徐 贊 ，謝培才

(1．中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北三河 0 65201;2．洛陽市市政排水泵站管理所，河南洛陽 4 71000)

0 引言

采用現(xiàn)代化的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Full-face Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)技術(shù)穿越復(fù)雜地質(zhì)、修建長大隧道，是世界地下工程建設(shè)的發(fā)展趨勢，在我國的隧道工程施工中也已日益普及。敞開式TBM對中硬巖有著較好的適應(yīng)性，具有快速、高效、安全、環(huán)保、集成化程度高等獨(dú)特優(yōu)勢。作為一個(gè)高效集成的復(fù)雜系統(tǒng)，如何充分確保TBM設(shè)備利用率和加快掘進(jìn)速度，是體現(xiàn)敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢的關(guān)鍵。影響TBM設(shè)備利用率和施工進(jìn)度的因素很多，歸納起來主要體現(xiàn)在5個(gè)方面，即人(從事生產(chǎn)施工的人員，Man)、機(jī)(用于現(xiàn)場施工的機(jī)器設(shè)備，Machine)、料(生產(chǎn)所需的原材料，Material)、法(施工方法及措施，Method)和環(huán)(施工環(huán)境，Environment)，簡稱為“4M1E”影響因素。文獻(xiàn)［1-4］就TBM的快速掘進(jìn)施工進(jìn)行了較深入的研究，但研究內(nèi)容大都集中于“機(jī)”或者“法”，并不全面。本文以新建蘭州—重慶鐵路西秦嶺隧道XQLS2標(biāo)敞開式TBM施工為例，系統(tǒng)闡述在現(xiàn)場施工過程中針對“人、機(jī)、料、法、環(huán)”5個(gè)方面采取的快速掘進(jìn)保障措施和成功經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于甘肅省隴南市武都區(qū)，隧道長28 236 m，是我國第二長鐵路隧道，也是目前我國采用TBM修建的最長距離、最大直徑的干線鐵路隧道。根據(jù)設(shè)計(jì)，西秦嶺隧道TBM掘進(jìn)軟弱圍巖地段千枚巖為淺灰色至深灰色，主要為砂質(zhì)千枚巖和千枚狀?yuàn)A變砂巖，節(jié)理發(fā)育，受構(gòu)造影響，層間揉皺強(qiáng)烈，巖石較破碎，零星夾有灰?guī)r薄層。由中鐵隧道集團(tuán)承建的西秦嶺隧道左線2010年6月25日正式開始第1掘進(jìn)段施工，于2011年5月28日實(shí)現(xiàn)第1掘進(jìn)段與羅家理斜井鉆爆段重慶端貫通，提前原施工組織設(shè)計(jì)130 d。2011年8月30日轉(zhuǎn)場結(jié)束后開始第2掘進(jìn)段施工，于2013年4月26日掘進(jìn)至合同分界里程DⅠK403+650處，總計(jì)歷時(shí)31個(gè)月，創(chuàng)造了日掘進(jìn)進(jìn)度42．69 m，第1階段平均月掘進(jìn)508 m，全段平均月掘進(jìn)415 m等多項(xiàng)國內(nèi)紀(jì)錄，并創(chuàng)造了直徑10 m以上同類TBM施工周掘進(jìn)進(jìn)度392．0 m、月掘進(jìn)進(jìn)度804．3 m 2項(xiàng)世界紀(jì)錄。

優(yōu)異的施工業(yè)績，取決于施工方在施工過程中對人、機(jī)、料、法、環(huán)5個(gè)方面的科學(xué)管理和有效控制。TBM法掘進(jìn)施工每個(gè)環(huán)節(jié)的管理都是保證整機(jī)連續(xù)作業(yè)的關(guān)鍵，只有這些保障措施都圍繞掘進(jìn)機(jī)施工這個(gè)主題切實(shí)開展起來，才能最終體現(xiàn)出掘進(jìn)機(jī)施工的快速和優(yōu)質(zhì)。

2 人(Man)

對人的管理是生產(chǎn)管理中的重點(diǎn)，也是最大的難點(diǎn)。提高施工進(jìn)度，首先要“用好人”，盡可能地發(fā)揮作業(yè)人員的特點(diǎn)，激發(fā)員工的工作熱情，提高工作積極性。

