单护盾TBM快速掘进条件分析

阳 斌

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450003）

0 引言

TBM施工是一个复杂的系统工程，受众多不确定因素的影响和制约。目前国内外采用TBM法施工的工程项目较多，不少工程项目受各种不确定因素影响而导致施工受阻，TBM法快速高效的优势无法得到充分发挥［1-3］。地质条件是TBM工法选择的先决条件，部分工程项目前期由于地质勘察不够精确，导致决策过程中出现偏差或失误；部分工程项目由于TBM设备未根据地质情况进行针对性的配置，或TBM施工所需的配置不能满足施工要求，导致施工进度无法达到预期效果［4-5］。甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞采用1台φ5.75 m单护盾TBM施工，该工程于2011年11月创造了月掘进进尺1 868 m的单护盾TBM施工世界纪录。本文根据该项目的实际情况，对单护盾TBM快速掘进所需的施工条件进行分析，并提出相关建议。

1 工程概况

1.1 工程位置及范围

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程位于甘肃省渭源县境内。7#隧洞全长17 286 m，其中TBM施工段长度为16 986 m，设计断面为圆形，纵坡为1/1 650，采用1台全新单护盾TBM施工。隧洞设计开挖直径为5.75 m，管片衬砌后内径为4.96 m，管片背后上部270°范围进行豆砾石（5～10mm）回填，并灌注水泥浆液，设计结石强度为C15，下部90°回填M15水泥砂浆。

该工程管片设计为六边形，纵向为凹凸面球窝结构，管片环外径为5 520 mm，内径为4 960 mm，厚度为280 mm，宽度为1 600 mm。每环管片分4块（1块底管片，2块侧管片，1块顶管片），单块最大质量约5.2 t。根据地质适应性分为A，B，C，D 4种类型（配筋有区别），其中A型适合Ⅳ类围岩，B型适合Ⅴ类围岩，C型适合于塌方段以及抢险用，D型适合Ⅲ类围岩。管片拼装展开示意见图1。

该工程TBM分主机、后配套、加利福尼亚道岔3部分，全长约380 m。其中主机由刀盘、前盾、中盾和尾盾组成，长10.3 m；后配套由17节拖车组成，长170 m；加利福尼亚道岔由29节平板车组成，总长200 m，TBM允许最小转弯半径为500 m。设计最大推力为28 883 kN，额定扭矩为4 000 kN·m，脱困扭矩为6 000 kN·m。

图1 管片拼装示意图Fig.1 Sketch of segments erected

1.2 工程地质与水文地质

1.2.1 工程地质

7#隧洞大地构造部位属中、新生代陇西-渭源盆地，TBM穿越东峪沟—秦祁河之间的低山丘陵区（洮河流域与渭河流域分水岭），隧洞最大埋深368 m，属越岭长隧洞。

隧洞布置于白垩系、上第三系地层之中。地质条件复杂，围岩相变剧烈，岩性以软岩、极软岩为主，局部洞段有地下水活动。地下水具多层结构，局部有承压性，地下水受构造、地层岩性控制，分布与富集变化较大。

隧洞围岩划分为不稳定Ⅳ类围岩和极不稳定Ⅴ类围岩，其中上第三系极软岩段划分为Ⅴ类围岩，新生代白垩系中硬岩和较软岩划分为Ⅳ类围岩，Ⅳ类围岩占隧道总长的14%，Ⅴ类围岩占隧道总长的86%。

1.2.2 水文地质

隧洞岩层总体富水性较差。地下水主要由大气降水补给，降雨稀少，且年内分布不均，地层渗透性弱，地下水水量一般较小（实测泉水最大流量＜5 L/min）。根据钻孔揭示、试验及水文地质调查，砂砾岩、砂岩孔隙率为20%左右，为含水透水层，钻孔一般有地下水，泉水均出露于砂岩、砂砾岩层部位。泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为相对隔水层，地下水分布不均，一般呈层状分布且局部承压，所在山体为微弱层状含水山体。

2 TBM掘进情况

2.1 TBM在出口工作面施工情况

该工程TBM于2009年12月29日在隧洞出口始发掘进，2010年1—4月，通过优化施工组织，逐步熟悉设备性能和挖掘设备潜力，使TBM月掘进进尺分别为245，493.3，666.2，961m，掘进进度逐月提高。TBM在能自稳地质洞段完全可以保证正常快速掘进，在进入粉细砂层后由于围岩坍塌变形导致TBM接连遭遇卡机，随着含水率由5%增大至23.2%，发生了突泥涌砂地质灾害，最终使TBM栽头受困无法继续掘进。

2.2 整体方案变更

2011年初，参建各方根据补充地质勘察资料做出整体方案调整：将隧洞出口TBM拆卸至进口进行掘进（已探明进口段地质情况较好，适宜TBM掘进），受出口TBM被困处地质条件影响，原刀盘和盾体无法拆除，需重新加工制作刀盘、盾壳；针对已通过补充地质勘察探明分散分布的8段不良地质洞段通过增设4座斜井、原通风竖井工作面、拆机后的出口工作面进行人工钻爆法施工，待开挖支护后，进行TBM空推安装管片衬砌，部分洞段采用现浇混凝土衬砌。

