大坡度隧洞TBM步進施工技術研究

摘要 為明確大坡度隧道TBM步進施工技術方案及其應用效果，文章結合大坡度、長距離的鄧生溝隧道工程實例，著重探討了該工程的TBM施工技術。結果顯示，該工程通過雙護盾TBM掘進施工并配合施工過程中的同步監控，取得了理想的施工效果，包括隧道的線性、平整度等均達到了驗收標準。可見，對于大坡度隧道工程可采用TBM步進施工技術，并加強施工過程中的實時監控，可以取得理想的施工效果，值得推廣應用。

關鍵詞 大坡度隧道；TBM施工；步進施工；施工技術

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0147-03

0 引言

大坡度、長距離的隧道工程施工難度大，對于隧道掘進有著較高的施工要求。隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）是一種廣泛應用于隧道工程中的高效掘進設備。TBM步進施工技術是TBM在隧道掘進過程中的一種關鍵技術，借助TBM的推進機制、切削作業以及支護系統的協同工作，更好地完成復雜地質下的大坡度隧道掘進工程。以下就結合鄧生溝隧道工程實例，著重探討TBM步進施工技術的應用。

1 項目概況

1.1 項目基本情況

鄧生溝隧道位于鄧生溝-巴朗山區間，隧道左線起訖里程范圍為D1K101＋415～D1K109＋340，線路全長7 988.59 m，最大埋深線575 m；線路縱坡為6.5%/410 m、12%/7 200 m、0%/318.41 m（坡長為隧道范圍內長度）的單面上坡，最大縱坡為12%。右線起訖里程范圍為D1YK101＋360～D1YK109＋222，線路全長7 882.273 m，最大埋深線545 m；線路縱坡為6.5%/430 m、12%/7 545 m、11.8%/400 m、0%/150 m（坡長為隧道范圍內長度）的單面上坡，最大縱坡為12%。采用雙護盾TBM掘進，全隧由進口向出口單向上坡，進口處海拔2 800 m，出口處海拔3 700 m，采用C50預制混凝土管片，抗滲等級P12。管片內徑5.5 m，外徑6.2 m，管片厚度為0.35 m，寬度為1.5 m。

1.2 工程特點

該項目主要特點如下：

（1）長距離連續掘進

TBM連續掘進段長7 km。長距離掘進，應用TBM時間長，對TBM配件儲備及關鍵配套設備，以及關鍵部件使用壽命及性能的要求高；設備老化后故障率增高，對作業人員維護保養技術水平要求高；配件消耗量大，對配件儲備要求高。

（2）TBM大坡度及變坡掘進

隧道設計坡度為12%，為TBM掘進增加了施工難度，且有7次連續的水平轉彎，對TBM姿態大幅度調整和連續掘進提出了更高的技術要求。在高差大、距離長的隧道內供水需要合理布置管道、增壓水泵及電纜等。

（3）洞內長距離運輸

該標段TBM洞內運輸距離遠、坡度大，TBM段對運輸組織管理要求高，安全風險大。連續皮帶機排渣距離長，轉彎多達7次，皮帶機需要提前進行專項設計處理。

（4）大坡度掘進水平運輸

隨著隧道掘進的逐漸深入，車輛在進洞后，由于隧道為全程上坡，且坡度較陡，對車輛本身的制動效果和其他輔助制動設備提出了更高的安全要求。

（5）不良地質情況

洞身主要穿越變質石英砂巖、夾板巖、灰巖，存在巖爆及軟巖大變形風險。隧址區整個測區屬于應力集中區域。隧道左線約1.0 km，右線0.8 km，可能存在I級輕微大變形。隧道左線約1.6 km，右線1.3 km，可能存在輕微巖爆。

