高文先

（山西黃河水利工程咨詢有限公司 山西太原 030012）

全斷面巖石掘進機（TBM）是用于全斷面開挖圓形的硬巖隧道并同時進行錨噴支護或襯砌混凝土管片的一種先進的機械化設備。由安裝若干把切削巖石刀具的刀盤及其驅動裝置、液壓推進系統(tǒng)、錨噴支護或管片安裝系統(tǒng)、控制方向的激光導向系統(tǒng)和材料、巖渣運輸系統(tǒng)等組成。TBM分開敞式和護盾式兩種，護盾式又有單護盾、雙護盾和三護盾等形式。其隧道施工技術與設備具有開挖快、優(yōu)質、安全、經(jīng)濟、對巖體擾動小、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度等優(yōu)點，已在很多國家的水利水電、鐵路、交通、城市建設等地下工程施工中得到廣泛應用。筆者參加了我國西部某工程TBM施工的監(jiān)理工作。該工程引水隧洞總長31.9 km，TBM施工段23.7 km，斷面為圓形預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌后內徑為6.0 m。六邊形由于地質復雜多變，遭遇了斷層及破碎帶、地下涌水、流砂、膨脹巖、軟巖、極軟巖等不良地質條件，造成TBM卡機48次，總卡機時間369天。在參建四方的不懈努力下歷時4年零2個月完成了獨頭掘進的艱巨任務。

1 監(jiān)理在TBM開挖過程中的質量控制

該工程TBM開挖是將基本導線引入洞內，采用SLS-T導向系統(tǒng)控制掘進方向。在確認TBM儀表盤的壓力無異常狀態(tài)下啟動所有液壓系統(tǒng)液壓馬達，啟動潤滑油泵；確認供水系統(tǒng)、冷卻水路處于運行狀態(tài)。啟動刀盤的驅動系統(tǒng)，使刀盤運轉，再啟動主推（或輔推）進油缸開始掘進。在圍巖較好洞段，TBM采用雙護盾模式掘進。即將后護盾內一對水平撐靴伸出與巖壁撐緊，起到支撐作用，并將推力和扭矩傳給洞壁，將前護盾支撐油缸（穩(wěn)定器）選擇在低壓位置，刀盤開始旋轉并和前護盾在主推進油缸的推力下前進；在圍巖較差洞段，TBM采用單護盾模式掘進，即受圍巖或TBM本身的限制，撐靴不能頂緊巖壁，前護盾和后護盾合成一體，伸縮護盾完全閉合，主推進油缸收回，由輔助推進油缸支撐管片產(chǎn)生的反作用力推進主機進行開挖。

TBM施工機械化程度高，洞軸線出現(xiàn)偏差不容易修復?；緦Ь€的偏差直接影響激光導向偏差。為此，在TBM施工中采用雙導線控制洞軸線。在該項目監(jiān)理依據(jù)施工合同、監(jiān)理細則及相關規(guī)范規(guī)定，在TBM開挖過程中嚴格控制其高程和方向。隧洞任何位置及貫通時的軸線的水平誤差不得超過±100 mm、特殊洞段±200 mm，垂直誤差不得超過±60mm、特殊洞段±120mm。

1.1 基本導線監(jiān)理控制

（1）審批承包人員、儀器及檢定和貫通測量方案。（2）跟蹤外業(yè)每站測量過程，即TBM每掘進約50 m，督促承包人從基本導線上延伸一個施工導線點作為測站，保證TBM按設計軸線掘進。（3）TBM每掘進約500 m，監(jiān)督承包人延伸布設一個基本導線點，精密測量后報批，并及時用于糾正施工導線，向TBM導向系統(tǒng)傳導，通過基本導線控制施工導線。（4）通過VMT系統(tǒng)和施工導線點隨時測定刀盤中心坐標并轉換為軸線樁號、偏差值，指導TBM操作手糾偏。

