TBM施工组织管理关键技术的应用

□韩　旭（辽宁西北供水有限责任公司）



TBM施工组织管理关键技术的应用

□韩旭（辽宁西北供水有限责任公司）

摘要：TBM，即全断面岩石掘进机，是工厂化地下连续施工设备，具有结构复杂、技术性强、体积大以及长时间且连续施工等特点，它不仅已经成为隧道施工中不可缺少的装备，还可以在一定程度上完成传统钻爆方式不能够进行有效施工的工程，因此其发展前景是不可估量的。而在水利工程的施工过程中，我们采用了48.26 cm大直径滚刀、在TBM转场控制了关键工序、在快速遏制围岩收敛变形等方面都进行了有益的尝试和探讨，并取得了好的效果。文章对现阶段TBM施工组织管理过程中所使用的关键性技术进行分析和探究，并在此基础上对TBM的实际应用进行讨论，希望能够对隧道施工水平的提升提供参考。

关键词：大直径掘进；转场；措施

0引言

大伙房水库在辽宁省境内，该输水工程不仅是其省内的重点工程之一，同时也是TBM技术在水利工程中实际应用的实例，辽宁西北供水公司承担了19 km的施工任务，工程是利用隧道出口做为TBM的始发掘进，在16#支洞出洞并进行转场整备，并完成后续9 km的掘进任务。下面就对TBM施工组织管理过程中的关键技术进行分析。

1在工程施工期间使用大直径滚刀的实际掘进成效分析

1.1端面密封有更大的截面直径，允许更大的偏差

在56.67 cm滚刀截面直径（6.35 mm），允许轴度偏差较小。分析显示，当滚刀受到严重冲击载荷，刀轴的偏差导致同轴度偏差超出密封所允许范围，从而导致外来杂质进入。采用硅胶密封圈的48.26 cm刀具解决了这些问题。相比以前的安装系统，全新的楔块锁定刀具安装系统在可靠性上提供了一个更为广阔的改进，使得刀座的使用时间也有了一定的提升。在48.26 cm滚刀使用后，证明在开挖硬岩和复合岩层上这是一个明智的选择。

1.2施工掘进速度的有效提升，能够在一定程度上减少停工时间

48.26cm刀具的刀圈已被多次证明是限制进一步改良刀具的部件。近来随着刀具技术领域的进步，降低刀具总价格的同时也增加了生产量。一直以来随着特种合金和冶金工艺的改进，让今天的重型（HD）和超重型（XHD）刀圈的硬度、耐磨性能和最重要的韧性都得到了提高。

2 TBM整备工作

通过对TBM整备工作分析后可知，整备工作中主要包含下场拆卸、整修处理等。其中下场拆卸中囊括了制定拆卸方案、对拆卸洞室和衬砌进行开挖以及安装相应设备等具体工作；而整修处理包含了对施工方案的拟定、阶段工作处理等实际工作内容。

2.1下场拆卸的实施

通常情况下都是按照从上到下、由外到内的顺序来拆卸TBM，最先拆卸的是液压和电气部分，然后是机械系统和主机以及连接桥部分，最后再拆卸各配套系统，配套系统可以同时进行拆卸。在对配套设备进行拆卸以前，必须要做好相应的准备工作，保证其可以进行顺利拆卸。

2.1.1制定拆卸方案

制定拆卸方案时，需要在制定好有关大件拆卸方案的同时确定运输顺序、明确包装和存放方面的要求，进而安排好用车计划，并预先设计好可能用到的各种表格，以及保证工作安全与质量的措施和针对重大安全事故的应急预案。

2.1.2对拆卸洞室和衬砌进行开挖并安装相应设备

一般都选择在洞内进行TBM主机的拆卸工作，所以，将TBM运输至临近里程范围时需要选取一围岩性质好的地段，然后按照事先制定好的拆卸洞室施工方案开展洞室的开挖工作，之后为防止围岩出现变形或坍塌问题还要做好衬砌。

2.2整修工作的实施

2.2.1整修方案的拟定

第一步，针对TBM整修项目建立专门的项目部作为领导机构和决策机构，同时组建一个TBM整修专家小组负责把关，以使整修质量得到有效保障。第二步，从整修技术方面着手，在对其进行拆卸以前，就要对设备的实际状态以及拆卸以后的结果进行相应的分析，同时还要将维修方案以及各分项进行确定，进而编制出科学、有效的整修进度横道图。