（6）地層涌水量大

該標段工程縱向坡度為12%，主要充水通道為松散層孔隙、巖層中發育的構造節理裂隙和中、粗顆粒巖層的孔隙。以圍巖孔隙裂隙涌水、滲水為主要充水方式。根據測算，隧道涌水量約1.9萬立方米/天（約791.7 m3/h）。在隧道左右線于D3K101+650處斜交（45°）下穿鄧生溝，隧道拱頂距溝底42 m，溝底以下地層依次為覆蓋層、W3強風化帶、W2弱風化帶，該段為V級圍巖，日流量更是達到約6.5萬立方米。

（7）海拔高差大

隧址區處于川西高原東部，邛崍山脈北段，為四川盆地向川西高原過渡地帶，屬深切高中山峽谷冰川地貌，地勢高差懸殊，山巒陡峻、挺拔。每年10月至次年4月為凍土期，凍土深度為0.8～2.5 m，易形成凍融害。同時，高海拔地區對施工人員身體健康影響大，隨著海拔的升高，空氣密度降低，使高壓電氣設備的運行溫度增加，對于高海拔地區設備的適用性選擇、改造，勞動保護、電力供給等關鍵技術帶來很強的技術性、探索性及挑戰性，需做好高海拔設備適用性的選擇及改造。

2 TBM施工技術概述

2.1 TBM的工作原理與分類

TBM工作原理主要基于旋轉切削和推進系統，通過刀具對巖石進行破碎和挖掘，實現隧道的連續掘進。具體分類如下[1]：

按照結構特點，TBM可分為硬巖掘進機和軟巖掘進機兩種。

按照應用領域，TBM可分為鐵路隧道掘進機、公路隧道掘進機、水利隧道掘進機等。

按照掘進方式，TBM還可分為開敞式掘進機和護盾式掘進機兩種。

2.2 TBM在隧道施工中的應用優勢

TBM在隧道施工中的應用具有顯著優勢，主要體現在以下幾個方面[2]：

（1）顯著提高施工效率。相比于傳統的鉆爆法施工，TBM掘進具有更高的掘進速度，能夠實現連續、自動化的掘進作業，從而縮短工期。

（2）有助于降低施工成本。雖然TBM的購置和維護成本較高，但在大型隧道工程中，其高效的掘進速度和較低的勞動力需求可以顯著降低施工成本。

（3）保證較高的施工質量。TBM掘進過程中，刀具的旋轉和推進作用可以實現精確的巖石切削和挖掘，從而保證隧道的線性和平整度。

（4）對環境的影響較小。相比于傳統的鉆爆法施工，TBM掘進過程中產生的粉塵和噪聲較小，可以減少對周圍環境的污染。

3 TBM步進施工技術分析

3.1 TBM步進施工技術的原理

TBM步進主要技術原理主要在以下幾個方面[2]：

（1）TBM步進施工技術的核心在于其推進機制。TBM通過精確的推進系統，將切削刀具逐漸推進到巖石中，進行巖石的破碎和挖掘工作。

（2）TBM的切削作業是步進施工技術的關鍵環節。TBM通過配備的刀具對巖石進行切削，將巖石破碎成適合運輸和處理的碎塊。

（3）TBM步進施工技術還需要支護系統的協同工作。在掘進過程中，隨著TBM的推進，需要及時對隧道進行支護，以確保隧道的穩定性和安全性。

3.2 大坡度隧洞TBM步進總體方案

TBM刀盤最大開挖直徑為6.48 m，整機全長183 m，整機重1 000 t，主機重600 t。TBM為洞口組裝，由于洞口場地條件有限，所以采取邊組裝邊步進的方式，直至整機組裝完成并進行附屬機件的安裝調試，最后進入始發洞，通過撐靴動作完成TBM的抬起，拆掉步進機構，繼續利用撐靴將刀盤推至掌子面開始準備掘進前的姿態調整，從而完成TBM的步進及始發作業[3]。

