敞开式全断面硬岩掘进机在长大隧洞快速掘进中的实践应用

袁木林，汪艳红

（1.吉林省水务投资集团有限公司，130000，长春；2.中国市政工程东北设计研究总院有限公司，130021，长春）

敞开式全断面硬岩掘进机是集机械设备、电子元件、液压装备、激光设施、控制措施等诸多技术于一身的工厂化流水线隧道施工设备，可实现隧道建设中同时进行开挖、 支护、出渣施工，且连续作业一次成型。 由于该设备施工具有自动化程度高、隧道施工速度快、对施工作业面和周边环境影响小、生产安全可控、对外界和受外界影响小等优点，可破解常规钻爆法施工不能完成的复杂地质条件下大埋深、长距离隧道的施工，目前在国内外隧道施工中得到广泛应用。本文以吉林省“中部引水工程”总干线施工四标段为例，对敞开式全断面硬岩掘进机在长大隧洞中快速掘进条件进行分析并提出相关建议。

一、工程概况

1.工程简况

吉林省中部城市引松供水工程是国务院确定的172 项节水供水重大水利工程之一（简称“中部引水工程”）。 工程总干线施工四标段位于吉林省吉林市岔路河至饮马河之间，线路长23 km， 采用1 台直径7.93 m 的敞开式全断面硬岩掘进机结合人工钻爆法施工，其中钻爆法采用装载机配合自卸汽车进行出渣，掘进机法采用连续皮带机进行出渣，运输采用无轨运输与有轨运输相结合的运输系统。 主体工程主要包括：隧洞出口钻爆法施工主洞424 m， 饮马河调压井58.298 m，TBM 掘进施工17.494 km；碱草甸子竖井33.9 m， 正洞处理浅埋不良地质段147 m；小河沿竖井43.94 m，水平通道12.86 m，正洞处理不良地质段284 m；#8 支洞1 192.2 m，正洞检修间及服务洞室共计450 m， 钻爆段1 371 m；#3 通风竖井53 m；#7 支洞518.1 m，拆卸间80 m，过岔路河段和大桩号段钻爆施工2 726 m。

2.工程设计和施工风险

（1）掘进设备施工段设计概况

TBM 施工段开挖断面为圆形，开挖成洞直径7.93 m。 采用锚喷支护作为初期支护，全圆现浇C25 钢筋混凝土二次衬砌， 其中66+350 m～66+647 m、68+204 m～69+359 m 段共计448 m采用C40 预应力混凝土衬砌。 衬砌净空（直径）根据不同围岩断面主要有6.51 m、6.8 m、7.07 m。

（2）掘进设备检修间

TBM 检修间全长80 m，起止桩号为61+9.8 m～60+929.8 m。

（3）掘进设备拆卸间

TBM 拆卸间全长80 m，起止桩号为51+610 m～51+690 m。 断面形式与TBM 检修间扩大洞室相同，围岩为Ⅱ类围岩，岩性为花岗岩。

3.设计水文地质和设备施工风险

整个隧洞穿越多条沟谷，隧洞埋深38～150 m，其中有7.6 km 灰岩岩溶段发育有溶蚀溶洞群及炭质板岩。 全段共有32 条断层， 最大影响宽度为200 m，其中Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等是阻水或导水断裂断层，位置恰处沟谷段，具有汇积水条件，不同程度的存在坍塌、涌水和涌泥突发地质灾害问题。 灰岩地层中存在溶隙、溶槽、溶洞群问题。 根据实际施工情况，TBM 掘进过程中发现大小溶洞共计52 处，最大溶洞长22 m，宽度大于8 m。掘进设备穿越不良地质段主要存在如下施工风险：

①在灰岩掘进中掘进设备穿越2处炭质板岩段，该段围岩软弱，基本无强度，且遇水岩石就容易泥化糊设备刀盘，堵刀孔，且顶拱常伴有塌腔和严重掉块，造成掘进机扭矩超过荷载无法掘进；渣料在转渣皮带上造成滑溜，无法顺利出渣，造成场地泥泞，隧洞底部软化，掘进设备主机头发生栽头等问题。

