厄瓜多爾CCS項目輸水隧洞TBM1掘進施工技術分析

程艷娜

(遼寧西北供水有限責任公司，沈陽110003)

1 工程概況

厄瓜多爾CSS 項目輸水隧洞工程K1 +100.95～K9 +878.18 及2#支洞KA0 +450 ～KA1 +644.54采用雙護盾硬巖掘進機施工，開挖直徑為9 110 mm，安裝新刀時，開挖直徑增加為9 130 mm。開挖后，進行預制混凝土管片的拼裝和襯砌，管片的寬度為1.8 m、內徑8.2 m，厚度為300 mm，由6 +1 塊組成;采用豆礫石填充洞壁與管片的空隙，隨后回填灌漿。隧洞出渣采用連續(xù)皮帶機運送至洞外，并經由轉渣皮帶機轉至渣場入口，最后用自卸汽車運往棄渣場，洞內運輸部分采用柴油機車牽引編組列車。

2 TBM1 掘進施工模式與基本流程

雙護盾掘進機有單、雙護盾兩種掘進模式，在施工過程中，需要根據超前地質探測、前序掘進參數、石渣、地質圖紙等準確判斷掌子面圍巖狀態(tài)，并以此作為掘進參數和模式的選擇依據。TBM 施工采用三班制，一班負責維護，兩班負責掘進，其中，維護班每班工作時間為4h，掘進班每班工作時間為8h，維護工作于每日上午進行。圖1 為TBM1 掘進施工作業(yè)流程圖。

3 掘進準備階段

掘進準備階段需要做以下工作:

1)接通TBM 主機變壓器、洞外變壓器間的電源，并在隧洞內提供照明。

2)接通TBM 變壓器開關，待其工作狀態(tài)穩(wěn)定后，接通二次側電源輸出開關，同時對TBM 所需的各種電壓進行檢查，并接通TBM 及配套照明系統(tǒng)，并檢查漏電監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀況［1］。

3)對氣體、火災監(jiān)測系統(tǒng)進行檢查，為施工安全提供保障。

4)確定全部調速旋鈕處于零位狀態(tài)，確定全部聲音、燈光指示元件正常工作。

5)檢查液壓和潤滑系統(tǒng)油位，若不足則添加油料。

6)確定供水和通風系統(tǒng)正常運作。

7)接通TBM 控制電源，對TBM 給水水泵、液壓動力站、通風機等的運行情況進行檢查。

8)確定各類輔助施工設施進入掘進工況。

9)確定測量導向儀器能夠提供正確的導向和位置參數。

10)通過超前地質預報探測前方圍堰情況，為掘進工作的開展提供參考和借鑒的依據。

11)結合測量導向系統(tǒng)反饋的TBM 位置參數，對其作業(yè)姿態(tài)進行調整，確保方向偏差始終處于設計允許的范圍內。

圖1 TBM1 掘進施工作業(yè)流程圖

4 雙護盾掘進模式

所謂雙護盾掘進，是指在硬巖條件下的隧洞開挖時，TBM 依靠支撐盾上的支撐靴支撐于洞壁之上，在掘進的同時，也可進行尾盾拼裝管片、豆礫石回填等作業(yè)［2］。

4.1 掘進步驟

雙護盾掘進作業(yè)循環(huán)主要分為2個階段:

4.1.1 階段一:換步與調向

掘進行程結束后停止推進與刀盤旋轉，將撐靴油缸收回，使刀盤底部支撐于洞底。主推進油缸收回帶動支撐盾向前移動，同時輔助推進油缸撐緊已拼裝好的管片。在支撐盾到達預定位置后，對各位置推進油缸和掘進方向進行調整，待TBM 方向調整結束后，使撐靴再次撐緊洞壁，換步至此完成。

4.1.2 階段二:在掘進的過程中完成管片拼裝

推進油缸推進旋轉的刀盤向前掘進1.5m，掘進反力傳遞到撐緊于洞壁的撐靴，出渣車設置在后配套區(qū)域，切削下的石渣通過主機皮帶機以及后配套皮帶機卸入連續(xù)皮帶機，最終通過自卸汽車運往棄渣場。同時，進行預制混凝土管片的拼裝，以及回填豆礫石、灌漿等作業(yè)。