1.2 TBM激光導向監(jiān)理控制

TBM在掘進施工過程中，經(jīng)常會發(fā)生上、下、左、右的姿態(tài)偏差或滾動，嚴重影響TBM方向的調整和隧洞施工質量。造成TBM發(fā)生上、下、左、右的姿態(tài)偏差或滾動主要原因：

（1）由于掌子面巖層軟硬不均，導致TBM刀盤發(fā)生下沉或左右偏差，影響TBM掘進方向的調整。

（2）在軟巖地層，由于持續(xù)的開挖導線偏差導致管片安裝環(huán)偏離安裝軸線，致使輔助推進液壓油缸推力中心偏離，可能發(fā)生管片爆皮破損，間接引起TBM掘進方向難以控制。

（3）由于存在一定的塌方，穩(wěn)定器不能有效支撐，導致TBM在掘進開挖過程發(fā)生護盾滾動，影響TBM開挖和管片安裝。

為此，現(xiàn)場監(jiān)理每60 min到操作室觀察、記錄TBM主驅動電機電流變化情況、激光導向指示情況（如激光脫離靶心）等情況，當偏差達允許值的50%，即洞軸線垂直偏差顯示值大于等于30 mm或小于等于-30 mm、洞軸線水平偏差大于等于50 mm或小于等于-50 mm時提示TBM操作手采取糾偏措施，糾偏率控制在±4mm/m內；如遇軟巖地層宜采用單護盾模式，使前后護盾成為一個整體，有效避免支撐護盾鏟渣，控制刀盤下沉；發(fā)生護盾滾動的情況時，提示TBM操作手宜利用反扭矩油缸，同時配合雙護盾模式反復調整姿態(tài)，保證TBM掘進時方向的正確性。

1.3 地質監(jiān)理控制

（1）主要在TBM檢修時通過刀盤孔檢查掌子面，通過尾盾窗口觀察圍巖變化及滲水情況。

（2）在掘進中通過棄渣巖塊的規(guī)格大小，顏色，主要成分及可見擦痕、鏡面、階步等，分析判斷圍巖變化情況。發(fā)現(xiàn)異常情況及時通知承包人做取樣試驗，為設代提供變更管片依據(jù)。

（3）審查簽認承包人的地質日報、地質剖面圖及階段地質報告，分析TBM開挖的工作效率及影響因素。

2 監(jiān)理對預制混凝土管片安裝過程的控制

該工程預制混凝土管片為六邊形，設有2道止水，寬160 cm，厚28 cm，四片拼裝一環(huán)，成洞內徑6 m。管片安裝是TBM開挖后，在尾護盾利用管片安裝機進行，一環(huán)管片的安裝分兩次完成，先安裝底、頂管片，后安裝兩片側管片。每片管片接縫面設有四個連接銷孔，相鄰管片通過連接銷連接，保證管片安裝接縫平順。管片安裝完成后，用CK砂漿進行勾縫。

在雙護盾模式下，TBM開挖與管片安裝可同步進行，單護盾模式下不能同步。

2.1 進洞管片控制

（1）監(jiān)理檢查進洞管片是否合格，蓋合格章為識別標記。（2）進洞管片型號是否符合設計要求，即檢查管片模具編號處所標管片型號與開挖圍巖是否相對應。（3）進洞管片外觀質量是否符合進洞要求，即檢查管片有無缺棱掉角、止水帶脫落或破損等。（4）連接銷和限位板是否滿足安裝需求，即檢查連接銷孔內是否干凈、限位板焊接是否符合設計要求。

2.2 管片安裝質量控制

（1）管片環(huán)徑向誤差為±20 mm。（2）管片安裝質量管片中心區(qū)接縫寬度允許偏差：直段小于等于8 mm，彎段內側小于等于5 mm、外側小于等于10 mm。（3）管片接縫處錯臺允許偏差：小于等于10 mm。（4）管片安裝后承包人在第二環(huán)位置開始對管片接縫處進行量測，每量測五環(huán)監(jiān)理復核一次。

