深埋长隧道TBM施工技术要点探讨

李树元

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001）

0 引言

全断面掘进机是集机械、电气、液压、光学、气体等系统为一体，集开挖、支护、清渣等施工工序于一体的隧道掘进施工设备，具有挖掘速度快、环保、综合优势高等优点，可实现传统钻爆方法难以实现的复杂地形条件下深长隧道的施工，广泛应用于水利、水电等领域以及交通、矿山、市政工程等隧道工程。在隧道工程中，常被分为硬岩TBM和软土TBM，岩石掘进机的优点在于该掘进机一般用于在稳定性好、埋藏厚度适中、平均强度高的岩层中开挖长隧道，这种挖掘机需要解决的根本问题是如何破碎岩石，保持挖掘机高效稳定的运行。而软土隧道掘进机一般用于在地下水位以下、压力有限的大部分均质软土层中挖掘长度有限的隧道，这种机器的根本问题是面临空洞、开挖面的稳定性不足和城市地表的沉降等问题[1]。

目前我国有两种全断面掘进机：岩石掘进机和盾构机，TBM是一种适用于开挖坚硬岩石的隧道掘进机，盾构机是一种适用于软岩和软土地基的掘进机，当然也存在应用于硬岩的复合盾构。硬岩TBM可分为敞开式TBM、双盾构TBM和单盾构TBM，硬岩TBM替代了传统的钻爆法，适用于山区隧道硬岩开挖，同等条件下，开挖速度比常规钻爆法快4～10倍，最佳日长度可达150m。具有速度快、质量好、安全经济等优点，有利于环保和劳动保护，尤其是高效率、高速度，更是可以让项目提前完成，提前创造价值，这对中国的现代化建设非常重要。软岩隧道掘进机适用于软岩隧道施工，它是城市地铁建设中速度快、质量好、安全性能高的先进技术，盾构机修建的断面隧道对地块影响小，不影响地面建筑物和交通，减少了对地表和地下室的大量拆除[2]。这两类设备的技术开发和应用在我国地下工程领域具有广阔的前景。

1 TBM掘进法施工概述

TBM法是挖掘隧道、廊道等地下空间的方法，简而言之，TBM法使用专用的大型切割设备对岩石进行剪切、挤压和破碎，然后通过相应的输送设备输送砾石，分为全断面TBM开挖施工、单臂钻机开挖施工、天井钻机开挖施工和盾构TBM开挖法。其中隧道掘进机是全断面隧道开挖的专用设备，它利用工具在大直径转盘上的挤压和滚动来破碎岩石，美国罗宾斯公司于1952年开始生产第一台钻孔机。1970年以后，挖掘机发展迅速，开挖直径为1.8～11.5m，在中硬岩中，开挖80～100m3的大断面隧道，平均开挖速度为350～400m/月，作为美国芝加哥健康管理区的隧道和水库项目的一部分，一条直径9.8m的隧道已通过石灰岩挖出，月挖深度可达750m，著名的OSSO头隧道的直径为3.09m，页岩开挖量可达每月2088m。与爆破法相比，隧道掘进机具有挖掘速度快、人力少、施工安全、地表平整、成本低等优点，但也因为机身巨大，运输不便等缺陷令其只能用于开挖长隧道，不能调整机器直径，因此对地质条件和岩性变化的适应性低，用途有限。

2 施工技术

2.1 TBM施工选线技术

露天TBM采用破碎岩石机械开挖，隧道周围岩石扰动范围为2.0～3.0m，结合工程地质条件，TBM施工段线路埋深确定为：该段尽可能位于稳定岩层中，完整岩层埋深（平均风化线）一般不小于1D（D为开挖直径），特殊情况不小于0.5D，但必须采取内外加固措施隧道的表面。局部地表回填较厚，可适当增加靠近结构的部分埋深。TBM施工段线路尽量沿城市主干道铺设，尽量避开既有建筑物（构筑物）、桩基和规划建设项目。线路平面应尽量平直，最小弯曲半径R≥300m，并应采用较大的弯曲半径，以满足TBM施工线路合理埋深的要求[3]。

