全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）在設(shè)備選型及隧洞選線設(shè)計中應(yīng)注意的問題

劉麗萍

（山西省萬家寨引黃工程管理局 太原 030012）

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱TBM），因其高度機(jī)械化、自動化，不僅掘進(jìn)成洞速度快，而且極大地減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度；同時，由于工作人員在護(hù)盾防護(hù)下作業(yè)，也使得作業(yè)更加安全可靠；開挖后成形的壁面整齊光潔，斷面規(guī)整統(tǒng)一，好的巖石可取消襯砌；在長隧道內(nèi)，排氣通風(fēng)好，工作面清潔，施工環(huán)境良好。這些獨特的優(yōu)點，使得TBM在水工隧道、鐵路隧道、煤礦巷道、公路長隧道掘進(jìn)中的應(yīng)用越來越廣泛。但是，任何先進(jìn)的設(shè)備，在使用過程中仍然會存在這樣那樣的問題，依然會產(chǎn)生各種缺陷。就目前已投入使用的TBM看，需要在關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如TBM設(shè)備選型、設(shè)計規(guī)劃階段等，采取相應(yīng)的措施，克服并解決有關(guān)問題，以最大限度地減少甚至避免產(chǎn)生缺陷。

1 TBM選型中應(yīng)注意的問題

TBM選型是防止缺陷的第一個環(huán)節(jié)，應(yīng)該根據(jù)不同工程需要和不同地質(zhì)情況要求，配備與工程相適應(yīng)的設(shè)備。選型中要著重考慮以下幾方面的問題。

1）長隧道中一般不存在單一的巖性，在設(shè)備選型中要選擇可更換刀頭、并通過刀頭更換能擴(kuò)挖并能改變擴(kuò)挖量的刀盤。理由如下：

①掘進(jìn)中，刀頭一直處于磨損狀態(tài)。如更換不及時，或更換數(shù)量不合理，就會產(chǎn)生掌子面切削的偏移，形成洞軸線偏移的缺陷。

②在長洞中巖性往往不是完全單一而均質(zhì)的，即使在同一掌子面也往往出現(xiàn)巖性不一致。在同一條隧道中可能存在著不同地質(zhì)年代、不同巖性，同時伴隨著不同地質(zhì)構(gòu)造的現(xiàn)象（斷層、溶洞、破碎帶），以及不同的埋藏物（地下水、瓦斯、地應(yīng)力等）。以萬家寨引黃工程為例，隧洞在順洞長方向的巖性多不相同，有黃土、有黏土、有巖石、有沙卵石，這些地質(zhì)現(xiàn)象交替出現(xiàn)，即使在同一掌子面也有黏土覆蓋砂卵石，砂卵石覆蓋黏土等現(xiàn)象。由于巖性不一、軟硬不一，造成刀頭受力不一，掘進(jìn)速度也不一致，這樣掘進(jìn)過程中就難免會導(dǎo)致偏移。

正是為了適應(yīng)不同巖性，刀頭需要定期更換。

2）機(jī)頭部分必須具有超前鉆探及超前探測的設(shè)施，以便摸清不同地質(zhì)狀況及巖性變化的準(zhǔn)確界面。應(yīng)在機(jī)頭部分開設(shè)前窗和側(cè)窗，用于觀測隧道側(cè)壁和掌子面圍巖的地質(zhì)條件。

在工程施工期間，施工地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報工作是非常重要的一環(huán)，好的地質(zhì)預(yù)測工作可以為工程提供安全的施工環(huán)境，可以提出有針對性的措施。如巖性變化了，就及時更換刀頭，調(diào)整擴(kuò)挖量，同時不同巖性的地質(zhì)地段，由于承載能力不一致，沉降變形不一致，要采取基礎(chǔ)加固或預(yù)留足夠的超高等有效措施；如果有不良地質(zhì)構(gòu)造如溶洞、斷層、破碎帶，就需要采取回填、預(yù)注漿等措施；如果有不同的埋藏物如地下水、瓦斯、地應(yīng)力等，就要采取排水，釋放瓦斯、地應(yīng)力等措施以解決不同的地質(zhì)狀況下TBM的掘進(jìn)；在黃土含水量為飽和狀態(tài)的地段，為防止掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程發(fā)生下沉，不得不采取排水和換基的措施等。所以說，好的地質(zhì)預(yù)測預(yù)報工作是工程有序進(jìn)行的保障。一旦發(fā)現(xiàn)問題，可以及早做好準(zhǔn)備，甚至防止災(zāi)難性的情況發(fā)生。尤其是使用TBM施工時，其成洞速度快，如果不能及時發(fā)現(xiàn)變化了的地質(zhì)情況，并采取相應(yīng)措施，就會發(fā)生裂縫、基礎(chǔ)拉裂、止水失效、軸線偏移、高程偏離等缺陷，甚至發(fā)生工程事故或災(zāi)難。