步進裝置安裝步驟如下：

（1）將步進底板放置在規劃區域，然后在其上放置步進小車。

（2）底護盾放置在步進小車上，找平后與步進小車焊接在一起。

（3）將頂升油缸支架焊接在側護盾上后，再將側護盾、主驅動、主梁組裝在一起。

（4）根據現場測量位置，提前將鞍架支撐放置在主梁二底部區域。

（5）主梁二與主梁一相連，同時調整鞍架支撐位置，將鞍架支撐與鞍架焊接在一起。

（6）后支撐安裝到位。

（7）安裝步進泵站及操作箱，并調試油缸動作。

（8）頂升油缸伸出將主機頭部抬高，后支撐油缸伸出將主機尾部抬高，鞍架支撐脫離地面。通過推進油缸的伸縮，調整步進底板與鞍架之間的相對位置，將拉桿安裝到位，并連接在步進底板與鞍架支撐之間。

3.3 TBM步進流程

TBM步進及始發流程如圖1所示。

3.3.1 步進前準備

TBM步進前準備：主機、連接橋及1#臺車安裝完畢后，即可進行步進，后續臺車使用電機車頂推入內。步進前應準備以下事項[4]：

（1）沿洞內方向步進300 m，在步進兩側畫截止線。

（2）給步進泵站供電，調試步進機構液壓系統泵站的各項參數，檢查管路連接是否正確。

（3）確定步進作業指揮員、步進機構操作手，進行步進工序講解。

（4）步進作業通信所需的手持式對講機（4部）準備就緒。

（5）按TBM步進后，及時鋪設后續臺車軌道，進入始發洞室前40 m開始鋪設臺車及電瓶車的變坡軌枕。

（6）由于設備橋安裝時折臂吊機一側偏重，所以在步進第一循環時，應注意觀察設備尾部行走總成是否上翹，否則應在其上加裝配重。

3.3.2 步進作業流程

主機步進利用專用步進機構，按照下列流程完成步進：

因始發洞室外組裝場地僅40 m，TBM主機在步進小車上組裝完成后，應將連接橋、1#臺車在洞外與主機相連，開始進行步進作業。步進預備洞室后，按主機步進距離，依次將剩下2～14節拖車進行組裝并用電機車頂推至始發洞室。TBM將主機、1#拖車、噴漿橋及附屬設備運至組裝區域內，并依次連接至設備橋。TBM步進至預定始發位置后，進行TBM各個臺車及主機組裝、調試及反力架安裝工作[5]。

（1）確認步進前工作準備完畢，將主推油缸、步進千斤頂、步進油缸、步進連桿、后支撐各狀態恢復至原始狀態。

（2）啟動步進泵站，按下推進按鈕，開始步進。需遵循以下注意事項：

1）步進指揮員時刻觀察底護盾與步進機構連接面的滑動情況，出現問題應及時發出指令信號。

2）步進操作員與指揮員時刻保持通信暢通，并時刻注意觀察主推油缸行程是否完畢。

3）步進完成2 m行程，按下停止按鈕。

4）操作步進千斤頂進行頂升，使TBM主機離步進機構底板約20 mm，并鎖定千斤頂；操作員應時刻關注后支撐液壓系統的壓力變化，及時補充壓力，保持主機離步進底板20 mm以上。

5）操作主推推進油缸回收手柄，使主推油缸收回一個行程長度，從而將步進底板同步向前行進一個行程長度。釋放步進千斤頂壓力，將TBM主機平穩放置在步進機構底板上，并提升千斤頂回縮到位，脫離地面。

6）按照以上流程開始下一循環的步進作業，TBM在懸臂段步進長度為300 m，刀盤步進至始發洞室掌子面后，應停止步進。

3.3.3 進入始發洞室步進小車拆除

當TBM步進至始發洞，應繼續向前步進至掌子面，此時步進機構頂升油缸將主機頂起，從下部將步進底板拆除，然后緩慢將TBM主機放置地面，此時TBM撐緊盾開始動作，將TBM主機固定，并開始核準TBM的始發姿態。