2.3 管片修復質量控制

（1）管片修復砂漿嚴格按照批準的配合比（見表1）現(xiàn)場配制。

（2）跟蹤見證取樣并抽檢。（3）管片修復上道工序未經(jīng)監(jiān)理驗收，不得進入下道工序。（4）對承包人未經(jīng)監(jiān)理驗收的管片修復工程量不予計量，同時令其返工。

表1 管片修復砂漿配合比

2.4 勾縫、封孔質量控制

（1）勾縫、封孔砂漿嚴格按照批準的配合比（見表2）現(xiàn)場配制。

表2 勾縫封孔砂漿配合比

（2）跟蹤見證取樣并抽檢。（3）不定時檢查承包人管片安裝后的勾縫、封孔施工過程，發(fā)現(xiàn)管片安裝后接縫較寬時，通知承包人及時鑲嵌止水條再勾縫，使止水條起到止水作用。（4）勾縫封孔后砂漿如不飽滿順平，與管片結合不緊密，表面有裂縫，旁站承包人返工。

3 監(jiān)理對豆礫石回填灌漿過程質量控制

豆礫石回填灌漿工序屬隱蔽工程，是TBM施工中的主要工序，是在管片安裝完畢推出尾盾3環(huán)后，利用預制混凝土管片預留安裝孔自下而上對管片外側環(huán)形空隙對稱充填豆礫石（豆礫石粒徑一般為5～10 mm），用CK砂漿隔環(huán)封孔后進行灌漿。為了施工中統(tǒng)計方便，按TBM掘進順時針方向將各孔編號為A-B-C-D-E-F-G-H-I（如圖1所示）：

圖1 預留安裝孔編號圖

施工工藝流程：豆礫石回填→底管片非灌漿孔封孔→TBM后配套前部灌漿 (底拱60O范圍回填砂漿或先充填豆礫石后回填灌漿)→側、頂管片非灌漿孔封堵→TBM后配套尾部自下而上對稱灌漿→封孔→檢查。為了加強豆礫石回填灌漿質量，根據(jù)設計要求，從設計樁號76+495.746（8455環(huán)）開始設封閉環(huán)，間距30～100 m。封閉環(huán)安裝后，采用北京瑞米加固I號化灌材料整環(huán)化灌封閉。從而使回填灌漿達到起壓快、串漿距離短、耗時少，漿液結石密實度高的效果。豆礫石回填灌漿施工質量的好壞直接關系到洞體的安全與穩(wěn)定運行，是監(jiān)理控制的重點。

3.1 原材料控制

現(xiàn)場監(jiān)理復核每一次水泥、粉煤灰、豆礫石等原材料進洞數(shù)量、生產(chǎn)日期、豆礫石遜徑是否超標等。

3.2 豆礫石回填控制

（1）檢查豆礫石是否干凈濕潤、豆礫石噴射機運行是否正常。

（2）遇圍巖收斂變形洞段或膨脹巖洞段時要求承包人先回填側拱,頂拱滯后，以避免頂管片承壓破裂甚至坍塌。

（3）圍巖較為穩(wěn)定洞段要求承包人按照批準的施工方案及時回填，如豆礫石跟不上時，應及時對側拱回填、頂拱利用第二天設備檢修時間進行補填。

3.3 底拱砂漿回填控制

施工部位：連接橋。（1）按批準的配合比（見表 3）制漿。（2）監(jiān)理全程旁站底拱砂漿回填過程，壓力要求：0.2～0.3MPa。（3）每單元（200 m）注漿孔數(shù)124～125個。

表3 底拱回填砂漿配合比

（4）封孔需滿足圖2規(guī)定。

圖2 灌漿孔，封堵孔位置圖

3.4 回填灌漿控制

施工部位：后配套尾部。（1）在開灌前，監(jiān)理檢查封孔是否合格、預留灌漿孔是否滿足每單元（200 m）287～292個的要求（見圖3）。

圖3 每單元封堵孔、灌漿孔位置

（2）檢查是否按批準的配合比（見表4）制漿。

表4 回填灌漿配合比

（3）監(jiān)理每60 min檢查一次漿液比重。閉漿要求：5 min內不進漿或10 min內進漿量小于5L，D、F孔的閉漿壓力0.6 MPa、其他孔閉漿壓力0.4 MPa（已含0.1 MPa管路損耗）。

