全断面隧道掘进机（TBM）在设备选型及隧洞选线设计中应注意的问题

刘丽萍

（山西省万家寨引黄工程管理局 太原 030012）

全断面隧道掘进机（以下简称TBM），因其高度机械化、自动化，不仅掘进成洞速度快，而且极大地减轻了工作人员的劳动强度；同时，由于工作人员在护盾防护下作业，也使得作业更加安全可靠；开挖后成形的壁面整齐光洁，断面规整统一，好的岩石可取消衬砌；在长隧道内，排气通风好，工作面清洁，施工环境良好。这些独特的优点，使得TBM在水工隧道、铁路隧道、煤矿巷道、公路长隧道掘进中的应用越来越广泛。但是，任何先进的设备，在使用过程中仍然会存在这样那样的问题，依然会产生各种缺陷。就目前已投入使用的TBM看，需要在关键环节，如TBM设备选型、设计规划阶段等，采取相应的措施，克服并解决有关问题，以最大限度地减少甚至避免产生缺陷。

1 TBM选型中应注意的问题

TBM选型是防止缺陷的第一个环节，应该根据不同工程需要和不同地质情况要求，配备与工程相适应的设备。选型中要着重考虑以下几方面的问题。

1）长隧道中一般不存在单一的岩性，在设备选型中要选择可更换刀头、并通过刀头更换能扩挖并能改变扩挖量的刀盘。理由如下：

①掘进中，刀头一直处于磨损状态。如更换不及时，或更换数量不合理，就会产生掌子面切削的偏移，形成洞轴线偏移的缺陷。

②在长洞中岩性往往不是完全单一而均质的，即使在同一掌子面也往往出现岩性不一致。在同一条隧道中可能存在着不同地质年代、不同岩性，同时伴随着不同地质构造的现象（断层、溶洞、破碎带），以及不同的埋藏物（地下水、瓦斯、地应力等）。以万家寨引黄工程为例，隧洞在顺洞长方向的岩性多不相同，有黄土、有黏土、有岩石、有沙卵石，这些地质现象交替出现，即使在同一掌子面也有黏土覆盖砂卵石，砂卵石覆盖黏土等现象。由于岩性不一、软硬不一，造成刀头受力不一，掘进速度也不一致，这样掘进过程中就难免会导致偏移。

正是为了适应不同岩性，刀头需要定期更换。

2）机头部分必须具有超前钻探及超前探测的设施，以便摸清不同地质状况及岩性变化的准确界面。应在机头部分开设前窗和侧窗，用于观测隧道侧壁和掌子面围岩的地质条件。

在工程施工期间，施工地质预测、预报工作是非常重要的一环，好的地质预测工作可以为工程提供安全的施工环境，可以提出有针对性的措施。如岩性变化了，就及时更换刀头，调整扩挖量，同时不同岩性的地质地段，由于承载能力不一致，沉降变形不一致，要采取基础加固或预留足够的超高等有效措施；如果有不良地质构造如溶洞、断层、破碎带，就需要采取回填、预注浆等措施；如果有不同的埋藏物如地下水、瓦斯、地应力等，就要采取排水，释放瓦斯、地应力等措施以解决不同的地质状况下TBM的掘进；在黄土含水量为饱和状态的地段，为防止掘进机掘进过程发生下沉，不得不采取排水和换基的措施等。所以说，好的地质预测预报工作是工程有序进行的保障。一旦发现问题，可以及早做好准备，甚至防止灾难性的情况发生。尤其是使用TBM施工时，其成洞速度快，如果不能及时发现变化了的地质情况，并采取相应措施，就会发生裂缝、基础拉裂、止水失效、轴线偏移、高程偏离等缺陷，甚至发生工程事故或灾难。

万家寨引黄工程在总干7号洞施工中，当TBM从岩洞段进入Q2、Q3黄土洞段时，由于未及时采取相应措施以致发生了机头下沉达53 cm的情况，使洞底在此处形成低洼段，给工程投入运行前的修复造成了很大困难。