2．1 統(tǒng)一目標(biāo)，提高作業(yè)人員積極性

為提高組織管理水平，西秦嶺隧道TBM掘進(jìn)工區(qū)施行“總數(shù)定員、專人專崗、責(zé)任到人”的內(nèi)部承包管理模式，成立掘進(jìn)一隊(duì)、掘進(jìn)二隊(duì)、保養(yǎng)班、刀具班、皮帶班、運(yùn)輸班、電工班、測量組，并將以往彼此相對獨(dú)立的工班(組)歸口于一個(gè)項(xiàng)目副經(jīng)理統(tǒng)一管理，以加強(qiáng)過程控制和工序銜接。人員收入與施工進(jìn)度、工序質(zhì)量、現(xiàn)場安全和文明施工直接掛鉤，確保各作業(yè)班組在思想意識、共同利益上高度統(tǒng)一、沒有分歧，使項(xiàng)目各項(xiàng)要求從上至下得以完全貫徹落實(shí)，保證項(xiàng)目內(nèi)部個(gè)體力量與目標(biāo)方向相同，避免“內(nèi)耗”現(xiàn)象。此外，還采取進(jìn)度考核獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制等辦法調(diào)動(dòng)施工人員的積極性，將人為因素降至最低，大大提高了生產(chǎn)效率。

2．2 發(fā)揚(yáng)民主，讓工人成為工區(qū)的主人

一個(gè)工區(qū)的發(fā)展，歸根結(jié)底依靠的是一線工人。工人作業(yè)在生產(chǎn)第一線，他們更了解工區(qū)制定的計(jì)劃和決策是否真正符合生產(chǎn)施工的實(shí)際情況，是否切實(shí)可行。在安排工作時(shí)，定人定崗、責(zé)任到人，讓工人充分了解作業(yè)任務(wù)和目標(biāo)，能夠促使工人在執(zhí)行任務(wù)過程中，結(jié)合自身能力充分評估作業(yè)工序。當(dāng)情況發(fā)生變化時(shí)，不是機(jī)械地回避，而能夠自己動(dòng)腦解決。遇到突發(fā)情況，與工人平等協(xié)商，讓工人參與決策，各抒己見，充分聽取一線工人的意見和建議，誘發(fā)他們思考解決問題，對工人提出的合理建議積極采納并予以鼓勵(lì)，使最終決策更加合理，同時(shí)也能夠增強(qiáng)員工自信心，使工人與工區(qū)形成合力，真正地把自己當(dāng)作工區(qū)的一分子，更有責(zé)任感，努力發(fā)揮自己的才智能力，為工區(qū)服務(wù)［5］。

2．3 加強(qiáng)員工培訓(xùn)，營造學(xué)習(xí)氛圍

西秦嶺隧道建設(shè)初期，大部分參與施工的技術(shù)人員都是剛參加工作不久的大學(xué)生，很多施工人員也只有盾構(gòu)方面的施工經(jīng)驗(yàn)。為提高TBM技術(shù)水平，保證設(shè)備狀態(tài)完好，項(xiàng)目主要技術(shù)力量向TBM整體傾斜，多次派員工到南疆鐵路吐庫二線中天山隧道等工程實(shí)地跟班學(xué)習(xí)，并派TBM主管工程師、施工負(fù)責(zé)人、液壓工、修理工等多人到TBM制造廠家學(xué)習(xí)。通過采用以老帶新、理論學(xué)習(xí)、集中培訓(xùn)等手段，充分融合老工人的豐富經(jīng)驗(yàn)與組織力強(qiáng)、新學(xué)生的基礎(chǔ)知識扎實(shí)與思維活躍的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)立足于穩(wěn)、穩(wěn)中求變，推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目整體技術(shù)水平的提高。另外，項(xiàng)目還專門外聘了1名TBM設(shè)備專家，通過“拜師學(xué)藝”的方式培養(yǎng)項(xiàng)目中堅(jiān)力量。通過這些方式，極大提高員工工作的自主性和熱情，推動(dòng)了項(xiàng)目的技術(shù)進(jìn)步。

3 機(jī)(Machine)

TBM是由幾十個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)有機(jī)地連接成的一個(gè)完整的大系統(tǒng)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的故障均會影響到TBM的正常掘進(jìn)。關(guān)鍵部位的損壞更會導(dǎo)致整臺TBM處于停滯甚至癱瘓狀態(tài)，從而影響整個(gè)工程的進(jìn)展，同時(shí)也會大大增加成本。合理的TBM選型與配置是隧道正常掘進(jìn)的基礎(chǔ);科學(xué)的設(shè)備檢測診斷與維護(hù)保養(yǎng)、刀具管理、配件供應(yīng)等環(huán)節(jié)和必要的設(shè)備改造，不僅可以對設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)、減少機(jī)械故障、降低項(xiàng)目成本，同時(shí)也可以降低施工風(fēng)險(xiǎn)，為快速掘進(jìn)提供有效保證。

