某隧洞用掘进机（TBM）施工中的工程监理控制

高文先

（山西黄河水利工程咨询有限公司 山西太原 030012）

全断面岩石掘进机（TBM）是用于全断面开挖圆形的硬岩隧道并同时进行锚喷支护或衬砌混凝土管片的一种先进的机械化设备。由安装若干把切削岩石刀具的刀盘及其驱动装置、液压推进系统、锚喷支护或管片安装系统、控制方向的激光导向系统和材料、岩渣运输系统等组成。TBM分开敞式和护盾式两种，护盾式又有单护盾、双护盾和三护盾等形式。其隧道施工技术与设备具有开挖快、优质、安全、经济、对岩体扰动小、有利于环境保护和降低劳动强度等优点，已在很多国家的水利水电、铁路、交通、城市建设等地下工程施工中得到广泛应用。笔者参加了我国西部某工程TBM施工的监理工作。该工程引水隧洞总长31.9 km，TBM施工段23.7 km，断面为圆形预制钢筋混凝土管片衬砌，衬砌后内径为6.0 m。六边形由于地质复杂多变，遭遇了断层及破碎带、地下涌水、流砂、膨胀岩、软岩、极软岩等不良地质条件，造成TBM卡机48次，总卡机时间369天。在参建四方的不懈努力下历时4年零2个月完成了独头掘进的艰巨任务。

1 监理在TBM开挖过程中的质量控制

该工程TBM开挖是将基本导线引入洞内，采用SLS-T导向系统控制掘进方向。在确认TBM仪表盘的压力无异常状态下启动所有液压系统液压马达，启动润滑油泵；确认供水系统、冷却水路处于运行状态。启动刀盘的驱动系统，使刀盘运转，再启动主推（或辅推）进油缸开始掘进。在围岩较好洞段，TBM采用双护盾模式掘进。即将后护盾内一对水平撑靴伸出与岩壁撑紧，起到支撑作用，并将推力和扭矩传给洞壁，将前护盾支撑油缸（稳定器）选择在低压位置，刀盘开始旋转并和前护盾在主推进油缸的推力下前进；在围岩较差洞段，TBM采用单护盾模式掘进，即受围岩或TBM本身的限制，撑靴不能顶紧岩壁，前护盾和后护盾合成一体，伸缩护盾完全闭合，主推进油缸收回，由辅助推进油缸支撑管片产生的反作用力推进主机进行开挖。

TBM施工机械化程度高，洞轴线出现偏差不容易修复。基本导线的偏差直接影响激光导向偏差。为此，在TBM施工中采用双导线控制洞轴线。在该项目监理依据施工合同、监理细则及相关规范规定，在TBM开挖过程中严格控制其高程和方向。隧洞任何位置及贯通时的轴线的水平误差不得超过±100 mm、特殊洞段±200 mm，垂直误差不得超过±60mm、特殊洞段±120mm。

1.1 基本导线监理控制

（1）审批承包人员、仪器及检定和贯通测量方案。（2）跟踪外业每站测量过程，即TBM每掘进约50 m，督促承包人从基本导线上延伸一个施工导线点作为测站，保证TBM按设计轴线掘进。（3）TBM每掘进约500 m，监督承包人延伸布设一个基本导线点，精密测量后报批，并及时用于纠正施工导线，向TBM导向系统传导，通过基本导线控制施工导线。（4）通过VMT系统和施工导线点随时测定刀盘中心坐标并转换为轴线桩号、偏差值，指导TBM操作手纠偏。

1.2 TBM激光导向监理控制

TBM在掘进施工过程中，经常会发生上、下、左、右的姿态偏差或滚动，严重影响TBM方向的调整和隧洞施工质量。造成TBM发生上、下、左、右的姿态偏差或滚动主要原因：

（1）由于掌子面岩层软硬不均，导致TBM刀盘发生下沉或左右偏差，影响TBM掘进方向的调整。

（2）在软岩地层，由于持续的开挖导线偏差导致管片安装环偏离安装轴线，致使辅助推进液压油缸推力中心偏离，可能发生管片爆皮破损，间接引起TBM掘进方向难以控制。

（3）由于存在一定的塌方，稳定器不能有效支撑，导致TBM在掘进开挖过程发生护盾滚动，影响TBM开挖和管片安装。

为此，现场监理每60 min到操作室观察、记录TBM主驱动电机电流变化情况、激光导向指示情况（如激光脱离靶心）等情况，当偏差达允许值的50%，即洞轴线垂直偏差显示值大于等于30 mm或小于等于-30 mm、洞轴线水平偏差大于等于50 mm或小于等于-50 mm时提示TBM操作手采取纠偏措施，纠偏率控制在±4mm/m内；如遇软岩地层宜采用单护盾模式，使前后护盾成为一个整体，有效避免支撑护盾铲渣，控制刀盘下沉；发生护盾滚动的情况时，提示TBM操作手宜利用反扭矩油缸，同时配合双护盾模式反复调整姿态，保证TBM掘进时方向的正确性。