②掘进设备在灰岩掘进中，揭露并穿越断层破碎带32 处， 其中2 处影响较大，最大影响范围为200 m，且还有一处断层与炭质板岩叠加，该段顶拱坍塌严重，塌腔最深约6.5 m，现场支护困难，清渣量大。

③该标段7.6 km 灰岩洞段内局部洞段存在岩溶区，探明12 处溶洞，实际揭露52 处（最大溶洞长22 m，宽度大于8 m），这种条件下掘进时设备容易发生偏机、栽头、卡刀盘、涌泥掩埋盾体、涌水引起电器故障、收敛变形引起整机被卡等施工风险。

④该标段2016 年2 月29 日掘进时掌子面前方发生涌水、2016 年3月24 日发生突泥、2016 年5 月30 日发生涌水涌泥，致使支护工人在底部安装拱架困难、刀盘前方石渣随水流出、连续皮带系统打滑、掘进机行走及运输轨线淹没无法延伸，TBM 被迫停止掘进。

二、TBM 掘进情况

中部引水工程总干线四标段掘进机自2015 年5 月底始发掘进至标段隧洞掘进完成，有效掘进时间共计18.7 个月，累计掘进12 626.3 m。 施工中成功攻克了溶腔溶洞发育、围岩变化频繁、地层软硬不均、突泥涌水、高强度硬岩等不良地质难题，设备掘进保持了安全、稳定、连续、快速的势头，并取得了最高单班进尺40.4 m，最高单日进尺70.8 m， 最高单周进尺365 m， 最高单月进尺1 338 m 的较好成绩， 创造了当时国内首台具有自主知识产权的敞开式全断面硬岩掘进机月施工全国纪录。 同时，在国内没有灰岩岩溶地层设备施工经验可借鉴的情况下，项目严格落实精细管理、安全质量隐患排查的总体安排，按照“首件制+工序分析+成本分析”的工作思路，通过科学合理的施工组织，严格的现场问题反馈及处置机制， 完善的工序考核及工序衔接，积极的科研技术创新及成果总结，成功穿越了7.65 km 长的灰岩岩溶地层，实现了国内同条件施工的历史性突破。

三、敞开式全断面硬岩掘进机快速施工技术

1.深入研究地质条件，做好前期方案策划

中部引水总干四标段隧洞地质复杂，项目组织技术人员对地质情况进行分析，研究不良地质条件下掘进机施工技术的影响，编制了相关预案和施工专项方案。 同时研究确定掘进参数，既能保证掘进速度、又能实现安全掘进。

2.设备量身定制

设备招标前，针对工程的具体地质、施工特点，先后组织了两次掘进机设计联络会，确定了设备性能所必需的针对性设计及供应商的相关承诺。 建设单位和施工单位选派设备工程师与厂家对接， 并全程现场监督，确保设备设计和制造过程中适时优化及质量管控。

（1）监造做到有的放矢

监造方式：为满足掘进机相关核心设备的要求采用全球采购，针对厂家的监造需求，一方面对掘进机制造过程全面监控；另一方面对施工阶段相关人员进行前期有效的培训，增加对掘进机的认识。 监造前期，选派专业工程师进驻各制造厂，全程跟踪监控各关键部件的制造过程。

严格质量控制：工厂组装阶段对组装质量全程进行监控。 将监造组人员按照工程组装工序安排，分为白/夜班全程跟踪。 重点控制关键组装工序，如机头架与主轴承的装配、主轴承密封耐磨圈的装配等。

工厂调试阶段：整机调试分为空载调试和负载调试， 空载调试完成后在试掘进阶段进行负载调试。空载调试主要确保各环节满足现场作业要求。

监造阶段问题处理：监造过程中发现的问题，及时向制造方以正式函件的形式提出并按照实际施工要求进行针对性整改或改造。

通过两次设计联络会和组装监造，在主大梁和连接桥、主控系统、监控系统、有害气体监测系统、超前预报系统等方面进行了优化和改进，使其在中部引水工程地质条件下更具有掘进优势。

