基于“4M1E”影响因素的敞开式TBM快速掘进保障措施

徐 赞 ，谢培才

(1．中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 0 65201;2．洛阳市市政排水泵站管理所，河南洛阳 4 71000)

0 引言

采用现代化的全断面隧道掘进机(Full-face Tunnel Boring Machine，简称TBM)技术穿越复杂地质、修建长大隧道，是世界地下工程建设的发展趋势，在我国的隧道工程施工中也已日益普及。敞开式TBM对中硬岩有着较好的适应性，具有快速、高效、安全、环保、集成化程度高等独特优势。作为一个高效集成的复杂系统，如何充分确保TBM设备利用率和加快掘进速度，是体现敞开式硬岩掘进机优势的关键。影响TBM设备利用率和施工进度的因素很多，归纳起来主要体现在5个方面，即人(从事生产施工的人员，Man)、机(用于现场施工的机器设备，Machine)、料(生产所需的原材料，Material)、法(施工方法及措施，Method)和环(施工环境，Environment)，简称为“4M1E”影响因素。文献［1-4］就TBM的快速掘进施工进行了较深入的研究，但研究内容大都集中于“机”或者“法”，并不全面。本文以新建兰州—重庆铁路西秦岭隧道XQLS2标敞开式TBM施工为例，系统阐述在现场施工过程中针对“人、机、料、法、环”5个方面采取的快速掘进保障措施和成功经验。

1 工程概况

兰渝铁路西秦岭隧道位于甘肃省陇南市武都区，隧道长28 236 m，是我国第二长铁路隧道，也是目前我国采用TBM修建的最长距离、最大直径的干线铁路隧道。根据设计，西秦岭隧道TBM掘进软弱围岩地段千枚岩为浅灰色至深灰色，主要为砂质千枚岩和千枚状夹变砂岩，节理发育，受构造影响，层间揉皱强烈，岩石较破碎，零星夹有灰岩薄层。由中铁隧道集团承建的西秦岭隧道左线2010年6月25日正式开始第1掘进段施工，于2011年5月28日实现第1掘进段与罗家理斜井钻爆段重庆端贯通，提前原施工组织设计130 d。2011年8月30日转场结束后开始第2掘进段施工，于2013年4月26日掘进至合同分界里程DⅠK403+650处，总计历时31个月，创造了日掘进进度42．69 m，第1阶段平均月掘进508 m，全段平均月掘进415 m等多项国内纪录，并创造了直径10 m以上同类TBM施工周掘进进度392．0 m、月掘进进度804．3 m 2项世界纪录。

优异的施工业绩，取决于施工方在施工过程中对人、机、料、法、环5个方面的科学管理和有效控制。TBM法掘进施工每个环节的管理都是保证整机连续作业的关键，只有这些保障措施都围绕掘进机施工这个主题切实开展起来，才能最终体现出掘进机施工的快速和优质。

2 人(Man)

对人的管理是生产管理中的重点，也是最大的难点。提高施工进度，首先要“用好人”，尽可能地发挥作业人员的特点，激发员工的工作热情，提高工作积极性。

2．1 统一目标，提高作业人员积极性

为提高组织管理水平，西秦岭隧道TBM掘进工区施行“总数定员、专人专岗、责任到人”的内部承包管理模式，成立掘进一队、掘进二队、保养班、刀具班、皮带班、运输班、电工班、测量组，并将以往彼此相对独立的工班(组)归口于一个项目副经理统一管理，以加强过程控制和工序衔接。人员收入与施工进度、工序质量、现场安全和文明施工直接挂钩，确保各作业班组在思想意识、共同利益上高度统一、没有分歧，使项目各项要求从上至下得以完全贯彻落实，保证项目内部个体力量与目标方向相同，避免“内耗”现象。此外，还采取进度考核奖励机制等办法调动施工人员的积极性，将人为因素降至最低，大大提高了生产效率。