2.2.2整修阶段

首先，要选取专业水平高的厂家来负责相应项目的整修，只有在和相应部门签订合同以后，才能进行相应的整修。其次，在整修过程中要结合相关科研成果和以往的施工经验不断对技术进行革新，以求在保证质量的基础上改进和提升系统，并尽量向着国产化方向迈进，将后续的施工成本降下来，例如，对除尘风机进行优化和改进，提升废水循环使用的成效等。同时，对于已经具备预组装和测试条件的要进行相应的预组装和测试来检测其性能参数和功能，即整修质量的验收，比如油缸、阀站和一些独立设备。

3控制围岩发生变形的策略

3.1 TBM在破碎围岩中相应参数变化的实际规律

对于TBM的推进速度而言，当其处于软岩的工作环境中时，该设备的实际推动速度在5 ～7 mm/rpm左右，而在TBM进入到相应软弱过渡段时，设备的推进速度就会出现一定的上升，但是上升幅度相对不大，这时就需要对胶带输送机实际出碴质量以及能力进行充分考虑，通常情况下禁止在施工操作中进行长时间的贯入，并且在推进速度逐渐下降时也要减少相应的贯入度。在TBM全部进入到软弱围岩环境中以后，相应的贯入度要保证在3.50 mm/rpm左右，这一掘进速度能够保证TBM工作的稳定性。

对于TBM实际推进压力而言，当TBM进入到硬岩区域内进行掘进作业时，必须要将其推进速度有效控制在其额定速度的3/4左右，而实际推进压力要保证在150 ～180 Bar之间；当TBM在软弱围岩过渡段开展作业时，其推进压力有所下降，变化情况可以用反抛物线来表示，在过渡段长度不断增加的同时，推进压力的下降时间会随之增长，推进速度也会在推进压力不断减小的过程逐渐减慢；当TBM工作环境完全属于软弱围岩地带时，推进压力要保持在50～70 Bar范围内的相对稳定状态，推进速度则约为额定速度的40%。

3.2 TBM在对软弱破碎围岩进行掘进期间，产生坍滑、坍塌、形态等方面的原因分析

3.2.1发生于工作面前方的坍滑、坍塌现象

图1　掌子面前方坍塌示意图

通过对图1观察可知，在TBM刀盘正前方，直径为8.80m左右的范围内会出现一定的坍滑以及坍塌等现象。究其根本原因就是因为设备刀盘前方的围岩发生破碎，使得围岩的稳定性丧失，进而出现围岩大面积松动，导致岩层剥落以及坍塌等问题，进而对设备掘进造成严重的影响。

3.2.2在TBM上部以及正前方出现的坍滑及坍塌现象

由于该设备刀盘的前部上方位置呈现出相应的弧状，极为容易引起岩石发生掉落的现象，进而引发一定安全隐患。如果在设备前方出现坍滑以及坍塌等情况，就会使围岩形成一定的坡度，从而使坍滑及坍塌区域逐渐变大，超过8.80 m的范围，如图2所示。

图2　刀盘前上方坍塌示意图

而导致这一现象的根本原因就是，当设备刀盘前上方以及刀盘前部的围岩发生破碎以后，使得围岩稳定性不足，进而出现松动和下沉等现象，使得掌子面发生坍塌，再加之刀盘前上方的岩石稳定性的欠缺，使上方的岩层随时会发生掉落，导致上方区域内的塌腔不断扩大，进而使TBM掘进受到影响。

而这种类型的坍滑及坍塌现象主要在以下几个方面体现出来，TBM刀盘顶部的护盾上方有岩石塌落，对刀盘顶护盾产生一定作用力，或是当刀盘顶部护盾成半锅底状时，就会非常容易引发岩石掉落的现象，进而导致坍塌情况出现，如图3所示。

