0 引言
TBM施工是一個(ge) 複雜的係統工程，受眾(zhong) 多不確定因素的影響和製約。目前國內(nei) 外采用TBM法施工的工程項目較多，不少工程項目受各種不確定因素影響而導致施工受阻，TBM法快速高效的優(you) 勢無法得到充分發揮。地質條件是TBM工法選擇的先決(jue) 條件，部分工程項目前期由於(yu) 地質勘察不夠精確，導致決(jue) 策過程中出現偏差或失誤;部分工程項目由於(yu) TBM設備未根據地質情況進行針對性的配置，或TBM施工所需的配置不能滿足施工要求，導致施工進度無法達到預期效果。甘肅省引洮供水一期工程總幹渠7#隧洞采用1台Φ5.75m單護盾TBM施工，該工程於(yu) 2011年11月創造了月掘進進尺1868m的單護盾TBM施工世界紀錄。本文根據該項目的實際情況，對單護盾TBM快速掘進所需的施工條件進行分析，並提出相關(guan) 建議。
1 工程概況
1.1 工程位置及範圍
甘肅省引洮供水一期工程總幹渠7#隧洞工程位於(yu) 甘肅省渭源縣境內(nei) 。7#隧洞全長17286m，其中TBM施工段長度為(wei) 16986m，設計斷麵為(wei) 圓形，縱坡為(wei) 1/1650，采用1台全新單護盾TBM施工。隧洞設計開挖直徑為(wei) 5.75m，管片襯砌後內(nei) 徑為(wei) 4.96m，管片背後上部270°範圍進行豆礫石(5～10mm)回填，並灌注水泥漿液，設計結石強度為(wei) C15，下部90°回填M15水泥砂漿。
該工程管片設計為(wei) 六邊形，縱向為(wei) 凹凸麵球窩結構，管片環外徑為(wei) 5520mm，內(nei) 徑為(wei) 4960mm，厚度為(wei) 280mm，寬度為(wei) 1600mm。每環管片分4塊(1塊底管片，2塊側(ce) 管片，1塊頂管片)，單塊最大質量約5.2t。根據地質適應性分為(wei) A，B，C，D4種類型(配筋有區別)，其中A型適合Ⅳ類圍岩，B型適合Ⅴ類圍岩，C型適合於(yu) 塌方段以及搶險用，D型適合Ⅲ類圍岩。管片拚裝展開示意見圖1。
該工程TBM分主機、後配套、加利福尼亞(ya) 道岔3部分，全長約380m。其中主機由刀盤、前盾、中盾和尾盾組成，長10.3m;後配套由17節拖車組成，長170m;加利福尼亞(ya) 道岔由29節平板車組成，總長200m，TBM允許最小轉彎半徑為(wei) 500m。設計最大推力為(wei) 28883kN，額定扭矩為(wei) 4000kN·m，脫困扭矩為(wei) 6000kN·m。
圖1 管片拚裝示意圖
1.2 工程地質與(yu) 水文地質
1.2.1 工程地質
7#隧洞大地構造部位屬中、新生代隴西－渭源盆地，TBM穿越東(dong) 峪溝—秦祁河之間的低山丘陵區(洮河流域與(yu) 渭河流域分水嶺)，隧洞最大埋深368m，屬越嶺長隧洞。
隧洞布置於(yu) 白堊係、上第三係地層之中。地質條件複雜，圍岩相變劇烈，岩性以軟岩、極軟岩為(wei) 主，局部洞段有地下水活動。地下水具多層結構，局部有承壓性，地下水受構造、地層岩性控製，分布與(yu) 富集變化較大。
隧洞圍岩劃分為(wei) 不穩定Ⅳ類圍岩和極不穩定Ⅴ類圍岩，其中上第三係極軟岩段劃分為(wei) Ⅴ類圍岩，新生代白堊係中硬岩和較軟岩劃分為(wei) Ⅳ類圍岩，Ⅳ類圍岩占隧道總長的14%，Ⅴ類圍岩占隧道總長的86%。
1.2.2 水文地質
隧洞岩層總體(ti) 富水性較差。地下水主要由大氣降水補給，降雨稀少，且年內(nei) 分布不均，地層滲透性弱，地下水水量一般較小(實測泉水最大流量＜5L/min)。根據鑽孔揭示、試驗及水文地質調查，砂礫岩、砂岩孔隙率為(wei) 20%左右，為(wei) 含水透水層，鑽孔一般有地下水，泉水均出露於(yu) 砂岩、砂礫岩層部位。泥質粉砂岩和粉砂質泥岩為(wei) 相對隔水層，地下水分布不均，一般呈層狀分布且局部承壓，所在山體(ti) 為(wei) 微弱層狀含水山體(ti) 。
