TBM施工技术及其工程应用分析

2015-08-19张谷鹏辽宁省东水西调工程建设局

河南水利与南水北调 2015年10期

□张谷鹏（辽宁省东水西调工程建设局）

0 引言

近年来，随着我国经济社会的快速发展，水利水电工程建设也已进入关键阶段，对于一些规模较大、涉及多个工作面和多种施工技术的综合工程，为了有效保障工程施工的进度和质量，对隧道施工技术提出了更高的要求，以TBM为核心设备的全断面掘进机得到了推广和应用，并在工程施工中发挥了重要的作用。

1 TBM的工艺原理及施工方法

1.1 TBM的工艺原理及施工特点

TBM设备由美国罗宾斯公司生产，在此以MB280高性能硬岩敞开式掘进机为例，该设备的主机部分由刀盘、机头架和大梁、支撑和推进系统等三部分组成，其工艺原理是建立自主机监控系统、超前处理系统、支撑系统、后配套系统、牵引系统等各系统的综合作用的运用，其工艺流程是围绕TBM掘进、出渣和初期支护3个施工环节进行的，在设备运行前，需对其主机及后配套系统进行调试，工艺流程如图1。期缩短，成洞后又会节省运行维护费用，极大地提高了经济效益和社会效益；其四，施工安全，机械施工不仅减少了人工体力劳动量，也减少了事故的发生。除此之外，该技术还具备环保、出渣能力强、导向精度高、初期支护速度快、自动化程度高等优点。

1.2 TBM的施工方法及影响因素

TBM掘进方向的控制尤为关键，会直接影响到盘型滚刀的受力，一旦刀具出现损坏就会影响到施工进度，如果出现隧道超挖的情况，还会增加后期的工程量，影响到工程质量。对于TBM掘进方向的控制，应坚持如下原则：确定合理的方向参数，严格控制设计中心线与掘进轴线的偏差，并在掘进后进行适时调整。TBM共提供了3种工作模式，即自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制模式，前两种分别适用于均质软岩和均质硬岩，后者适用于各种地层。在工程施工中，不良地质是限制TBM施工性能的主要因素，这些不良地质情况主要包括开挖面的稳定性、断层和破碎地带、挤压和膨胀底层，以及可钻掘性极限，对此必须做好准备工作，如在施工中应参考施工地质图，对可能发生的地质情况作出预判，对于可疑地段，应加强地质预报，在预计到达特殊地质洞段前50.00m，应对TBM电气、液压、机械和灌浆等系统进行彻底检修，确保TBM以最佳状态通过不良地质洞段；在正常情况下，应对岩渣的岩性、块度、成分和变化趋势做出判断，精确记录下各系统运行参数，在此基础上对前方的岩石情况进行判断；再有，应对刀盘铲斗进料口进行封堵设计，即装配铲斗封堵装置，确保在遇到不良地质时，能够减少出渣量，保证刀盘可自由活动以及TBM施工的连续性。

2 TBM技术在工程施工中的具体应用

2.1 工程概况及TBM设备选型

某重点输水工程TBM施工段的隧道长度为21.60 km，开挖直径为8.50m，由于工程为埋深长大隧洞，不便于施工，采用以

图1 TBM设备调试工艺流程图

概括而言，TBM施工技术具有如下特点：其一，施工速度快，能够实现连续掘进，并与出渣、初期支护等作业同步完成；其二，施工质量高，机械破岩有效避免了对围岩造成的扰动，也使模筑混凝土衬砌工程量得以减少；其三，施工高效，隧洞施工工TBM为主、钻爆法为辅的联合施工方案，以及开挖与初期支护同步进行的支护方式，本工程施工初期支护设计参数如表1。

根据隧道设计断面、埋深、衬砌类型、地下水位以及围岩的稳定性进行TBM设备选型，本工程围岩类型以Ⅱ~Ⅲ为主，TBM采用的Ⅱ、Ⅲ围岩纯掘进速度花岗岩平均指标为2.40m/h，与TBM设备的理论纯掘进速度相一致，工期分析采用的设备利用率为40%~43%，使得TBM施工的综合管理水平得到有效保障。此外，本工程在TBM设备选型时，还综合考虑了施工进度、造价以及电力、给排水、通风等条件的影响。本次选用的MB280高性能硬岩敞开式掘进机，在隧洞掘进及衬砌施工中，不仅速度快，还能够采用柔性支护的方式进行支护，使模筑混凝土衬砌工程量得以减少。

2.2 工效分析及TBM施工方法

根据本工程围岩地质条件提供的数据，TBM的滚刀贯入速度为6m/h，掘进轨迹为环形，参照刀具贯入指标，将TBM循环形成设为1.80m，不同类型围岩的TBM作业循环时间分别为：33min（Ⅱ类）、33min（Ⅲa类）、33min（Ⅲb类）、59min（Ⅳ类）和111min（Ⅴ类）；掘进速度分别为：3.30m/h（Ⅱ、Ⅲ类），1.80m/h（Ⅳ类），1.00m/h（Ⅴ类）；掘进月进尺计算结果为：Ⅱ类围岩700m/月、Ⅲ类围岩750m/月、Ⅳ类围岩400m/月、Ⅴ类围岩200m/月。

TBM施工方法如下：其一，超前地质预报，TBM施工对地质条件非常敏感，在施工前必须做好超前地质预报工作，尤其是不良地质洞段，应对TBM设备的适应性以及围岩的自稳定性进行准确评估，对掘进参数进行调整；其二，采取合理的支护手段，在主机掘进的同时，TBM主机及后配套设备应完成初期喷射混凝土支护作业，在不良地质洞段，还要进行钢拱架安装，支护作业流程为挂网→安装拱架→安装锚杆→喷混凝土，在断层、破碎地带的施工作业，刀盘转速选用低速，待围岩变化趋势稳定后，再上调推进速度；其三，换步作业及掘进方向的控制，换步作业在掘进循环结束后进行，同时还要对掘进方向进行有效控制，每次换步都要进行调向，防止边刀不受损伤；其四，辅助措施及施工管理，辅助措施主要包括施工供水、施工排水、施工照明、通讯、通风和供电等内容，施工管理主要包括人员配置、技术、质量、安全等内容。