深埋长隧洞敞开式TBM成套施工技术

2024-02-26李贞烨

西部探矿工程 2024年2期

李贞烨

（新疆水利发展投资＜集团＞有限公司，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某引水隧洞工程，位于北疆阿勒泰地区，为深埋长隧洞，隧洞围岩岩性为华力西期变质黑云母斜长花岗岩，岩石坚硬，隧道围岩级别为Ⅲ-Ⅴ级。该引水隧洞工程采用两台TBM∅7.93m 敞开式TBM 施工，分别为TBM2（掘进长15150m）和TBM3（掘进长23550m），总体工程分段情况如图1所示。隧洞采用一洞双机方式进行施工，TBM组装段、检修段、通过段等采用钻爆法施工。

图1 总体工程分段平面图

TBM2 与TBM3 由3#支洞进入，在组装洞室内进行组装。组装完成后，分别步进到掌子面并开始调试。布置出渣系统、通风系统、水电系统等，整机调试完成后，进行掘进施工。TBM3 完成TBM3-1 施工段后，向前步进，连续皮带机系统、部分运输系统、通风系统转场至TBM3-2 施工段。TBM 步进至检修洞室后，对整机进行全面检修。在4#支洞布置支洞皮带、通风系统，在主洞布置连续皮带机系统。TBM 检修完成后，步进至掌子面对TBM3-2施工段进行开挖，掘进至主洞桩号70+890 后进行拆卸。TBM2 独头掘进，在掘进中期对TBM设备全面检修，保障设备状态完好，掘进至主洞桩号29+187后进行拆卸。

2 TBM破岩机理及施工特点

2.1 掘进机破岩原理

TBM施工技术，全名为全断面隧道掘进机技术，与盾构机用于软土的应用相比，在坚硬岩层的施工上，TBM 要求更高的耐用性和可靠性，这使得它成为无可争议的首选工程工具。TBM 具有一系列突出优点，包括实现隧洞掘进、支护、排渣等工序的无间断连续性，同时融合了电气、气动、光学、机械、液压等多系统的工厂化流水线隧洞施工设备。由于这些特性，TBM 能够明显提升工程的综合效益，加速施工进程，以及实现快速的掘进速度等[1-2]。

TBM在运行过程中切割岩石，具体地，TBM为刀具提供巨大推力，致使岩体表面形成割痕。刀刃顶部的岩石在巨大压力下急剧压缩，随刀盘的回转和滚刀的滚动，分岩石首先破碎成粉状，积聚在刀刃顶部范围内形成粉核区，破岩原理见图2。

图2 刀具破岩机理示意图

岩石破碎的过程其实是就是微裂隙发展的过程，首先刀刃切入岩体，在刀刃与岩石的接触面上会迅速产生微裂隙，由于推力的不断加大，微裂隙不断扩展为显裂隙，显裂隙进一步加大，当裂隙贯通时形成了断裂体[3]。

2.2 TBM施工优点

（1）综合经济效益好：TBM施工速度快，工期短，显著提高经济效益，虽然TBM的购买和维护成本较高，但由于其高效率和减少了额外的工程改进需求，通常在工程周期内能够节省成本。

（2）高质量、高速度、高度系统化施工：TBM施工分工明确，各个系统同时工作，可同步进行全断面开挖、出渣、支护及灌浆等工艺，一次性成洞。相较于传统的爆破施工方法，TBM能够大幅提高施工效率。

（3）安全施工：TBM施工形成的断面具有良好的受力条件，避免了开挖后易出现的局部围岩应力集中问题，有利于施工环境的稳定，施工的安全性提高，事故发生率降低。

（4）减少噪音和振动：相较于传统的爆破施工方法，TBM产生的噪音和振动更小，对附近的居民和建筑物的干扰更小。

（5）适用范围广：TBM可以根据不同的地质条件选择合适的刀具和钻头，使其适用于各种地下地质环境，包括岩石、砂土、泥土等。

（6）高度智能化：TBM主机监控系统能实时显示机械运行参数和运行状况，并将信息传输到地面管理部门，实现对TBM运行的实时监控，还包括导向调整[4-5]。

3 TBM试掘进施工

采用TBM掘进机施工，掘进参数的选择非常重要，故在TBM 正式掘进前需进行试掘进。TBM 推进过程中，根据不同地质、埋深判断围岩的稳定性、可掘进性，及时调整掘进参数。控制好掘进速度，为钢枕铺设创造良好条件。同时，初期支护方案、喷射混凝土量根据围岩情况、TBM工作情况等及时调整。注意纠偏量，以及施工轴线与设计轴线的偏差，使得它们在合理范围内，提高TBM运行效率。通过试掘进达到以下目的：

（1）检验TBM掘进机及各个操作系统的工作情况。

（2）测试各设备系统的功能，调整参数以实现最大效益。

（3）了解和认识本工程的地质条件，掌握根据地质情况调整TBM 掘进参数的方法，为全程掘进提供参考依据。

（4）理顺整个施工组织，在连续掘进的管理体系中抓住关键线路的控制工序，为以后的稳定高产奠定基础。

4 TBM正式掘进施工

4.1 TBM掘进

TBM 掘进过程是系统整体协调的过程，任何一个独立系统在掘进过程中出现故障，都可能导致掘进停止，施工停滞，因此掘进机各系统的正确操作就显得十分重要[6]。主要包括主机操作、锚杆钻机操作、钢拱架安装器操作、喷射混凝土泵操作、注浆泵操作等，在以上操作完成之后，掘进开始，施工流程如图3所示。

