TBM隧道施工的质量控制研究

2014-08-15中铁十八局集团有限公司隧道工程公司中国重庆400707

科技视界 2014年33期

李翠（中铁十八局集团有限公司隧道工程公司，中国重庆400707）

TBM是目前国际上最先进的隧道大型施工设备。TBM掘进施工使隧道开挖、支护、衬砌等工序平行作业，实现一次成洞，围岩扰动小，开挖面平整圆顺，超欠挖少，给TBM施工的质量控制带来了很大的难度。在隧道施工中，往往不表现在技术或规模上，而在质量控制方面。

1 TBM施工质量控制的重要性

质量控制是为了达到质量要求所采取的作业技术和活动。TBM质量控制分为TBM掘进前的质量控制和TBM掘进中的质量控制。提高质量本身就意味着提高项目的效能。

质量达不到要求，意味着技术性能的降低，甚至失效和报废；发生质量问题，对其处理需要再投入资金，会增加成本；出现质量问题造成的反复，必须延缓进度。

2 TBM施工质量控制措施

制定完善的工程质量管理制度，提高全员质量意识，从保证质量的组织措施、管理措施、控制措施及技术措施等方面，优化人、机、料、法、环各环节因素；建立严密的组织体系；发现违反施工程序，不按设计图纸、规范、规程施工，使用不符合质量要求的原材料和成品，各级质检人员有权制止；配备具有扎实理论知识和丰富经验的管理人员和技术人员，保证科学先进的施工技术和措施的落实。加强施工过程检查，加强质量教育及技术培训，严格技术管理。

3 TBM掘进前的质量控制

3.1 TBM组装前的准备

承包人先确定TBM设备的选型，其后派遣监造人员到生产车间对设备的选材、选型、监造和试验等制造过程和质量进行监造；承包方在TBM设备到场后积极联合发包人和监理人进行各项验收工作，若有一项不合格则禁止验收。

3.2 TBM现场组装的质量控制

根据施工现场组装场地的总体规划、施工进度、相关技术资料等条件，确定TBM组装的总体相关流程，编制组装、调试方案；施工所用设备、工具和物资材料提前准备齐全,分类保管，做好记录；严格按照制造商提供的图纸、技术要求进行组装，保证安装质量；工班长宏观掌握组装程序，全面协调整体组装工作，对发生的问题要及时处理。

4 TBM掘进施工的质量控制

TBM隧道施工质量控制包括开挖、支护、灌浆等工序，且前一工序直接影响后一工序，因此要对各工序进行有效控制，保证隧道的施工质量。

4.1 对不良地质段围岩情况的判断

在不良地质段围岩中，隧洞围岩自稳能力差，施工时容易发生围岩失稳现象，因此要提前做好地质勘察工作。结合地质资料以及掘进参数和出渣情况，可初步判断前方地质是否有变化；还可以配置相应的超前地质预报设备。超前地质预报主要采用洞内地质编录，物探超前地质预报、超前地质勘探相结合的综合地质超前预报的方法，预报地质状况。要通过地质预报做好不良地质洞段的施工方案和施工准备工作，并根据预测结果及时调整TBM掘进参数和支护方案。

4.2 施工测量质量控制

TBM上配备自动导向系统指导TBM掘进，测量人员只需将测量数据准确的输入导向系统内，根据已有的的测量控制点或临时水准点，对开挖一段距离的洞长进行测量，然后将测量数据输入到导向系统内，定期对导向系统进行检查复核并按要求保养维护，并且在施工中严格贯彻多级测量复核制度，从而确保隧洞贯通精度。

4.3 隧道开挖过程质量控制

4.3.1 TBM操作控制

TBM操作控制室是完成掘进作业的控制中心，操作控制室内设置有各种操作按钮和显示仪表、PLC控制系统、数据采集显示和记录系统、PPS激光导向监控系统、主要作业区的视频监视系统、瓦斯显示报警系统。

TBM开挖方向主要由导向系统控制，通过PPS激光导向系统对隧洞轴线进行跟踪控制，从三维空间来自动确定TBM的确切方位和掘进方向。同时，也给司机提供了关于机器偏离设计中线的所有信息。操作人员根据导向系统数据和指导调向措施及时调整掘进方向。

PLC系统提供故障显示信息以供机械和电气维修者以最短的时间处理故障。PLC控制系统能控制刀盘的旋转和推进、撑靴的支撑和换步、掘进方向的监控、皮带机的运转出渣以及其他辅助设备的运转；能完成TBM掘进数据的自动采集和记录，以及设备安全的自动保护。

4.3.2 掘进质量控制

1）TBM开挖需要操作人员具有超高技术水平，熟练掌握TBM换步调向技术，对调向工作以超前预判、提前实施调向的原则进行,严格控制掘进参数。2）在TBM掘进过程中，随时检查、监视和控制TBM姿态和方向，并做好掘进记录。将隧洞洞轴线的水平和竖向的误差控制在±60mm和±40mm之内。3）加强TBM开挖刀具的检修和维护，减少刀具异常磨损，保证开挖洞径。4）当遇到不利地质时，操作手要及时调整掘进速度、刀盘转速和刀体推力，控制开挖偏差。5）日常维护中，要注意检查计算机主控制系统，一旦发生故障，掘进就会发生偏斜。