萬家寨引黃工程在總干7號洞施工中，當(dāng)TBM從巖洞段進(jìn)入Q2、Q3黃土洞段時，由于未及時采取相應(yīng)措施以致發(fā)生了機(jī)頭下沉達(dá)53 cm的情況，使洞底在此處形成低洼段，給工程投入運行前的修復(fù)造成了很大困難。

遇到地基承載力弱的地質(zhì)地段或不利的地質(zhì)構(gòu)造及埋藏物時，最可怕的是沉陷突然發(fā)生，將會危及設(shè)備及人身的安全。在危地馬拉RioChixoy水電站的27 km長的供水隧道中，因遇到巖溶，一臺TBM被埋在一個侵蝕洞穴。委內(nèi)瑞拉的Yacambu隧道長27 km，其圍巖收斂變形每分鐘達(dá)到20 cm，致使TBM無法完成掘進(jìn)而停工。我國萬家寨引黃工程南干7號隧洞遇到摩天嶺大斷層（影響帶長達(dá)300 m），因進(jìn)行工程處理而延誤工期達(dá)3個月之久。在7號洞的掘進(jìn)中，還遇到了溶洞，幸好洞內(nèi)有填充物，由于含水量大，地基承載能力很弱。TBM進(jìn)入此段時，機(jī)頭下沉，幸虧發(fā)現(xiàn)及時，而且無填充物的范圍小，并果斷采取了措施，抬起機(jī)頭，避免了一場災(zāi)難。因此，TBM在掘進(jìn)過程中，必須有超前地質(zhì)探測作保證。

3）利用TBM施工，測量過程視線受干擾，控制導(dǎo)線又受隧洞限制，往往出現(xiàn)誤差。為了調(diào)整平差，分段消除誤差的方案是值得探討的一個途徑。設(shè)想在后配套中用可撤除的鋼環(huán)，用來代替預(yù)制管片，解決支撐系統(tǒng)的推力底坐。

龐樸先生指出，大概到春秋時期，“五行”已經(jīng)逐步由具體的物質(zhì)抽象為具有統(tǒng)攝性的物質(zhì)“屬性”［14］，例如在《左傳·昭公二十九年》蔡墨對魏獻(xiàn)子的答辭中，蔡墨提出：“有五行之官，是謂五官?！菊痪涿?，火正曰祝融，金正曰蓐收，水正曰玄冥，土正曰后土。龍，水物也。水官棄矣，故龍不生得?！保?5］2323無論是五行的神格化，還是以“龍”為“水物”，均顯示此時“五行”已經(jīng)具有類型化的屬性。不過，當(dāng)蔡墨進(jìn)而論及“五官”之神的形成過程時，他以五官先后出自少皞、顓頊、共工三氏，且為六人所分守，這種結(jié)構(gòu)上的粗疏顯示出此時的“五行說”尚未達(dá)到充分系統(tǒng)化的水平，其與“陰陽”似乎也未發(fā)生關(guān)聯(lián)。

鉆爆法隧道施工時，單向掘進(jìn)長度一般不會超過4 km，TBM法隧道施工時，單向掘進(jìn)長度不低于10 km，有時甚至更長，因此TBM掘進(jìn)長隧道的施工控制測量是屬于超規(guī)范作業(yè)，是靠在TBM中已安置的激光導(dǎo)向測量儀來完成的。受下列因素的影響，控制導(dǎo)線往往會出現(xiàn)誤差。