图3　刀盘前上方坍塌示意图

对其产生原因进行分析：就是由于TBM刀盘护盾上方的围岩出现裂缝使得周围围岩产生一定的塑性。而在设备开始进行掘进时，其岩层状态相对稳定，但是在切削工作完成以后，刀盘的实际位置正处于护盾的正上方，这时围岩就会受到相应应力的实际影响而出现一定的变形，进而使其稳定性在护盾的振动下失效，出现松动、脱落现象。

3.3预防TBM施工期间发生围岩塌滑及坍塌现象的有效措施

3.3.1针对围岩破碎地段的处理措施

针对部分破碎围岩区域来说，不仅要充分利用设备上方的防护栅，还可将挂有双层钢筋网的Φ22 mm砂浆锚杆安装在隧道顶部120°范围内，进而有效提升围岩稳定性水平，实现使用超前保护围岩稳定的目的。

而在围岩破碎带的实际宽度相对较大时，需要制作一组长18 m间距为30 cm的管棚，钢管的直径要保证在40 mm左右，进而使其能够在拱度为120°内的区域中形成相应的支护区，并且要保证该支护区的稳定。同时还要保证拱架的搭设和掘进同时进行。当掘进大约8 m时开始制作下一组管棚，将前后两组管棚的搭接宽度控制在6 ～8 m范围内，管棚的制作和支护要保证TBM完成破碎带的掘进以后才能够停止。

例如，桃花铺工程中的1号隧道，其建筑桩从IDK197+147 到IDK197+156，这一施工段就处在断层破碎带内，由于受到此破碎带的实际影响，所以，在TBM开展作业时会引起比较严重的坍塌现象，此时可利用施工超前管棚来解决，确保TBM能够顺利通过软弱破碎地段。

3.3.2针对拱顶部位的坍塌处理措施

当对岩石进行开挖以后，就会出现岩层塌落的碎块，掉落在刀盘的护盾上，而这时就可以将直径为22 mm的锚杆与面积为100 cm2的钢筋网焊接成相应的整体后，再喷射混凝土。

在进行掘进期间，一旦在刀盘以及护盾处出现坍塌时就要对其进行有效的处理，实际操作步骤是，首先，要先将设备停止运行，然后将护盾上方的石块清理干净，而后对其进行超前喷护，并且搭设钢拱架，使用相应的钢管进行连接，进而达到封腔的目的。其次，在刀盘前进期间还要不断进行钢架架设以及钢管的封堵工作，同时使用C20混凝土进行回填，从而保证塌腔能够与其周围的岩体构成相应的整体。

3.3.3针对拱墙区域内的坍塌有效处理措施

对于小范围、短距离的软弱地段来说，由于其自身外机架支撑面积小，所以，锁死部分撑靴就能够保证其顺利通过。同时，也正因为此状态下的外机架支撑面积小，故需要相应地对掘进参数进行适当调整。

在拱墙处发生较大面积的坍塌时，TBM不能承受相应的挤压力，直接影响使用质量问题，这时就一定要暂停设备对其进行有效处理，具体措施为：要充分使用支护方式来对危石进行清理，然后应用混凝土对塌腔进行喷射，厚度要保证在8 cm左右。这时要设置相应的钢拱架，使用厚度为2 cm左右的钢板来对塌腔进行有效处理，用棉纱堵住相应的漏洞，使用强度为20的混凝土进行回填，保证塌腔与周围围岩构成一个整体，并且还要在钢板外部再喷射一层混凝土，确保混凝土强度达到预期标准时再进行掘进施工。同时还要保证相应环节处理效果符合工程施工标准，进而为后续工作的顺利进行打下基础，提升工程整体质量。

4结论

通过该工程的大胆尝试和有益探讨，在大直径滚刀的应用、TBM转场整备工作、采取有效措施遏制围岩收敛变形等方面均取得了很好的效果。通过对工程实践总结相应的数据、完善设计方案，进而为以后水电工程的建设提供相应的参考。

参考文献

［1］戴润军，杨永强.西秦岭隧道连续皮带机出碴下的同步衬砌施工组织管理［J］.隧道建设.2011（04）.

［2］周云晴.输水隧洞TBM施工进度分析与实时控制研究［D］.天津大学，2008.

（责任编辑：左英勇刘长垠）

中图分类号：TU72

文献标识码：B

文章编号：1673-8853（2016）05-0049-03

收稿日期：2016-04-20