5 TBM掘进施工中支护的质量控制

TBM在施工中遇到不良地质时，要进行初期支护，它是解决TBM隧道施工稳定和安全的重要措施。TBM初期支护主要包括锚杆、钢筋网、钢拱架、混凝土喷射。

5.1 TBM初期支护质量控制要点

5.1.1 喷射混凝土流程

施工准备→受喷面处理→埋设喷层厚度标钉→机具到位→接通风水电、试机→初喷混凝土作业→复喷混凝土作业→质量检查。

速凝剂等添加剂的原材料经检验合格后才能使用；在喷射前对喷射面进行检查，并做好以下准备工作：清除开挖面的浮石；采用高压风清扫岩面；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；作业区应具有良好的通风和充足的照明设施；涌水时，在涌水处埋设导管排水；喷射混凝土作业应分段分片依次进行，喷射顺序自下而上；网喷混凝土施工按施工图纸要求布设钢筋网，钢筋网的间距、钢筋直径、保护层厚度均应满足设计要求；喷射混凝土终凝2h后，应喷水养护。

5.1.2 锚杆支护工艺流程

①采用TBM自身钻机钻孔，钻孔深度比锚杆杆体有效长度大50-100mm，锚杆孔开挖前做好量测工作，按设计要求布孔并做标记；②锚杆孔的孔轴方向满足图纸要求；钻孔完毕后，用钻机压力水将孔道清洗干净，验收合格后临时封堵孔口；③操作人员根据图纸要求添加水泥卷式锚固剂，填装饱满；④用人工配合钻机大臂进行锚杆的安装，杆体安装完毕，安装垫板和螺母。

质量控制：锚杆及砂浆等原材料经检验合格后才能使用；锚杆直径、长度、材质和锚孔的孔深、孔斜、孔径、间距均严格按设计要求控制；在锚杆存放、运输和安装过程中，应防止明显的弯曲、扭转，应保持杆体和各部件的完好，不得破坏杆体及其他附件。

5．1．3 钢筋网规格为 200×200mm 和 150×150mm 两种，钢筋直径8mm，根据不同的地质选择使用

钢筋网使用前必须清除锈蚀。钢筋网在施作钢拱架、锚杆的同时铺设，与钢拱架、锚杆焊接牢固，在喷射砼时钢筋网不得晃动。

钢筋网的安装在锚杆施工前进行，首先在钢筋网安装器上布置钢筋网片，并用细钢丝绑扎连接固定。对于部分锚杆间距过大或无锚杆区段采用手持冲击钻打孔，8mm钢筋铆钉锚固。

5．1．4 钢拱架支撑安装

①钢架支撑安装前彻底清洁，以免影响与围岩间的相互密贴；②钢架支撑间距及其横向位置和高程允许误差为正负5cm，垂直度为正负2°；③钢架支撑拼装可在作业面进行，各节钢架支撑间以连接板螺栓连接并密贴；④钢架支撑尽量密贴围岩并与锚杆焊接牢固，每榀钢架支撑至少与5根锁定锚杆相连接；⑤钢架支撑尽量减少接头个数，接头位置不许出现在拱顶与拱肩处；⑥钢架支撑与喷混凝土形成一体，钢架支撑与围岩间隙用混凝土填实。

质量控制：安装前应检查钢支撑制作的质量是否满足设计要求；每榀钢支撑通过纵向连接件连接成整体，并与锚杆头焊接，安装完毕后立即喷射混凝土将其覆盖，覆盖后方可进行下一工序；施工中钢拱架采用TBM随机配置的拼装机拼装，钢拱架在拼装机内预组装，采用环形定位装置将其固定，钢拱架的安装间距需按照TBM撑靴宽度及撑靴距离确定，避免钢拱架安装在撑靴支撑部位；钢支撑在架设过程中，要通过精细测量布设高程和拱脚点，保证架设钢支撑平面与隧洞中线垂直，使其发挥其最大支承能力。

5．2 McNally 系统

Mcnally系统是种较强的支护形式，由固定在护盾顶部并依次相连焊接的L型耐磨型钢组成，型钢与护盾间形成的空腔是放钢筋的储存腔。该系统通过钢拱架、局部拱架、锚杆、钢筋的结合使用，紧贴洞壁围岩形成弧形钢结构。该结构既稳定围岩，又能将碎岩阻挡在密布的钢筋后，防止大量石渣塌落形成空腔，减少支护和清渣工作量，减小围岩破碎对TBM掘进速度的影响。

施工前先将加工好的钢筋排插入钢筋存储仓内，每个仓内一组。第一榀拱架安装时将钢筋排端部压在拱架与岩石之间，随着TBM的掘进，钢筋排同步抽出，以后每榀钢拱架将钢筋压在拱架与岩面之间，直到存储仓内的钢筋排用完在装入。

6 灌浆的质量控制

6．1 材料及制浆供浆质量控制

灌浆材料在使用前进行检验；加强材料运输与储存的保护；灌浆材料存储量要满足高峰期灌浆需求，并考虑富余的储存量。加强原材料质量检验，严格控制浆液配合比和制浆工艺；减少输浆距离；加大集中制浆站的设计制浆能力，做好输浆管路防堵措施，确保浆液的连续供应。

6．2 钻灌过程质量控制

1）钻孔质量控制：加强预埋管的质量控制，投入稳定性较高钻机，严格执行设计孔位和开孔角度，根据不同的地层情况采用合适的钻进技术参数钻进。

2）灌浆质量控制：确定最佳的钻孔冲洗方法，严格执行技术条款，尽快升压并达到设计压力要求；严格按设计给定的灌浆参数、浆液比级和变浆原则控制灌浆过程，确保灌浆质量。

灌浆一般选择从隧道顶拱部位、左右两侧及下部的顺序对称进行，以减少对一次支护封闭混凝土层的侧压力；灌浆时一次支护封闭混凝土层背后均匀受力，且应填充密实，若填充不实要及时补灌；灌浆时若发现有漏浆现象，要及时封堵来保证壁后填满。灌浆过程中要对隧洞的开挖内径及隧道中线进行跟踪测量；灌浆的泵送压力要根据注浆距离及注浆孔位置变化而调整。