2.2 贯通测量

贯通测量有利于开挖过程中的线偏修正，特别是在长而硬的岩石隧道中。在TBM隧道掘进勘查中需要注意的是，隧道内控制勘测的精度水平要高于掘进误差预测所确定的精度水平，随着隧道开挖的延长，隧道内导体的边长应适当加长，以减少对中误差、瞄准误差和测距误差对引导精度的影响。另外，TBM、后视棱镜、测站（制导系统中全站仪的镜面设置点）的实际位置经常需要通过仪器探测等手段进行检测，以保证输入数据的准确性。以及制导系统测量的数据，进出口两台TBM相对时，应定期进行隧道内控制测量的接触测量，以保证隧道的顺利连接，后视棱镜的位置应选择在可靠、安全、方便的地方，并采用精密测量法测量其三维坐标，随着隧道掘进，应根据激光制导系统的要求及时前行，两个前视棱镜的位置与TBM的轴线形成固定的相对位置关系。需要经常检查棱镜的位置是否牢固，以免因振动引起棱镜松动，为避免相邻棱镜反射光束造成的测量误差，棱镜配备专用伺服电机，在软件的控制下，可交替挡开棱镜（全站仪对准一个棱镜时，自动棱镜开，另一棱镜自动挡，反之亦然），确保每个棱镜都能被挡住。随时独立准确测量，在开挖过程中，注意检查它们的交替屏蔽和打开顺序是否正常，测斜仪自动监测TBM掘进姿态，其安装位置与TBM本体形成固定的相对位置关系，经常检查安装是否牢固，确保位置关系正确，密切观察控制台上的工控机屏幕，监测隧道开挖实际中心线位置与设计中心线位置的关系（包括纵断面和水平面的位置偏差、刀盘开挖位置等），并及时调整开挖偏差。如发现突然异常，应停止开挖，查明异常原因，排除故障，确保开挖方向准确。

2.3 TBM施工支护技术

敞开式TBM施工区间采用圆形衬砌断面，隧道开挖直径即初期支护外轮廓直径D=6.36m。敞开式TBM施工支护形式按照新奥法理论设计，初期支护采用喷、锚、网联合支护，必要时采用钢架加强支护，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土。根据地层及设备情况，钢架间距一般取0.75m/榀、1.5m/榀或两者交错布置。局部围岩较差段可人工加密增设。当遇局部浅埋、表层厚填土及临近建构筑物等特殊地段时，可采用洞内超前支护、地表注浆或其他加固措施，确保TBM施工安全。

2.4 刀盘磨损

刀盘是硬岩掘进机的关键部件之一，是破岩的直接执行机械部件。隧道硬段岩石非常坚硬，岩石最大单轴抗压强度为296.5MPa，工具磨损严重，检查更换工具频繁，TBM推进速度为非常低。正常情况下，平均刀盘推进速度为60～110mm/min，而该段隧道刀盘推进速度为2～30mm/min，大大降低了行车效率，为提高驱动效率，减少刀盘磨损，采取了以下措施。①在密集节理区采用浇注加固围岩，结合施工现场实际情况，采用新型聚氨酯化学浆料浇筑刀盘前围岩未开挖，固化围岩，每期可以加强1.5～3m，效果可以达到理想程度。②合理的开挖参数选择是因为TBM在强节理区开挖时，为了减少刀盘对围岩的扰动和刀盘前部岩石对刀盘的影响，破岩工具、TBM参数应合理选择，结合开挖过程中的实际TBM数据和围岩情况，低速、小推力、低扭矩的刀盘（转速约2.7r/min，推力6～12MPa，扭矩不超过额定扭矩的50%）为选择。此外在掘进过程中，TBM主工可以用5MPa左右的压力推动上盾体和盾体侧筒，保持盾体和隧道壁的浮动支撑，大大降低了振动和峰值扭矩，减少对刀具的冲击力，减少刀具的异常损坏，弱爆破刀盘前塌落的岩石，应根据刀盘前场地的围岩情况进行弱爆破或人工清理，以减少或避免大石块对刀盘和隔板的破坏，对刀盘前岩石进行爆破时，应采用低爆破控制载荷，保护刀盘工具，防止爆破时飞石损坏刀盘工具。③保护和改进切削工具———刀盘，为提高刮渣机整体强度，避免刮板过早失效，结合围岩实际情况，刮板可采用40mm耐磨钢板制成，提高抗岩石冲击能力，同时，为了提高刮板的抗岩石冲击能力，采用30mm耐磨钢板对刮板座进行修复，为提高刮刀座强度，刮刀座架板采用40mm耐磨钢板加固，用30mm耐磨钢板修补加固刀盘，提高刀盘强度；使用40mm耐磨钢板切割电弧防护罩并加固孔防护罩，以保护孔和面板免受损坏，当切削孔发现裂纹时，应及时进行焊接，以防止裂纹进一步扩散，影响刀具和刀盘的应力结构[4]。