2．2 发扬民主，让工人成为工区的主人

一个工区的发展，归根结底依靠的是一线工人。工人作业在生产第一线，他们更了解工区制定的计划和决策是否真正符合生产施工的实际情况，是否切实可行。在安排工作时，定人定岗、责任到人，让工人充分了解作业任务和目标，能够促使工人在执行任务过程中，结合自身能力充分评估作业工序。当情况发生变化时，不是机械地回避，而能够自己动脑解决。遇到突发情况，与工人平等协商，让工人参与决策，各抒己见，充分听取一线工人的意见和建议，诱发他们思考解决问题，对工人提出的合理建议积极采纳并予以鼓励，使最终决策更加合理，同时也能够增强员工自信心，使工人与工区形成合力，真正地把自己当作工区的一分子，更有责任感，努力发挥自己的才智能力，为工区服务［5］。

2．3 加强员工培训，营造学习氛围

西秦岭隧道建设初期，大部分参与施工的技术人员都是刚参加工作不久的大学生，很多施工人员也只有盾构方面的施工经验。为提高TBM技术水平，保证设备状态完好，项目主要技术力量向TBM整体倾斜，多次派员工到南疆铁路吐库二线中天山隧道等工程实地跟班学习，并派TBM主管工程师、施工负责人、液压工、修理工等多人到TBM制造厂家学习。通过采用以老带新、理论学习、集中培训等手段，充分融合老工人的丰富经验与组织力强、新学生的基础知识扎实与思维活跃的特点，实现立足于稳、稳中求变，推动技术创新，最终实现项目整体技术水平的提高。另外，项目还专门外聘了1名TBM设备专家，通过“拜师学艺”的方式培养项目中坚力量。通过这些方式，极大提高员工工作的自主性和热情，推动了项目的技术进步。

3 机(Machine)

TBM是由几十个独立的子系统有机地连接成的一个完整的大系统，任何一个环节的故障均会影响到TBM的正常掘进。关键部位的损坏更会导致整台TBM处于停滞甚至瘫痪状态，从而影响整个工程的进展，同时也会大大增加成本。合理的TBM选型与配置是隧道正常掘进的基础;科学的设备检测诊断与维护保养、刀具管理、配件供应等环节和必要的设备改造，不仅可以对设备进行有效保护、减少机械故障、降低项目成本，同时也可以降低施工风险，为快速掘进提供有效保证。

3．1 TBM 选型

西秦岭隧道走行于秦岭高中山区，隧道最大埋深约1 400 m，全长28 236 m，采用钻爆法和TBM法联合施工。其中，隧道出口在围岩较好的地段分2段采用TBM掘进:第1段长5 594 m，第2段长7 340 m。围岩以Ⅲ级和Ⅳ级为主，构造裂隙中、弱富水区，岩石整体较完整，有较好的自稳性，因此首选敞开式TBM。

用于西秦岭隧道施工的敞开式TBM，在遇到局部不稳定的围岩时，可通过TBM所附带的辅助设备施作锚杆、架立钢拱架、挂设钢筋网、喷射混凝土进行加固，以保持洞壁稳定，而且在掘进过程可直接观测到洞壁岩性的变化，便于地质素描和调整施工工艺。可以说，TBM选型的成功，是西秦岭隧道快速掘进的基础和保证。

3．2 设备监测诊断与维护保养

对TBM实施全面规范化的监测诊断与维护保养是降低故障率、减少设备维修次数、减少不必要停机的先决条件，如此才能保持机器性能完好。自西秦岭隧道敞开式TBM进洞开始掘进以来，项目成立TBM掘进保养班，由机电副总工程师率领机械、液压、电气、润滑、检测专业工程师和熟练技工，执行保养任务。除正常跟班监测诊断外，严格坚持每日第1掘进阶段 7:00—11:00(第 2掘进阶段 8:00—14:00)交接班期间强制停机维护保养。

西秦岭隧道TBM主要监测诊断技术包括振动监测、油样分析(润滑油理化性能分析、铁谱分析、颗粒计数分析)、工业内窥镜检测、故障听诊仪检测、温度监测、压力检测、流量检测、声学监测及无损探伤检测，由西秦岭隧道TBM检测站专职负责，油样光谱分析委外进行。具体监测对象如表1所示。