2 TBM掘進情況
2.1 TBM在出口工作麵施工情況
該工程TBM於(yu) 2009年12月29日在隧洞出口始發掘進，2010年1—4月，通過優(you) 化施工組織，逐步熟悉設備性能和挖掘設備潛力，使TBM月掘進進尺分別為(wei) 245，493.3，666.2，961m，掘進進度逐月提高。TBM在能自穩地質洞段完全可以保證正常快速掘進，在進入粉細砂層後由於(yu) 圍岩坍塌變形導致TBM接連遭遇卡機，隨著含水率由5%增大至23.2%，發生了突泥湧砂地質災害，最終使TBM栽頭受困無法繼續掘進。
2.2 整體(ti) 方案變更
2011年初，參建各方根據補充地質勘察資料做出整體(ti) 方案調整:將隧洞出口TBM拆卸至進口進行掘進(已探明進口段地質情況較好，適宜TBM掘進)，受出口TBM被困處地質條件影響，原刀盤和盾體(ti) 無法拆除，需重新加工製作刀盤、盾殼;針對已通過補充地質勘察探明分散分布的8段不良地質洞段通過增設4座斜井、原通風豎井工作麵、拆機後的出口工作麵進行人工鑽爆法施工，待開挖支護後，進行TBM空推安裝管片襯砌，部分洞段采用現澆混凝土襯砌。
2.3 TBM在進口工作麵施工情況
整體(ti) 方案調整後，TBM於(yu) 進口工作麵重新始發掘進，經過優(you) 化改造後的TBM性能得到大幅度提升，連續創造高產(chan) 。2011年8月17日TBM自進口始發後，於(yu) 當年9月創造了單月進尺1515m、日進尺80.8m的單護盾TBM掘進全國新紀錄，10月掘進進尺1718.6m，11月掘進進尺1868m，刷新了單護盾TBM月進尺世界紀錄。截至2012年4月27日，TBM由進口已累計掘進11120m，平均月進尺為(wei) 1308m。
3 單護盾TBM快速掘進條件分析
3.1 地質條件
地質條件是TBM施工的先決(jue) 條件，施工方案必須根據工程地質條件進行製定，所采購的TBM必須與(yu) 工程地質條件具有良好的適應性。為(wei) 保證TBM快速掘進，地質條件應滿足以下幾點要求:
1)圍岩具備一定的自穩能力。圍岩在TBM刀盤開挖形成臨(lin) 空麵後會(hui) 發生坍塌變形，圍岩的變形速率和變形量應至少滿足TBM在正常掘進速度條件下刀盤及盾體(ti) 不被卡的要求，短距離不良地質洞段掘進，TBM應具備良好的機況進行連續掘進。另外，由於(yu) TBM不可避免存在維護保養(yang) 、故障等停機情況，圍岩的變形速率和變形量應滿足在一定時間段內(nei) 不會(hui) 導致TBM被卡的要求，針對經評估認為(wei) TBM無法通過的不良地質洞段，應提前進行圍岩預加固或提前采用人工鑽爆法處理。
2)無劇烈的地質構造應力。TBM刀盤開挖形成臨(lin) 空麵後，由於(yu) 地應力作用，圍岩會(hui) 發生收斂變形，嚴(yan) 重時會(hui) 造成TBM被困被卡。在青海引大濟湟調水總幹渠工程實例中，在TBM施工至斷層破碎帶，由於(yu) 地應力作用(最大地應力實測值達到16MPa)造成圍岩收斂變形，導致TBM被困數十次，在連續約2年的時間內(nei) TBM累計掘進僅(jin) 200餘(yu) m，嚴(yan) 重製約了施工進度，在國內(nei) 外其他護盾式TBM項目也曾因為(wei) 類似問題而導致TBM施工受阻。