3 隧道进口段TBM掘进法施工技术

3.1 隧道掘进机开挖原则

开挖采用阶梯法，运输采用无轨运输。初期支护应及时封闭开挖面，并做好隧道的监测和测量工作，根据监测结果，及时调整防水涂料的配套参数和施工时间。整个隧道断层破裂带的隧道入口和平交处浅埋应按照短程开挖、低爆破（虽然采用隧道掘进机开挖，但局部爆破不可避免）的原则。图1为单护盾的复合式TBM施工工法流程。

图1 单护盾的复合式TBM施工工法流程

3.2 洞口段开挖

这需要将隧道开挖过程中采用分层开挖，施工机械以大功率挖掘机为主，使用装载机和推土机平整和压实入口场地，对坚硬的岩层进行钻孔爆破时，应使用自卸车将岩石倾倒到指定的挖方区或填方区。隧道入口周围的岩石是一块松散的巨石区域，为保证洞口周围岩石的稳定性，采用阶梯式开挖法：第一步将土方开挖至开挖线的形状，并保留基土，在基土平台上搭建大管棚，用于前向支撑；第二阶段包括在高级支护完成后挖掘中央地面和主隧道，船首前壁和洞口的涂层应先修补，及时补水层，该段施工避开雨季并遵循“短进尺，弱爆破，快封闭，强支撑”的施工原则。图2为洞口开挖流程。

图2 洞口开挖掘流程

3.3 边仰坡施工

进洞前，首先完成洞顶排水沟、洞外截水沟，以便预计引离地表水。然后，自上而下进行边仰坡开挖，严禁掏底取土或使用大量爆破，施工中尽量减少对原岩层的扰动，最后，按设计坡度对边仰坡一次修整到位，并分层进行边坡防护，以防岩土风化，雨水渗透而坍塌。在隧道洞口边，仰坡采用锚喷防护，坡面修整好后按设计要求成孔，成孔后及时将锚杆送入孔中。使用水泥砂浆注浆，水泥砂浆强度不低于20MPa，其配合比要符合设计要求。注浆时先高速低压从孔底注浆，当水泥砂浆从孔口溢出后，再低速高压从孔口注浆，注浆压力为0.4MPa。为增加浆液的和易性和水泥砂浆的早期强度，在浆液中掺入适量的减水剂和早强剂。同时在编钢筋网时，依托锚杆头挂焊φ6钢筋网，逐点焊牢，同时边敲击筋条贴合岩面凹凸起伏（间距不大于3cm），保持平顺，特别凹陷处应增加挂网锚杆固定。喷射小石子混凝土前对岩面应先喷水湿润，以免混凝土层成壳脱落，在网片生锈前及时从上向下喷射。喷射小石子混凝土的配合比、外加剂掺量、气压、水量、喷距、每次喷厚、层次等应经现场工艺试验确定[5]。

4 结语

因TBM系统庞大复杂，系统性强，不同机型、不同地质条件下的TBM施工都有其特殊性，都会因各种原因在众多环节上影响生产效率。从设备到场前期准备开始着手，周密安排，统筹规划，密切关注生产环节的衔接，注重对各种数据的统计分析，是提高TBM生产管理水平进而提升实际施工效率的有效途径。