1.3 地质监理控制

（1）主要在TBM检修时通过刀盘孔检查掌子面，通过尾盾窗口观察围岩变化及渗水情况。

（2）在掘进中通过弃渣岩块的规格大小，颜色，主要成分及可见擦痕、镜面、阶步等，分析判断围岩变化情况。发现异常情况及时通知承包人做取样试验，为设代提供变更管片依据。

（3）审查签认承包人的地质日报、地质剖面图及阶段地质报告，分析TBM开挖的工作效率及影响因素。

2 监理对预制混凝土管片安装过程的控制

该工程预制混凝土管片为六边形，设有2道止水，宽160 cm，厚28 cm，四片拼装一环，成洞内径6 m。管片安装是TBM开挖后，在尾护盾利用管片安装机进行，一环管片的安装分两次完成，先安装底、顶管片，后安装两片侧管片。每片管片接缝面设有四个连接销孔，相邻管片通过连接销连接，保证管片安装接缝平顺。管片安装完成后，用CK砂浆进行勾缝。

在双护盾模式下，TBM开挖与管片安装可同步进行，单护盾模式下不能同步。

2.1 进洞管片控制

（1）监理检查进洞管片是否合格，盖合格章为识别标记。（2）进洞管片型号是否符合设计要求，即检查管片模具编号处所标管片型号与开挖围岩是否相对应。（3）进洞管片外观质量是否符合进洞要求，即检查管片有无缺棱掉角、止水带脱落或破损等。（4）连接销和限位板是否满足安装需求，即检查连接销孔内是否干净、限位板焊接是否符合设计要求。

2.2 管片安装质量控制

（1）管片环径向误差为±20 mm。（2）管片安装质量管片中心区接缝宽度允许偏差：直段小于等于8 mm，弯段内侧小于等于5 mm、外侧小于等于10 mm。（3）管片接缝处错台允许偏差：小于等于10 mm。（4）管片安装后承包人在第二环位置开始对管片接缝处进行量测，每量测五环监理复核一次。

2.3 管片修复质量控制

（1）管片修复砂浆严格按照批准的配合比（见表1）现场配制。

（2）跟踪见证取样并抽检。（3）管片修复上道工序未经监理验收，不得进入下道工序。（4）对承包人未经监理验收的管片修复工程量不予计量，同时令其返工。

表1 管片修复砂浆配合比

2.4 勾缝、封孔质量控制

（1）勾缝、封孔砂浆严格按照批准的配合比（见表2）现场配制。

表2 勾缝封孔砂浆配合比

（2）跟踪见证取样并抽检。（3）不定时检查承包人管片安装后的勾缝、封孔施工过程，发现管片安装后接缝较宽时，通知承包人及时镶嵌止水条再勾缝，使止水条起到止水作用。（4）勾缝封孔后砂浆如不饱满顺平，与管片结合不紧密，表面有裂缝，旁站承包人返工。

3 监理对豆砾石回填灌浆过程质量控制

豆砾石回填灌浆工序属隐蔽工程，是TBM施工中的主要工序，是在管片安装完毕推出尾盾3环后，利用预制混凝土管片预留安装孔自下而上对管片外侧环形空隙对称充填豆砾石（豆砾石粒径一般为5～10 mm），用CK砂浆隔环封孔后进行灌浆。为了施工中统计方便，按TBM掘进顺时针方向将各孔编号为A-B-C-D-E-F-G-H-I（如图1所示）：

图1 预留安装孔编号图

施工工艺流程：豆砾石回填→底管片非灌浆孔封孔→TBM后配套前部灌浆 (底拱60O范围回填砂浆或先充填豆砾石后回填灌浆)→侧、顶管片非灌浆孔封堵→TBM后配套尾部自下而上对称灌浆→封孔→检查。为了加强豆砾石回填灌浆质量，根据设计要求，从设计桩号76+495.746（8455环）开始设封闭环，间距30～100 m。封闭环安装后，采用北京瑞米加固I号化灌材料整环化灌封闭。从而使回填灌浆达到起压快、串浆距离短、耗时少，浆液结石密实度高的效果。豆砾石回填灌浆施工质量的好坏直接关系到洞体的安全与稳定运行，是监理控制的重点。

