深埋長隧洞敞開式TBM成套施工技術

李貞燁

（新疆水利發展投資＜集團＞有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某引水隧洞工程，位于北疆阿勒泰地區，為深埋長隧洞，隧洞圍巖巖性為華力西期變質黑云母斜長花崗巖，巖石堅硬，隧道圍巖級別為Ⅲ-Ⅴ級。該引水隧洞工程采用兩臺TBM?7.93m 敞開式TBM 施工，分別為TBM2（掘進長15150m）和TBM3（掘進長23550m），總體工程分段情況如圖1所示。隧洞采用一洞雙機方式進行施工，TBM組裝段、檢修段、通過段等采用鉆爆法施工。

圖1 總體工程分段平面圖

TBM2 與TBM3 由3#支洞進入，在組裝洞室內進行組裝。組裝完成后，分別步進到掌子面并開始調試。布置出渣系統、通風系統、水電系統等，整機調試完成后，進行掘進施工。TBM3 完成TBM3-1 施工段后，向前步進，連續皮帶機系統、部分運輸系統、通風系統轉場至TBM3-2 施工段。TBM 步進至檢修洞室后，對整機進行全面檢修。在4#支洞布置支洞皮帶、通風系統，在主洞布置連續皮帶機系統。TBM 檢修完成后，步進至掌子面對TBM3-2施工段進行開挖，掘進至主洞樁號70+890 后進行拆卸。TBM2 獨頭掘進，在掘進中期對TBM設備全面檢修，保障設備狀態完好，掘進至主洞樁號29+187后進行拆卸。

2 TBM破巖機理及施工特點

2.1 掘進機破巖原理

TBM施工技術，全名為全斷面隧道掘進機技術，與盾構機用于軟土的應用相比，在堅硬巖層的施工上，TBM 要求更高的耐用性和可靠性，這使得它成為無可爭議的首選工程工具。TBM 具有一系列突出優點，包括實現隧洞掘進、支護、排渣等工序的無間斷連續性，同時融合了電氣、氣動、光學、機械、液壓等多系統的工廠化流水線隧洞施工設備。由于這些特性，TBM 能夠明顯提升工程的綜合效益，加速施工進程，以及實現快速的掘進速度等[1-2]。

TBM在運行過程中切割巖石，具體地，TBM為刀具提供巨大推力，致使巖體表面形成割痕。刀刃頂部的巖石在巨大壓力下急劇壓縮，隨刀盤的回轉和滾刀的滾動，分巖石首先破碎成粉狀，積聚在刀刃頂部范圍內形成粉核區，破巖原理見圖2。

圖2 刀具破巖機理示意圖

巖石破碎的過程其實是就是微裂隙發展的過程，首先刀刃切入巖體，在刀刃與巖石的接觸面上會迅速產生微裂隙，由于推力的不斷加大，微裂隙不斷擴展為顯裂隙，顯裂隙進一步加大，當裂隙貫通時形成了斷裂體[3]。

2.2 TBM施工優點

（1）綜合經濟效益好：TBM施工速度快，工期短，顯著提高經濟效益，雖然TBM的購買和維護成本較高，但由于其高效率和減少了額外的工程改進需求，通常在工程周期內能夠節省成本。

（2）高質量、高速度、高度系統化施工：TBM施工分工明確，各個系統同時工作，可同步進行全斷面開挖、出渣、支護及灌漿等工藝，一次性成洞。相較于傳統的爆破施工方法，TBM能夠大幅提高施工效率。

（3）安全施工：TBM施工形成的斷面具有良好的受力條件，避免了開挖后易出現的局部圍巖應力集中問題，有利于施工環境的穩定，施工的安全性提高，事故發生率降低。

（4）減少噪音和振動：相較于傳統的爆破施工方法，TBM產生的噪音和振動更小，對附近的居民和建筑物的干擾更小。

（5）適用范圍廣：TBM可以根據不同的地質條件選擇合適的刀具和鉆頭，使其適用于各種地下地質環境，包括巖石、砂土、泥土等。

（6）高度智能化：TBM主機監控系統能實時顯示機械運行參數和運行狀況，并將信息傳輸到地面管理部門，實現對TBM運行的實時監控，還包括導向調整[4-5]。

3 TBM試掘進施工

采用TBM掘進機施工，掘進參數的選擇非常重要，故在TBM 正式掘進前需進行試掘進。TBM 推進過程中，根據不同地質、埋深判斷圍巖的穩定性、可掘進性，及時調整掘進參數?？刂坪镁蜻M速度，為鋼枕鋪設創造良好條件。同時，初期支護方案、噴射混凝土量根據圍巖情況、TBM工作情況等及時調整。注意糾偏量，以及施工軸線與設計軸線的偏差，使得它們在合理范圍內，提高TBM運行效率。通過試掘進達到以下目的：