3．1 TBM 選型

西秦嶺隧道走行于秦嶺高中山區(qū)，隧道最大埋深約1 400 m，全長28 236 m，采用鉆爆法和TBM法聯(lián)合施工。其中，隧道出口在圍巖較好的地段分2段采用TBM掘進(jìn):第1段長5 594 m，第2段長7 340 m。圍巖以Ⅲ級和Ⅳ級為主，構(gòu)造裂隙中、弱富水區(qū)，巖石整體較完整，有較好的自穩(wěn)性，因此首選敞開式TBM。

用于西秦嶺隧道施工的敞開式TBM，在遇到局部不穩(wěn)定的圍巖時(shí)，可通過TBM所附帶的輔助設(shè)備施作錨桿、架立鋼拱架、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土進(jìn)行加固，以保持洞壁穩(wěn)定，而且在掘進(jìn)過程可直接觀測到洞壁巖性的變化，便于地質(zhì)素描和調(diào)整施工工藝。可以說，TBM選型的成功，是西秦嶺隧道快速掘進(jìn)的基礎(chǔ)和保證。

3．2 設(shè)備監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)

對TBM實(shí)施全面規(guī)范化的監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)是降低故障率、減少設(shè)備維修次數(shù)、減少不必要停機(jī)的先決條件，如此才能保持機(jī)器性能完好。自西秦嶺隧道敞開式TBM進(jìn)洞開始掘進(jìn)以來，項(xiàng)目成立TBM掘進(jìn)保養(yǎng)班，由機(jī)電副總工程師率領(lǐng)機(jī)械、液壓、電氣、潤滑、檢測專業(yè)工程師和熟練技工，執(zhí)行保養(yǎng)任務(wù)。除正常跟班監(jiān)測診斷外，嚴(yán)格堅(jiān)持每日第1掘進(jìn)階段 7:00—11:00(第 2掘進(jìn)階段 8:00—14:00)交接班期間強(qiáng)制停機(jī)維護(hù)保養(yǎng)。

西秦嶺隧道TBM主要監(jiān)測診斷技術(shù)包括振動(dòng)監(jiān)測、油樣分析(潤滑油理化性能分析、鐵譜分析、顆粒計(jì)數(shù)分析)、工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測、故障聽診儀檢測、溫度監(jiān)測、壓力檢測、流量檢測、聲學(xué)監(jiān)測及無損探傷檢測，由西秦嶺隧道TBM檢測站專職負(fù)責(zé)，油樣光譜分析委外進(jìn)行。具體監(jiān)測對象如表1所示。

表1 TBM狀態(tài)監(jiān)控表［6］Table 1 TBM monitoring items［6］

為減少TBM的故障停機(jī)時(shí)間，提高設(shè)備的利用率，確保TBM正常運(yùn)轉(zhuǎn)，例行維護(hù)檢查按表2進(jìn)行。

3．3 刀具管理

刀具是TBM掘進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。TBM刀具管理的環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，只有認(rèn)真做好每一個(gè)環(huán)節(jié)的具體工作，才能將刀具管好、用好。為加強(qiáng)刀具管理，項(xiàng)目實(shí)行刀具工程師主管負(fù)責(zé)制，配備刀具班及刀具修理車間，把刀具的用、管、養(yǎng)、修提高到管理的高度上。

在刀具的用、管、養(yǎng)和修過程中，為詳細(xì)記錄和整理原始數(shù)據(jù)，必須建立《刀具管理臺賬》。臺賬應(yīng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行細(xì)化:

1)每一把刀具的詳細(xì)使用情況。

2)刀具維修時(shí)，每一把刀具的相關(guān)測量數(shù)據(jù)、配件消耗及采用的維修工藝。

3)繪出不同地層、地質(zhì)、地段與刀具磨損及消耗的關(guān)系圖。

表2 例行維護(hù)檢查表Table 2 Routine maintenance checklist

4)修好的刀具要根據(jù)更換部件分類在刀體做好標(biāo)記(見圖1)。

圖1 修好的刀具分類標(biāo)記Fig．1 Marking classification of repaired cutters

5)準(zhǔn)確及時(shí)地記錄修完的刀具出廠后的相應(yīng)內(nèi)容。

通過對以上資料的分析，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，將結(jié)果反饋用于指導(dǎo)掘進(jìn)，有計(jì)劃性地實(shí)施刀具的檢查和更換，有效地利用刀具，減少刀具異常損壞，降低刀具消耗，縮短刀具更換時(shí)間并對刀盤進(jìn)行保護(hù)，增加掘進(jìn)時(shí)間，保證施工順暢，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，并能夠最大限度地減少在刀具方面的投入，對降低刀具的使用成本有重要意義。

3．4 配件供應(yīng)

TBM配件儲備和采購在TBM施工管理中是一個(gè)比較系統(tǒng)的任務(wù)。當(dāng)前國內(nèi)TBM在隧道工程中的應(yīng)用尚未形成規(guī)模，TBM配件供貨市場相對有限，配件采購?fù)枰獓膺M(jìn)口或定制加工，造成采購周期較長，這就要求施工現(xiàn)場必須要有一定的易損配件儲備，否則會導(dǎo)致停機(jī)待料，延誤工期，造成損失。但與此同時(shí)，TBM配件的價(jià)格又相對比較昂貴，不可能對所有配件進(jìn)行儲備。只有對TBM機(jī)械性能有充分的了解和認(rèn)知才能夠做到配件儲備充裕、采購及時(shí)但又無大量配件積壓造成資金占用甚至浪費(fèi)。配件儲備和采購應(yīng)著重從以下方面著手:

1)通常部件庫存量應(yīng)是整機(jī)數(shù)量的10%［7］，設(shè)立專門的存放庫房分類存放，建立《TBM配件管理臺賬》并安排專業(yè)高效的管理人員負(fù)責(zé)，并每周與掘進(jìn)班、保養(yǎng)班、刀具班進(jìn)行溝通后核實(shí)消耗與庫存。

2)加強(qiáng)TBM監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)，對于日常檢查出的問題及時(shí)做出科學(xué)判斷，提前做好配件計(jì)劃。

3)通過系統(tǒng)的日常監(jiān)測診斷與維護(hù)保養(yǎng)臺賬，確定TBM配件壽命周期、易損配件類型等，做好周期性檢查及采購工作。

4)對于實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化的TBM配件，在能夠滿足施工需要的情況下，優(yōu)先采用國產(chǎn)化配件以縮短采購周期，緩解成本壓力。

5)日常加強(qiáng)配件供應(yīng)商的比選，通過互聯(lián)網(wǎng)、電話溝通詢價(jià)，完善配件供應(yīng)系統(tǒng)，建立《配件供應(yīng)商合作臺賬》，明確聯(lián)系方式、供貨方式、付款方式及供貨周期等，一旦需要，根據(jù)臺賬信息并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況選擇適宜供貨商及時(shí)完成采購。

6)對于單件價(jià)格昂貴、壽命周期不易確定、供貨時(shí)間長的配件，應(yīng)與周邊同型號TBM施工方建立配件儲備合作關(guān)系，兩家或多家單位根據(jù)“分類存儲、拆借使用、后續(xù)補(bǔ)倉、互惠共利”的原則儲備配件，以最大限度減少對TBM施工的影響。

3．5 設(shè)備改造

為使TBM適應(yīng)實(shí)際施工項(xiàng)目的工程地質(zhì)特點(diǎn)，在建設(shè)初期進(jìn)行設(shè)備選型是十分必要的，但由于地質(zhì)勘查的局限性以及不同圍巖段的巖石特性不同，在實(shí)際施工中，往往需要進(jìn)行必要的局部性能改造以滿足現(xiàn)場施工。例如在TBM掘進(jìn)通過軟弱千枚巖地層時(shí)，遇到節(jié)理裂隙發(fā)育情況，掌子面坍塌嚴(yán)重，部分滾刀接觸不到巖面，坍塌體中含有大量較大巖塊直接經(jīng)鏟斗進(jìn)入主機(jī)皮帶中。由于原刀盤鏟斗刀牙為螺栓連接、梳狀排列的組合式刀牙(見圖2)，整體強(qiáng)度不高，磨損較嚴(yán)重且遇大塊碴體時(shí)易損壞、脫落，導(dǎo)致頻繁更換，且大塊巖石容易從刀牙脫落缺失處進(jìn)入刀盤砸壞主機(jī)皮帶，影響連續(xù)施工。通過對材料耐磨性和可焊接性的綜合評估，利用整體型16Mn鋼整體刀牙替代組合式刀牙，并在擋碴板位置增焊1—2塊16Mn鋼板以阻擋大塊石碴的進(jìn)入，同時(shí)進(jìn)行皮帶機(jī)接料裝置改造，增加緩沖裝置，縮小出料口與皮帶之間的落差，以減小沖擊。通過對設(shè)備改造和加強(qiáng)施工組織管理，在實(shí)際生產(chǎn)中取得了良好的施工效果，降低了設(shè)備故障率，使刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間提高30%以上［8］。

