淺談水利工程TBM施工技術(shù)應(yīng)用

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【摘要】TBM技術(shù)的全稱是斷面隧道掘進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)主要應(yīng)用在大型隧道開挖施工中。該技術(shù)具有機(jī)械強(qiáng)度較高，施工質(zhì)量好、施工速度快等一系列優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)TBM工藝原理進(jìn)行了介紹，對(duì)該技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的探究。

【關(guān)鍵詞】水利工程；tbm施工；初期支護(hù)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家電力需求越來越大，給水利水電事業(yè)的發(fā)展帶來了巨大的契機(jī)。為了提高大規(guī)模水利工程施工質(zhì)量，我國目前越來越重視隧道施工質(zhì)量，使得TBM施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

1工程概況

本文水利工程線路全長(zhǎng)為148.246km，一共需要建設(shè)5條隧道，隧道的總長(zhǎng)度為140.771km，經(jīng)過全面研究施工規(guī)劃，決定應(yīng)用TBM及鉆爆法對(duì)隧道進(jìn)行施工。本標(biāo)段的主要施工內(nèi)容有：隧洞進(jìn)口明挖段50m，主洞段34.752km；5條施工支洞，總長(zhǎng)度為2.284km；入庫檢修泵站機(jī)電設(shè)備的安裝、永久性施工道路以及供水管線系統(tǒng)等。為了保證該水利工程的整體施工質(zhì)量，本文對(duì)TBM施工技術(shù)展開了全面分析。

2TBM的工藝原理、設(shè)備配置及施工方法

2.1TBM的工藝原理及施工特點(diǎn)

TBM設(shè)備的主要構(gòu)成部分有：推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤、支撐、機(jī)頭架和大梁，其具體的工作原理是通過綜合利用自主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、超前處理系統(tǒng)以及牽引系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)開挖操作。整個(gè)工藝流程包含TBM掘進(jìn)、出渣和初期支護(hù)三個(gè)施工環(huán)節(jié)[1]。在正式運(yùn)行設(shè)備前，工作人員需要對(duì)后配套系統(tǒng)調(diào)試。概括來說，TBM施工技術(shù)的特點(diǎn)有：①施工速度快，施工效率高，可以保證掘進(jìn)施工連續(xù)進(jìn)行，初期支護(hù)、掘進(jìn)和出渣作業(yè)可以同步完成；②施工質(zhì)量好，應(yīng)用機(jī)械破巖的施工方式可以避免對(duì)周圍巖體的擾動(dòng)，極大程度降低了模筑混凝土襯砌工程量；③施工過程十分高效，不僅可以節(jié)省工期，還節(jié)省了后期的運(yùn)維成本，極大地提高了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益；④施工過程較為安全，可以有效減少人工作業(yè)量，將安全事故的發(fā)生概率降到最低。另外，該基礎(chǔ)還具有施工過程較為環(huán)保、自動(dòng)化程度較高、出渣能力較強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。

2.2TBM設(shè)備配置

根據(jù)施工方法和具體的施工要求配備TBM設(shè)備，確保所有的設(shè)備都能穩(wěn)定地發(fā)揮其性能；保證TBM設(shè)備配置必須具有以下四個(gè)基本功能：掘進(jìn)、出渣、導(dǎo)向、支護(hù)。在配置輔助設(shè)備之前，施工企業(yè)需要和設(shè)備供應(yīng)商反復(fù)討論和溝通，設(shè)計(jì)和優(yōu)化輔助設(shè)備的型號(hào)、規(guī)格及數(shù)量，以滿足施工實(shí)際要求為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)設(shè)備最優(yōu)配置。需要注意的是，應(yīng)盡可能選擇先進(jìn)的施工設(shè)備，以此進(jìn)一步提高設(shè)備應(yīng)用效率。綜合考慮實(shí)際施工出渣強(qiáng)度、渣土運(yùn)輸距離、洞內(nèi)空間大小以及隧道的坡比情況選擇規(guī)格合適的出渣運(yùn)輸設(shè)備和出渣方式，確保出渣設(shè)備的生產(chǎn)能力符合項(xiàng)目排渣需求。在我國范圍內(nèi)，通常應(yīng)用軌行式渣車或連續(xù)皮帶機(jī)作為施工現(xiàn)場(chǎng)的主要排渣設(shè)備，并根據(jù)圍巖條件以及掘進(jìn)設(shè)備類型選擇最合理的支護(hù)設(shè)備。

