王成文

（中國水利水電第四工程局有限公司，西寧 810000）

1 工程概況和特點

扎西揚頂至古學(xué)組右岸通村公路工程位于西藏自治區(qū)芒康縣曲孜卡鄉(xiāng)境內(nèi)。本工程主線洞身段傳統(tǒng)開挖優(yōu)化為TBM 工法施工，TBM 施工隧洞開挖直徑3.64m，洞身最大縱坡3.21%。施工總長度約5.5km。隧道巖體為印支期花崗閃長巖，該巖體堅硬，完整性較好，地表出露為中風(fēng)化。依據(jù)洞室圍巖的巖質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)類型、風(fēng)化卸荷特征以及巖體完整程度等，對圍巖進(jìn)行分類，中風(fēng)化花崗閃長巖劃分為Ⅲ2 類，微風(fēng)化花崗閃長巖劃分為Ⅲ1 類，斷層帶劃分為V 類，斷層影響帶和節(jié)理密集帶劃分為Ⅳ類。

2 TBM 施工工藝流程

TBM 施工程序主要包括：施工準(zhǔn)備、TBM 設(shè)計及設(shè)備制造、工廠組裝及調(diào)試、工地運輸、現(xiàn)場組裝及調(diào)試、步進(jìn)及始發(fā)、試掘進(jìn)、掘進(jìn)貫通、拆卸，具體工藝流程詳見圖1。

圖1 TBM 施工工藝流程圖

3 施工方法及操作要點

3.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備階段需具備TBM 進(jìn)場施工條件，包括運輸?shù)缆贰⑹┕龅?、始發(fā)洞室、相關(guān)輔助工程、風(fēng)水電條件、人力資源、機(jī)械設(shè)備、材料工機(jī)具等滿足施工要求，人員安全教育培訓(xùn)、圖紙資料審核、技術(shù)方案及交底等全部到位。

3.2 TBM 組裝

3.2.1 TBM 組裝前準(zhǔn)備工作

①制定組裝施工順序；②制定組裝施工計劃；③明確組裝施工方法；④制定組裝安全、質(zhì)量控制措施及目標(biāo)；⑤組裝施工作業(yè)人員理論及技能培訓(xùn)；⑥TBM 組裝設(shè)備選擇。

3.2.2 組裝施工工藝及技術(shù)要求

①機(jī)械部件組裝技術(shù)要求。

1）部件清潔：機(jī)械部件在組裝前，必須做到先全面清潔，尤其是螺栓孔、配合孔、工藝孔、連接面等必須重點清潔，不得有任何碎屑雜物的殘留。2）焊接作業(yè)技術(shù)要求：TBM 刀盤的材料Q345D 型鋼板，要求焊接作業(yè)人員必須具有高級焊工資質(zhì)。由于刀盤為TBM 的關(guān)鍵部件，因此焊接材料為E5015 型堿性焊條，焊接方式為電弧焊。Q345D型鋼板含碳量在0.345%-0.45%之間，厚度大于70mm，在低溫下焊接前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱。3）焊接溫度控制技術(shù)措施：預(yù)先規(guī)劃刀盤焊接區(qū)域，焊接過程加強(qiáng)溫度檢測，實時監(jiān)控的溫度計，紅外遙感測溫槍，對焊接部件進(jìn)行精確的溫度控制。需要翻轉(zhuǎn)焊接時，利用門機(jī)將刀盤翻轉(zhuǎn)定位。

②組裝現(xiàn)場布置及大型部件存放。

TBM 的組裝采取整體組裝、步進(jìn)的形式。主機(jī)部件的存放需預(yù)先指定存放區(qū)域。

③TBM 組裝方法：TBM 整體組裝按照從前到后的順序。主機(jī)組裝完成后拼接后配套拖車，整體組裝和部件組裝同步進(jìn)行，具體組裝流程詳見圖2。

圖2 組裝流程圖

④TBM 后配套組裝：所有后配套臺車安裝連接完成后，需進(jìn)行主機(jī)、設(shè)備橋的安裝。首先安裝主機(jī)皮帶，調(diào)整各段皮帶機(jī)支架位置后固定，然后安裝皮帶，硫化設(shè)備皮帶；再進(jìn)行1-2 號臺車、設(shè)備橋、最后整機(jī)組裝連接。

