输水隧洞工程中TBM掘进施工技术要点分析

张茂勇

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 510000）

该输水隧洞工程总长26.775km，采用3 台TBM 分3 段进行施工。TBM 掘进总长为24.588km，开挖直径5.06m。隧洞开挖完成后，采用拼装预制六边形钢筋混凝土管片衬砌，砌体接缝及同围岩间的空隙回填豆砾石，并灌注水泥浆。衬砌管片分为A、B、C 三种类型，采用C55 钢筋砼，衬砌背后充填豆砾石及灌浆，共17563 环。每环管片钢筋砼5m3，共计砼87815m3。管片外弧半径2400mm，内弧半径2150mm，厚250mm，环宽1400mm，每环有4 片，由1 片底拱管片、2 片侧拱管片和1 片顶拱管片构成。

1 工程实施要点与难点

1.1 输水隧洞洞径小（ø5.06m）

TBM 独头掘进距离达到9.173km 且通风距离在10km 以上，出渣设备皮带工作长度约10.5km，因此对现场通风和出渣的技术要求较高，以保证系统的可靠性。

1.2 基坑场地小

应合理协调隧洞内、外布置，优化布置洞内各系统，为TBM 掘进提供充足的作业空间和辅助，会对施工进度和施工质量起到决定性作用。

1.3 施工环境复杂

围岩条件下，刀具的使用环境相对复杂，需要根据实际情况选择合适的刀具，并且应加强现场围护与保养，减少刀具的更换频次，延长使用周期。

1.4 掘进速度慢

该工程围岩硬度较高，TBM 掘进难度相对较大，推进速度较慢，因此需要优化掘进参数，确保TBM 掘进参数与围岩相匹配，在保证掘进速度的同时增加设备寿命。

2 TBM 掘进施工技术要点

2.1 始发掘进技术

在距隧洞掌子面2m 处施工的过程中已经预留施工槽，并对TBM 刀盘进行处理。刀盘进入施工槽后可以转动，如图1所示。TBM 刀盘处理主要指安装TBM 步进时没有安装的边滚刀和刮刀。

图1 T1BM 始发前刀盘处理

2.1.1 灌浆和充填

在管片拖出盾尾3～5 环后，分步进行灌浆和充填豆砾石。首先，通过TBM 盾尾自带的底部注浆管，在底拱管片背部充填水泥砂浆。其次，通过TBM 自带的豆砾石回填泵向管片与围岩间的环形间隙吹入豆砾石，豆砾石粒径为5mm～10mm。最后，在充填豆砾石后，及时用水泥浆液进行灌浆，浆液水灰比应≤0.6，灌浆压力应控制在0.3MPa～0.6MPa，通过现场灌浆试验并经监理人批准。

2.1.2 控制出渣量

每环出渣量（实方）为28.15m3/环（每环1.4m）。将TBM推进出渣量控制在98%～102%，为27.59m3/环～28.71m3/环。在破碎地段须严格控制出渣量，避免出现掌子面大范围坍方。

2.2 掘进施工技术

2.2.1 掘进

由主推进油缸送力，打开伸缩盾，刀盘在推力作用下向前掘进，撑靴在洞壁反向撑紧，进一步为掘进机提供推力，刀盘在掘进过程中产生的各种石屑、碎渣由铲斗与刮板送至刀盘中心输送机，经主机和后方配套皮带机送至渣车，管片安装与豆砾石填充在盾尾防护下同步进行，直至刀盘前进至该环结束处。该循环掘进结束后安排下一循环施工[1]。掘进时，刀盘的速度应保持约30mm/min，主推进油缸的推力保持在900t～1000t，掘进机缓慢推进，并适时调整参数。控制掘进机刀盘以低贯入度切入，当刀盘与掌子面相距约10cm 时启动，刀盘初始转速控制在3r/min，待掌子面平整后转速调整为6r/min，扭矩≤2000kN·m。

2.2.2 换步

当主推进油缸行程达到上限时，停止掘进作业，缓慢收回撑靴，推进油缸组合的同时提供反向动力将掘进机推至前方，然后配套移动至主推油缸完全收缩，释放撑靴至洞壁撑紧，结束换步。在换步过程中，出渣量控制在70m³，掘进机主机完全进入围岩后，将轴线高程向上纠偏20mm～30mm，以影响冲掘进机自重。控制滚动角在1°内，辅助油缸转速推力在3MPa～4MPa，同步换步速度与推速。

2.2.3 掘进循环时间安排

工序时间安排见表1。

表1 各主要工序时间安排

2.3 管片安装技术

管片是TBM 的主要构件，根据施工洞段的围岩状况，在围岩较好的地层采用双护盾模式，可以同时完成掘进及管片拼装作业，进而有效提高施工效率；在存在断层及破碎带的软弱围岩的洞段采用单护盾模式掘进，可以确保软弱围岩下施工掘进的安全性，具体如下：1）TBM 掘进到达预定位置且推进油缸在预定安装拱底与拱顶管片处的行程超过2.4m、侧面安装管片位置行程超过1.4m。如果双护盾模式可以不用停止掘进直接进行管片安装，单护盾模式下需要暂停掘进，再进行管片安装。2）在管片安装的过程中需要按照由下至上再两侧的顺序，分4 步完成。①安装拱底管片。②安装拱顶管片。③安装左右一侧管片。④安装余下一侧管片。在安装管片的过程中，需要用油缸轻顶管片，保证其稳定性，同时要全程监测该管片的位置和相邻管片的衔接度，避免出现错台、露缝等问题，同时在管片相应位置采取保护措施，避免防水密封条或管片边缘和脆弱位置受到损坏，必要时须对关键位置进行防水检测和加固[2]。3）管片在安装完毕后需要将推进油缸移出，避免管片持续受力后，过多接触接缝处的防水密封条，防止TBM 推进时，推进油缸将振动传递至管片，管片抖动、松动和防水密封条错动而导致防水效果降低。流程如图2 所示。

