、電機變速箱、主機液壓系統。采用油液光譜分析、鐵譜分析、油液理化指標分析(包括污染度、粘度、水分)法進行潤滑系統運行參數檢查。同時主軸承要定期打開檢修蓋板觀察磨損狀況，拆解主軸承油箱磁濾檢查鐵屑含量。

油液磨損與理化指標分析宜每月一次，當指標異常，為防止誤判可再取樣分析。根據結果和磨損趨勢對取樣間隔作修改，但檢測結果要及時。主軸承內外密封檢查，必要時進入主梁內的刀盤旋轉部位觀察。根據潤滑油泄漏情況隨時進行取樣分析，宜半月一次。主軸承密封是否完好，可以間接通過油液鐵譜片和污染度檢測，觀察油中密封材料顆粒數量、形狀和大小的變化。

對TBM關鍵部件進行持續監測，才能掌握磨損規律及運行狀態，判斷異常跡象發生時段或預測出現的故障，以便作出決策，及時預防或維修，有效控制重大故障風險。

(2)關鍵系統保障

關鍵系統指直接影響到掘進作業的設備系統，包括撐靴推進系統、主軸承密封潤滑系統、出渣系統、水電系統。其中任何一項出現故障，會直接導致停機。關鍵系統的保障，關系到設備利用率與施工的連續性。

在設備維保和巡檢中對關鍵系統重點保障。例如，撐靴推進系統螺栓緊固情況、管線是否磨損、液壓閥組是否靈活；主軸承密封潤滑系統密封出脂狀況，流量溫度是否穩定；出渣系統滾輪、托輥運轉情況，皮帶接頭是否完好，刮渣器清渣效果。另外關鍵系統的管路、線路與其他系統盡量獨立，防止其他系統故障引起停機。

避免因配件供應引起TBM停機。對設備性能和使用情況充分了解，保障關鍵系統易損件和關鍵部件供應。但不能儲備過多造成資金占用，及時做好配件計劃[11-12]。

3 快速施工保障

3.1 優化掘進參數

操作人員監控TBM掘進參數變化、石渣狀態，結合圍巖級別、設備性能、刀具磨損情況等選擇掘進參數。包括刀盤轉速、推進力、電機頻率、推進速度、皮帶機轉速等。

不同圍巖掘進參數的選擇:

(1)Ⅱ類圍巖穩定性好，節理裂隙不發育，初期支護量小，TBM破巖效率較高，可以實現快速掘進，以推進壓力為主參數。

(2)Ⅲ類圍巖通常不會出現坍塌，巖石強度低，TBM破巖效率高，可快速掘進。掘進后需要及時做好初期支護，刀盤扭矩和電機電流為主參數。

(3)Ⅲ類圍巖局部穩定性差的洞段，加強初期支護，適當快速推進，以電機電流和貫入度為主參數。

(4)Ⅳ類圍巖不穩定，自穩時間較短，不及時支護隨時可能發生規模較大的變形或破壞。初期支護足夠的鋼支撐、錨桿，及時噴射混凝土，保證機械順利通過。掘進以穩為主，低貫入，密切關注扭矩、電流的變化。

(5)Ⅴ類圍巖極不穩定，工作重點是加強地質預報，在確保人員設備安全及工程質量的前提下，爭取合理的施工進度。

3.2 正常掘進施工中的主導作業

TBM正常掘進施工，包括可控的設備保養、故障維修、初期支護、風水電及皮帶延伸等停機時間，正常掘進施工時間在隧洞施工期間占絕大占比。分析主導作業的目的是明確主導作業，加大與之相關的人力與投入，縮短其所占用的時間，減少對掘進的影響，提高效率、加快施工進度。

以吉林中部城市引松供水二標段TBM月施工中各作業工序所占時間為例進行分析，選取2015年TBM正常掘進的4～8月份，4月份Ⅳ類圍巖不穩定，初期支護工作量大；5月中旬圍巖逐漸好轉變為Ⅲ類，圍巖較穩定，支護易實現但工作量仍較大；6月份進入Ⅱ類圍巖，初期支護量減小；7、8月份圍巖穩定，巖石較硬(見表1～表2)。