4.2 雙護盾作業(yè)流程

雙護盾模式下的作業(yè)流程如圖2 所示。

圖2 雙護盾模式下的作業(yè)流程圖

4.2.1 對掌子面圍巖狀態(tài)進行判斷

參考上一循環(huán)的掘進參數、工程地質圖紙、石渣狀態(tài)等對掌子面圍巖狀況進行判斷，分析前方圍巖的含水量、發(fā)育程度、巖性、整體性等。若有需要，還可以通過超前地質探測的方式對其進行進一步的明確。

4.2.2 換步與調向

換步調向操作如前文所述，在換步過程中，TBM主司機應結合測量導向系統(tǒng)顯示的上一循環(huán)結束時TBM 的方位以及本掘進循環(huán)調向參考值對TBM 姿態(tài)進行調整，使掘進方向始終處于有效控制的狀態(tài)下。

4.2.3 掘進參數選擇

根據預先判定的掌子面圍堰狀態(tài)，對刀盤轉速、撐靴壓力、推力等參數進行選擇。

4.2.4 掘進及拼裝管片

掘進過程中，結合掘進參數的實際變化情況對圍巖變化進行判斷并進行及時調整，同時，結合以往的施工經驗確保圍巖狀況、掘進參數始終處于最佳匹配狀態(tài)［3］。

5 單護盾掘進模式

所謂單護盾掘進，就是指在軟巖條件下的隧洞開挖時，撐靴不再撐緊洞壁，主推進油缸不收回，支撐盾、前盾作為一個整體動作，在掘進過程中輔助推進油缸頂緊已經拼裝好的管片提供推理。

由于管片的拼裝無法在TBM 掘進時進行，因此只能在掘進完成并停止后完成管片的拼裝以及換步調向工序。

5.1 掘進步驟

單護盾掘進作業(yè)循環(huán)主要分為3個階段:

1)階段一:調向。在上一循環(huán)管片拼裝結束后，即可開始本循環(huán)作業(yè)，此時，輔助推進油缸的回收已經完成，及換步結束。

通過對輔助推進油缸的調整，使主機以刀盤底部接觸洞底的部位支點在豎直、水平兩個方向旋轉，從而使TBM 的掘進方向得到調整。

2)階段二:掘進。輔助推進油缸推動旋轉刀片向前掘進1.5m，掘進反力傳遞到拼裝好的管片，與后配套區(qū)域設置出渣列車，切削下來的石渣通過通過主機皮帶機以及后配套皮帶機卸入連續(xù)皮帶機，最終通過自卸汽車運往棄渣場。同時，進行回填豆礫石、灌漿等作業(yè)。

3)階段三:拼裝管片與換步。

5.2 單護盾作業(yè)流程

單護盾模式下的作業(yè)流程如圖3 所示。

相對于雙護盾模式而言，單護盾模式更適合斷層破碎帶、軟弱圍巖等地質洞段，在實際操作時，應嚴格遵守工藝流程及相關具體要求，做好超前地質探測預報，針對性選擇各類加固措施，為TBM 能夠安全、快速的通過提供最大程度的保障。

圖3 單護盾模式下的作業(yè)流程圖

6 TBM 掘進技術要點

在掘進開始前，應對液壓儀表盤的壓力進行全面檢查，包括壓力是否處于正常水平、指針是否回零、查看最新的故障、運行、檢修記錄等，確保無任何異?，F象存在。

將鑰匙開關插入并旋轉至開啟位置，隨后按下系統(tǒng)復位按鈕，確認人機界面無報警信息或警告。將報警器按鈕按下，并保持至少10 s，同時通知全部作業(yè)人員刀盤即將啟動。

隨后，將全部液壓驅動電機和馬達以及潤滑油泵開啟，將兩個后支撐撐腳與巖壁接觸，將前支撐油缸選擇在低壓位置撐出，確認冷卻水路、供水系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)［4］。