圖2 刀牙改造Fig．2 Cutter teeth alteration

4 料(Material)

TBM快速掘進(jìn)需要施工所需的各種合格的原材料連續(xù)、快速地運(yùn)輸?shù)骄蜻M(jìn)作業(yè)區(qū)，故在原材料質(zhì)量控制和供應(yīng)調(diào)度方面應(yīng)予以重視。

4．1 “合格材料”供應(yīng)

“合格材料”供應(yīng)是TBM能夠快速掘進(jìn)的一個(gè)重要保證措施。這里的合格材料是指既符合國家相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)又能夠滿足洞內(nèi)特殊施工環(huán)境和施工工藝需要的合格原材料或半成品。眾所周知，TBM法施工是一種集成化較高的隧道施工方法，在一個(gè)掘進(jìn)周期里，任何一道工序的延遲都將直接影響到整個(gè)掘進(jìn)周期的時(shí)間。在西秦嶺隧道TBM第2掘進(jìn)階段，由于隧道埋深較大且獨(dú)頭掘進(jìn)距離較長，洞內(nèi)作業(yè)溫度高、濕度大，初期支護(hù)所需液體速凝劑經(jīng)洞外試驗(yàn)合格后運(yùn)往洞內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)如存放時(shí)間偏長則會出現(xiàn)白色沉淀引起速凝劑管堵塞，不僅造成了原材料的浪費(fèi)，而且極大地?cái)_亂了正常的工序，影響了施工進(jìn)度。經(jīng)過聯(lián)系廠家多次實(shí)地查驗(yàn)并調(diào)整配制工藝后，問題得到了較好地解決。TBM施工是一個(gè)持續(xù)高溫、潮濕的環(huán)境，而且施工所需材料往往需要經(jīng)過多次倒運(yùn)、短期庫存，在原材料供應(yīng)和半成品加工時(shí)也應(yīng)對上述情況相應(yīng)予以考慮，真正做到“滿足施工現(xiàn)場需要”。

4．2 材料領(lǐng)用及洞內(nèi)運(yùn)輸

圖3 材料供應(yīng)流程圖Fig．3 Flowchart of material supply

經(jīng)過方案比選，西秦嶺隧道材料洞內(nèi)運(yùn)輸采用25 t內(nèi)燃機(jī)車牽引編組成列的材料車，四軌雙線有軌運(yùn)輸模式。洞內(nèi)有軌運(yùn)輸涉及人員、仰拱預(yù)制塊、噴漿料、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、鋼軌、錨桿、襯砌混凝土以及洞內(nèi)清理出的碴料等，運(yùn)輸車輛數(shù)量有限而運(yùn)輸任務(wù)繁重，矛盾相對突出。為保證TBM掘進(jìn)所需材料供應(yīng)的連續(xù)性，避免因材料供應(yīng)中斷造成掘進(jìn)停機(jī)，專門設(shè)立機(jī)車調(diào)度控制中心，負(fù)責(zé)機(jī)車的調(diào)配、裝卸、編組、日常保養(yǎng)等工作，并規(guī)定進(jìn)洞左側(cè)軌道為進(jìn)洞方向(即重車道)，右側(cè)為出洞方向(即輕車道)。TBM掘進(jìn)所需材料運(yùn)輸流程見圖3。

襯砌混凝土澆筑時(shí)，輸送泵需占用1條運(yùn)輸軌線。為提高軌道利用率，洞內(nèi)每500 m設(shè)置1處道岔(已襯砌完成部分可陸續(xù)拆除)，確保機(jī)車運(yùn)行順暢，并在洞內(nèi)斜井與正洞相接處安排洞內(nèi)調(diào)度員，合理調(diào)度車輛進(jìn)出TBM作業(yè)區(qū)，急需材料先行供應(yīng)，防止車輛在TBM尾部過度集中引起擁堵。