2.3TBM的施工方法及影響因素

應(yīng)用TBM施工技術(shù)時(shí)，掘進(jìn)方向的控制是十分重要的內(nèi)容[2]，只有控制好掘進(jìn)方向才能控制好盤型滾刀的受力，而一旦刀具出現(xiàn)損壞問題除了會(huì)影響實(shí)際施工進(jìn)度，還可能導(dǎo)致隧道超挖問題，使得后續(xù)的工程量不斷增加，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量和工期。為了更好地控制TBM掘進(jìn)方向，需要注意以下內(nèi)容：充分的調(diào)研；確定最佳的施工方向參數(shù)；控制好設(shè)計(jì)中線和掘進(jìn)軸線之間的偏差；邊掘進(jìn)邊調(diào)整。TBM的工作模式主要有三種：手動(dòng)控制模式、自動(dòng)扭矩控制模式以及自動(dòng)推力控制模式。其中，前者可以應(yīng)用于各種地層的施工，后兩種工作模式適合于均質(zhì)軟巖和均質(zhì)硬巖的施工。在實(shí)際施工中，斷層、破碎地帶、擠壓或碰撞斷層等不良地質(zhì)條件會(huì)限制TBM施工性能的發(fā)揮，因此在施工前需要做好全面的調(diào)研，做好充分的準(zhǔn)備，針對(duì)可疑地段注意加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)。當(dāng)施工到達(dá)特殊地段前50m時(shí)，應(yīng)徹底檢修TBM電氣、灌漿、液壓和機(jī)械等系統(tǒng)，確保實(shí)際施工可以順利通過不良地質(zhì)洞段。正常施工時(shí)，需要認(rèn)真分析巖渣的成分、巖性、變化趨勢(shì)以及塊度，并且記錄好各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，以此為基礎(chǔ)判斷施工前方巖石的實(shí)際情況。此外，針對(duì)刀盤鏟斗進(jìn)料口進(jìn)行封堵設(shè)計(jì)，確保一旦遇到不良地質(zhì)條件可以減少出渣量，保證TBM施工的連續(xù)性。

3TBM技術(shù)在工程施工中的具體應(yīng)用

3.1初期支護(hù)方式

針對(duì)主洞中的Ⅱ類圍巖進(jìn)行支護(hù)施工時(shí)，需要應(yīng)用噴射混凝土進(jìn)行永久性支護(hù)，TBM掘進(jìn)工作中混凝土的圓心角為70°。在對(duì)Ⅲ類圍巖進(jìn)行施工時(shí)，在頂拱周圍設(shè)置錨桿，探測(cè)實(shí)際的施工情況。應(yīng)按照梅花布孔的方式設(shè)置鋼筋網(wǎng)和錨桿，再應(yīng)用12cm的混凝土噴射成型。并以開口環(huán)梁以及掛網(wǎng)鋼筋作為支護(hù)支撐，掛網(wǎng)鋼筋和開口環(huán)梁的主要材質(zhì)為槽鋼，運(yùn)用3.0m左右的錨桿加以固定，然后噴射12cm混凝土。對(duì)Ⅳ類圍巖進(jìn)行施工時(shí)，需要應(yīng)用到長(zhǎng)度為3m的錨桿支護(hù)和200mm×200mm鋼筋網(wǎng)，設(shè)置好以上內(nèi)容后噴射12cm厚混凝土。針對(duì)中間存在較差巖體膠結(jié)的地段進(jìn)行施工時(shí)，需要設(shè)置拱架并控制拱架間距處于900~1800mm之間，然后噴射15cm厚混凝土，在整個(gè)施工過程中TBM掘進(jìn)圓心角均為70°。在對(duì)V類圍巖進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)用到長(zhǎng)度為3.5m的錨桿支護(hù)，并且注意控制錨桿之間的距離為1.0m，并運(yùn)用150mm×150mm鋼筋網(wǎng)，控制好錨桿和鋼筋網(wǎng)的間距，再噴射15cm厚混凝土。在后期支護(hù)施工中，往往應(yīng)用到大型鋼膜臺(tái)車以及TBM施工技術(shù)，本工程的掘進(jìn)施工總體流程如圖1所示。掘進(jìn)施工前做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)于不良地段采用超前處理的方法，確保掘進(jìn)施工順利有序進(jìn)行。針對(duì)不需要超前處理的地段，掘進(jìn)施工中邊清理邊掘進(jìn)，并注意做好初期支護(hù)。完成一段掘進(jìn)施工后應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)向和更換，再繼續(xù)下一輪的掘進(jìn)。本工程中，工作人員對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果和實(shí)際施工情況進(jìn)行了仔細(xì)的對(duì)比，一旦出現(xiàn)預(yù)報(bào)和實(shí)際情況不符的情況，需要重新處理。