3)圍岩中賦存的地下水會(hui) 對圍岩穩定性造成較大影響。在軟岩地質條件下，地下水是造成圍岩失穩的重要因素。引洮供水7#隧洞TBM在出口段掘進施工過程中，TBM進入粉細砂層後，在含水量＜10%的情況下，圍岩發生塌方，由於(yu) 該TBM設備具備較大的脫困能力，通過調整掘進參數、控製出渣量等措施，仍可保持掘進。但當含水率逐步增大至17%及以上時，粉細砂層飽水後迅速形成突泥湧砂及管湧現象，導致TBM被困無法掘進。
4)圍岩應具備良好的可掘性。完整堅硬且耐磨性強的圍岩對TBM掘進進度影響非常大，且對TBM刀盤及主機關(guan) 鍵部件(如主軸承)壽命影響較大，刀具消耗增大會(hui) 導致換刀時間過長，進而嚴(yan) 重製約TBM施工進度。根據引洮供水7#隧洞TBM開挖揭示，圍岩主要為(wei) 白堊係和第三係地層的泥質砂岩、細砂岩、粉砂質泥岩，圍岩單軸飽和抗壓強度為(wei) 3.0～35.0MPa，圍岩節理裂隙較發育－發育，TBM在該類圍岩中掘進速度達到60～140mm/min，單循環(1.6m)純掘進時間最快僅(jin) 需要13min，刀具消耗量小。
3.2 TBM配置
在充分掌握地質條件的基礎上，TBM配置應與(yu) 地質條件有良好的適應性。
1)TBM能力儲(chu) 備。單護盾TBM主要設計參數包括總推力、扭矩、刀盤轉速、掘進速度、刀具貫入度等。在考慮到不良地質條件的特殊情況下，設計TBM脫困能力應盡可能有較大的富餘(yu) ，TBM設備的潛力可能在大部分正常地質洞段都無法發揮作用，但當局部洞段遇到不良地質後，設備的潛力將發揮重要作用，成為(wei) TBM能否順利掘進通過的關(guan) 鍵。
2)有針對性地進行TBM設計和配置。TBM作為(wei) 專(zhuan) 用設備，必須進行有針對性的設計和配置，隻有保證與(yu) 地質條件具備良好的適應性，才能充分發揮掘進效率。
①引洮供水7#隧洞單護盾TBM原刀盤設計為(wei) 純硬岩刀盤，刀盤總質量約為(wei) 80t，刀盤伸出前盾切口長度為(wei) 960mm，開口率為(wei) 11%，在出口段軟岩施工中，受圍岩塌方影響，且由於(yu) 刀盤伸出前盾切口的懸臂部分過長，導致施工受阻。主要體(ti) 現在2方麵:一是對周邊圍岩擾動大加劇了圍岩塌方範圍，導致出渣量控製困難;二是刀盤受塌方圍岩作用的麵積較大，且本身自身重力較大，易造成TBM刀盤被卡，在圍岩泥化後地基承載力降低的情況下，TBM栽頭嚴(yan) 重(豎直方向最大栽頭663mm)，掘進施工嚴(yan) 重受阻。TBM轉場至進口後，重新加工的刀盤充分考慮了應對不良地質情況，對刀盤結構和伸出前盾切口長度進行了優(you) 化，將刀盤質量減少20t，伸出前盾切口長度減少約200mm。
②單護盾TBM依靠主推油缸作用在管片上提供推進反力從(cong) 而向前掘進。引洮供水7#隧洞項目TBM原刀盤設計為(wei) 順時針方向旋轉(正轉)出渣，可以進行逆時針旋轉(反轉)調整滾動值，但不能出渣。底管片采用混凝土承軌台+中心水溝的設計方式。TBM在出口段掘進過程中，由於(yu) 刀盤隻能沿順時針方向旋轉掘進，造成管片環沿逆時針方向滾動，為(wei) 保證管片外觀質量與(yu) 結構安全，被迫降低推進速度從(cong) 而降低扭矩並配合墊木板等措施進行調整，對施工進度影響較大，且運輸軌線質量較差，嚴(yan) 重製約了運輸效率。TBM轉場至進口後，將刀盤設計優(you) 化為(wei) 正反轉均可以掘進出渣，管片環旋轉的難題通過刀盤正反轉掘進進行調整，使TBM掘進速度大幅提高，且運輸軌線質量改善後有軌運輸效率大幅提高。
③引洮供水7#隧洞項目TBM在設計中考慮到供料和出渣的重/輕編組車快速轉換的問題，在後配套拖車尾部設計了1座200m長加利福尼亞(ya) 會(hui) 車平台(隨TBM掘進移動道岔)，使後配套內(nei) 編組接渣完成後輕編組能迅速到位，保證了掘進施工的連續性，在後續TBM快速施工中起到了重要作用。