图3 TBM掘进流程示意图

（1）在TBM的掘进施工过程中，首先需要根据多个因素准确判断掌子面围岩的状态。根据判定结果，选择合理的掘进模式和掘进参数。如果需要，还可以采用超前地质探测来确认前方围岩状态。

（2）根据判定的掌子面围岩状态，施工人员需选择合适的掘进参数，包括推力、撑靴压力、刀盘转速等。

（3）当TBM 启动的时候，确保报警系统正常，按顺序启动皮带机及润滑系统。

（4）开始掘进作业之前，要先紧固水平支撑，收起后支撑，并以空载启动刀盘。

（5）在掘进过程中，慢速推进刀盘靠近掌子面，并在刀盘和岩石表面接触之前启动刀盘喷水系统，对岩石进行喷水。

（6）在TBM 开挖过程中，必须随时监测TBM 开挖的各项参数及岩石压载的情况。依据TBM装置的掘进参数以及对前方围岩的预测，选取合适的掘进参数，如：刀盘转速、推进力等，并随着围岩状态的变化而及时地进行调整。同时，还需要有专业的安检员对每台机器的运转情况进行全面的检查，以保证机器的正常运转。

（7）完成一次掘进循环后，需要进行换步和调向，调整TBM 姿态，确保施工轴线与设计轴线的偏差在合理范围内。必要时，在掘进施工过程中也可以进行微小的调整。

4.2 掘进参数的控制及选择

在掘进的过程中，要时刻关注着刀盘的推力状况，要对出渣的状况有一个清晰的认识。要根据实际情况，正确地选择掘进方式、掘进速度等掘进参数，并且要在掘进的过程中，随时调整自己的方向，充分地掌控着掘进方向。将掘进方向控制在水平和竖直向分别为设计轴线的±100mm、±50mm之内。这就要求司机可以熟练掌握TBM 换步调向技术，并且按照“提前预判，提前实施”的原则，对调整工作要有较强的预判能力。坚持以超前地质预报成果指导TBM 掘进施工，根据围岩情况及时调整[7]。

（1）Ⅱ类围岩稳定好，岩石强度相对较高，TBM 破岩效率相对较高，可实现快速掘进。

（2）Ⅲ类围岩局部稳定性差，掘进后需要及时做好初期支护；稳定性较好的洞段，隧道内部一般不发生坍塌，岩体强度较低，具有较高的破岩效率，可达到快速开挖的目的。总之，围岩稳定洞段保进度、局部稳定性差的围岩洞段，加强初期支护。

（3）Ⅳ类围岩不稳定，自稳时间较短，所以要根据超前地质预报对洞内进行及时的支护，避免出现变形、坍塌等不良地质情况。如有发生坍塌、软岩变形、突涌水的风险，需做好方案、物资、人员准备工作。

（4）Ⅴ类围岩极不稳定，本标段中的Ⅴ类围岩大都处于断层破碎带，且是突涌水多发洞段，此洞段不能专注于提高施工速度，应注重超前地质预报，在安全的前提下稳定推进工作进度。

4.3 TBM及配套设施的保养维护

（1）TBM刀盘刀具、主轴承是TBM正常运作的关键因素，因此必须重点考虑其寿命和可靠性。对于刀盘刀具，做好审查工作，关注刀盘强度，优化刚度及耐磨性设计，监督刀盘焊接、制造工作，保证施工过程中刀盘刀具符合维护标准[8]。对于主轴承系统，其具有自动化、精细化的特点，为避免压痕、擦伤、划伤等常见类故障，需要进行周期性的主轴承状态检测，当然，这也要求检测人员具有扎实的技术基础和充足的实践经验。

这样的人物，莫说是戏剧舞台，在现实社会中都是独一无二。君不见蔡伯喈、郑元和、王十朋、刘智远、朱买臣……哪个不是功名路上留传奇？再看梨园戏《董生与李氏》《御碑亭》……哪个不是情感波澜铸成戏？

（2）在TBM 的施工过程中，建立健全TBM 及配套设施的保养和维护制度，加强对TBM 及配套设备在运行过程中的监测，重点监测对象包括：主轴承密封、刀盘刀具、刀盘驱动系统、主轴承、主机液压系统；根据现场实际情况，采用油液磨损分析、运转参数监测、噪声诊断、振动分析、铁谱分析和光谱分析、电涡流测试等监测诊断方法，建立和完善TBM 及配套设备的保养维护规章制度。

4.4 初期支护

本标段的TBM初期支护主要包括锚杆、钢拱架、喷射混凝土，根据不同地质情况，采用不同方式的支护。

（1）锚杆支护。锚杆支护首先要进行钻孔，应严格按照施工图纸的要求，运用TBM上得钻机进行钻孔，并做好标记，一般孔深比锚杆长5~10cm。然后可以采用砂浆锚杆、中空锚杆、中空预应力锚杆，安装锚杆时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。其中砂浆锚杆要根据图纸要求注浆饱满，预应力锚杆利用扭矩扳手按照设计施加预应力。

（2）喷射混凝土。本工程喷锚采用湿喷工艺，工艺流程如图4所示。