表1 TBM状态监控表［6］Table 1 TBM monitoring items［6］

为减少TBM的故障停机时间，提高设备的利用率，确保TBM正常运转，例行维护检查按表2进行。

3．3 刀具管理

刀具是TBM掘进系统的关键部件之一。TBM刀具管理的环节环环相扣，只有认真做好每一个环节的具体工作，才能将刀具管好、用好。为加强刀具管理，项目实行刀具工程师主管负责制，配备刀具班及刀具修理车间，把刀具的用、管、养、修提高到管理的高度上。

在刀具的用、管、养和修过程中，为详细记录和整理原始数据，必须建立《刀具管理台账》。台账应在以下几个方面进行细化:

1)每一把刀具的详细使用情况。

2)刀具维修时，每一把刀具的相关测量数据、配件消耗及采用的维修工艺。

3)绘出不同地层、地质、地段与刀具磨损及消耗的关系图。

表2 例行维护检查表Table 2 Routine maintenance checklist

4)修好的刀具要根据更换部件分类在刀体做好标记(见图1)。

图1 修好的刀具分类标记Fig．1 Marking classification of repaired cutters

5)准确及时地记录修完的刀具出厂后的相应内容。

通过对以上资料的分析，总结经验和教训，将结果反馈用于指导掘进，有计划性地实施刀具的检查和更换，有效地利用刀具，减少刀具异常损坏，降低刀具消耗，缩短刀具更换时间并对刀盘进行保护，增加掘进时间，保证施工顺畅，降低施工风险，并能够最大限度地减少在刀具方面的投入，对降低刀具的使用成本有重要意义。

3．4 配件供应

TBM配件储备和采购在TBM施工管理中是一个比较系统的任务。当前国内TBM在隧道工程中的应用尚未形成规模，TBM配件供货市场相对有限，配件采购往往需要国外进口或定制加工，造成采购周期较长，这就要求施工现场必须要有一定的易损配件储备，否则会导致停机待料，延误工期，造成损失。但与此同时，TBM配件的价格又相对比较昂贵，不可能对所有配件进行储备。只有对TBM机械性能有充分的了解和认知才能够做到配件储备充裕、采购及时但又无大量配件积压造成资金占用甚至浪费。配件储备和采购应着重从以下方面着手:

1)通常部件库存量应是整机数量的10%［7］，设立专门的存放库房分类存放，建立《TBM配件管理台账》并安排专业高效的管理人员负责，并每周与掘进班、保养班、刀具班进行沟通后核实消耗与库存。

2)加强TBM监测诊断与维护保养，对于日常检查出的问题及时做出科学判断，提前做好配件计划。

3)通过系统的日常监测诊断与维护保养台账，确定TBM配件寿命周期、易损配件类型等，做好周期性检查及采购工作。

4)对于实现国产化的TBM配件，在能够满足施工需要的情况下，优先采用国产化配件以缩短采购周期，缓解成本压力。

5)日常加强配件供应商的比选，通过互联网、电话沟通询价，完善配件供应系统，建立《配件供应商合作台账》，明确联系方式、供货方式、付款方式及供货周期等，一旦需要，根据台账信息并结合项目实际情况选择适宜供货商及时完成采购。

6)对于单件价格昂贵、寿命周期不易确定、供货时间长的配件，应与周边同型号TBM施工方建立配件储备合作关系，两家或多家单位根据“分类存储、拆借使用、后续补仓、互惠共利”的原则储备配件，以最大限度减少对TBM施工的影响。

3．5 设备改造

为使TBM适应实际施工项目的工程地质特点，在建设初期进行设备选型是十分必要的，但由于地质勘查的局限性以及不同围岩段的岩石特性不同，在实际施工中，往往需要进行必要的局部性能改造以满足现场施工。例如在TBM掘进通过软弱千枚岩地层时，遇到节理裂隙发育情况，掌子面坍塌严重，部分滚刀接触不到岩面，坍塌体中含有大量较大岩块直接经铲斗进入主机皮带中。由于原刀盘铲斗刀牙为螺栓连接、梳状排列的组合式刀牙(见图2)，整体强度不高，磨损较严重且遇大块碴体时易损坏、脱落，导致频繁更换，且大块岩石容易从刀牙脱落缺失处进入刀盘砸坏主机皮带，影响连续施工。通过对材料耐磨性和可焊接性的综合评估，利用整体型16Mn钢整体刀牙替代组合式刀牙，并在挡碴板位置增焊1—2块16Mn钢板以阻挡大块石碴的进入，同时进行皮带机接料装置改造，增加缓冲装置，缩小出料口与皮带之间的落差，以减小冲击。通过对设备改造和加强施工组织管理，在实际生产中取得了良好的施工效果，降低了设备故障率，使刀盘运转时间提高30%以上［8］。