報警10 s后，啟動后配套皮帶機、TBM 皮帶機和刀盤電機。

啟動主推進油缸開始掘進，在掘進過程中，操作人員必須對設備的運行路線、坡度等進行實時監(jiān)測。

TBM 導向設備或激光靶標/激光束可用于TBM運行線路、坡度的監(jiān)測，在掘進過程中，操作人員應以監(jiān)測結果為依據，對TBM 的方向控制進行合理修正。

人機界面電流表會用紅線表示最大安全運行電流等級，任何電機不得在高于該電流等級的工況下運行，并且全部電流表度數應盡可能保持一致。若不同電流表讀數存在顯著差異，或是某些電機在高于其電流等級的工況下運行，應立即對問題的產生原因進行檢查。

一般來說，這種問題是在電流過大的同時存在較高的掘進推力造成的，在對主驅動電機電流以及推進力進行監(jiān)視的基礎上，對掘進速度進行適當的調整，即可獲得更為理想的掘進速率。

液壓動力系統(tǒng)中，掘進最高壓力值可以通過減壓閥進行限定，而PLC 則能將掘進壓力限制在一定程度以下。若掘進壓力超過該值，設備將自動中止掘進并在人機界面上提示錯誤信息。

前進速度設定后，若在油泵輸出功率保持一定的情況下出現推進壓力增加的問題，則說明圍巖的硬度開始增加。

此時，如果刀盤電機電流接近紅線，則操作人員應適當提升推進油泵的輸出功率;若在油泵輸出功率保持一定的情況下出現推進壓力減少的問題，則說明圍巖的硬度開始見效，可適當降低油泵的輸出功率。

一旦推進油缸活塞桿推出至行程極限，就必須停機，使油缸活塞桿能夠順利回收。

停機前，應使刀盤繼續(xù)保持一小段時間的轉動，以便對鏟斗、刀盤上的渣料得到清理，隨后按下刀盤電機停機按鈕。在確定皮帶機上無渣料存在后，可終止皮帶機的運轉。

準備換步時，將前支撐高壓伸出撐向巖壁，完全回收后支撐油缸，確保輔助油缸承推環(huán)完全推向最后安裝的管片環(huán)，打開主機操作室操作臺快速復位控制開關，快速收回主推進油缸，輔助推進油缸同時快速回收，最后將護盾復位。

將兩個后支撐的撐腳撐住巖壁，將前支撐油缸選擇在低壓位置撐出，將報警器按鈕按下至少10s，同時通知全部工作人員，刀盤即將啟動。

按此操作順序繼續(xù)進行正常的啟動和推進作業(yè)。

停機時，終止全部潤滑電機和液壓電機的運行，將控制電源開關旋至關閉位置。

終止機器的全部功能。

7 施工中的注意事項

在TBM 掘進過程中，全部輔助作業(yè)都應作為主機掘進的輔助，若無特殊情況，不能對主機的掘進作業(yè)產生影響。

施工中的注意事項有:

1)對車輛調度進行合理安排，確保豆礫石、注漿料、管片能夠及時運往指定地點。

2)鋼軌、風管儲藏筒等特殊材料的運輸應在最短時間內完成。

3)若遭遇不良地質條件，應嚴格執(zhí)行TBM 操作規(guī)程，不得為保障施工進度而已掘進機的損壞為代價。

4)掘進設備的操作應由專業(yè)技術人員進行。

5)施工操作應嚴格按照TBM 的各項技術規(guī)定。

6)施工中應注意液壓設備、電器設備的防火防水，電氣控制裝置在防水的同時還應配備防塵設施。

7)若有害氣體監(jiān)測儀報警，應立即啟動瓦斯洞段施工預案，確保人員和設備的安全。

［1］李貞婷. 雙護盾全斷面掘進機止水新工藝［J］. 科技與企業(yè)，2013(16):238 －238.

［2］張利民. 引洮單護盾TBM 掘進通過不良地質洞段施工技術［J］. 甘肅農業(yè)，2012(17):101 －102.

［3］阮懷勇. 單護盾TBM 通過不良地質洞段應對措施探討［J］. 中國新技術新產品，2012(03):117 －118.

［4］李進平. 雙護盾硬巖掘進機S301 操作總結［J］. 山西水利科技，2013(01):14 －16.