2.3 TBM在进口工作面施工情况

整体方案调整后，TBM于进口工作面重新始发掘进，经过优化改造后的TBM性能得到大幅度提升，连续创造高产。2011年8月17日TBM自进口始发后，于当年9月创造了单月进尺1 515 m、日进尺80.8 m的单护盾TBM掘进全国新纪录，10月掘进进尺1 718.6 m，11月掘进进尺1 868 m，刷新了单护盾TBM月进尺世界纪录。截至2012年4月27日，TBM由进口已累计掘进11 120 m，平均月进尺为1 308 m。

3 单护盾TBM快速掘进条件分析

3.1 地质条件

地质条件是TBM施工的先决条件，施工方案必须根据工程地质条件进行制定，所采购的TBM必须与工程地质条件具有良好的适应性［5-6］。为保证TBM快速掘进，地质条件应满足以下几点要求：

1）围岩具备一定的自稳能力。围岩在TBM刀盘开挖形成临空面后会发生坍塌变形，围岩的变形速率和变形量应至少满足TBM在正常掘进速度条件下刀盘及盾体不被卡的要求［7］，短距离不良地质洞段掘进，TBM应具备良好的机况进行连续掘进。另外，由于TBM不可避免存在维护保养、故障等停机情况，围岩的变形速率和变形量应满足在一定时间段内不会导致TBM被卡的要求，针对经评估认为TBM无法通过的不良地质洞段，应提前进行围岩预加固或提前采用人工钻爆法处理。

2）无剧烈的地质构造应力。TBM刀盘开挖形成临空面后，由于地应力作用，围岩会发生收敛变形，严重时会造成TBM被困被卡。在青海引大济湟调水总干渠工程实例中，在TBM施工至断层破碎带，由于地应力作用（最大地应力实测值达到16 MPa）造成围岩收敛变形，导致TBM被困数十次，在连续约2年的时间内TBM累计掘进仅200余m，严重制约了施工进度，在国内外其他护盾式TBM项目也曾因为类似问题而导致TBM施工受阻。

3）围岩中赋存的地下水会对围岩稳定性造成较大影响。在软岩地质条件下，地下水是造成围岩失稳的重要因素［9］。引洮供水7#隧洞TBM在出口段掘进施工过程中，TBM进入粉细砂层后，在含水量＜10%的情况下，围岩发生塌方，由于该TBM设备具备较大的脱困能力，通过调整掘进参数、控制出渣量等措施，仍可保持掘进。但当含水率逐步增大至17%及以上时，粉细砂层饱水后迅速形成突泥涌砂及管涌现象，导致TBM被困无法掘进。

4）围岩应具备良好的可掘性。完整坚硬且耐磨性强的围岩对TBM掘进进度影响非常大，且对TBM刀盘及主机关键部件（如主轴承）寿命影响较大，刀具消耗增大会导致换刀时间过长，进而严重制约TBM施工进度［10］。根据引洮供水7#隧洞TBM开挖揭示，围岩主要为白垩系和第三系地层的泥质砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩，围岩单轴饱和抗压强度为3.0～35.0 MPa，围岩节理裂隙较发育-发育，TBM在该类围岩中掘进速度达到60～140 mm/min，单循环（1.6 m）纯掘进时间最快仅需要13 min，刀具消耗量小。

3.2 TBM配置

在充分掌握地质条件的基础上，TBM配置应与地质条件有良好的适应性。

1）TBM能力储备。单护盾TBM主要设计参数包括总推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、刀具贯入度等。在考虑到不良地质条件的特殊情况下，设计TBM脱困能力应尽可能有较大的富余，TBM设备的潜力可能在大部分正常地质洞段都无法发挥作用，但当局部洞段遇到不良地质后，设备的潜力将发挥重要作用，成为TBM能否顺利掘进通过的关键。

2）有针对性地进行TBM设计和配置。TBM作为专用设备，必须进行有针对性的设计和配置，只有保证与地质条件具备良好的适应性，才能充分发挥掘进效率。

①引洮供水7#隧洞单护盾TBM原刀盘设计为纯硬岩刀盘，刀盘总质量约为80 t，刀盘伸出前盾切口长度为960 mm，开口率为11%，在出口段软岩施工中，受围岩塌方影响，且由于刀盘伸出前盾切口的悬臂部分过长，导致施工受阻。主要体现在2方面：一是对周边围岩扰动大加剧了围岩塌方范围，导致出渣量控制困难；二是刀盘受塌方围岩作用的面积较大，且本身自身重力较大，易造成TBM刀盘被卡，在围岩泥化后地基承载力降低的情况下，TBM栽头严重（竖直方向最大栽头663 mm），掘进施工严重受阻。TBM转场至进口后，重新加工的刀盘充分考虑了应对不良地质情况，对刀盘结构和伸出前盾切口长度进行了优化，将刀盘质量减少20 t，伸出前盾切口长度减少约200 mm。

