雙護(hù)盾TBM水工隧洞施工質(zhì)量控制措施分析

段正強(qiáng)

摘 要：當(dāng)前，在地層掘進(jìn)作業(yè)中，雙護(hù)盾TBM獲得廣泛應(yīng)用并取得較為顯著的效果，其具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、可掘性好等優(yōu)點(diǎn)。在較為復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下，人們要采取合理的控制措施，保證水工隧洞施工的連續(xù)性、穩(wěn)定性與安全性，這依舊是雙護(hù)盾TBM施工的一項(xiàng)重要研究內(nèi)容。所以，本文首先概述了雙護(hù)盾TBM施工技術(shù)，然后結(jié)合案例實(shí)踐，分析雙護(hù)盾TBM水工隧洞施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)，進(jìn)而探討強(qiáng)化施工質(zhì)量控制的有效措施，以期為相關(guān)施工提供有益參考。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾TBM;隧洞施工;質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TV554.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）03-0095-03

Analysis of Construction Quality Control Measures of Double

Shield TBM Hydraulic Tunnel

DUAN Zhengqiang

（Guangdong No.2 Hydropower Engineering Co.， Ltd.，Guangzhou Guangdong 511340）

Abstract： At present， dual-shield TBM has been widely used in stratum excavation operations and achieved significant results， which has the advantages of strong adaptability， high efficiency， and good excavability.In a more complex geological environment， people must take reasonable control measures to ensure the continuity， stability and safety of hydraulic tunnel construction， which is still an important research content of double-shield TBM construction. Therefore， this paper first summarized the double-shield TBM construction technology， and then combined case practice to analyze the key points and difficulties of the double-shield TBM hydraulic tunnel construction， and then discussed effective measures to strengthen the construction quality control， in order to provide a useful reference for related construction.

Keywords： double shield TBM;tunnel construction;quality control

榕江關(guān)埠引水工程的主要任務(wù)是在優(yōu)先實(shí)施練江流域控源截污工程和保障榕江水資源水環(huán)境安全的前提下，實(shí)現(xiàn)榕江～練江水系連通，改善練江流域水環(huán)境及水生態(tài)質(zhì)量。

1 雙護(hù)盾TBM水工隧洞施工重點(diǎn)和難點(diǎn)

1.1 掘進(jìn)距離長，難以確保設(shè)備使用壽命與可靠性

通常，水工隧洞洞徑較小，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）獨(dú)頭掘進(jìn)距離遠(yuǎn)，通風(fēng)距離長，連續(xù)皮帶輸送距離遠(yuǎn)，通風(fēng)和出渣系統(tǒng)技術(shù)難度大，可靠性要求高[1-2]。因此，TBM系統(tǒng)、出渣皮帶機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)等配套設(shè)備的選型設(shè)計(jì)、監(jiān)制、監(jiān)測(cè)診斷和維修保養(yǎng)特別重要，可以確保設(shè)備長壽命和可靠性，是隧洞按期成功貫通的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1.2 施工優(yōu)化布置和施工運(yùn)輸存在難點(diǎn)

在隧洞施工中，TBM設(shè)備、管片、物料和人員需要從明挖段基坑運(yùn)進(jìn)，基坑場(chǎng)地較小，洞內(nèi)、外均需要協(xié)調(diào)布置，才能保證TBM高效安全掘進(jìn)。TBM從明挖段基坑運(yùn)進(jìn)、組裝和始發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)組裝時(shí)TBM及其后配套進(jìn)場(chǎng)順序，主機(jī)、后配套、皮帶機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)安裝程序需要周密合理安排;運(yùn)行期，主洞連續(xù)皮帶機(jī)、基坑轉(zhuǎn)接固定皮帶機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)輸軌道編組系統(tǒng)和拌合站需要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)布置。軌道運(yùn)輸需要優(yōu)化布置，合理布置道岔和配置編組列車。因此，優(yōu)化洞內(nèi)、洞外統(tǒng)籌布置以及施工運(yùn)輸均對(duì)TBM后期高效施工有很大影響，是重點(diǎn)考慮的問題[3-4]。

1.3 TBM設(shè)備零部件及參數(shù)優(yōu)化匹配

隧洞掘進(jìn)過程中難免遇到堅(jiān)硬完整、巖石強(qiáng)度高的圍巖，刀具磨損消耗和檢刀、換刀時(shí)間將會(huì)增加，主軸承、刀盤振動(dòng)受力較大，刀盤焊縫開裂風(fēng)險(xiǎn)加大，選用好刀具，減少換刀時(shí)間，加強(qiáng)刀盤刀具、主軸承檢查監(jiān)測(cè)和維護(hù)保養(yǎng)，應(yīng)成為本標(biāo)段TBM施工重點(diǎn)之一。此外，由于大多數(shù)圍巖洞段較為堅(jiān)硬完整，TBM掘進(jìn)貫入度相對(duì)較小，刀盤推力、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)需要優(yōu)化和匹配，以保障進(jìn)尺速度高、設(shè)備壽命長，這應(yīng)是本標(biāo)段工程的重點(diǎn)之一。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)TBM管片拼裝和施工運(yùn)輸管理，提高設(shè)備掘進(jìn)效率，減少TBM掘進(jìn)的延誤時(shí)間[5-6]。