遇到地基承载力弱的地质地段或不利的地质构造及埋藏物时，最可怕的是沉陷突然发生，将会危及设备及人身的安全。在危地马拉RioChixoy水电站的27 km长的供水隧道中，因遇到岩溶，一台TBM被埋在一个侵蚀洞穴。委内瑞拉的Yacambu隧道长27 km，其围岩收敛变形每分钟达到20 cm，致使TBM无法完成掘进而停工。我国万家寨引黄工程南干7号隧洞遇到摩天岭大断层（影响带长达300 m），因进行工程处理而延误工期达3个月之久。在7号洞的掘进中，还遇到了溶洞，幸好洞内有填充物，由于含水量大，地基承载能力很弱。TBM进入此段时，机头下沉，幸亏发现及时，而且无填充物的范围小，并果断采取了措施，抬起机头，避免了一场灾难。因此，TBM在掘进过程中，必须有超前地质探测作保证。

3）利用TBM施工，测量过程视线受干扰，控制导线又受隧洞限制，往往出现误差。为了调整平差，分段消除误差的方案是值得探讨的一个途径。设想在后配套中用可撤除的钢环，用来代替预制管片，解决支撑系统的推力底坐。

庞朴先生指出，大概到春秋时期，“五行”已经逐步由具体的物质抽象为具有统摄性的物质“属性”［14］，例如在《左传·昭公二十九年》蔡墨对魏献子的答辞中，蔡墨提出：“有五行之官，是谓五官。……木正曰句芒，火正曰祝融，金正曰蓐收，水正曰玄冥，土正曰后土。龙，水物也。水官弃矣，故龙不生得。”［15］2323无论是五行的神格化，还是以“龙”为“水物”，均显示此时“五行”已经具有类型化的属性。不过，当蔡墨进而论及“五官”之神的形成过程时，他以五官先后出自少皞、颛顼、共工三氏，且为六人所分守，这种结构上的粗疏显示出此时的“五行说”尚未达到充分系统化的水平，其与“阴阳”似乎也未发生关联。

钻爆法隧道施工时，单向掘进长度一般不会超过4 km，TBM法隧道施工时，单向掘进长度不低于10 km，有时甚至更长，因此TBM掘进长隧道的施工控制测量是属于超规范作业，是靠在TBM中已安置的激光导向测量仪来完成的。受下列因素的影响，控制导线往往会出现误差。

①以国内常用的JK-3型隔爆激光定向器为例。其主要技术指标为；平行移动装置的移动范围为15 mm，有垂直、俯仰和水平偏转的微调装置，其移动范围为±1.5 mm，并能自锁。在隧洞中测量的有效距离为500 m.激光导向仪的作用是为机头处在正确位置提供依据，根据测量结果，不断调整机头位置，消除水平和垂直方向的误差。激光导向仪由于受到机头部分电机、皮带、机械手等各种设施作业的影响，测量不能随时进行，将会影响机头的及时调整。另外，测量上发生问题往往在掘进机机身200～500 m后隧洞自身控制导线的测量上。影响控制导线的原因是由于隧洞长、直径小，使得控制导线出现夹角小、短边短、误差大、导线闭合困难等。

②目前TBM掘进多数采用管片衬砌、回填混凝土或回填豆砾石进行灌浆，在施工过程中管片处在沉降、变形的不稳定状态，这样就使得在洞内很难找到一个不变位的点作为测量控制点。尽管机头部分用了先进的激光导向控制技术，但由于依据的控制导线的控制点精度不高，仍然会产生误差。

③TBM法隧道施工时，测量人员无法在掌子面上放样，不能直接控制掘进方向。

4）为了解决豆砾石回填灌浆分段问题，在TBM制造中，应考虑设置止浆环（堵头）设施。

利用TBM施工，常用传统工艺是“刀盘带动刀头切削岩石，用钢筋混凝土预制管片衬砌，管片与围岩间填充豆砾石并灌注水泥浆”。它的作用是通过注浆使豆砾石成为一个整体，即压浆混凝土，在有压情况下使浆液通过围岩裂隙灌入岩石，以达到固结围岩的作用，另一侧则使浆液进入预制管片之间的缝隙，使接缝中充满水泥浆。