（1）檢驗TBM掘進機及各個操作系統的工作情況。

（2）測試各設備系統的功能，調整參數以實現最大效益。

（3）了解和認識本工程的地質條件，掌握根據地質情況調整TBM 掘進參數的方法，為全程掘進提供參考依據。

（4）理順整個施工組織，在連續掘進的管理體系中抓住關鍵線路的控制工序，為以后的穩定高產奠定基礎。

4 TBM正式掘進施工

4.1 TBM掘進

TBM 掘進過程是系統整體協調的過程，任何一個獨立系統在掘進過程中出現故障，都可能導致掘進停止，施工停滯，因此掘進機各系統的正確操作就顯得十分重要[6]。主要包括主機操作、錨桿鉆機操作、鋼拱架安裝器操作、噴射混凝土泵操作、注漿泵操作等，在以上操作完成之后，掘進開始，施工流程如圖3所示。

圖3 TBM掘進流程示意圖

（1）在TBM的掘進施工過程中，首先需要根據多個因素準確判斷掌子面圍巖的狀態。根據判定結果，選擇合理的掘進模式和掘進參數。如果需要，還可以采用超前地質探測來確認前方圍巖狀態。

（2）根據判定的掌子面圍巖狀態，施工人員需選擇合適的掘進參數，包括推力、撐靴壓力、刀盤轉速等。

（3）當TBM 啟動的時候，確保報警系統正常，按順序啟動皮帶機及潤滑系統。

（4）開始掘進作業之前，要先緊固水平支撐，收起后支撐，并以空載啟動刀盤。

（5）在掘進過程中，慢速推進刀盤靠近掌子面，并在刀盤和巖石表面接觸之前啟動刀盤噴水系統，對巖石進行噴水。

（6）在TBM 開挖過程中，必須隨時監測TBM 開挖的各項參數及巖石壓載的情況。依據TBM裝置的掘進參數以及對前方圍巖的預測，選取合適的掘進參數，如：刀盤轉速、推進力等，并隨著圍巖狀態的變化而及時地進行調整。同時，還需要有專業的安檢員對每臺機器的運轉情況進行全面的檢查，以保證機器的正常運轉。

（7）完成一次掘進循環后，需要進行換步和調向，調整TBM 姿態，確保施工軸線與設計軸線的偏差在合理范圍內。必要時，在掘進施工過程中也可以進行微小的調整。

4.2 掘進參數的控制及選擇

在掘進的過程中，要時刻關注著刀盤的推力狀況，要對出渣的狀況有一個清晰的認識。要根據實際情況，正確地選擇掘進方式、掘進速度等掘進參數，并且要在掘進的過程中，隨時調整自己的方向，充分地掌控著掘進方向。將掘進方向控制在水平和豎直向分別為設計軸線的±100mm、±50mm之內。這就要求司機可以熟練掌握TBM 換步調向技術，并且按照“提前預判，提前實施”的原則，對調整工作要有較強的預判能力。堅持以超前地質預報成果指導TBM 掘進施工，根據圍巖情況及時調整[7]。

（1）Ⅱ類圍巖穩定好，巖石強度相對較高，TBM 破巖效率相對較高，可實現快速掘進。

（2）Ⅲ類圍巖局部穩定性差，掘進后需要及時做好初期支護；穩定性較好的洞段，隧道內部一般不發生坍塌，巖體強度較低，具有較高的破巖效率，可達到快速開挖的目的。總之，圍巖穩定洞段保進度、局部穩定性差的圍巖洞段，加強初期支護。

（3）Ⅳ類圍巖不穩定，自穩時間較短，所以要根據超前地質預報對洞內進行及時的支護，避免出現變形、坍塌等不良地質情況。如有發生坍塌、軟巖變形、突涌水的風險，需做好方案、物資、人員準備工作。

（4）Ⅴ類圍巖極不穩定，本標段中的Ⅴ類圍巖大都處于斷層破碎帶，且是突涌水多發洞段，此洞段不能專注于提高施工速度，應注重超前地質預報，在安全的前提下穩定推進工作進度。

