王鵬飛

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

某隧洞工程，埋深超過200 m，主洞TMB施工段面為圓形，開挖洞徑為8.5 m。本文通過具體施工安排，記錄在不同圍巖條件下TBM掘進的參數(shù)從而進行開挖速度分析。

1 設計班組及勞動力的配置

TBM施工組織按掘進、維護、運輸、保障四部分進行設置。TBM考慮設置掘進隊（2個掘進工班）、維護隊（1個維護工班）和1個綜合保障隊。TBM掘進一段時間后，根據(jù)現(xiàn)場具體情況可考慮是否設3個掘進工班。

掘進工班負責洞內(nèi)的掘進作業(yè)和設備清理；維護工班負責設備的維護保養(yǎng)；運輸工班負責進料和運輸人員；保障工班負責備件和材料準備、洞外風水電設施保障等任務。

每個掘進班工作10 h,其中前后各0.5 h的設備清理和交接準備。掘進班中也設機電工程師跟班巡查處理故障。維護工班進行洞內(nèi)4 h維護保養(yǎng)，與掘進班交接重疊時間0.5 h，其他工作時間為洞外維修、查閱操作維修手冊、制定維修方案、撰寫報告等工作。2個運輸工班分別跟隨掘進工班進料運輸，另1運輸班在維護作業(yè)期間運輸人員、材料。2個保障工班倒班作業(yè)保障供給。

2 TBM掘進作業(yè)程序和方法

TBM施工主要是掘進、支護、出渣三大作業(yè)，以及軌道延伸、通風、供電、供水等其他輔助作業(yè)，一切作業(yè)以掘進作業(yè)為核心。在掘進作業(yè)的同時，錨桿作業(yè)和混凝土噴射等支護作業(yè)，以及進料、通風、供電、供水、軌道鋪設等輔助作業(yè)同時進行，以降低延誤掘進作業(yè)為一般原則。軟弱圍巖地段，根據(jù)實際情況，同時或停機進行鋼拱架安裝作業(yè)、掛網(wǎng)作業(yè)。不良地質(zhì)洞段停機進行超前地質(zhì)探測預報和地質(zhì)處理。掘進中，隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，刀盤上的鏟斗將石渣從隧洞底部鏟起，通過溜渣槽和裝渣斗，卸在主機皮帶機上，運至后配套皮帶機上，最后渣料轉(zhuǎn)入連續(xù)皮帶機運出洞外。TBM掘進施工工序流程見圖1。

圖1 TBM掘進施工工序流程圖

3 TBM掘進模式和掘進參數(shù)設計

TBM設置有自動控制模式和手動控制模式，自動控制模式又有推力控制模式和扭矩控制模式。巖石均勻較好時采取自動控制模式，較硬的均勻巖石采用推力控制模式，軟弱巖石采用扭矩控制模式。各類圍巖，均可采取手動控制模式，特別是不均勻的軟弱破碎圍巖。

根據(jù)不同圍巖，采取不同的掘進參數(shù)匹配，達到安全、高效掘進。TBM掘進中主要需調(diào)整的掘進參數(shù)為：推進行程、刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度（相應推進力、刀盤扭矩不同）、撐靴支撐力，控制驅(qū)動電機電流不超過額定值或一定限值。

（1）Ⅱ、Ⅲ類圍巖：巖石比較穩(wěn)定均勻，以較大的貫入度和掘進速度進行掘進。并采取全行程掘進，支撐力與推進力采取比例控制。

（2）Ⅳ、Ⅴ圍巖軟弱破碎，巖石穩(wěn)定性差，采取低轉(zhuǎn)速、較小推力、大扭矩的模式掘進，減少圍巖擾動，避免刀盤被卡和撐靴撐不住的問題。此外，斷層破碎帶需短行程掘進，及時加密支立鋼拱架。

本工程不同圍巖計劃采取的掘進參數(shù)和純掘進速度如表1所示。

表1 不同圍巖掘進參數(shù)和純掘進速度

4 TBM掘進作業(yè)循環(huán)分析

（1）Ⅱ類圍巖

Ⅱ類圍巖巖石穩(wěn)定完整，可以較高刀盤轉(zhuǎn)速、4.0 m/h掘進速度掘進，掘進一個行程1.8 m,計算所需25 min；換步5 min。隨機錨桿、320°范圍內(nèi)需要噴射50 mm厚的混凝土，支護量小，一般不會延誤掘進作業(yè)，出渣采用膠帶輸送機，出渣能力滿足最大掘進速度要求。所以，正常Ⅱ類圍巖循環(huán)時間約為30 min。實際Ⅱ類圍巖掘進作業(yè)循環(huán)時間見圖2。