（2）设计具有针对性

超前地质预报搭载系统：针对前期为指导掘进机掘进，采用的超前地质预报措施均存在操作复杂、长时间停机等特点，本工程设备采用由山东大学自主研发并搭载在掘进机上激发极化超前预报系统，该系统可实现实时地质预报，预报距离为30～40 m。在刀盘和护盾上安装测量和供电电极，将供电电极系集成到掘进机的护盾上并沿环向布置，测量电极系集成在刀盘上，刀盘上通过开孔的方式安装测量电极系，掘进机施工时测量电极系收缩到刀盘的刀仓中。 采用2 条多芯电缆与供电和测量电极系连接，同时设计2 根单芯电缆连接电极B与N，探测仪器安装在掘进机主控室，电缆连接到主控室的仪器。 测量时，通过液压系统推出电极伸缩到掌子面实现激发极化超前探测。

掌子面刀盘上布置测量电极14个，护盾与边墙布置供电电极22 个，电极环分别与掌子面距离为2 m 与4 m。

支护能力: 设计增设了拱架撑紧系统，有效地解决了拱架不能紧贴岩面和出现坍塌、掉块时拱架安装不能到达设计位置等问题；设备在护盾后和主梁后配置了2 个支护作业区和2套支护系统，L1区域包含锚杆钻机、拱架安装系统和湿喷机，主要针对初露护盾围岩进行支护，同时湿喷系统用于紧急情况下及时喷混凝土支护，确保施工安全。 L2区域主要为锚杆钻机，用于满足锁脚锚杆及拱腰以下锚杆支护要求。 喷浆主要采用人工手持手柄遥控喷浆系统， 喷浆系统由20 m3/h 进口输送泵+行走大车+伸缩悬臂组成，有效解决了悬臂伸出长度过大导致的无法可靠伸缩问题。

快速施工:为满足长距离、快速施工对支护材料需求，在后配套位置配置加利福尼亚道岔，可实现2 列运输编组快速倒运及存放，满足快速掘进情况下支护工况的材料和半成品运输及多列机车运行会车需求。

材料吊运:由于设备桥空间有限，存放不了满足设备快速掘进施工而需求大量原材料储备的问题，故在该设备桥处增设了折臂吊机，使该设备的工作范围增大、效率提高，同时解决了支护材料不能快速吊运、影响生产的难题。

3.做好施工组织管理，确保工程进度

（1）进度指标确定

根据策划会、 施工组织设计、建设单位及施工单位总部下发的进度通用指标及类似工程的施工经验， 确定中部引水工程总干线施工四标段TBM进度指标并经实践统计验证调整。

②实践验证进度指标为工程掘进统计分析的内控进度指标，每月按25 天计算。

（2）资源配置

根据实施性施工组织设计及相关方案在“均衡生产”的原则下进行资源配置。

人员配置：TBM 掘进班组在试掘进期间（2015 年7 月8 日前）设掘进一班、 掘进二班进行12 小时两班制作业，试掘进后进行重组掘进三班实行12 小时三班制作业， 同时为确保设备掘进顺利进行，配套组建了综合班、维修养护班、换刀和整修班、机电班。 每一掘进班为其配置地质和土木值班工程师、掘进机主司机及机修工各1 名。 施工单位管理人员严格按照六部两室进行人员配置，掘进机工区设置经理1 人，副经理3 人分别带领三个掘进班进行掘进作业。

设备配置：除了掘进机施工常规配置的设备外，针对中部引水工程实际增加的机械设备有：①移动式喷浆车，利用2 台材料车配置两套喷浆车（喷浆机和料斗），以应对不良地质时提高喷浆效率； ②半自动网片焊接机，加快网片焊接速度，以确保大支护量情况下的网片供应；③增设软化水系统以减少冷却循环系统结垢，保持各个系统的冷却循环效果，以确保各个设备长期良性运转；④配料机加装滤网， 有效过滤了较大粒径的沙子，降低了湿喷堵管等。