3.5 豆礫石回填灌漿質量檢查

根據(jù)承包人提交的豆礫石回填灌漿記錄表，布置檢查孔。對豆礫石回填灌漿質量檢查的全過程進行旁站。合同規(guī)定：壓水檢測每200 m進行1次，在灌漿實施7 d后進行鉆孔壓水或壓漿檢測，在0.3 MPa的壓力下初始10 min內注入量不超過10 L為合格，壓漿檢測是在0.3 MPa的壓力下初始10 min內注入量不超過5 L為合格；如壓水或壓漿檢查不滿足合同要求，指令承包人及時補灌，直至合格。取芯檢測每200 m4個，在豆礫石回填灌漿28 d（加粉煤灰為90 d）后芯樣抗壓強度檢測標準為C10，能做抗壓強度的芯樣每個單元不少于1個，每個分部不少于8個；如取出的芯樣不成形或松散體、芯樣蜂窩達1/3長度時為不合格，要求承包人及時進行補灌，補灌28 d（加粉煤灰為90 d）后在補灌孔周邊10 m范圍重新布孔檢測。壓水或壓漿試驗、取芯檢查程序滿足合同或設計要求時，對檢查結果進行簽認。

4 TBM通過不良地質洞段施工質量監(jiān)理控制

該工程地質構造復雜，開挖揭露的IV、V類圍巖占90%以上，TBM在施工中遭遇到斷層發(fā)育洞段、泥質膨脹巖發(fā)育洞段、煤系地層洞段、放射性地質環(huán)境洞段、土洞段、含水洞段等不良地質洞段，使得TBM掘進時要么方向偏移，管片安裝接縫超標、錯臺大和裂縫；要么機頭被壓、盾體抱死導致卡機。為防止TBM通過后出現(xiàn)洞體坍塌等事故發(fā)生，確保管片安裝后的穩(wěn)定和隧洞的施工安全，監(jiān)理從以下幾方面加以控制：

1）TBM通過不良地質洞段預案審查。即要求承包人針對不同地質條件制定對應的施工預案，并根據(jù)揭露的圍巖狀況進行細化，以便TBM施工通過。

2）TBM掘進遭遇不良地質時的控制。

（1）監(jiān)理會同發(fā)包人、設計、承包人地質人員跟蹤作業(yè)，根據(jù)初設地質報告和TBM正常工作時，對巖渣的巖性、塊度、成分和變化趨勢作出判斷，及運行過程中，TBM精確地紀錄下了包括液壓推進油缸的實時壓強(MPa)，主電機的功率參數(shù)（kW），以及機頭前進速度（mm/h）等判斷前方地質條件的變化。

（2）同時在停機和刀具檢修時，使用TBM在護盾上的觀測窗口，地質工程師對圍巖觀察作出的判斷；從刀盤進入掌子面對圍巖的觀察作出判斷。

（3）要求承包人進行超前地質預報，如通過超前地質鉆探的芯樣、鉆進速度，或通過高密度電阻法測量等對前方的圍巖進行詳細的探測。

（4）要求承包人加強設備保養(yǎng)，增加開挖直徑，使得TBM在通過不良地質洞段時處于良好的工作狀態(tài)。

（5）如遇卡機時，承包人應對TBM主機部位的全部或局部巖石進行人工擴挖解負，同時對頂部圍巖和掌子面進行固結灌漿加固處理；然后調整TBM姿態(tài)和掘進參數(shù)，向前推進。TBM脫困后，將擴挖部位用素混凝土回填，空間較小時可回填豆礫石。

（6）安裝重型管片，必要時整環(huán)用鋼板鎖死，確保TBM通過后隧洞的安全與穩(wěn)定。

通過艱苦細致的監(jiān)理工作，在參建各方的積極配合下，克服重重困難，于2009年年底隧洞精準貫通，得到安全鑒定專家組的高度評價。