圖2 Ⅱ類圍巖TBM掘進作業(yè)循環(huán)時間圖

（2）Ⅲ類圍巖

Ⅲ類圍巖巖石穩(wěn)定，有一定裂隙節(jié)理利于破巖，可以較高刀盤轉(zhuǎn)速和4.2 m/h掘進速度掘進，掘進一個行程1.8 m，計算需要20 min；換步5 min。進行錨桿作業(yè)和噴混作業(yè)，初期支護量小，一般不會延誤掘進作業(yè)。所以，正常Ⅲ類圍巖循環(huán)時間約為31 min。實際Ⅲ類圍巖掘進作業(yè)循環(huán)時間見圖3。

圖3 Ⅲ類圍巖TBM掘進作業(yè)循環(huán)時間圖

（3）Ⅳ類圍巖

Ⅳ類圍巖巖石基本穩(wěn)定，裂隙節(jié)理較為密集，容易破巖，但局部破碎掉塊，有時會產(chǎn)生較大巖塊，造成刀盤轉(zhuǎn)矩變化幅度加大，所以以較低刀盤轉(zhuǎn)速和3 m/h掘進速度掘進，掘進一個行程1.8 m，計算需要31 min；換步5 min。

需要施作系統(tǒng)錨桿Φ22，間距1000mm×1000mm，深2 500 mm。掛鋼筋網(wǎng)Φ8,150 mm×150 mm，掛網(wǎng)可與錨桿作業(yè)時間同步進行。320°范圍內(nèi)需要噴射160 mm厚的C20混凝土，每個行程約需6.2 m3的混凝土，混凝土罐車按每罐6.5 m3，每次兩罐配置，較遠距離掘進時運行時間約30 min,混凝土噴射系統(tǒng)按兩套配置，每套20 m3/h的噴射能力，所以從配套設備能力考慮，一般噴混作業(yè)不會延誤掘進作業(yè)?？紤]到特殊情況下混凝土運輸、罐車轉(zhuǎn)移或設備故障的可能延誤，噴混延誤時間按15 min考慮。

具體施工中實際Ⅳ類圍巖掘進作業(yè)循環(huán)時間見圖4。

圖4 Ⅳ類圍巖TBM掘進作業(yè)循環(huán)時間圖

（4）Ⅴ類圍巖

Ⅴ類圍巖,節(jié)理密集，軟弱破碎，容易破巖，但可能會出現(xiàn)塌方或撐靴撐不住的情況，因此對掘進速度需要進行控制，同時需要支立拱架，有些洞段需要加密拱架或立模灌注混凝土。初步設計以較低刀盤轉(zhuǎn)速和1.4 m/h低掘進速度掘進，以減少擾動，降低所需撐靴支撐力。掘進一個行程1.8 m，需要35 min；換步5 min。加密拱架掘進0.8 m，需要45 min。

需要施作系統(tǒng)錨桿Φ25，間距1 000 mm×1 000 mm，深3 000 mm。掛鋼筋網(wǎng)Φ8,150 mm×150 mm,320°范圍。0.8 m型鋼支撐,320°范圍內(nèi)需要噴射160 mm厚的C20混凝土。

對于Ⅴ類圍巖，掘進期間可以做支護或清渣等項工作，但掘進完畢后，還需花大量時間進行支護，主要是前部支護延誤時間較多，后部機械手噴射混凝土有足夠時間。支立加密拱架、大量清渣、應急噴混和立模灌注混凝土的情況對掘進延誤較多。綜合考慮，1.8 m掘進循環(huán)時間約150 min；Ⅴ類圍巖掘進作業(yè)循環(huán)時間見圖5。

圖5 Ⅴ類圍巖TBM掘進作業(yè)循環(huán)時間圖

5 TBM掘進技術要點分析結(jié)論

以上數(shù)據(jù)通過多次記錄綜合所得，在Ⅴ類圍巖具體施工中進行了參數(shù)調(diào)整，最終施工參數(shù)見表2所示，在具體施工中應注意以下幾點：

（1）掘進起步慢速推進，逐步達到預定的推進速度；

（2）根據(jù)不同圍巖，采取不同的掘進參數(shù)匹配；

（3）密切注意掘進參數(shù)變化和出渣變化，異常變化和振動等停機檢查；密切注意數(shù)據(jù)顯示和故障報警顯示；密切注意掘進方向的變化，進行恰當?shù)恼{(diào)整。

表2 調(diào)整后不同圍巖掘進參數(shù)和純掘進速度