[科普中国]-[原创]全断面岩石掘进机在引黄工程中的应用

一、概述

从20 世纪90年代开始，我国在水利、电力、地铁及城市地下工程等行业开始逐步采用掘进机进行施工。全断面岩石掘进机（TBM）可以实现机械化连续流水作业，能同时完成破岩、出渣、支护、衬砌等作业，并一次成洞，掘进速度快，效率高，是一种快速、优质、安全、环保的施工机械。

山西省中部引黄工程是山西省“十二五”规划中大水网建设的一项重要工程，工程主要由384.5km 的输水隧洞及配套建筑物组成。隧洞开挖采用钻爆法和TBM 两种方式，其中TBM施工长度达80余km，约占隧洞开挖长度的22%。该工程TBM施工采用双护盾TBM 掘进，断面为圆形，直径5.06m。TBM 施工隧洞段衬砌为预制 C45 混凝土管片拼装式结构，管片内直径4.3m，管片厚度25cm，管片外直径4.8m，四片管片组成一环，管片型式为六边形蜂窝状结构，管片与围岩之间的空隙用豆砾石充填并进行回填灌浆。

TBM 施工包括隧洞掘进、回填灌浆、施工通风及除尘、施工期洞内排水、有害气体监测、TBM 机上及机外的通讯、管片制作及安装等措施。其中管片制作为常规预制混凝土。

二、TBM 掘进施工

（一）隧洞掘进

正常情况下掘进一个循环施工，刀盘及护盾在液压推进缸作用下向前掘进，同时水平支撑系统牢固的固定于洞壁，这时隧洞内后配套系统保持相对静止；刀盘停止运行，水平支撑油缸收回，稳定靴撑紧，通过推进油缸收回拖拽水平支撑滑动支架向前运动，此时连接于水平支撑滑动支架和后配套之间的牵引油缸跟随推进油缸的收回而伸出。伸出水平支撑油缸，通过收回连接于水平支撑滑动支架和后配套之间的牵引油缸，牵引后配套向前移动。

掘进机推进一般有自动扭矩控制、自动推力控制、手动控制模式三种控制模式，施工期间，通常选用手动推进模式。

掘进参数是影响掘进速度的重要因素，主要由刀盘的推进速度、扭矩、刀盘转速和推进力4个指标表示。正常情况下，选定的推进速度不大于35%电位计设定最大推进速度值，开始掘进时推进速度选择15%，之后逐渐提高推进速度，刀盘转速可选择较高转速，但推进力不宜太高。推进压力不小于120MPa，一般控制TBM推进平均速率为30mm/min；推进压力不小于80MPa，一般控制TBM推进平均速率为60mm/min。

当围岩软弱，岩石强度不足以支撑水平撑靴时，可采用单护盾掘进模式；对均质软岩、一般节理的地层，所需推进力较小，可选择自动扭矩推进控制模式，推进速度调整在80%左右，扭矩值不大于80%，且变化范围不大于10%，观察贯入度指标以小于12mm（20in 盘刀）为佳。

对岩石硬度变化较大、节理较发育的地层，选择手动控制模式，观察推力和扭矩的变化。此工况下，即使扭矩和推力均未达到额定值，也会使部分刀具过载，产生冲击载荷，降低刀具寿命，同时会造成主轴承受力恶化。故应尽量降低推进速度，控制在 30%以下。

有不规则的石渣块体出现时，应注意观察地质是否有较大的变化，查明情况后再进行掘进，可将刀盘转速降低并相应降低推进速度，待振动减少并恢复正常后，再将刀盘转速提高。

在节理发育、裂隙较多或破碎带、断层等地质条件下，掘进较为困难，应降低掘进速度低，还需经常停机进行超前预处理。控制扭矩变化范围不大于10%，控制贯入度指标在6mm以下。刀盘转速选用低速，推进速度开始为20%。待围岩变化趋势稳定后，推进速度可上调45%左右，扭矩变化范围小于10%。

当出渣皮带机上出现一定比例（如 20%左右）的块状石渣时，降低推进速度，控制贯入度不大于 6 mm。当皮带机上连续不断出现大量块状石渣时，调低刀盘转速，并降低贯入度。

在软弱围岩条件下的掘进，应特别注意支撑靴的位置和压力变化。撑靴位置选择不好，会在掘进中打滑，造成停机，也会直接影响掘进方向。此外撑靴刚撑到洞壁上时，洞壁较软，极易陷落，观察仪表盘上撑靴压力值下降较快，操作人员及时给撑靴补压，避免发生撑靴失压引起撑靴滑动。

对富水节理较发育洞段，应经常停机进行超前探测和放水，选择手动控制模式，观察推力和扭矩的变化，尽量降低推进速度，控制在 30%以下，控制扭矩变化范围不大于 10%，控制贯入度指标在 3 mm 以下。

（二）通风除尘、排水、有害气体监测及施工期通信

为方便节能，风机可根据掘进进度分级使用。当掘进长度在 3 km 以内时，采用一级供风可满足隧洞通风所需风量；掘进至 3～5 km 时，采用二级供风可满足隧洞所需风量；掘进至5～8 km处采用三级供风，直到掘进至 8 km 处采用四级供风。掘进长度超过 12 km，应设置通风支洞，布置二次增压风机，将新风送至TBM 机头部位，满足作业人员需要。