3.3 TBM 始發(fā)流程

3.3.1 TBM 步進(jìn)及始發(fā)洞施工

①主機(jī)、設(shè)備橋所有附件安裝完畢后，即可進(jìn)行步進(jìn)。TBM 整機(jī)步進(jìn)到位后，即可進(jìn)行電氣系統(tǒng)長大線纜的鋪設(shè)。

②TBM 始發(fā)洞開挖完成后，進(jìn)行噴錨支護(hù)，滿足TBM在始發(fā)洞內(nèi)伸出撐靴，TBM 始發(fā)前刀盤距離掌子面至少0.5m，便于刀盤轉(zhuǎn)動。

3.3.2 TBM 調(diào)試

TBM 調(diào)試工作主要為液壓系統(tǒng)調(diào)試、電氣系統(tǒng)調(diào)試、PLC 控制系統(tǒng)調(diào)試等。

①調(diào)試前準(zhǔn)備：1）檢查護(hù)盾、刀盤與步進(jìn)機(jī)構(gòu)底板的干涉程度，確保刀盤旋轉(zhuǎn)不受任何干涉；2）確認(rèn)撐靴與始發(fā)洞壁的安全距離確保撐靴油缸行程要求；3）檢查電氣系統(tǒng)電纜連接是否正常，及高壓系統(tǒng)開關(guān)的完成情況；4）檢查液壓系統(tǒng)閘閥的完好性；5）檢查冷卻用水及液壓油、齒輪油油位是否正常；6）調(diào)試、巡檢人員必須了解設(shè)備各使用按鈕，配置通信設(shè)施。

②設(shè)備調(diào)試流程：TBM 運行之前，對TBM 主機(jī)和后配套系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試檢查。首先對電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及與主機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的連接設(shè)備等進(jìn)行檢驗，經(jīng)檢驗后進(jìn)行TBM 設(shè)備調(diào)試工作，調(diào)試工作包括所有的運行系統(tǒng)，設(shè)備TBM 設(shè)備調(diào)試由廠商派專業(yè)人員進(jìn)行操作。

3.4 TBM 洞身掘進(jìn)

TBM 施工以洞身掘進(jìn)開挖、支護(hù)、出渣三大作業(yè)為主，通風(fēng)、供電、供水、施工物資運輸?shù)绕渌o助作業(yè)，一切均以開挖掘進(jìn)作業(yè)為核心。開挖掘進(jìn)作業(yè)的同時其他作業(yè)并行或連續(xù)進(jìn)行，以不影響開挖掘進(jìn)作業(yè)為原則。TBM 掘進(jìn)作業(yè)流程詳見圖3。

圖3 TBM 掘進(jìn)作業(yè)流程

3.5 TBM 導(dǎo)向測量系統(tǒng)

導(dǎo)向系統(tǒng)采用VMT 自動定位隧道導(dǎo)向系統(tǒng)，由PC機(jī)、隧道掘進(jìn)軟件、激光經(jīng)緯儀、ElS 靶、控制盒、調(diào)制解調(diào)器、激光發(fā)射器、電纜等組成，能對TBM 掘進(jìn)時的姿態(tài)位置、水平和垂直偏差進(jìn)行監(jiān)測控制并顯示預(yù)警，操作工可及時根據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)顯示的信號數(shù)據(jù)，實時對TBM 的掘進(jìn)方向以及姿態(tài)等各方面的調(diào)整，保證據(jù)進(jìn)方向無誤差，確保隧道掘進(jìn)的質(zhì)量和安全。

3.6 TBM 掘進(jìn)模式的選擇

3.6.1 掘進(jìn)模式的選擇

TBM 設(shè)備提供了三種自適應(yīng)的掘進(jìn)控制模式，即恒功率控制模式、恒扭矩控制模式和手動控制模式。在掘進(jìn)中根據(jù)不同圍巖條件選擇不同的掘進(jìn)控制模式，恒扭矩控制模式宜用于均質(zhì)軟巖，恒功率控制模式宜用于均質(zhì)硬巖。因手動控制模式便于操作，操作靈活，適用于各種巖層，故一般宜采用手動控制模式。

3.6.2 掘進(jìn)參數(shù)的選擇和調(diào)整

①掘進(jìn)參數(shù)的選擇。參數(shù)選擇是影響軟弱圍巖施工的關(guān)鍵因素。掘進(jìn)參數(shù)是指刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推力以及掘進(jìn)速度、撐靴系統(tǒng)的撐緊壓力等，根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化可以推斷圍巖的變化情況，其中：推力大小反映圍巖強(qiáng)度，刀盤扭矩大小反映圍巖完整性。合理選擇和調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)可有效地減少剝落與坍塌。

②掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整。TBM 設(shè)備在軟弱圍巖中掘進(jìn)施工，如仍采用硬巖的掘進(jìn)參數(shù)，易增大圍巖剝落，增加支護(hù)工作量，嚴(yán)重時，將發(fā)生刀盤被卡，皮帶機(jī)皮帶拉傷或被卡滯；也會使刀具損壞量增加；或?qū)е聯(lián)窝ゴ蚧斐赏C(jī)；掘進(jìn)方向不受控，刀盤易下沉，機(jī)身滾動，掘進(jìn)方向出現(xiàn)過大偏差等。上述問題將嚴(yán)重影響TBM 施工功效的發(fā)揮，制約施工進(jìn)度，且施工質(zhì)量難以保證。為盡可能避免上述問題發(fā)生，取得高效的掘進(jìn)速度，必須在掘進(jìn)過程中根據(jù)不同巖石級別調(diào)整TBM 掘進(jìn)參數(shù)。

3.7 TBM 掘進(jìn)速度指標(biāo)合理規(guī)劃

3.7.1 TBM 掘進(jìn)速度指標(biāo)分析

①TBM 掘進(jìn)中主要調(diào)整和控制的參數(shù)：1）刀盤轉(zhuǎn)速；2）刀盤推力；3）切深（貫入量）；4）刀盤扭矩；5）推進(jìn)行程；6）撐靴壓力。

②影響掘進(jìn)性能的主要地質(zhì)參數(shù)：1）圍巖類別；2）巖性；3）巖石抗壓強(qiáng)度；4）巖石的裂隙程度。

3.7.2 參數(shù)的監(jiān)測、分析

柵格轉(zhuǎn)換矢量后疊置分析法。綜合運用內(nèi)部點擴(kuò)散算法、復(fù)數(shù)積分算法與掃描算法將插值后的柵格圖像轉(zhuǎn)化為矢量圖形后，運用空間鏈接（Spatial Join）將轉(zhuǎn)化后的因素分值矢量圖中的分值賦予定級單元。

對TBM 掘進(jìn)施工工作參數(shù)、性能參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與統(tǒng)計分析，取得不同圍巖級別下的掘進(jìn)參數(shù)最佳匹配規(guī)律，作為其他工程TBM 施工的重要參數(shù)積累和參考。

對TBM 掘進(jìn)各種狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測采集，掌握在各種狀態(tài)下掘進(jìn)的工作參數(shù)、掘進(jìn)性能隨圍巖類別、抗壓強(qiáng)度、裂隙狀況不同而發(fā)生的變化規(guī)律，為合理選擇主要工作參數(shù)、進(jìn)行參數(shù)間的優(yōu)化組合匹配，實現(xiàn)快速掘進(jìn)、降低能源消耗提供操作時的選擇依據(jù)。

監(jiān)測的主要狀態(tài)參數(shù)主要有六個：①刀盤推進(jìn)速度的監(jiān)測；②刀盤轉(zhuǎn)速的監(jiān)測；③刀盤推力的監(jiān)測；④功率利用率的監(jiān)測；⑤刀盤扭矩的推算；⑥切深（貫入度）的推算。

監(jiān)測方法：利用TBM 本身的數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，在掘進(jìn)過程中對各參數(shù)跟蹤記錄，將扭矩、推力、推進(jìn)速度、切深、功率利用率、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)缸壓力等性能參數(shù)采集匯總。

參數(shù)分析：根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，建立與地質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的關(guān)系曲線，進(jìn)行曲線擬合，建立回歸方程。關(guān)系曲線相關(guān)參量有：切深（貫入度）與扭矩、切深與推力、切深與掘進(jìn)速度、掘進(jìn)速度與功率利用率。

利用關(guān)系曲線，總結(jié)規(guī)律，為TBM 操作司機(jī)提供不同圍巖條件的最佳匹配數(shù)據(jù)。獲得最佳的TBM 掘進(jìn)效能。

TBM 施工快慢主要由掘進(jìn)速度和有效運轉(zhuǎn)率來體現(xiàn)。掘進(jìn)速度快，有效運轉(zhuǎn)率高，施工速度快，月進(jìn)尺就多。