图2 管片安装程序图

由专业管片安装人员拼装管片，工程技术人员根据验收标准验收过程。管片安装接缝平滑（顺）、管片衬砌尽可能达到精准的圆型。管片衬砌环的安装误差允许为径向±20mm。管片的内部接缝宽度≤5mm，接缝处的不平整度≤5mm。

2.4 壁后回填技术

在TBM 掘进的过程中，要在脱出盾尾的衬砌管片背后迅速吹入足量的豆砾石，并用浆液充填环形建筑空隙。每环管片安装完成后立即进行豆砾石充填，管片外侧与岩石间的空隙应充填密实。充填顺次应按先拱底、次两侧、后拱顶，避免充填的豆砾石出现架空现象[3]。管片与围岩空隙填充豆砾石后，及时用TBM 自带灌浆系统通过管片预留灌浆孔灌入，如图3所示。

图3 回填灌浆示意图

回填灌浆压力设定为0.2MPa。当灌浆时需要兼顾TBM 推进的平稳性，防止出现跑浆问题。灌浆量须根据现场情况进行调整，常规用量为1.3～1.8 倍基础理论灌浆量。如公式（1）所示。

式中：Q为灌入量，m3；λ为灌浆率（130%～180%）；V为TBM施工引起的空隙，m3，如公式（2）所示。

式中：D为TBM 刀盘开挖直径，5.06m；d为管片外径，4.8m；L为管片宽度，1.4m。

V=π（5.062-4.82）×1.4/4=2.82m3，Q为3.67～5.1m3/环。

灌浆7d 后，对灌浆处进行压水试验和钻孔取芯检查。每100m 洞段进行5 次压水试验，钻孔直径为38mm，深度应控制为钻至豆砾石灌浆层厚度的1/2，钻孔底部至岩面的豆砾石灌浆层厚度≥3cm。当水压0.2MPa 时，钻孔水饱和为30min。

豆砾石灌浆饱和后，读取10min 时段的吸水率ΔQ1，如果ΔQl/l0小于0.1L/min，证明该孔的前后各10m 洞段水密性合格。

灌浆28d 后，每100m 洞段按监理人指定的4 个孔钻孔，取豆砾石水泥灌浆结石及水泥砂浆芯样。取其中3 个芯样（芯样直径为38mm 或50mm）制成长直比为1 ∶1 的试件，做抗压强度试验。另一个芯样应取自侧部管片，用于观察豆砾石水泥灌浆结石的表观质量。

2.5 方向控制技术

3 台TBM 上均配备德国VMT 激光导向系统。该文提出了VMT 激光导向系统的工作原理以及基于TBM 导向系统进行TBM 调向方法，如图4 所示。系统与TBM 的轴线相关，在系统中计算TBM 上激光靶的位置、控制点及参考点。系统包括并备档了所有测量相关点的数据。在主控测量中，用控制点来确定TBM 的位置。也可用VMT 导向系统程序以外的其他转化程序确定。

图4 TBM 坐标系统

利用基本导线，用常规测量方法建立激光导向的基准坐标，激光导向系统将精确偏差值反馈至操作室，TBM 掘进机操作人员能直接掌握设备的姿态、方向等基础信息，并结合预设方案对设备方向进行微调[4]。调动注意点：单次调向中刀的位移应控制在3mm 内，二次调向设备至少在掘进25mm 后进行，保证刀能够在新应力影响前挖出新断面。每25cm 掘进距离内，滚刀的总位移距离应＜5mm，避免刀箱和刀体因空间不足与洞壁发生摩擦而受损；100cm 掘进距离内，边刀位移距离应＜25mm，并保持边刀与洞壁间有空隙；在掘进过程中，刀会出现磨损，因此相应数据应适度缩减。如果刀盘位置偏差值＞30mm，可以断定刀盘状态异常，须及时调整主机的位置。

2.6 防水施工技术

管片拼装接缝防水采用“M”形槽孔的复合橡胶止水条。管片壁后环形间隙先用豆砾石充填，再用水泥浆回填灌浆豆砾石作为隧洞防水的加强层[5]。隧洞管片接缝复合止水条的基材和遇水膨胀橡胶物理力学指标见表2。

表2 复合止水条的基材和遇水膨胀橡胶物理力学指标

灌浆固结后，进行管片接缝内燕尾槽的砂浆勾缝，并将勾缝表面抹平、扫光。洞段勾缝砂浆采用无收缩（微膨胀）砂浆，28d 抗压强度≥45MPa。无收缩（微膨胀）砂浆施工前要严格清理管片内表面，对局部渗漏和裂纹段进行修补堵漏。用灰刀钢丝刷清理表面附着的砂浆和污迹，清洗后做防水砂浆。

3 结论

虽然TBM 掘进技术在我国已经应用了较长时间，积累了大量的实践经验，设备与技术的可靠性也较高，但是仍然存在质量和安全隐患。施工与管理人员应理性看待施工过程中的各种风险，并结合相关理论、技术、经验和现场实际情况，采取相应的措施排除风险，保证施工质量，提升工程效益。