3.1 原材料控制

现场监理复核每一次水泥、粉煤灰、豆砾石等原材料进洞数量、生产日期、豆砾石逊径是否超标等。

3.2 豆砾石回填控制

（1）检查豆砾石是否干净湿润、豆砾石喷射机运行是否正常。

（2）遇围岩收敛变形洞段或膨胀岩洞段时要求承包人先回填侧拱,顶拱滞后，以避免顶管片承压破裂甚至坍塌。

（3）围岩较为稳定洞段要求承包人按照批准的施工方案及时回填，如豆砾石跟不上时，应及时对侧拱回填、顶拱利用第二天设备检修时间进行补填。

3.3 底拱砂浆回填控制

施工部位：连接桥。（1）按批准的配合比（见表 3）制浆。（2）监理全程旁站底拱砂浆回填过程，压力要求：0.2～0.3MPa。（3）每单元（200 m）注浆孔数124～125个。

表3 底拱回填砂浆配合比

（4）封孔需满足图2规定。

图2 灌浆孔，封堵孔位置图

3.4 回填灌浆控制

施工部位：后配套尾部。（1）在开灌前，监理检查封孔是否合格、预留灌浆孔是否满足每单元（200 m）287～292个的要求（见图3）。

图3 每单元封堵孔、灌浆孔位置

（2）检查是否按批准的配合比（见表4）制浆。

表4 回填灌浆配合比

（3）监理每60 min检查一次浆液比重。闭浆要求：5 min内不进浆或10 min内进浆量小于5L，D、F孔的闭浆压力0.6 MPa、其他孔闭浆压力0.4 MPa（已含0.1 MPa管路损耗）。

3.5 豆砾石回填灌浆质量检查

根据承包人提交的豆砾石回填灌浆记录表，布置检查孔。对豆砾石回填灌浆质量检查的全过程进行旁站。合同规定：压水检测每200 m进行1次，在灌浆实施7 d后进行钻孔压水或压浆检测，在0.3 MPa的压力下初始10 min内注入量不超过10 L为合格，压浆检测是在0.3 MPa的压力下初始10 min内注入量不超过5 L为合格；如压水或压浆检查不满足合同要求，指令承包人及时补灌，直至合格。取芯检测每200 m4个，在豆砾石回填灌浆28 d（加粉煤灰为90 d）后芯样抗压强度检测标准为C10，能做抗压强度的芯样每个单元不少于1个，每个分部不少于8个；如取出的芯样不成形或松散体、芯样蜂窝达1/3长度时为不合格，要求承包人及时进行补灌，补灌28 d（加粉煤灰为90 d）后在补灌孔周边10 m范围重新布孔检测。压水或压浆试验、取芯检查程序满足合同或设计要求时，对检查结果进行签认。

4 TBM通过不良地质洞段施工质量监理控制

该工程地质构造复杂，开挖揭露的IV、V类围岩占90%以上，TBM在施工中遭遇到断层发育洞段、泥质膨胀岩发育洞段、煤系地层洞段、放射性地质环境洞段、土洞段、含水洞段等不良地质洞段，使得TBM掘进时要么方向偏移，管片安装接缝超标、错台大和裂缝；要么机头被压、盾体抱死导致卡机。为防止TBM通过后出现洞体坍塌等事故发生，确保管片安装后的稳定和隧洞的施工安全，监理从以下几方面加以控制：

1）TBM通过不良地质洞段预案审查。即要求承包人针对不同地质条件制定对应的施工预案，并根据揭露的围岩状况进行细化，以便TBM施工通过。

2）TBM掘进遭遇不良地质时的控制。

（1）监理会同发包人、设计、承包人地质人员跟踪作业，根据初设地质报告和TBM正常工作时，对岩渣的岩性、块度、成分和变化趋势作出判断，及运行过程中，TBM精确地纪录下了包括液压推进油缸的实时压强(MPa)，主电机的功率参数（kW），以及机头前进速度（mm/h）等判断前方地质条件的变化。

（2）同时在停机和刀具检修时，使用TBM在护盾上的观测窗口，地质工程师对围岩观察作出的判断；从刀盘进入掌子面对围岩的观察作出判断。

（3）要求承包人进行超前地质预报，如通过超前地质钻探的芯样、钻进速度，或通过高密度电阻法测量等对前方的围岩进行详细的探测。

（4）要求承包人加强设备保养，增加开挖直径，使得TBM在通过不良地质洞段时处于良好的工作状态。

（5）如遇卡机时，承包人应对TBM主机部位的全部或局部岩石进行人工扩挖解负，同时对顶部围岩和掌子面进行固结灌浆加固处理；然后调整TBM姿态和掘进参数，向前推进。TBM脱困后，将扩挖部位用素混凝土回填，空间较小时可回填豆砾石。

（6）安装重型管片，必要时整环用钢板锁死，确保TBM通过后隧洞的安全与稳定。

通过艰苦细致的监理工作，在参建各方的积极配合下，克服重重困难，于2009年年底隧洞精准贯通，得到安全鉴定专家组的高度评价。