4 施工風(fēng)險源及應(yīng)對措施

4.1 TBM 淺埋段斷層節(jié)理密集帶施工是重點

①巖石斷層破碎帶是安全隱患之一。因圍巖穩(wěn)定性極差，容易發(fā)生坍塌、掉塊，造成巖塊堵塞出料口并卡機(jī)的現(xiàn)象，同時可能會碰到少量裂隙水，存在滲水漏水現(xiàn)象，若斷層附近地下水活躍，加上埋深比較淺，則更易發(fā)生塌方、冒頂?shù)痊F(xiàn)象。為了及時掌握斷層的潛在影響，施工過程中可利用TBM 自帶地質(zhì)預(yù)報探測設(shè)備進(jìn)行探測，并結(jié)合前期勘察資料，安排適量的超前注漿預(yù)處理。

4.2 長距離大下坡重載出渣安全運輸是重點

為滿足掘進(jìn)需求，電瓶車空載進(jìn)洞，滿載出洞，最大坡度3.21%，長距離大下坡重載出渣安全運輸是重點。

主要對策：①機(jī)車剎車制動系統(tǒng)針對性設(shè)計；②控制能力針對性設(shè)計。

4.3 逆坡排水

①風(fēng)險源分析。逆坡排水需防止TBM 設(shè)備機(jī)頭處積水過深，危及隧洞施工的設(shè)備及人員的安全，影響正常的施工生產(chǎn)。

②應(yīng)對措施：1）TBM 刀盤、電動系統(tǒng)等關(guān)鍵部件均采用IP67 防水等級，提高設(shè)備自身的防排水能力；2）TBM 靠近前盾部位配置大功率水泵和應(yīng)急排水接口，一備一用，后配套同樣應(yīng)配備大功率水泵對出現(xiàn)大股突涌水等惡劣情況時及時抽排，從而保障設(shè)備安全；3）加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，將超前地質(zhì)預(yù)報納入工序管理；4）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報所揭示地質(zhì)斷層及地下水的水量情況，視地質(zhì)情況采取超前預(yù)注漿、超前小導(dǎo)管注漿等；5）TBM 施工中，洞內(nèi)必須保證排水工作24 小時正常運轉(zhuǎn)，供電系統(tǒng)必須保證24 小時不間斷運行；同時，現(xiàn)場配備應(yīng)急電源，滿足緊急情況下抽排水設(shè)備正常運行。

4.4 TBM 破碎帶施工

①風(fēng)險源分析。TBM 破碎帶段施工主要為支護(hù)工作量大，清渣量大，破巖圍巖卡刀盤、卡盾體風(fēng)險等。

②應(yīng)對措施：1）為使TBM 快速通過斷層破碎帶地層等不良地質(zhì)段，TBM 大推力、大扭矩設(shè)計；2）TBM 盾體分塊可伸縮設(shè)計，在破碎帶通過盾體的伸縮可有效解決TBM 卡機(jī)問題；3）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報所揭示地質(zhì)斷層及地下水的水量情況，結(jié)合以往施工經(jīng)驗和結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，視地質(zhì)情況采取超前預(yù)注漿、超前小導(dǎo)管注漿等支護(hù)方式對破碎圍巖進(jìn)行超前支護(hù)；4）TBM 施工前，對隧洞區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)地質(zhì)補(bǔ)勘，核實確定隧道掘進(jìn)地質(zhì)情況。

5 結(jié)語

通過在西藏高海拔地區(qū)采用小直徑TBM 對長距離洞室掘進(jìn)，在工期緊、難度大、風(fēng)險高、不確定因素多，可借鑒的施工經(jīng)驗少的條件下。對TBM 組裝、始發(fā)、掘進(jìn)、拆卸等方面通過嚴(yán)控TBM 組裝工藝和技術(shù)要求、導(dǎo)向測量、掘進(jìn)模式選擇與參數(shù)調(diào)整、掘進(jìn)速度指標(biāo)分析和不同巖石條件下掘進(jìn)參數(shù)的選擇等技術(shù)手段和施工風(fēng)險應(yīng)對措施等不斷研究，成功的突破長距離小直徑洞室采用TBM 掘進(jìn)平均每日掘進(jìn)在20m 以上，取得了掘進(jìn)突破700 米/月的成果，達(dá)到國內(nèi)小直徑TBM 在高海拔地區(qū)長距離洞室掘進(jìn)進(jìn)尺領(lǐng)先水平，為今后高海拔地區(qū)采用小直徑TBM 掘進(jìn)施工提供可借鑒的寶貴經(jīng)驗。