②单护盾TBM依靠主推油缸作用在管片上提供推进反力从而向前掘进。引洮供水7#隧洞项目TBM原刀盘设计为顺时针方向旋转（正转）出渣，可以进行逆时针旋转（反转）调整滚动值，但不能出渣。底管片采用混凝土承轨台+中心水沟的设计方式。TBM在出口段掘进过程中，由于刀盘只能沿顺时针方向旋转掘进，造成管片环沿逆时针方向滚动，为保证管片外观质量与结构安全，被迫降低推进速度从而降低扭矩并配合垫木板等措施进行调整，对施工进度影响较大，且运输轨线质量较差，严重制约了运输效率。TBM转场至进口后，将刀盘设计优化为正反转均可以掘进出渣，管片环旋转的难题通过刀盘正反转掘进进行调整，使TBM掘进速度大幅提高，且运输轨线质量改善后有轨运输效率大幅提高。

③引洮供水7#隧洞项目TBM在设计中考虑到供料和出渣的重/轻编组车快速转换的问题，在后配套拖车尾部设计了1座200 m长加利福尼亚会车平台（随TBM掘进移动道岔），使后配套内编组接渣完成后轻编组能迅速到位，保证了掘进施工的连续性，在后续TBM快速施工中起到了重要作用。

3.3 配套设施

TBM本身具备快速掘进的能力，相关配套设施必须匹配快速掘进要求。

1）TBM供料及出渣。引洮供水7#隧洞项目TBM供料及出渣采用单线+会车平台有轨运输方式，1列编组可满足2个掘进循环的材料供应和出渣需要。在掘进高峰期单循环（1.6 m）最快作业时间为25 min，其中掘进时间为13 min，管片安装时间为12 min，有轨运输距离约11 km。共采用4列编组（其中机头采用27 t德国小马机车，车辆制动效果好，运输效率高），在6 km处设固定会车平台1处，即高峰期编组50 min必须到达TBM尾部加利福尼亚会车平台，做好重/轻编组车快速转换准备。由于底管片采用混凝土承轨台设计，在解决了管片滚动问题后轨线铺设质量好，编组列车在该种轨线条件下重车出洞平均速度能够达到15 km/h，轻车进洞平均速度能够达到18 km/h，完全可以满足掘进需要，15～18 km独头掘进的隧洞采用该种运输方案亦能满足。

2）洞外场地布置。洞外场地轨线布置、供料系统、翻渣系统的布置需充分考虑编组车辆在洞外快速翻渣和装料的问题。引洮供水7#隧洞项目洞外翻渣系统设置2台翻渣机，1次可同时翻转2台侧卸式渣车，一列编组10节渣车翻渣时间基本控制在20 min内，在翻渣的同时进行进洞材料的装车，翻渣完成后即可进行编组并进洞，满足了洞内快速施工的需要。

3）其他配套设施。长距离TBM施工通风、供水、供电、排水等均需考虑快速掘进的需要。以施工通风为例：引洮供水7#隧洞项目采用一站式压入式通风方案，使用瑞士进口GIA 4×75 kW 风机，直径1.6 m的国产优质风管，通过在洞内11 km处进行的通风检测表明，洞内回风风速满足规范要求，各有害气体含量均在规范要求以下，经实践证明该方案充分保障了洞内通风效果，为快速施工奠定了基本条件。

3.4 施工组织与管理

引水隧洞TBM施工是一个复杂的系统工程，需进行精心的施工组织与管理。

1）建立完善的项目管理体系，并在施工过程中严格执行，通过项目团队文化的建立与队伍建设，营造良好的工作氛围，建立开放的沟通渠道和协调机制。

2）通过优化的施工组织和有效的激励机制，规范管理过程，充分调动一线职工的工作积极性。

3）严格推行TBM及常规设备的按时维修保养工作。应根据TBM设备特性制定详细的维保制度和每日、周、月维保计划，刚性进行设备停机维保，及时研究和预判设备故障，提前处置问题。对于关键配件应建立预警机制，保证配件储备的准确性、适用性和充足性，为TBM快速掘进奠定坚实的基础。

4）高度重视进度与设备、进度与安全、进度与质量关系的协调平衡。

5）通过技能培训与考核提高施工人员的技术水平。

6）有效建立TBM掘进控制、测量导向、管片安装、工程地质变化、设备故障、安全与质量等内容的信息反馈与处置机制，确保在现场出现问题后能够进行快速处理。

4 结论与讨论

通过以上分析，认为TBM快速掘进所需具备的条件为：

1）适合TBM快速掘进的地质条件；

2）TBM 设计和配置须与地质条件有良好的适应性；

3）配置与快速掘进匹配的配套设施；

4）精心的施工组织与管理。

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