1.4 穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段時(shí)存在安全風(fēng)險(xiǎn)

隧洞開挖會(huì)面對(duì)較為復(fù)雜的工程地質(zhì)，甚至?xí)嬖诙鄺l較大的斷層破碎帶，這些斷層膠結(jié)差、較破碎，多數(shù)沿沖溝發(fā)育，大部分兩端連接有山塘水庫，是良好的導(dǎo)水及儲(chǔ)水體，這些斷層、軟弱破碎洞段可能造成塌方、刀盤及護(hù)盾被卡被埋等風(fēng)險(xiǎn)。若軟弱破碎圍巖同時(shí)出現(xiàn)涌水，TBM存在沉陷被困、TBM被淹的風(fēng)險(xiǎn)，人們需要進(jìn)行超前處理。這些不良地質(zhì)洞段都是影響TBM施工進(jìn)度和施工安全的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2 雙護(hù)盾TBM水工隧道施工質(zhì)量的控制措施

2.1 提高TBM及配套設(shè)備的壽命與可靠性

一是做好刀盤設(shè)計(jì)審查，提高刀盤強(qiáng)度和剛度，優(yōu)化耐磨設(shè)計(jì)，做好刀盤焊接和制造監(jiān)制工作，加強(qiáng)施工中刀盤、刀具的檢查和維護(hù)。TBM選型設(shè)計(jì)要選用大尺寸主軸承，工廠要做好主軸承組裝監(jiān)制工作;TBM運(yùn)行中采用在線監(jiān)測(cè)、油樣分析、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，加強(qiáng)主軸承潤滑和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。二是聘請(qǐng)TBM專家，做好TBM及其后配套設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化出渣皮帶機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、軌道運(yùn)輸系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)，確保TBM及其后各個(gè)配套系統(tǒng)具有較長的運(yùn)行壽命、較好的可靠性以及較高的施工效率。三是建立全面有效、突出重點(diǎn)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)方案，以刀盤、刀具、主軸承、主軸承密封、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主機(jī)液壓系統(tǒng)等為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象;綜合采用運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)監(jiān)測(cè)、油液磨損分析、油品理化指標(biāo)分析、振動(dòng)分析、噪聲診斷和無損探傷等監(jiān)測(cè)診斷方法;完善維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程，嚴(yán)格遵循維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程要求。四是根據(jù)不同圍巖條件，優(yōu)化匹配TBM的掘進(jìn)推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，降低TBM振動(dòng)，提高TBM壽命和進(jìn)尺速度。

2.2 優(yōu)化始發(fā)基坑布置和施工運(yùn)輸

一是對(duì)始發(fā)基坑內(nèi)TBM組裝和運(yùn)行期布置優(yōu)化統(tǒng)籌考慮，既要提高TBM組裝速度，也要方便TBM施工運(yùn)行期高效作業(yè)。集水井、皮帶機(jī)主驅(qū)動(dòng)、管片吊裝系統(tǒng)、豆礫石料儲(chǔ)料上料系統(tǒng)等部位可適當(dāng)進(jìn)行基坑臨時(shí)擴(kuò)挖。二是在進(jìn)行始發(fā)導(dǎo)洞施工的同時(shí)進(jìn)行TBM組裝調(diào)試，盡快具備TBM步進(jìn)條件。結(jié)合TBM各部件系統(tǒng)出廠運(yùn)輸和到場(chǎng)時(shí)間，規(guī)劃好TBM出廠運(yùn)輸順序，在TBM運(yùn)輸過程中，即完全到場(chǎng)之前就開始組裝。TBM及其后配套系統(tǒng)在始發(fā)和步進(jìn)洞進(jìn)行調(diào)試時(shí)，同步進(jìn)行皮帶機(jī)、軌道系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和拌合系統(tǒng)安裝。三是TBM出碴連續(xù)皮帶機(jī)采取懸掛布置方式進(jìn)行布置，利用隧洞下部空間滿足洞內(nèi)單線和雙線軌道布置要求，將通風(fēng)軟管布置在洞頂。隧洞內(nèi)風(fēng)水管線、連續(xù)皮帶及電機(jī)車布置如圖1所示，圖中，除了電纜截面面積外，其他參數(shù)值的單位均為毫米（mm）。四是隨著隧洞施工距離的加長，在中間設(shè)置接力集水井和排水泵站，隧洞連續(xù)皮帶機(jī)將優(yōu)化設(shè)計(jì)，必要時(shí)在拐彎處設(shè)置中間驅(qū)動(dòng)，以利于降低皮帶拉力和張力控制。