3.2TBM施工的啟動(dòng)階段

啟動(dòng)TBM掘進(jìn)機(jī)后應(yīng)立即確定最合理的掘進(jìn)方向。這時(shí)設(shè)備的支撐部分位于前位位置，撐靴為設(shè)備提供支撐作用。確定掘進(jìn)方向后提起支撐，啟動(dòng)切削盤，對(duì)液壓缸提供推進(jìn)作用。完成掘進(jìn)施工后進(jìn)行換步作業(yè)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)切削盤，將后支撐部位伸出至隧洞的底部，這時(shí)后支撐部位為TBM設(shè)備提供支撐作用。利用水平支撐收回油缸，再收回油缸支撐，為了避免回收水平支撐的過程中對(duì)活塞桿的收回造成影響，利用液壓缸供油，供油方式為反方向供油，外機(jī)架與水平撐靴應(yīng)按照同步的狀態(tài)向前方移動(dòng)。

3.3TBM施工的掘進(jìn)階段

應(yīng)用TBM施工技術(shù)時(shí)，掘進(jìn)施工階段主要分為五個(gè)環(huán)節(jié)和步驟：（1）應(yīng)用側(cè)向撐靴固定TBM刀盤的后部，確保其緊貼洞壁。只有側(cè)向撐靴和楔塊油缸相互配合才能更好地鎖定支撐位置，為洞壁提供反作用力，控制水平掘進(jìn)的方向不發(fā)生任何程度的偏移。合理調(diào)整前支撐的位置，避免其發(fā)生偏移的同時(shí)保證垂直掘進(jìn)的方向[3]。（2）完成上一步施工后適當(dāng)推進(jìn)油缸，并轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤開始掘進(jìn)，掘進(jìn)過程中的推進(jìn)力由刀盤滾刀提供，通常來說刀盤滾刀所提供的推進(jìn)力可達(dá)到250kN。（3）掘進(jìn)施工時(shí)，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件確定好TBM設(shè)備的運(yùn)作參數(shù)。硬巖結(jié)構(gòu)因?yàn)閺?qiáng)度較高，為了保證施工效果需要應(yīng)用扭矩為4500kN•m的刀盤，控制刀盤的轉(zhuǎn)速在4.5—6.5r/min之間。（4）掘進(jìn)施工中油缸負(fù)責(zé)為刀盤提供推力，如果隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，那么掘進(jìn)過程中水平撐靴板可能會(huì)受到推進(jìn)的反作用力，這時(shí)在水平撐靴板的作用下，水平支撐油缸會(huì)給洞壁提供支撐。水平支撐板負(fù)責(zé)支撐洞壁，為掘進(jìn)的過程提供一個(gè)足夠安全和穩(wěn)定的內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)，極大地提高了掘進(jìn)過程的安全性。（5）完成施工后，撤掉水平撐靴板以及側(cè)面撐靴等支護(hù)設(shè)備，這時(shí)所有的重量均由TBM設(shè)備支撐。TBM掘進(jìn)機(jī)到達(dá)后續(xù)施工地點(diǎn)后需要對(duì)其適當(dāng)移動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)掘進(jìn)位置后工作人員重新調(diào)整軸線的方向，布置好導(dǎo)向定位裝置。

4結(jié)束語

在大規(guī)模隧道施工中，TBM施工技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)較為明顯。在我國該技術(shù)出現(xiàn)和應(yīng)用的時(shí)間雖然較短，但是經(jīng)過不斷的施工、實(shí)踐和總結(jié)，TBM施工技術(shù)的應(yīng)用水平得到大幅提升。本文對(duì)TBM的工藝原理及施工方法進(jìn)行了介紹，探討了TBM施工技術(shù)在水利工程中的應(yīng)用，希望可以為該技術(shù)在其他工程中的應(yīng)用提供借鑒和參考。

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作者：劉彥章 單位：中鐵十六局集團(tuán)第二工程有限公司