这一工艺过程如按设想实现后，可以胶结豆砾石变为压浆混凝土，既可传力又可防渗，还可使预制管片成为一个整体，增加了衬砌厚度；固结了周围岩石，防止外水内渗通道，增加了围岩整体性，减少了围岩压力；水泥浆灌入管片接缝起到并缝灌浆的作用，增大了管片之间的接触面，解决了环向受力的传递问题。但是，在实践中，有的工程却由于没有实施分段，豆砾石回填时形成自然坡，致使顶拱回填不满。进入灌浆作业后，由于不分段，压力升不上去。浆液顺着自然坡及畅通的途径流动，有的漏灌，有的流入尾盾部位，排至洞外。既达不到灌浆效果，又造成大的浪费。有的工程一个灌浆孔水泥用量达30 t，但从观测看，几乎全部排出洞外。多数工程采取打孔补灌的办法，后果是有的孔打断了钢筋，影响管片受力，加大了投入。

5）其他注意事项

①分段的排水设施，在设备制造过程中应考虑。

在掘进过程中，掘进机应具备随时排水的条件。如在掘进过程中轴线上下左右偏移会形成积水时、遇到含水丰富的地段时，就需要采取排水措施。因此，在设备制造时需要充分考虑分段排水设施，如在排水管上分段安设阀门等。

②刀盘的转速可根据不同岩性进行调整，以适应不同地质条件的围岩，减少扰动。

③为防止和减少不良地质地段和地质构造如断层、破碎带、溶洞等对掘进的影响，在机头部分，应设置预注浆的设备。

④前后护盾之间，应留有可采取临时加固措施的余地，如架设支护、安设锚杆等。

2 在隧洞选线设计过程中应考虑完善的问题

1）如施工组织设计中考虑选用TBM施工，应适当加大勘探工作量，采取多种手段，如勘探、钻探、导洞、物探等，尽能全面深入地掌握地质情况。

2）掘进机常用的衬砌方式，是利用管片衬砌代替喷浆和现浇混凝土。这一工艺的优点是边挖边衬，一次成洞，提高了成洞速度。但是由于管片的连接，形成了多条接缝，以5 m直径隧洞为例，每延米成洞缝长达20～30 m，任何一条接缝处理不好，都会形成漏水通道。目前，预制管片衬砌止水方式花样繁多，常用的有橡胶止水、砂浆、泡沫塑料止水条等。为了达到防渗效果，设计精度的要求越来越高，已达到±1 mm.这在实际施工中是很难实现的，专家们把它称为“敏感”，实质上是施工难以“适应”设计要求，即“不适应”。鉴于这一环节的重要性，建议设计时应考虑以下几个因素：

①分段消除管片安装后的误差，局部用现浇取代管片，分段消除误差；

②采用具有塑性、可变形、粘结力强的止水材料取代弹性的、固态的止水材料；

③利用管片安装后嵌缝止水的方式代替管片上安装弹性固定止水材料的对缝止水方式，以适应管片安装后接缝的各种形状、不同尺寸的现状，同时可防止为了对缝推力缸加大推力，强行推进挤压管片以致挤碎管片的现象。

3）在长洞或超长洞设计中，应合理布置支洞，既满足施工运行的要求，又可弥补地质勘探工作的不足。支洞的位置应尽量选择在地质结构变化的地段。

4）在IV、V类围岩设计中，应考虑扩挖和预注浆，以满足围岩变形的需要。

5）根据不同地质岩性及构造，对明显存在裂缝的“常发区”设置结构缝，该部位作为“应设区”。可采用预埋钢环的办法，解决掘进机推力底座的问题，拆除后用现浇混凝土形成结构缝。

6）合理选择混凝土设计标号，不同部位、不同岩性、不同地质构造地段选用不同混凝土标号的管片，以适应不同的围岩压力；要合理选择龄期，应尽可能一致。

7）钢筋配置除应考虑围岩荷载外，还要考虑施工荷载。例如，在已施工的工程中发现由于设计中未考虑施工荷载，以及施工中由于机械手的张力，导致管片两个预留孔之间发生裂缝，采取了增加限裂钢筋的措施，这一问题才得到解决。

8）为了保证回填灌浆的效果，必须在设计中提出分段灌浆的要求及措施。

3 结语

全断面隧道掘进机作业高速、安全、适应性强，在一些特大、高难工程中确立了不可取代的地位，但是仍存在不足，施工过程中会产生缺陷，但只要在不同阶段采取有效措施，就能避免和减少缺陷发生。TBM制造过程是可以改进的，设计是可以完善的。与此同时，还应围绕工程建设的各个环节，如勘探、设计、测量等，本着“不同阶段，解决不同问题，不同单位承担不同任务”的原则，通过“综合治理”，预防和减少缺陷的发生。