①以國內(nèi)常用的JK-3型隔爆激光定向器為例。其主要技術(shù)指標(biāo)為；平行移動裝置的移動范圍為15 mm，有垂直、俯仰和水平偏轉(zhuǎn)的微調(diào)裝置，其移動范圍為±1.5 mm，并能自鎖。在隧洞中測量的有效距離為500 m.激光導(dǎo)向儀的作用是為機(jī)頭處在正確位置提供依據(jù)，根據(jù)測量結(jié)果，不斷調(diào)整機(jī)頭位置，消除水平和垂直方向的誤差。激光導(dǎo)向儀由于受到機(jī)頭部分電機(jī)、皮帶、機(jī)械手等各種設(shè)施作業(yè)的影響，測量不能隨時進(jìn)行，將會影響機(jī)頭的及時調(diào)整。另外，測量上發(fā)生問題往往在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身200～500 m后隧洞自身控制導(dǎo)線的測量上。影響控制導(dǎo)線的原因是由于隧洞長、直徑小，使得控制導(dǎo)線出現(xiàn)夾角小、短邊短、誤差大、導(dǎo)線閉合困難等。

②目前TBM掘進(jìn)多數(shù)采用管片襯砌、回填混凝土或回填豆礫石進(jìn)行灌漿，在施工過程中管片處在沉降、變形的不穩(wěn)定狀態(tài)，這樣就使得在洞內(nèi)很難找到一個不變位的點作為測量控制點。盡管機(jī)頭部分用了先進(jìn)的激光導(dǎo)向控制技術(shù)，但由于依據(jù)的控制導(dǎo)線的控制點精度不高，仍然會產(chǎn)生誤差。

③TBM法隧道施工時，測量人員無法在掌子面上放樣，不能直接控制掘進(jìn)方向。

4）為了解決豆礫石回填灌漿分段問題，在TBM制造中，應(yīng)考慮設(shè)置止?jié){環(huán)（堵頭）設(shè)施。

利用TBM施工，常用傳統(tǒng)工藝是“刀盤帶動刀頭切削巖石，用鋼筋混凝土預(yù)制管片襯砌，管片與圍巖間填充豆礫石并灌注水泥漿”。它的作用是通過注漿使豆礫石成為一個整體，即壓漿混凝土，在有壓情況下使?jié){液通過圍巖裂隙灌入巖石，以達(dá)到固結(jié)圍巖的作用，另一側(cè)則使?jié){液進(jìn)入預(yù)制管片之間的縫隙，使接縫中充滿水泥漿。

這一工藝過程如按設(shè)想實現(xiàn)后，可以膠結(jié)豆礫石變?yōu)閴簼{混凝土，既可傳力又可防滲，還可使預(yù)制管片成為一個整體，增加了襯砌厚度；固結(jié)了周圍巖石，防止外水內(nèi)滲通道，增加了圍巖整體性，減少了圍巖壓力；水泥漿灌入管片接縫起到并縫灌漿的作用，增大了管片之間的接觸面，解決了環(huán)向受力的傳遞問題。但是，在實踐中，有的工程卻由于沒有實施分段，豆礫石回填時形成自然坡，致使頂拱回填不滿。進(jìn)入灌漿作業(yè)后，由于不分段，壓力升不上去。漿液順著自然坡及暢通的途徑流動，有的漏灌，有的流入尾盾部位，排至洞外。既達(dá)不到灌漿效果，又造成大的浪費。有的工程一個灌漿孔水泥用量達(dá)30 t，但從觀測看，幾乎全部排出洞外。多數(shù)工程采取打孔補灌的辦法，后果是有的孔打斷了鋼筋，影響管片受力，加大了投入。

5）其他注意事項

①分段的排水設(shè)施，在設(shè)備制造過程中應(yīng)考慮。

在掘進(jìn)過程中，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)具備隨時排水的條件。如在掘進(jìn)過程中軸線上下左右偏移會形成積水時、遇到含水豐富的地段時，就需要采取排水措施。因此，在設(shè)備制造時需要充分考慮分段排水設(shè)施，如在排水管上分段安設(shè)閥門等。

②刀盤的轉(zhuǎn)速可根據(jù)不同巖性進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同地質(zhì)條件的圍巖，減少擾動。

③為防止和減少不良地質(zhì)地段和地質(zhì)構(gòu)造如斷層、破碎帶、溶洞等對掘進(jìn)的影響，在機(jī)頭部分，應(yīng)設(shè)置預(yù)注漿的設(shè)備。

