基于超长隧洞TBM施工技术分析——以榕江关埠引水工程为例

魏宇航

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 510000）

TBM施工技术，即全断面隧道掘进机技术的简称，因其主要用于坚硬的岩层体施工，相较于软土使用的盾构机而言，TBM的寿命和可靠性要求更高，是当之无愧的“掘进机”之王。它能够实现隧洞掘进、隧洞支护、洞内出渣等工序连续进行，实现电、气、光、机、液等系统集成的工厂化流水线隧洞施工装备，因此TBM具有能够明显的提高综合效益、提高施工效率、掘进速度快等优点。传统的钻爆法无法进行超长隧洞掘进，TBM施工技术有着不可替代的作用。

1 TBM工程施工条件

榕江关埠引水工程位于广东省粤东地区，工程输水线路总长34.970 km，根据现场勘察，引水管段位于榕江南河右岸冲积平原，为冲积平原地貌，沿线分布较厚的第四系海陆交互相堆积地层，地层组成成分主要为淤泥、淤泥质粘土及冲积细砂、粗砂，根据勘探和试验资料整理成果，本工程粘性土层粘土土质均匀，层位基本稳定，厚度大，分布广，为可塑状，地基承载力相对较大，属中高压缩性土，不存在软土震陷、触变等问题，可作荷载不太大建筑物天然地基持力层，是引水隧洞的主要持力层，适合TBM施工，需注意软土稳定性差及流砂的问题。根据合同要求，本工程工期紧、任务重，因此必须选择有助于加快施工进度的方法，而TBM施工能够最大程度地保证施工的连续性，对缩短工期有很大帮助。

2 TBM掘进参数选择依据

TBM选型主要依据设计文件及地质勘探文件，机械设备的选择要满足适用性、可靠性、先进性、经济性的要求：

（1）能适应于本工程所处泥质胶结的淤泥层、粘土、中粗砂等地层，推进时将地层损失率控制到极小程度，以保证沿线邻近建构筑物及公用设施不受损坏；

（2）能适应本工程小转弯半径（250 m）盾构施工要求；

（3）控制地表沉降，在一般情况下，宜控制在+10～-30 mm；

（4）要求施工每延米综合价格经济合理，其配置满足工期要求。

3 TBM施工技术

3.1 TBM掘进参数在坚硬围岩层中的优化匹配

（1）在TBM设计阶段，结合本工程的隧洞所在岩土层的强度、隧洞断面和花岗岩的坚硬情况，对本工程所用TBM技术中刀具的安装与布置、道间距、开口率等设计参数进行研究，同时参考以往类似工程经验，确定最优掘进参数，提高掘进效率。

（2）考虑到本工程花岗岩隧洞强度高、完整性好，根据该地质条件特点，拟选择48.26 cm大直径盘形滚刀，配备强度高、韧性高、耐磨性好、不易崩裂的刀圈，从而减少倒库的消耗，提高刀具的使用寿命，减少TBM机械停歇时间，保证工序衔接，保证掘进速度。

（3）考虑TBM工作土层为高强度、高坚硬的花岗岩土层，对于刀具的磨损大，刀具需要更高的更换频率，因此项目部建立专门的刀具更换小组，负责TBM刀具的维修、更换和技术处理。且建立“各刀位上刀具的档案库”，针对不同材质刀具的试用情况进行记录和总结，归纳刀具的损耗规律，为项目确定最佳刀具，以保证工程的掘进速度。

（4）根据工程地质特点，在正式掘进前，应进行试掘进，通过试掘进确定本工程的TBM推力、刀盘转速、贯入度等，确定最优掘进参数。在正式的掘进过程中，应根据掘进过程实时监督TBM推力、贯入度等变化，根据地址条件的改变及时调整掘进参数，保证工程的最优掘进速度，减少对刀具的磨损。

3.2 TBM穿越断层破碎带等不良地质洞段施工技术

（1）TBM在不同种类的围岩体中、断层破碎带等不良地质段进行掘进时，应尽可能减少对围岩的扰动，可以优先采用微扰动掘进方式，合理的降低TBM推力、刀盘转速、贯入度等参数，保证TBM能够匀速通过不良地质洞段，减少或者避免围岩的坍塌，避免TBM在不良地质洞段的间歇时间。同时考虑TBM在通过断层地质段无法提供充足的掘进力，因此推力只能由顶推油缸提供，而且拼装管片时是不能同时进行掘进作业的，所以，项目部要考虑在管片拼装作业上增加人员与技术投入，保证管片拼装速度，减少对TBM的掘进间歇时间，以保证工程按期完成。

（2）在正式掘进过程中，应做好超前地质预报，可利用地质勘察资料、岩土形状变化和掘进参数，结合TBM上自有的超前钻机和实时地质勘探系统，在掘进过程中做到地质超前预报，及时调整掘进参数，做好预防工作。

（3）根据本工程前期地质勘探情况，本工程掘进过程中，存在软弱破碎段、涌水洞段以及TBM难以直接正常掘进地段，对于此段工程，考虑采取导管超前注浆施工技术，提前对该地段地质进行加固处理，待土层强度达到能够保证TBM正常掘进而不引起土层塌陷时，方可正常掘进通过。

（4）在进行TBM设计时，应结合本工程特点和地质条件，对不良地质条件的影响进行充分考虑，提前配备足够的备用资源和技术储备，保证在不良地质情况下能够迅速采取措施，有效保证TBM迅速脱困。对于刀盘或者护盾的卡顿，可以进入刀盘内部清理卡顿物体，当卡的比较严重时，可由护盾后侧采取人工挖除的方式帮助TBM脱困。

