隧洞掘进机（TBM）施工质量管理及控制

王竹强 张宇华

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 隧洞掘进机（TBM）性能概述

随着科学技术的发展和综合国力的增强，隧洞掘进机（TBM）在我国的使用越来越广泛。TBM为“Tunnel Boringmachine”缩写，即：隧洞掘进机。隧洞掘进机（TBM）施工具有快速、安全、高效的特点，因此尤其在埋深大、距离长的隧洞中应用越来越多。

TBM施工与常规法（也叫钻爆法）施工工艺有着很大的区别，TBM施工是将开挖、衬砌、灌浆等各个工序同时进行施工，采用流水线式作业，这样的施工特点给TBM施工质量控制带来很大难度和挑战。

影响TBM施工质量的因素主要有3个，即：设备状态、地质条件、组织管理。在工程开工之前必须根据前期勘探资料选定合适的设备，我国已有由于TBM设备选型不合理而造成最后由TBM施工改为常规施工的教训。在施工过程中，必须合理地对设备进行维护保养，确保设备状态良好，只有选取合理的设备和保证设备的良好状态才能确保工程的顺利进展，设备状况是保证TBM施工质量的前提；TBM施工对地质条件要求较高，围岩的地质条件直接影响开挖、衬砌、灌浆各个工序的质量，十分恶劣的地质处理不当会造成机毁人亡的严重后果，因此施工过程中要加强地质预测，根据地质预测及时调整施工方案，地质条件是保证TBM施工质量的关键；TBM是电气、液压、机械综合的精密度较高的设备，而且各种不同的专业、工序要同时进行施工，操作手的熟练程度和有效的组织管理非常重要，组织管理是保证TBM施工质量的主要因素。只有将具备良好的设备、准确判断围岩的地质情况、实施高效的组织管理才能保证TBM施工质量。

TBM施工主要分为三道工序，即开挖工序、衬砌工序（管片安装工序）、回填灌浆工序（目前有人提出将TBM回填灌浆工序分为豆砾石喷灌和水泥浆灌注两道工序，虽然从工艺和施工顺序实际分为两步施工，但从质量验收和施工组织管理的角度还是应为一个工序，目前还有人提出不同地质洞段应采用不同的灌浆工艺，因此将各种灌浆统一为一个灌浆工序较好）。本文从这三道工序现场施工的质量控制结合上述的影响因素来探讨TBM掘进机施工质量的管理和质量控制。

2 工序质量控制

2.1 开挖工序

TBM开挖质量检查重点就是隧洞的方向，即洞轴线的水平偏差和垂直偏差。由于TBM掘进施工是全断面整体开挖，刀盘及护盾是根据隧洞尺寸设计制作的，因此隧洞的成型控制基本可以不考虑，而且TBM开挖过程全部封闭，施工中也无法进行隧洞的成型检查。

TBM开挖方向主要由掘进机自配的自动导向系统来控制，自动导向系统一般根据以下五个参数来确保开挖方向的准确性：洞轴线的水平偏差、洞轴线垂直偏差、水平趋向、垂直趋向、滚动角。洞轴线的水平偏差和垂直偏差是指现在开挖的洞室方向，是质量评定和验收的重要依据；水平趋向和垂直趋向是指机头趋向，即机头开挖下1m时的轴线偏差值，单位为mm/m，趋向值是保证轴线准确的主要指标；滚动角是指TBM掘进机护盾的滚动角，在掘进过程中，由于刀盘强大的转动和扭矩、应力必然导致护盾会也会滚动，因此控制滚动角也是确保轴线质量的重要指标。趋向值和滚动角是操作手调整机头方向确保隧洞开挖质量的重要依据。

TBM开挖质量好坏主要取决于自动导向系统的准确性和操作手的操作，因此测量人员要定期对导向系统进行检查复核并按要求保养维护，确保导向系统的准确性。在掘进过程中操作手要随时观察机头趋向和滚动角的变化，并随时进行相应的操作确保洞轴线的准确。

TBM开挖还受到地质和设备状况的影响。如果遇到地质恶劣，塌方严重，构造等不良地质时，塌方碎块将刀盘、护盾与围岩之间的缝隙填满，导致TBM无法调整方向，严重的会造成卡机，如果围岩过软承载力小，或者遇到软硬相间的地层都会导致机头下沉等方向偏离。因此做好地质预报，并做好通过不良地质洞段的施工方案和施工准备非常必要。