④前后護(hù)盾之間，應(yīng)留有可采取臨時加固措施的余地，如架設(shè)支護(hù)、安設(shè)錨桿等。

2 在隧洞選線設(shè)計過程中應(yīng)考慮完善的問題

1）如施工組織設(shè)計中考慮選用TBM施工，應(yīng)適當(dāng)加大勘探工作量，采取多種手段，如勘探、鉆探、導(dǎo)洞、物探等，盡能全面深入地掌握地質(zhì)情況。

2）掘進(jìn)機(jī)常用的襯砌方式，是利用管片襯砌代替噴漿和現(xiàn)澆混凝土。這一工藝的優(yōu)點是邊挖邊襯，一次成洞，提高了成洞速度。但是由于管片的連接，形成了多條接縫，以5 m直徑隧洞為例，每延米成洞縫長達(dá)20～30 m，任何一條接縫處理不好，都會形成漏水通道。目前，預(yù)制管片襯砌止水方式花樣繁多，常用的有橡膠止水、砂漿、泡沫塑料止水條等。為了達(dá)到防滲效果，設(shè)計精度的要求越來越高，已達(dá)到±1 mm.這在實際施工中是很難實現(xiàn)的，專家們把它稱為“敏感”，實質(zhì)上是施工難以“適應(yīng)”設(shè)計要求，即“不適應(yīng)”。鑒于這一環(huán)節(jié)的重要性，建議設(shè)計時應(yīng)考慮以下幾個因素：

①分段消除管片安裝后的誤差，局部用現(xiàn)澆取代管片，分段消除誤差；

②采用具有塑性、可變形、粘結(jié)力強(qiáng)的止水材料取代彈性的、固態(tài)的止水材料；

③利用管片安裝后嵌縫止水的方式代替管片上安裝彈性固定止水材料的對縫止水方式，以適應(yīng)管片安裝后接縫的各種形狀、不同尺寸的現(xiàn)狀，同時可防止為了對縫推力缸加大推力，強(qiáng)行推進(jìn)擠壓管片以致擠碎管片的現(xiàn)象。

3）在長洞或超長洞設(shè)計中，應(yīng)合理布置支洞，既滿足施工運行的要求，又可彌補地質(zhì)勘探工作的不足。支洞的位置應(yīng)盡量選擇在地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的地段。

4）在IV、V類圍巖設(shè)計中，應(yīng)考慮擴(kuò)挖和預(yù)注漿，以滿足圍巖變形的需要。

5）根據(jù)不同地質(zhì)巖性及構(gòu)造，對明顯存在裂縫的“常發(fā)區(qū)”設(shè)置結(jié)構(gòu)縫，該部位作為“應(yīng)設(shè)區(qū)”。可采用預(yù)埋鋼環(huán)的辦法，解決掘進(jìn)機(jī)推力底座的問題，拆除后用現(xiàn)澆混凝土形成結(jié)構(gòu)縫。

6）合理選擇混凝土設(shè)計標(biāo)號，不同部位、不同巖性、不同地質(zhì)構(gòu)造地段選用不同混凝土標(biāo)號的管片，以適應(yīng)不同的圍巖壓力；要合理選擇齡期，應(yīng)盡可能一致。

7）鋼筋配置除應(yīng)考慮圍巖荷載外，還要考慮施工荷載。例如，在已施工的工程中發(fā)現(xiàn)由于設(shè)計中未考慮施工荷載，以及施工中由于機(jī)械手的張力，導(dǎo)致管片兩個預(yù)留孔之間發(fā)生裂縫，采取了增加限裂鋼筋的措施，這一問題才得到解決。

8）為了保證回填灌漿的效果，必須在設(shè)計中提出分段灌漿的要求及措施。

3 結(jié)語

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)作業(yè)高速、安全、適應(yīng)性強(qiáng)，在一些特大、高難工程中確立了不可取代的地位，但是仍存在不足，施工過程中會產(chǎn)生缺陷，但只要在不同階段采取有效措施，就能避免和減少缺陷發(fā)生。TBM制造過程是可以改進(jìn)的，設(shè)計是可以完善的。與此同時，還應(yīng)圍繞工程建設(shè)的各個環(huán)節(jié)，如勘探、設(shè)計、測量等，本著“不同階段，解決不同問題，不同單位承擔(dān)不同任務(wù)”的原則，通過“綜合治理”，預(yù)防和減少缺陷的發(fā)生。