图2 刀牙改造Fig．2 Cutter teeth alteration

4 料(Material)

TBM快速掘进需要施工所需的各种合格的原材料连续、快速地运输到掘进作业区，故在原材料质量控制和供应调度方面应予以重视。

4．1 “合格材料”供应

“合格材料”供应是TBM能够快速掘进的一个重要保证措施。这里的合格材料是指既符合国家相关质量标准又能够满足洞内特殊施工环境和施工工艺需要的合格原材料或半成品。众所周知，TBM法施工是一种集成化较高的隧道施工方法，在一个掘进周期里，任何一道工序的延迟都将直接影响到整个掘进周期的时间。在西秦岭隧道TBM第2掘进阶段，由于隧道埋深较大且独头掘进距离较长，洞内作业温度高、湿度大，初期支护所需液体速凝剂经洞外试验合格后运往洞内，实际应用时如存放时间偏长则会出现白色沉淀引起速凝剂管堵塞，不仅造成了原材料的浪费，而且极大地扰乱了正常的工序，影响了施工进度。经过联系厂家多次实地查验并调整配制工艺后，问题得到了较好地解决。TBM施工是一个持续高温、潮湿的环境，而且施工所需材料往往需要经过多次倒运、短期库存，在原材料供应和半成品加工时也应对上述情况相应予以考虑，真正做到“满足施工现场需要”。

4．2 材料领用及洞内运输

图3 材料供应流程图Fig．3 Flowchart of material supply

经过方案比选，西秦岭隧道材料洞内运输采用25 t内燃机车牵引编组成列的材料车，四轨双线有轨运输模式。洞内有轨运输涉及人员、仰拱预制块、喷浆料、钢筋网、钢拱架、钢轨、锚杆、衬砌混凝土以及洞内清理出的碴料等，运输车辆数量有限而运输任务繁重，矛盾相对突出。为保证TBM掘进所需材料供应的连续性，避免因材料供应中断造成掘进停机，专门设立机车调度控制中心，负责机车的调配、装卸、编组、日常保养等工作，并规定进洞左侧轨道为进洞方向(即重车道)，右侧为出洞方向(即轻车道)。TBM掘进所需材料运输流程见图3。

衬砌混凝土浇筑时，输送泵需占用1条运输轨线。为提高轨道利用率，洞内每500 m设置1处道岔(已衬砌完成部分可陆续拆除)，确保机车运行顺畅，并在洞内斜井与正洞相接处安排洞内调度员，合理调度车辆进出TBM作业区，急需材料先行供应，防止车辆在TBM尾部过度集中引起拥堵。

5 法(Method)

为了保证TBM的快速掘进，在以往的TBM施工中，建设者们通过不断地探索和总结取得了很多显著的成果，本文仅就西秦岭隧道保证敞开式TBM快速掘进的重点和创新点进行阐述。

5．1 超前地质预报

当TBM掘进施工时，由于千枚岩节理发育或存在断层破碎带，层间结合差，岩体本身碎块状结构，加之刀盘切削作用和地应力调整影响，致使千枚岩沿节理面、断层面或岩层松动、错落，甚至出现大面积失稳、坍塌。对于机械化程度高、可进不可退的TBM施工来说，若在施工中突遇地质灾害，在无支护之前产生大量塌方、涌水、掉块，使机器被埋、被淹、被卡，将会出现进退两难、难以处理的局面，影响整体施工进度。