3.3.4 TBM始發階段軌道鋪設

TBM在向前步進后，需在設備橋下為臺車及電機車安裝軌道軌枕，每步進完成6 m，即為臺車及電機車增加一條軌道，直至主機步進至始發洞。為保證懸臂段臺車軌道平緩過渡至始發段，在懸臂段前期使用平軌枕，在始發洞室前需要增加變坡軌枕。

始發段軌道鋪設，底板軌道采用P43鋼軌，在鋼軌下鋪設10 mm厚鋼板做鋼枕，鋼枕長2.5 m。變坡段采用20工字鋼焊接變坡軌枕，高度為0～0.88 m，間距為1 m，變坡段長度為40 m。TBM后配套臺車軌道中心間距為2 080 mm，運輸車軌道中心間距為970 mm。進入懸臂段后摩擦輪機車需要安裝三軌。當TBM掘進到滿足洞口鋪設道岔的條件后，應鋪成“四軌三線”的電瓶車行走軌道，并鋪設洞口道岔。

3.3.5 風、水、電等管線延伸

（1）步進時，動力電纜應隨著延伸，為步進液壓系統、步進鋼軌吊機和照明進行供電等。

（2）完成進水管線布置和組裝后，步進時應同步鋪設進水管路，以用于供TBM調試、掘進用水。

（3）進行風管的延伸和照明電纜的架設，用于供調試掘進動力電的高壓電纜的架設。

4 TBM步進施工中的關鍵技術與控制措施

TBM步進施工對于確保施工過程的順利進行和隧道工程的質量至關重要。這些關鍵技術和控制措施涵蓋了從施工前的準備到施工過程中的監控與調整，再到施工后的質量評估與維護，主要包括以下內容：

（1）在施工前的準備階段，關鍵技術包括地質勘探、TBM選型與配置，以及掘進路徑的規劃等。通過詳細的地質勘探，可以確定隧道的掘進路線和可能遇到的地質挑戰。在此基礎上，選擇適合工程需求的TBM型號和配置，并規劃合理的掘進路徑，為后續的步進施工奠定堅實基礎。

（2）在施工過程中，關鍵技術包括精確地推進控制、切削參數的優化調整，以及支護系統的有效實施。推進控制是確保TBM步進施工順利進行的核心，需要精確控制TBM的推進速度和推進力，以避免掘進過程中的偏差和振動。切削參數的優化調整則涉及刀具的旋轉速度、切削深度和切削力等，以實現高效的巖石破碎和挖掘。支護系統的有效實施則是確保隧道穩定性的關鍵，需要根據掘進過程中的地質變化及時調整支護方案，確保隧道安全。

（3）在TBM步進施工中，還需要采取一系列控制措施確保施工質量和安全。這包括定期的刀具檢查和更換，以確保切削效果；對掘進過程中的振動和噪聲進行監控和控制，以減少對周圍環境的干擾；對掘進速度和掘進深度進行實時監控和調整，以確保隧道的線形和平整度符合要求；定期對支護系統進行檢查和維護，確保其穩定性和可靠性。

5 結束語

綜上，TBM步進施工技術在大坡度隧洞施工中具有顯著優勢，能夠顯著提高施工效率和質量，降低施工成本和風險。然而，在實際應用中仍需注意施工過程中的技術細節和控制措施，以確保施工的安全和穩定。相信隨著科技的不斷進步和工程需求的不斷提高，大坡度隧洞TBM步進施工技術將不斷取得更大的技術突破。該研究僅為初步探索，希望能為相關領域的研究和實踐提供有益的參考和啟示。

參考文獻

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[2]王夢恕，李典璜，張鏡劍，等.巖石隧道掘進機（TBM）施工及工程實例[M]．北京：中國鐵道出版社，2004.

[3]張國成，蔣忠全，韓明，等．TBM盾構機在隧道施工中的出洞步進技術研究[J]．中國設備工程，2019（13）：166-167.

[4]張子健．引水隧洞工程中的TBM施工技術[J]．四川建材，2021（3）：127+139.

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