表1 作業時間占比 %

表2 月掘進進尺 m

通過分析表1可知，維修保養、故障、皮帶硫化作業時間較穩定且占比較低，不是影響掘進施工的主導因素。表1中“其他”為運輸、管理等原因所需時間占比，與支護量大、運力不足有關，不是主導掘進的因素。結合表2，換步時間與掘進進尺相關，每次換步時間控制在3～5 min，為非主導因素。而4～8月份對掘進施工影響大的為支護與刀具檢修，其中4、5月份支護為主導，6月份由支護轉為刀具檢修，7、8月份刀具檢修為主導因素。

TBM正常掘進施工中圍巖較差時初期支護為主導作業，其他時期刀具檢修為主導作業。

3.3 工序銜接中的緊湊與靈活

圖1為吉林中部城市引松供水二標段TBM在2016年8月份施工中各作業所占時間餅狀圖。Ⅱ類圍巖穩定，掘進614.6 m，更換刀具196把，連續皮帶硫化兩次，無較大設備故障。

圖1 施工各作業所占時間餅狀圖

圖1中設備利用率表現較高，刀具檢查與更換、支護作業(根據圍巖情況)占用時間合理。對比表1，經過一年的掘進施工，隨設備老化而運輸線路延長，“故障”、“其他”項控制較好。而“維護保養”作業、“硫化皮帶”作業所占時間較少，分別為6.75 h、4.6 h，一個月內的保養時間和兩次硫化時間不合理，原因為采用并行作業與穿插保養所致。

(1)并行作業

指多個作業同步進行，以提高施工效率。表現為合理安排工序，銜接緊湊、靈活，施工時間高效利用。例如，刀具檢查更換與設備保養、硫化皮帶同步；風水電延伸與初期支護同步，不占用掘進時間；故障停機時間進行刀具檢查。因此，維護保養、硫化皮帶作業占用時間較少。

(2)穿插維保

維保作業碎片化，不在固定時間集中進行，但維保頻率及質量不能降低。除與其他作業并行外，可在掘進期間進行維保，如軸承的潤滑。將保養任務重新分組，靈活操作，既節約時間，相比集中保養又減少維保人員，降低成本。

4 持續均衡施工保障

(1)設備老化與工程適應性改造

工程適應性改造是對投入生產的設備進行優化改造，避免各系統設備有較大變動的前提下，抓住問題關鍵，大幅度提高設備性能。TBM設備老化不可避免，引起施工效率降低。與設備廠家聯合，結合現場應用，對TBM設備應用中出現的問題進行分析，找出不足和缺陷原因，制定改進方案，并在現場進行執行驗證。

針對設備老化加強維保，易損件及時更換，防止損壞擴大。管線出現老化或過度使用存在隱患時，要果斷更換。密切關注新技術、新設備，吸收有益部分引進，提高設備性能。例如，在吉林中部城市引松供水二標段TBM施工中，在皮帶機系統的刮渣清掃器前部加裝新型耐磨橡膠，顯著提高了刮刀壽命。

(2)建立高效掘進施工的優化機制

隨工程的深入，施工人員經驗不斷積累，能力得以提升，管理組織趨于穩定，運轉高效。將個人能力提升轉化為整體的提升；處理新老交替的問題，保證連續施工；優化資源配置，降低成本，建立高效掘進施工優化機制。

數據為支撐，數據是施工情況的客觀反映，圍繞設備完好率、設備利用率、刀具消耗率、材料節超等對數據進行整理加工。利用數據，掌握動態，促進施工。要明確優化對象，對施工效率、進度、成本影響深遠的(例如換刀效率、掘進參數、配件采購等)，需逐步優化。改進是一個長期的過程，通過不斷積累才有質變，優化機制的效果才能顯現。

5 結束語

吉林中部城市引松供水二標段TBM施工段至2017年8月貫通，設備完好率月均94.7%，最高達98.06%；利用率月均56.85%，最高月利用率達75.6%，平均月進尺在600 m以上。

(1)地質風險關系到TBM項目的成敗，設備與人員的風險直接決定高效施工的難易程度。

(2)快速掘進是TBM應用到長大隧洞施工的目的，把握影響掘進進度的主導因素，提高施工效率。

(3)連續均衡施工容易被忽視，其實質是企業效益、TBM事業發展的關鍵，應引起足夠的重視。