3.3 配套設施
TBM本身具備快速掘進的能力，相關(guan) 配套設施必須匹配快速掘進要求。
1)TBM供料及出渣。引洮供水7#隧洞項目TBM供料及出渣采用單線+會(hui) 車平台有軌運輸方式，1列編組可滿足2個(ge) 掘進循環的材料供應和出渣需要。在掘進高峰期單循環(1.6m)最快作業(ye) 時間為(wei) 25min，其中掘進時間為(wei) 13min，管片安裝時間為(wei) 12min，有軌運輸距離約11km。共采用4列編組(其中機頭采用27t德國小馬機車，車輛製動效果好，運輸效率高)，在6km處設固定會(hui) 車平台1處，即高峰期編組50min必須到達TBM尾部加利福尼亞(ya) 會(hui) 車平台，做好重/輕編組車快速轉換準備。由於(yu) 底管片采用混凝土承軌台設計，在解決(jue) 了管片滾動問題後軌線鋪設質量好，編組列車在該種軌線條件下重車出洞平均速度能夠達到15km/h，輕車進洞平均速度能夠達到18km/h，完全可以滿足掘進需要，15～18km獨頭掘進的隧洞采用該種運輸方案亦能滿足。
2)洞外場地布置。洞外場地軌線布置、供料係統、翻渣係統的布置需充分考慮編組車輛在洞外快速翻渣和裝料的問題。引洮供水7#隧洞項目洞外翻渣係統設置2台翻渣機，1次可同時翻轉2台側(ce) 卸式渣車，一列編組10節渣車翻渣時間基本控製在20min內(nei) ，在翻渣的同時進行進洞材料的裝車，翻渣完成後即可進行編組並進洞，滿足了洞內(nei) 快速施工的需要。
3)其他配套設施。長距離TBM施工通風、供水、供電、排水等均需考慮快速掘進的需要。以施工通風為(wei) 例:引洮供水7#隧洞項目采用一站式壓入式通風方案，使用瑞士進口GIA4×75kW風機，直徑1.6m的國產(chan) 優(you) 質風管，通過在洞內(nei) 11km處進行的通風檢測表明，洞內(nei) 回風風速滿足規範要求，各有害氣體(ti) 含量均在規範要求以下，經實踐證明該方案充分保障了洞內(nei) 通風效果，為(wei) 快速施工奠定了基本條件。
3.4 施工組織與(yu) 管理
引水隧洞TBM施工是一個(ge) 複雜的係統工程，需進行精心的施工組織與(yu) 管理。
1)建立完善的項目管理體(ti) 係，並在施工過程中嚴(yan) 格執行，通過項目團隊文化的建立與(yu) 隊伍建設，營造良好的工作氛圍，建立開放的溝通渠道和協調機製。
2)通過優(you) 化的施工組織和有效的激勵機製，規範管理過程，充分調動一線職工的工作積極性。
3)嚴(yan) 格推行TBM及常規設備的按時維修保養(yang) 工作。應根據TBM設備特性製定詳細的維保製度和每日、周、月維保計劃，剛性進行設備停機維保，及時研究和預判設備故障，提前處置問題。對於(yu) 關(guan) 鍵配件應建立預警機製，保證配件儲(chu) 備的準確性、適用性和充足性，為(wei) TBM快速掘進奠定堅實的基礎。
4)高度重視進度與(yu) 設備、進度與(yu) 安全、進度與(yu) 質量關(guan) 係的協調平衡。
5)通過技能培訓與(yu) 考核提高施工人員的技術水平。
6)有效建立TBM掘進控製、測量導向、管片安裝、工程地質變化、設備故障、安全與(yu) 質量等內(nei) 容的信息反饋與(yu) 處置機製，確保在現場出現問題後能夠進行快速處理。
4 結論與(yu) 討論
通過以上分析，認為(wei) TBM快速掘進所需具備的條件為(wei) :
1)適合TBM快速掘進的地質條件;
2)TBM設計和配置須與(yu) 地質條件有良好的適應性;
3)配置與(yu) 快速掘進匹配的配套設施;
4)精心的施工組織與(yu) 管理。
編輯：陽斌
轉自《隧道建設》