只要上述几个方面都得好的操作，TBM开挖质量就没问题。

2.2 衬砌工序

TBM掘进机施工的衬砌工序，就是管片安装工序，施工质量检查的重点是管片安装的接缝缝宽和错台，安装过程中产生的管片破损、裂缝等质量问题以及管片的勾缝质量等。

（1）管片安装接缝缝宽、错台质量检查

a、检查方法：（见图1）。在检测接缝、错台时，尺子要贴紧或垂直管片，避免造成读数不准确。

图1 接缝检测方法示意图 错台检测方法示意图

b、测量管片接缝、错台的位置在根据现场情况，在安全的前提下确定量测位置，但必须等离管片完全离开护盾才能量。

c、注意观察管片在护盾内------离开护盾------喷豆砾石------灌浆等整个过程中，接缝、错台的变化情况，若变化较大或出现异常变化要及时报告。

d、随时掌握开挖情况和地质情况，如果开挖轴线出现较大偏差或地质情况出现变化时，要加强观测管片的接缝、错台的变化情况，并详细记录。

（2）勾缝质量检查

①勾砂浆前，要将管片接缝内的石渣、粉尘等杂物清理干净。

②勾砂浆时，要将砂浆填入缝隙内，压紧填实，如图2。

图2 合格的勾缝示意图 不合格的勾缝示意图

③若接缝过大，导致止水条无法接触，根据要求加塞一道止水条，再用砂浆填实，见图3。

图3 加赛止水条示意图

④砂浆勾填完毕，在表面与管片保持一个平面，压模平滑，不得突出或凹现或表面不平整。

⑤若管片错台小于2cm时，用勾缝砂浆将其磨平，注意不要坡度太大，大于2cm的错台，根据监理工程师确认的修补方案进行修补。

2.3 灌浆工序

目前TBM回填灌浆施工大都采用喷灌豆砾石后再灌注水泥浆液的施工工艺，这种工艺在山西省万家寨引黄入晋TBM工程项目中得到了极为成功的应用。但随着TBM在国内的应用越来越多，遇到的地质问题也增多，豆砾石水泥浆回填灌浆工艺也暴露出一些弱点和局限，因此有些工程还尝试采用了灌注砂浆或豆砾石水泥浆和砂浆相结合等综合灌浆工艺。本文仍以豆砾石回填灌浆工艺为主探讨此工序的质量控制。

TBM回填灌浆质量标准是灌浆饱满密实，灌浆体的抗压强度满足设计要求，通常灌浆的密实度采用取芯观察和压水压浆试验检查，灌浆强度采用芯样的抗压强度检查。要使灌浆达到质量要求，施工过程中，重点检查：豆砾石、水泥等原材料质量、豆砾石喷灌情况、水泥浆配料、灌浆压力、灌注量及串浆距离等。

3 施工常见的质量缺陷及处理

1）TBM开挖工序常出现的质量问题是洞轴线超过允许偏差造成不合格，即机头偏离。产生这个质量问题主要原因有地质原因，如前所述，由于遇到软弱的围岩，地基承载力小造成机头下沉，由于塌方地岩渣将护盾与围岩之间的空隙填满时机头无法调整方向。

2）管片安装工序常出现的质量问题有：

（1）管片安装接缝错台超标，一般引起接缝缝宽和错台超标的原因有：豆砾石回填不及时；地质恶劣；管片安装不规范。因此要想控制管片安装质量，首先要及时回填豆砾石，操作手要按照规定的动作安装管片，不要将管片安装得倾斜憋劲。遇到地质情况不好的洞段安装管片更要注意。

（2）管片破损，一般引起接缝缝宽和错台超标的原因有：使用单护盾模式进行掘进，使机头向前推进的力全部作用到管片上，将管片挤压破损；安装管片时磕碰导致破损。因此管片安装时一定要注意小心操作。破损部位修补见上节内容。

（3）管片裂缝。

3）回填灌浆工序常出现的质量问题主要是在特殊地质洞段的灌浆问题，在有外水洞段，由于外水的作用，容易将浆液稀释等，使灌浆不密实，强度低；在塌方严重的地方，由于塌落的岩块均位于顶管片或侧管片底部，将灌浆的空间占满，使豆砾石和水泥浆均无法灌注；遇到断层、溶洞等无法灌浆，因此在遇到特殊地质洞段要特殊灌浆处理。

4 展望及建议

正如上述，TBM掘进机施工工艺具有高度自动化，高施工效率的特点，因此采用常规施工的质量管理办法无法与TBM掘进机施工工艺相适应，要想适应TBM掘进机这种特殊施工工艺，质量管理也必须采用特殊的办法，因此笔者提出以下建议：

4.1 TBM掘进机施工质量管理建立“动态质量监控”的思路和办法

TBM掘进机施工质量管理必须采用“动态质量监控”，所谓“动态质量监控”，就是对连续的施工质量数据随时进行汇总统计分析，并对下一步的施工质量进行质量趋势，进行质量预测，根据质量预测随时进行现场调控，避免出现质量超标现象。如何实现“动态质量监控”，这是一个新课题，目前笔者正在研制“TBM掘进机施工质量管理软件”，尝试对工程质量进行信息化管理，使电脑自动进行质量分析，预测质量趋势，这样就能快速准确有效地进行质量控制，真正与TBM这种高科技施工相适应。

4.2 原材料检验必须采用快速检测的办法

由于TBM施工速度很快，因此必须连续不断地进行原材料供应，而目前我国相关规范对原材料的检验周期较长，不能适应TBM快速施工的要求，所以必须要建立原材料的快速检测办法。

4.3 TBM质量验收和资料整理宜按时间进行划分整理

目前我国对工程质量验收的划分（工程项目划分）是按工程的部位、工艺特点、工程造价进行考虑的，由于TBM施工连续和工艺的一致性的特点，现场所有的资料均是以班报进行建立，因此TBM的质量验收划分也因根据施工时段进行，可以采用一个月进行一次质量评定，若本月实际施工天数少于半月或者施工进尺远远小于平均进尺可以并入下月进行质量评定，所有工程资料也按月进行整理组卷。