隧道地质超前预报要解决的问题主要有:断裂、破碎带等不良地质对象的性质、规模的判定;不良地质体的位置及产状的确定;岩体工程类别的识别，围岩地下水状态［9］等。以设计地质勘测资料为基础结合超前探测手段，在进入软弱、构造影响破碎段等不良地质前，加强综合地质预报的频率，判明围岩情况，进行必要的预处理措施和选用相应的施工方案。根据地质情况采用超前小导管注浆加固、超前注浆堵水、钢支撑、护盾后初喷及时封闭加固;适当选择掘进参数，以自动导向系统控制TBM掘进姿态;后配套区锚网喷支护等多种手段通过软弱破碎、突泥涌水等灾害性地质地段。

5．2 出碴体系

连续皮带机出碴方式作为3种TBM可供选择的配套出碴方式(汽车运输出碴、轨道矿车出碴、连续皮带机出碴)中最快速、高效的一种，对洞内运输干扰最小、出碴效率最高，在条件许可的情况下应优先采用。

西秦岭隧道连续皮带机出碴采用竖向固定支撑法(边基施工段)和三角斜向支撑法(边基未施工段)将连续皮带机桥架固定在洞壁上，随着TBM向前推进，连续皮带机支架不断向前延伸。掘进时，连续皮带机承载碴体后穿越同步衬砌台车至斜井“三岔口”位置，通过斜井转载皮带机穿越罗家理斜井输送至洞外，经洞外上山皮带机直接翻越山体(见图4)，并经碴场延伸皮带机被输送至弃碴场内部［10］，通过连续分碴器实现连续皮带机出碴与工程车碴料转运作业工序之间的无缝衔接。在整套出碴体系中，碴体从岩面剥落直至弃碴场的运输全程零干扰，有效避免了因碴体转运不及时对TBM掘进造成的影响。

图4 上山皮带机布置Fig．4 Arrangement of continuous belt conveyor

5．3 监控与通信系统

西秦岭隧道施工针对TBM长距离独头掘进、长距离有轨运输的实际特点，在施工前期进行了认真的筹划，并结合工程实践经验，采用信息化管理手段，在隧道内布设5套通信方式，即视频监控系统、对讲机系统、车载系统、有线电话系统和移动通信系统以保证信息畅通［11］。在TBM上重点施工部位安装摄像头，通过调度室监控中心可以及时掌握洞内施工情况，洞内的具体需求通过有线电话传达到调度控制中心，调度控制中心做出响应，机车运行至TBM后方后，TBM施工人员可通过对讲机根据现场当前需求情况对机车进行调度，确保保障及时、生产连续。

5．4 技术与工艺创新

随着TBM应用越来越广泛和深入，施工人员逐步实现了对TBM设备、施工及其配套技术的“学习—掌握—摸索—创新”，加之在施工管理过程中项目管理团队集思广益、加大专项资金的投入以及对技术创新、工艺变革的“提出—论证—实践—总结—奖励”机制，有效地鼓励了一线员工在做好本职工作的前提下总结经验、推陈出新，推动了很多新技术、新设备的产生。成功克服了大直径TBM山地运输、狭小区域组装、空载步进、快速掘进、弧形步进滑道滑模施工、同步衬砌、连续皮带出碴、长距离独头通风及有轨运输、仰拱预制块空中翻转等诸多重大难题。总结申报发明专利2项(TBM同步衬砌施工方法，TBM整体式轨道托架及TBM电机驱动、整体式轨道托架步进方法)、实用新型专利5项(TBM同步衬砌模板台车及台架，连续分碴器，车载式ⅠC卡加油管理系统，分体式自动行走混凝土输送泵，连续皮带收放装置)、工法2项(特长大距离TBM空载步进技术，连续皮带机出碴下的同步衬砌施工技术)。开工以来项目产生技术性改革96项，合理化建议71项。这些新技术、新设备［12-22］在施工中的成功应用有效提高了生产效率，保证了TBM的快速连续施工。

6 环(Environments)

TBM施工具有机械化程度高、对地层扰动小、可以减少隧道开挖中辅助工程等优点，洞内环境较钻爆法普遍较好，但由于隧道独头掘进施工距离达到19 762 m，对隧道通风、温度控制及有害气体监控与处理还是提出了较高的要求。一旦环境控制出现问题，将严重影响到作业人员的健康以及部分原材料的性能。