TBM 除尘采用 TBM 附带的 COGEMA DVS 6 干式除尘器，可满足 TBM 掘进时产生的粉尘除尘需要。洞内排水设计按照经常性排水量设计，考虑应急

排水的需要，洞内排水采用以封堵为主、排水为辅的原则，避免对泉域地下水环境产生影响。施工中根据设计图纸对可能的涌水段，打超前勘探孔，依据探孔出水量决定在周围进行超前灌浆，外水压力较小的洞段应采用表面封堵的方式，集中的渗水点应采用导管引出，随后封堵。在 TBM 伸缩盾内配置 3 台排污水泵，3 台水泵将污水排至 TBM 尾部污水箱，再通过2 台多级离心泵通过污水卷盘、洞壁排污钢管排至洞口污水沉淀池沉淀后排放。TBM 机尾设2台高扬程离心水泵，扬程 300 m，用于洞内突发涌水时强力排水。配套 1 台 300 kVA 备用发电机，以备大量涌水时送至机上的 20 kV 高压电断电时满足强排水泵排水需要。中部引黄工程隧洞所处的地理位置周围有煤矿采掘区、储煤区，地质条件复杂，施工过程中可能遇到煤系地层、放射性元素及有害气体，因此需要对这些可能存在的放射性元素、有害气体进行监测。

为保证施工安全，在隧洞施工的 TBM 掘进段布置有害气体监测设备。TBM 掘进机上安装一套有害气体监测系统，可监测瓦斯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、氧气、一氧化氮等 7 种气体，分别布置于伸缩盾、TBM 主机皮带机头部、操作室外、除尘风筒尾等位置。隧洞内有害气体监测系统通过安装于洞内工业广场、加利福尼亚道岔等部位的气体监测器，监测可燃气体、氧气、硫化氢、一氧化碳等气体的浓度，当监测气体超出设定上、下限值时，监测器将发出声光报警信号。

施工期通信包括TBM机上的通讯和TBM与机外的通讯两部分，TBM机上采用有线通讯、无线对讲机两种方式进行通讯，通过分布在操作室、前护盾、后配套尾部等5部矿用广播电话，相互间进行广播通话；通过无线对讲机，实现机上人员通讯。在洞外调度值班室安装有程控电话交换机，通过有线通讯方式，总调度室可与TBM机上TBM操作室、二次注浆系统、避险室等处，以及洞内错车道岔、洞内工业广场等处进行联络。

（三）管片运输、安装及回填灌浆

中部引黄工程衬砌所用预制管片分为D1，D2，D3 型。其中,D1 型管片用于Ⅱ，Ⅲ类围岩洞段，D2 型管片用于Ⅳ，Ⅴ类围岩洞段，D3 型管片用于特殊地质条件洞段。

用叉车将管片堆放场安装好止水条的管片混凝土管片运到轨道上的专用管片运输车上，固定装好。按照操作手册要求由管片安装操作工专人操作管片的安装。安装时应将管片环向接缝控制在标准范围内，并尽可能减小纵向缝的宽度。通过弯道时，要尽可能减少弯道内侧的接缝宽度，以保证弯道外侧接缝内的止水条相互接触，必要时对超过设计缝宽的洞段嵌填遇水膨胀橡胶止水条，然后再勾缝。

TBM 施工特点之一是开挖和管片安装两种施工活动同时进行，管片安装质量的好坏直接影响隧洞的防渗效果。为精确安装管片，首先安装底管片和顶管片，然后安装侧向管片，管片环安装完成后，管片的纵缝、环缝内燕尾槽用特制CK 砂浆勾缝，并将勾缝表面抹平。一环管片安装用时约15 min。一般不影响掘进速度。

相邻管片的环向缝之间的机械连接件（定位销）由硬质塑性材料制作而成，其抗拉强度最小为 40 N/mm2，抗剪断强度最小为 20 N/mm2。定位销插入预制管片上加入带肋塑料衬套的预留孔内，其抗拔力不小于 60 kN。每个管片接缝面设 2 个定位销。

管片短边的纵向斜接缝内装设由 PVC 制作的圆柱形导向杆，以利管片正确就位和保持接缝平整。

开挖隧洞断面与管片间的空隙底拱 90°范围内采用砂浆回填，其余间隙采用豆粒石回填灌浆。根据工程实践，每隔 50～90 m 形成一道封闭环效果较好。具体封闭环距离根据现场实际情况确定。灌浆通过预制管片安装孔进行。在灌注中严格控制灌注压力，最大压力控制在 0.5 MPa 之内。在 TBM 后配套的中部，按一定的孔序用特制的 CK 砂浆将非灌浆孔进行封堵。

三、结语

目前，TBM 施工在国外长大隧道、重要隧道工程得到了广泛应用。我国于20世纪90年代在水利工程上开始使用，但由于购置掘进机及其配套设备费用昂贵，且掘进机及其他配套设备在很大比例尚需依赖国外采购，因此国内很多承包商还没有掌握掘进机施工技术，施工经验缺乏。掘进机施工在修筑长大隧洞上的速度和质量优势，必将在我国今后的经济建设和西部大开发建设中得到广泛应用。

编辑：王慧