5 法(Method)

為了保證TBM的快速掘進(jìn)，在以往的TBM施工中，建設(shè)者們通過不斷地探索和總結(jié)取得了很多顯著的成果，本文僅就西秦嶺隧道保證敞開式TBM快速掘進(jìn)的重點(diǎn)和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行闡述。

5．1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

當(dāng)TBM掘進(jìn)施工時(shí)，由于千枚巖節(jié)理發(fā)育或存在斷層破碎帶，層間結(jié)合差，巖體本身碎塊狀結(jié)構(gòu)，加之刀盤切削作用和地應(yīng)力調(diào)整影響，致使千枚巖沿節(jié)理面、斷層面或巖層松動(dòng)、錯(cuò)落，甚至出現(xiàn)大面積失穩(wěn)、坍塌。對于機(jī)械化程度高、可進(jìn)不可退的TBM施工來說，若在施工中突遇地質(zhì)災(zāi)害，在無支護(hù)之前產(chǎn)生大量塌方、涌水、掉塊，使機(jī)器被埋、被淹、被卡，將會出現(xiàn)進(jìn)退兩難、難以處理的局面，影響整體施工進(jìn)度。

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)要解決的問題主要有:斷裂、破碎帶等不良地質(zhì)對象的性質(zhì)、規(guī)模的判定;不良地質(zhì)體的位置及產(chǎn)狀的確定;巖體工程類別的識別，圍巖地下水狀態(tài)［9］等。以設(shè)計(jì)地質(zhì)勘測資料為基礎(chǔ)結(jié)合超前探測手段，在進(jìn)入軟弱、構(gòu)造影響破碎段等不良地質(zhì)前，加強(qiáng)綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)的頻率，判明圍巖情況，進(jìn)行必要的預(yù)處理措施和選用相應(yīng)的施工方案。根據(jù)地質(zhì)情況采用超前小導(dǎo)管注漿加固、超前注漿堵水、鋼支撐、護(hù)盾后初噴及時(shí)封閉加固;適當(dāng)選擇掘進(jìn)參數(shù)，以自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)控制TBM掘進(jìn)姿態(tài);后配套區(qū)錨網(wǎng)噴支護(hù)等多種手段通過軟弱破碎、突泥涌水等災(zāi)害性地質(zhì)地段。

5．2 出碴體系

連續(xù)皮帶機(jī)出碴方式作為3種TBM可供選擇的配套出碴方式(汽車運(yùn)輸出碴、軌道礦車出碴、連續(xù)皮帶機(jī)出碴)中最快速、高效的一種，對洞內(nèi)運(yùn)輸干擾最小、出碴效率最高，在條件許可的情況下應(yīng)優(yōu)先采用。

西秦嶺隧道連續(xù)皮帶機(jī)出碴采用豎向固定支撐法(邊基施工段)和三角斜向支撐法(邊基未施工段)將連續(xù)皮帶機(jī)橋架固定在洞壁上，隨著TBM向前推進(jìn)，連續(xù)皮帶機(jī)支架不斷向前延伸。掘進(jìn)時(shí)，連續(xù)皮帶機(jī)承載碴體后穿越同步襯砌臺車至斜井“三岔口”位置，通過斜井轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)穿越羅家理斜井輸送至洞外，經(jīng)洞外上山皮帶機(jī)直接翻越山體(見圖4)，并經(jīng)碴場延伸皮帶機(jī)被輸送至棄碴場內(nèi)部［10］，通過連續(xù)分碴器實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)出碴與工程車碴料轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)工序之間的無縫銜接。在整套出碴體系中，碴體從巖面剝落直至棄碴場的運(yùn)輸全程零干擾，有效避免了因碴體轉(zhuǎn)運(yùn)不及時(shí)對TBM掘進(jìn)造成的影響。

圖4 上山皮帶機(jī)布置Fig．4 Arrangement of continuous belt conveyor

5．3 監(jiān)控與通信系統(tǒng)