6．1 通风与温度控制

因采用TBM独头掘进施工，隧道通风难度很大，主要特点和难点是隧道断面大、送风距离长、机械设备散热量大、且TBM未配置制冷降温系统。隧道通风总长12 200 m，选用3×160 kW变频风机与φ2．2 m风管匹配，变频控制，有效地节约了电能。通风分2个阶段:

1)将风机布置在洞口，采用一套通风管送风，通风距离总长为9 900 m。

2)出口掘进段与罗家理斜井钻爆段贯通后，将通风机安装在罗家理斜井井口送风。TBM步进通过罗家理斜井钻爆段开始二次掘进后，为避免斜井三叉口位置风损失过大造成通风效果差等问题，将通风机安装在三叉口位置隧道正洞内，采用斜井巷道式通风，从正洞出口引进新鲜风，罗家理斜井排出污风。为弥补通风距离长、通风管穿越衬砌台车弯折较多导致的通风效果的降低，采用串联接力风机形式，确保洞内通风效果。

在TBM上，主要人员工作面(如钢拱架安装区、钢筋网片挂设区、转载皮带值班区等)均安装射流风机，降低作业环境温度。通过上述措施，TBM施工区总体温度能够控制在30℃左右、设备满负荷运转时控制在35℃以内。

6．2 有害气体监控与处理

为保证洞内作业人员健康，TBM上设置有害气体检测系统和火灾监控系统，直接和TBM主控制电脑联网，发现有害气体或达到设定的警戒值就会报警。若不及时处理，主控制电脑将会自动停止掘进和关闭相关的电器设备，集中保证通风系统供风。

7 结论与体会

TBM实现了隧道施工的工厂化，体现了机械化作业和施工条件的改善，具有生产的连续性。但TBM项目本身又是一个较复杂的系统工程，所涉及的专业多、领域广，“人、机、料、法、环”任何一个环节的疏忽，都可能会影响TBM的正常工作，并直接影响掘进效率。西秦岭隧道是兰渝铁路全线控制性工程，工期紧，任务重，为确保如期完成施工任务，结合工程特点，针对5项因素做出分析并提出解决方案，取得了较好的施工效果。

1)综合分析5项因素，最重要的一环是“人”，只有“人”有了较高的管理能力、专业技能、质量意识，立足本职、齐心协力，严格执行管理制度，才能真正实现对“机、料、法、环”等因素的有效控制。近年来随着TBM在我国工程建设领域的快速推广，TBM施工专业人才不断流失(虽然对于国内TBM施工市场做出了重大贡献，但对于特定的工程项目，影响极其严重)，而新进技术人员的成熟尚需要实践的磨练，出现了技术力量与施工需求相脱节的情况，这就要求必须加大TBM施工人员的培养和储备。

2)TBM属于典型的非标准设备，一旦出现故障就会造成成本的增加、进度的延误，甚至需要变更工程方案造成巨大损失。因此，应根据工程地质条件和水文地质条件对TBM合理选型，在施工过程中规范操作，加强日常维护与保养、加强刀具管理、合理采购和储备配件，并结合工程实际对TBM可能存在的不足进行必要的改造，消除了“机”的影响，才能够建立快速掘进的基础。

3)有了“人”和“机”的保障，通过对材料供应、施工方法、环境控制等方面的科学管理，能够充分发挥人员的主观能动性和体现设备的先进性，从而使快速掘进得以实现。

4)TBM作为专用性很强的工程机械，每一个掘进机工程都是一次新的尝试和挑战，因此，今后工程实践中，在汲取先前成功经验的同时，进行创新和总结是必要的。

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［21］郑孝福．TBM弧形步进的滑槽快速施工技术［J］．隧道建设，2011，31(2):252-255．(ZHENG Xiaofu．Techno logy for rapid casting of arc-shaped cradles for TBM stepping［J］．Tunnel Construction，2011，31(2):252-255．(in Chinese))

［22］刘清泉．空中翻转技术在仰拱预制块生产中的应用［J］．隧道建设，2011，31(5):629-633．(LⅠU Qingquan．Application of overturning technology in invert block prefabrication［J］．Tunnel Construction，2011，31(5):629-633．(in Chinese))