2.3 優(yōu)化TBM零部件及掘進(jìn)參數(shù)

首先，TBM設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工程隧洞斷面高強(qiáng)度和堅(jiān)硬的花崗巖工程地質(zhì)條件，參考實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)刀盤與刀具布置數(shù)量、刀具安裝方式、刀間距選擇以及刀具尺寸大小等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性分析、論證，進(jìn)而確定最佳刀盤、刀具和主軸承布置方案，達(dá)到最佳破巖效果，提高掘進(jìn)效率。其次，根據(jù)工程高強(qiáng)度、堅(jiān)硬、完整性好的花崗巖隧洞圍巖特點(diǎn)，選擇直徑合理的滾刀，配備強(qiáng)度適合、高韌性、不易崩裂、耐磨性好的刀圈，以提高刀具磨損壽命，減少刀具消耗，降低TBM停機(jī)時(shí)間，提高掘進(jìn)速度。此外，根據(jù)地質(zhì)特點(diǎn)，前期試掘階段合理選取TBM推力、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度等最佳掘進(jìn)參數(shù)，掘進(jìn)過程中根據(jù)地質(zhì)條件變化及時(shí)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保掘進(jìn)效率高、刀具損耗小[7-8]。

2.4 加強(qiáng)對(duì)不良地質(zhì)洞段的施工控制

一是TBM在特殊巖洞段、斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段施工時(shí)，盡量降低掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，采用微擾動(dòng)掘進(jìn)模式，適當(dāng)降低各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，連續(xù)勻速通過不良地質(zhì)洞段，避免或降低圍巖坍塌對(duì)TBM掘進(jìn)的影響，加快管片安裝速度，減少管片拼裝對(duì)TBM掘進(jìn)的延誤，避免TBM在不良地質(zhì)洞段停滯時(shí)間過長，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，縮短工期。二是結(jié)合對(duì)超前鉆機(jī)、實(shí)時(shí)地質(zhì)探測(cè)系統(tǒng)、三維地震波、TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的合理運(yùn)用，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和準(zhǔn)備好相應(yīng)處理措施。三是對(duì)于特別軟弱的破碎帶、涌水洞段，可采取超前注漿等超前處理技術(shù)方案，提前對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行必要的加固處理，再進(jìn)行掘進(jìn)通過。軟弱變形大洞段可利用TBM進(jìn)行擴(kuò)挖，加大洞徑開挖，以較快掘進(jìn)速度盡快通過不良地質(zhì)段。

2.5 提高施工組織管理高效性，確保按施工工期完成

首先，要建立適合TBM施工特點(diǎn)的現(xiàn)代施工組織管理體系和組織機(jī)構(gòu)。要建立現(xiàn)場(chǎng)不良地質(zhì)問題和設(shè)備故障問題的快速反應(yīng)機(jī)制，建立有效的“經(jīng)理—專家—工程師”三位一體協(xié)同工作運(yùn)作模式，與常駐現(xiàn)場(chǎng)的TBM技術(shù)專家、TBM廠家技術(shù)人員形成相互配合的有機(jī)整體，提高TBM設(shè)備完好率和掘進(jìn)作業(yè)率，降低設(shè)備和施工風(fēng)險(xiǎn)，從而保障掘進(jìn)進(jìn)度。其次，所有崗位均制定明確、科學(xué)的崗位職責(zé)，制定完整的獎(jiǎng)懲制度，制定詳細(xì)的作業(yè)指導(dǎo)書;建立先進(jìn)快捷的TBM施工作業(yè)計(jì)算機(jī)分析決策系統(tǒng)，隨時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)、進(jìn)尺、設(shè)備完好率和工時(shí)利用率等作業(yè)性能的查詢和分析，指導(dǎo)和改進(jìn)后續(xù)施工。同時(shí)，建立現(xiàn)代化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。此外，加大力度引進(jìn)和培訓(xùn)TBM專業(yè)人員，包括工程師、專家、管理人員和技師。要提出并實(shí)施一套系統(tǒng)技術(shù)與管理人員培訓(xùn)計(jì)劃，加強(qiáng)各類人員培訓(xùn)，提高人員素質(zhì)和管理技術(shù)水平。

3 結(jié)語

當(dāng)前，在水工隧洞中，雙護(hù)盾TBM發(fā)揮了極為重要的作用，所以，相關(guān)工作人員要明確雙護(hù)盾TBM水工隧洞的施工要點(diǎn)，并采取有效的施工質(zhì)量控制措施，以切實(shí)發(fā)揮雙護(hù)盾TBM的作用與優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而更好地提高我國水工隧洞的施工質(zhì)量與效率。

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