4.3 TBM及配套設施的保養維護

（1）TBM刀盤刀具、主軸承是TBM正常運作的關鍵因素，因此必須重點考慮其壽命和可靠性。對于刀盤刀具，做好審查工作，關注刀盤強度，優化剛度及耐磨性設計，監督刀盤焊接、制造工作，保證施工過程中刀盤刀具符合維護標準[8]。對于主軸承系統，其具有自動化、精細化的特點，為避免壓痕、擦傷、劃傷等常見類故障，需要進行周期性的主軸承狀態檢測，當然，這也要求檢測人員具有扎實的技術基礎和充足的實踐經驗。

這樣的人物，莫說是戲劇舞臺，在現實社會中都是獨一無二。君不見蔡伯喈、鄭元和、王十朋、劉智遠、朱買臣……哪個不是功名路上留傳奇？再看梨園戲《董生與李氏》《御碑亭》……哪個不是情感波瀾鑄成戲？

（2）在TBM 的施工過程中，建立健全TBM 及配套設施的保養和維護制度，加強對TBM 及配套設備在運行過程中的監測，重點監測對象包括：主軸承密封、刀盤刀具、刀盤驅動系統、主軸承、主機液壓系統；根據現場實際情況，采用油液磨損分析、運轉參數監測、噪聲診斷、振動分析、鐵譜分析和光譜分析、電渦流測試等監測診斷方法，建立和完善TBM 及配套設備的保養維護規章制度。

4.4 初期支護

本標段的TBM初期支護主要包括錨桿、鋼拱架、噴射混凝土，根據不同地質情況，采用不同方式的支護。

（1）錨桿支護。錨桿支護首先要進行鉆孔，應嚴格按照施工圖紙的要求，運用TBM上得鉆機進行鉆孔，并做好標記，一般孔深比錨桿長5~10cm。然后可以采用砂漿錨桿、中空錨桿、中空預應力錨桿，安裝錨桿時用人工配合鉆機大臂進行錨桿的安裝，桿體安裝完畢，安裝墊板和螺母。其中砂漿錨桿要根據圖紙要求注漿飽滿，預應力錨桿利用扭矩扳手按照設計施加預應力。

（2）噴射混凝土。本工程噴錨采用濕噴工藝，工藝流程如圖4所示。

圖4 混凝土濕噴工藝圖

工藝要點：

（1）施工準備。在噴射混凝土之前用水或風對被噴面進行沖洗，然后在混凝土表面做好標記，可以利用錨桿露出的長度，控制混凝土的用量。檢查各個設備、線路系統是否運作正常，以保證混凝土質量。

（2）嚴格按使用說明書操作噴射機。開始時先給風，再開機，后送料，結束時待料噴完，先停機，后關風。

（3）開始時先給速凝劑，再給料，結束時先停料，后停速凝劑。根據料速的大小和回彈量的多少，適當調節風壓，速凝劑溶液在噴咀處的壓力稍大于風壓。

（5）突然斷水斷料時，噴頭迅速移開受噴面，嚴禁用高壓風直吹未凝結的砼。

4.5 掘進出渣

TBM 掘進采用皮帶機系統出渣，連續皮帶機受料端安裝在TBM 后配套上，卸料端位于主洞連接洞室與支洞交叉口部位，將棄渣卸入支洞皮帶機。接下來運輸到支洞口的臨時棄渣場，再以自卸車運輸到永久棄渣場。

TBM2 皮帶機出渣運輸，石渣經連續皮帶機、支洞皮帶機及自卸車轉運至永久棄渣場。

TBM3 皮帶機出渣運輸按掘進的不同階段分為兩個階段：第一階段，石渣經連續皮帶機與TBM2 共用支洞皮帶機至洞口的臨時棄渣場。第二階段，連續皮帶機轉場，在4#支洞與支洞口布置支洞皮帶機，其設置與3#支洞類似。最終將渣石運輸到永久棄渣場。

5 結論

本文以新疆某引水隧洞為工程背景，針對隧洞特點，詳細介紹了該工程TBM掘進施工的特點等。

（1）闡述了掘進機破巖機理，并介紹了TBM施工的特點，TBM具有綜合經濟效益強、高質量、高速度、自動化程度高等優勢。

（2）TBM 試掘進可以了解和認識本工程的地質條件，檢驗TBM掘進機及各個操作系統的工作情況，調整參數以實現最大效益并為后續的工作奠定基礎。

（3）詳細闡述了TBM施工流程，掘進參數的控制及選擇，重點說明了初期支護中的錨桿支護、噴射混凝土及掘進出渣等系列輔助作業，相關施工經驗可為敞開式TBM在深埋長隧洞中的應用提供經驗和參考價值。