材料配置：施工单位工程部按照月进度计划编制主材需用量计划，物资部进行采购，限量领料，月底进行盘库及召开成本分析会议，做到日清月结，查缺补漏。 同时按照工程所在地东北地域施工特点，重视并做好冬季储料工作。

（3）安全管控

安全理念：以“我要安全，我会安全、我能安全”的安全管理理念在工程项目部深入人心， 只有确保安全，工程确定的高进度和快速施工目标才会有保障。

班前讲话：项目部非常注重TBM施工人员的班前讲话，宣贯内容包括安全、质量及相关技术参数等方面的注意事项。 班前讲话极大地提高了员工的安全、质量意识。 同时积极开展技术培训工作，在围岩岩性、支护参数发生变化以及即将过断层破碎带、裂隙较发育、溶蚀现象严重等不良地质段时，及时组织相关参建单位和人员进行技术培训、相互交流，极大增强了参建人员的责任心。

安全检查：项目建立了安全生产管理机构， 制定安全生产责任制，开展安全管理活动， 并进行监督检查，形成从机构、制度、管理和监督上涵盖施工生产全过程的安全生产保证体系，以实现安全生产管理目标。 还采取加强安全教育、增加安全防护投入及保障、加大安全重大检查及日常例行巡检等措施，加强安全的系统管理。 项目针对特种作业人员、机械设备操作人员等进行专项安全教育培训。 各班组每日在生产副经理、班组长的组织下进行早点名、班前安全讲评；各部室、班组每周开展周安全学习活动。

4.做好技术服务与制定激励机制

（1）系统管理，集中决策

中部引水工程项目管理力推“系统管理，集中决策”的管理理念，实现项目六部两室的高效运转和提高工作效率， 对于重大事项集中决策，规避项目管理风险。 熟练掌握掘进施工流程， 并宣讲给每一位施工人员，充分应用和落实项目应急反馈处置机制及掘进工序报告，实现TBM 掘进中信息的准确性、及时性，不浪费一分一秒，为快速施工赢得更多时间。

（2）激励机制

按工程和施工单位文件规定，制定了月度考核、 日进度超产奖励，专题会节点奖等行之有效的考核办法，极大地提高了员工的积极性。

5.加强掘进机设备及配套系统管理

使用敞开式全断面硬岩掘进机施工属于综合集成化和机械化系统施工，仅从掘进机整机本身看，除设备主控操作外，相关附属配套设备种类繁多，需各附属设备同时配合作业方能促成掘进机使用功效和目的发挥出来。 因此，做好掘进机及配套系统的综合管理，使其设备能正常高效地操作运用，是充分发挥掘进机系统有效利用率和快速施工的关键所在。重点应强化以下方面的管控：①严格按设备养护要求常态化地对设备进行保养；②严格按操作规程对设备进行技术管控；③结合工程特点充分发挥通信及实时监控系统功能；④根据工程的实际情况，适时调整和优化相关预案和方案等；⑤充分发挥各参建单位及内设部门和班组优势，畅通协调机制。

6.增强项目团队的凝聚力和向心力

健全、 高效的项目管理团队和活跃、积极向上的团队文化是工程实现快速施工的主动力，项目通过凸显“家”文化、“和”文化凝练团队的向心力。

四、建 议

一是对设备掘进段的地质水文条件勘察要做细做准，掘进施工前要深入了解地质情况， 并编制具有可操作性的相关预案和各项专项施工方案，为掘进机的快速施工提供保障；二是敞开式全断面硬岩掘进机的设计及配套设备必须和地质条件有良好的适应性；三是要有完善的施工组织和管理方法；四是建立有效的激励机制和打造有凝聚力和向心力的团队。