（5）因TBM属于地下作业，因此要考虑地下水影响，对于突涌水和渗水的影响，要考虑有效的排水措施，TBM要有可靠的排水设备。优先考虑利用隧洞集水外排，同时在洞内布置排水管和排水设备，保证TBM不受地下水的影响导致停机。

3.3 关于TBM施工始发基坑布置与施工运输的优化

（1）对于TBM始发基坑的布置，首先要满足功能要求，包括：满足现场施工，现场施工需要用到的材料，如水泥罐、豆砾石料仓、管片堆放场等的布置；满足起重吊装设备最大限度地与施工工艺（TBM分节始发）相对应，当场地有限时，可根据施工工艺的前后顺序，进行适当调整，提前做好相关规划，要求使用方便、高效施工。

（2）考虑施工现场用电布置，如：变压器的设置、高压线的引入、多级配电柜布置等，入场变压器要在高压线进入施工现场处，二级配电箱要设置在用电设备集中处，开关箱的设置要根据机械设备的使用情况而定。

（3）对于TBM的始发基坑内组装和基坑布置应进行综合考虑，首先要考虑TBM在基坑内的组装速度，还要考虑TBM在运行期间作业的高效性。基坑内部的集水井、管片吊装系统、皮带机主驱动、石料上料系统等可适当扩挖基坑。

（4）始发基坑的施工应作为关键工作考虑，在始发基坑施工前，也能够结合工期综合考虑，尽快完成始发基坑的施工，在基坑完成后，及时进行TBM机组组装调试。

（5）因TBM机组在现场组装，但是机组各部件到现场的时间有所不同，因此要对TBM机组的组装顺序和部件的运输顺序进行考虑，将组装与运输同步进行，节省TBM机组的组装时间。TBM及其配套系统在始发基坑进洞进行调试时，同时做皮带机组、轨道系统、通风系统的安装。

（6）考虑隧洞的洞径较小，洞内空间较小，洞内的施工布置不能灵活设置，因此要提前对洞内的施工布置进行优化，TBM出渣用的皮带机可采用悬挂的方式进行布置，充分利用隧洞下方的空间，为了使洞内的双轨线和单轨线的布置都能得到满足，可在隧洞的中间部位设置错车平台，TBM施工的通风管道可布置在隧洞的顶部。如图1所示。

图1 TBM施工的通风管道布置

（7）TBM始发基坑内布设双轨线、多轨线，中间采用岔道连接，通过运输小车，满足管片、豆砾石、水泥等材料的运输。主隧洞采用单轨线布置，在靠近TBM设备尾部段设置双线错车道会车平台，尽可能避免轨道运输TBM掘进的影响。

（8）考虑到TBM属于地下作业，地下排水和地下出土，距离随着掘进距离的增长而增长，因此要在中间设置多处集水井和抽水泵，抽水泵的功率大小随隧洞的长度及渗水量进行调整设置，保证地下水能够及时有效排至洞外集水井。

3.4 TBM及配套设备的寿命保证

（1）TBM能够正常运作的关键是TBM刀盘刀具、主轴承，因此保证其寿命和可靠性必须重点考虑。首先做好刀盘的审查工作，优化刀盘强度、刚度及耐磨性设计，对刀盘焊接、制造工作加以监督，做好施工过程中的刀盘刀具的检查与维护工作。

（2）在TBM掘进过程中，项目部建立健全TBM及配套设备的维护与保养制度，加强TBM及配套设备的运行状态的监测，重点监测对象包括：主轴承密封、刀盘刀具、刀盘驱动系统、主轴承、主机液压系统；可根据现场实际情况，采用油液磨损分析、运转参数监测、噪声诊断、振动分析、油品理化指标分析、无损探伤等监测诊断方法；建立并完善TBM及配套设备的维修保养规程。结合本工程的地质特点，针对性地选择合适的大直径盘型滚刀，以保证刀具的使用寿命尽可能地满足施工需求，减少刀具更换间歇时间，保证施工掘进速度。

3.5 控制TBM掘进方向的技术措施

在超长隧洞掘进工作中，必须严格控制TBM掘进放线，一方面是确保隧洞施工精确度，保障后期使用的可靠性，另一方面是为了减少误差掘进对刀具的磨耗及对机械设备的损伤。因此，在正常掘进工作开始前，必须重点考虑TBM掘进方向控制系统的选择，合适的导向系统能够为操作手最大程度地提供TBM位置及方向信息，能够基于三维空间进行自动确定TBM的方位和掘进方向，同时对于TBM掘进方向偏差能够及时提供信息。

根据以往经验和本工程特点，结合专家意见，本工程拟采用VMT激光导向系统。VMT激光导向系统中引入了三种不同的坐标系统，分别是大地作别系统、TBM坐标系统、DTA坐标系统。其中TBM坐标系统与TBM轴线相关，系统能够进行激光靶位置、控制点及参考点的计算，采用本坐标系统进行主导控制，能够用来精确TBM的位置，详见图2。

图2 TBM坐标系统图

4 结语

通过以榕江关埠引水工程为例对TBM施工技术进行分析，结合本工程的特点，本工程存在超长隧洞、穿越建筑物、穿越不良土层等多种常见的、对于TBM施工技术影响较大的情况，综合考虑在TBM施工过程中可能遇到这些情况时应采取的措施，为后续的TBM施工提供一定的参考经验。