西秦嶺隧道施工針對TBM長距離獨(dú)頭掘進(jìn)、長距離有軌運(yùn)輸?shù)膶?shí)際特點(diǎn)，在施工前期進(jìn)行了認(rèn)真的籌劃，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用信息化管理手段，在隧道內(nèi)布設(shè)5套通信方式，即視頻監(jiān)控系統(tǒng)、對講機(jī)系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、有線電話系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)以保證信息暢通［11］。在TBM上重點(diǎn)施工部位安裝攝像頭，通過調(diào)度室監(jiān)控中心可以及時(shí)掌握洞內(nèi)施工情況，洞內(nèi)的具體需求通過有線電話傳達(dá)到調(diào)度控制中心，調(diào)度控制中心做出響應(yīng)，機(jī)車運(yùn)行至TBM后方后，TBM施工人員可通過對講機(jī)根據(jù)現(xiàn)場當(dāng)前需求情況對機(jī)車進(jìn)行調(diào)度，確保保障及時(shí)、生產(chǎn)連續(xù)。

5．4 技術(shù)與工藝創(chuàng)新

隨著TBM應(yīng)用越來越廣泛和深入，施工人員逐步實(shí)現(xiàn)了對TBM設(shè)備、施工及其配套技術(shù)的“學(xué)習(xí)—掌握—摸索—?jiǎng)?chuàng)新”，加之在施工管理過程中項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)集思廣益、加大專項(xiàng)資金的投入以及對技術(shù)創(chuàng)新、工藝變革的“提出—論證—實(shí)踐—總結(jié)—獎(jiǎng)勵(lì)”機(jī)制，有效地鼓勵(lì)了一線員工在做好本職工作的前提下總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、推陳出新，推動(dòng)了很多新技術(shù)、新設(shè)備的產(chǎn)生。成功克服了大直徑TBM山地運(yùn)輸、狹小區(qū)域組裝、空載步進(jìn)、快速掘進(jìn)、弧形步進(jìn)滑道滑模施工、同步襯砌、連續(xù)皮帶出碴、長距離獨(dú)頭通風(fēng)及有軌運(yùn)輸、仰拱預(yù)制塊空中翻轉(zhuǎn)等諸多重大難題?？偨Y(jié)申報(bào)發(fā)明專利2項(xiàng)(TBM同步襯砌施工方法，TBM整體式軌道托架及TBM電機(jī)驅(qū)動(dòng)、整體式軌道托架步進(jìn)方法)、實(shí)用新型專利5項(xiàng)(TBM同步襯砌模板臺車及臺架，連續(xù)分碴器，車載式ⅠC卡加油管理系統(tǒng)，分體式自動(dòng)行走混凝土輸送泵，連續(xù)皮帶收放裝置)、工法2項(xiàng)(特長大距離TBM空載步進(jìn)技術(shù)，連續(xù)皮帶機(jī)出碴下的同步襯砌施工技術(shù))。開工以來項(xiàng)目產(chǎn)生技術(shù)性改革96項(xiàng)，合理化建議71項(xiàng)。這些新技術(shù)、新設(shè)備［12-22］在施工中的成功應(yīng)用有效提高了生產(chǎn)效率，保證了TBM的快速連續(xù)施工。

6 環(huán)(Environments)

TBM施工具有機(jī)械化程度高、對地層擾動(dòng)小、可以減少隧道開挖中輔助工程等優(yōu)點(diǎn)，洞內(nèi)環(huán)境較鉆爆法普遍較好，但由于隧道獨(dú)頭掘進(jìn)施工距離達(dá)到19 762 m，對隧道通風(fēng)、溫度控制及有害氣體監(jiān)控與處理還是提出了較高的要求。一旦環(huán)境控制出現(xiàn)問題，將嚴(yán)重影響到作業(yè)人員的健康以及部分原材料的性能。

6．1 通風(fēng)與溫度控制

因采用TBM獨(dú)頭掘進(jìn)施工，隧道通風(fēng)難度很大，主要特點(diǎn)和難點(diǎn)是隧道斷面大、送風(fēng)距離長、機(jī)械設(shè)備散熱量大、且TBM未配置制冷降溫系統(tǒng)。隧道通風(fēng)總長12 200 m，選用3×160 kW變頻風(fēng)機(jī)與φ2．2 m風(fēng)管匹配，變頻控制，有效地節(jié)約了電能。通風(fēng)分2個(gè)階段:

1)將風(fēng)機(jī)布置在洞口，采用一套通風(fēng)管送風(fēng)，通風(fēng)距離總長為9 900 m。

2)出口掘進(jìn)段與羅家理斜井鉆爆段貫通后，將通風(fēng)機(jī)安裝在羅家理斜井井口送風(fēng)。TBM步進(jìn)通過羅家理斜井鉆爆段開始二次掘進(jìn)后，為避免斜井三叉口位置風(fēng)損失過大造成通風(fēng)效果差等問題，將通風(fēng)機(jī)安裝在三叉口位置隧道正洞內(nèi)，采用斜井巷道式通風(fēng)，從正洞出口引進(jìn)新鮮風(fēng)，羅家理斜井排出污風(fēng)。為彌補(bǔ)通風(fēng)距離長、通風(fēng)管穿越襯砌臺車彎折較多導(dǎo)致的通風(fēng)效果的降低，采用串聯(lián)接力風(fēng)機(jī)形式，確保洞內(nèi)通風(fēng)效果。

在TBM上，主要人員工作面(如鋼拱架安裝區(qū)、鋼筋網(wǎng)片掛設(shè)區(qū)、轉(zhuǎn)載皮帶值班區(qū)等)均安裝射流風(fēng)機(jī)，降低作業(yè)環(huán)境溫度。通過上述措施，TBM施工區(qū)總體溫度能夠控制在30℃左右、設(shè)備滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)控制在35℃以內(nèi)。

6．2 有害氣體監(jiān)控與處理

為保證洞內(nèi)作業(yè)人員健康，TBM上設(shè)置有害氣體檢測系統(tǒng)和火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)，直接和TBM主控制電腦聯(lián)網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)有害氣體或達(dá)到設(shè)定的警戒值就會報(bào)警。若不及時(shí)處理，主控制電腦將會自動(dòng)停止掘進(jìn)和關(guān)閉相關(guān)的電器設(shè)備，集中保證通風(fēng)系統(tǒng)供風(fēng)。

7 結(jié)論與體會

TBM實(shí)現(xiàn)了隧道施工的工廠化，體現(xiàn)了機(jī)械化作業(yè)和施工條件的改善，具有生產(chǎn)的連續(xù)性。但TBM項(xiàng)目本身又是一個(gè)較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，所涉及的專業(yè)多、領(lǐng)域廣，“人、機(jī)、料、法、環(huán)”任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽，都可能會影響TBM的正常工作，并直接影響掘進(jìn)效率。西秦嶺隧道是蘭渝鐵路全線控制性工程，工期緊，任務(wù)重，為確保如期完成施工任務(wù)，結(jié)合工程特點(diǎn)，針對5項(xiàng)因素做出分析并提出解決方案，取得了較好的施工效果。

1)綜合分析5項(xiàng)因素，最重要的一環(huán)是“人”，只有“人”有了較高的管理能力、專業(yè)技能、質(zhì)量意識，立足本職、齊心協(xié)力，嚴(yán)格執(zhí)行管理制度，才能真正實(shí)現(xiàn)對“機(jī)、料、法、環(huán)”等因素的有效控制。近年來隨著TBM在我國工程建設(shè)領(lǐng)域的快速推廣，TBM施工專業(yè)人才不斷流失(雖然對于國內(nèi)TBM施工市場做出了重大貢獻(xiàn)，但對于特定的工程項(xiàng)目，影響極其嚴(yán)重)，而新進(jìn)技術(shù)人員的成熟尚需要實(shí)踐的磨練，出現(xiàn)了技術(shù)力量與施工需求相脫節(jié)的情況，這就要求必須加大TBM施工人員的培養(yǎng)和儲備。

2)TBM屬于典型的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，一旦出現(xiàn)故障就會造成成本的增加、進(jìn)度的延誤，甚至需要變更工程方案造成巨大損失。因此，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件對TBM合理選型，在施工過程中規(guī)范操作，加強(qiáng)日常維護(hù)與保養(yǎng)、加強(qiáng)刀具管理、合理采購和儲備配件，并結(jié)合工程實(shí)際對TBM可能存在的不足進(jìn)行必要的改造，消除了“機(jī)”的影響，才能夠建立快速掘進(jìn)的基礎(chǔ)。

3)有了“人”和“機(jī)”的保障，通過對材料供應(yīng)、施工方法、環(huán)境控制等方面的科學(xué)管理，能夠充分發(fā)揮人員的主觀能動(dòng)性和體現(xiàn)設(shè)備的先進(jìn)性，從而使快速掘進(jìn)得以實(shí)現(xiàn)。

4)TBM作為專用性很強(qiáng)的工程機(jī)械，每一個(gè)掘進(jìn)機(jī)工程都是一次新的嘗試和挑戰(zhàn)，因此，今后工程實(shí)踐中，在汲取先前成功經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新和總結(jié)是必要的。

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