蔡文華 劉長喜

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院 甘肅蘭州 730000）

1 工程概述

甘肅引洮供水一期工程總干渠 9#隧洞是本工程最長的一條隧洞，全長18275m（樁號67+369～85+644），設(shè)計橫斷面型式為圓型。TBM設(shè)備開挖直徑5.75m，由4片管片襯砌拼裝組成一個整體封閉環(huán)，管片設(shè)計強(qiáng)度為C45預(yù)制鋼筋混凝土、設(shè)計寬度1600mm、設(shè)計厚度280mm，襯砌后凈斷面尺寸(直徑)D＝4.96m。開挖圍巖與管片背部間隙采用5～10mm豆礫石回填并灌漿。設(shè)計縱坡為1/1650，設(shè)計流量32m3/s，加大流量36m3/s。隧洞軸線方向NE35°，穿越薄層黃土覆蓋的中低山峁梁區(qū)，最大埋深444m。

2 工程地質(zhì)條件

9#隧洞工程圍巖類別為～ⅡⅤ類，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖長度為8240m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖長度為10035m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占隧洞總長的54.91%。

從前期勘探及施工揭示的工程地質(zhì)條件看，隧洞地層巖性非常復(fù)雜，巖相變化頻繁。隧洞進(jìn)口位于白土坡溝道左側(cè)的基巖坡腳處，洞口部位為較疏松的洪積含礫黃土狀土。樁號 67＋419.00～68＋252.00段（長度833m）圍巖巖性為上第三系(N2L3)磚紅色互層狀的黏土質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、夾砂巖、砂礫巖，以泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度差，結(jié)構(gòu)疏松，屬極軟巖；樁號68＋252.00～72+571.00段（長度4219m）圍巖為前震旦系（AnZmx3）的大理巖，部分段夾石榴子片巖，層中多有前寒武系輝綠巖（V1-2）、花崗閃長巖（δ1-2）侵入體，斷層破碎帶及其影響帶寬度一般在 16～20m；樁號 72+571.00～73+317.00段（長度 746m）圍巖巖性為前震旦系（AnZmx3）花崗片麻巖, 部分段夾有片巖、大理巖，層中多有前寒武系的輝綠巖（V1-2）、花崗閃長巖（δ1-2）侵入體；樁號73+317.00～77+261.00段（長度3944m）圍巖為下第三系固原群（Egy）中厚層泥鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖、含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖，圍巖巖相復(fù)雜、巖性多變，軟巖為主，遇水易軟化，強(qiáng)度較低；樁號77+261.00～80＋837.00段（長度3576m）為下第三系固原群（Egy）巨厚至厚層狀含漂石的礫巖，夾泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，礫巖中漂石含量在10%左右，最大粒徑大于 2m，礫及砂含量在 70%～80%，泥含量約10%～15%，含少量孔隙水，強(qiáng)度較低；樁號80+837.00～84＋112.00段（長度 3275m）圍巖為前震旦系（AnZmx3）花崗片麻巖、 片巖、大理巖，層中多有太古代至元古代的輝綠巖（V1-2）、花崗閃長巖（δ1-2）侵入體；樁號84＋112.00～85＋594.00段（長度1482m）圍巖巖性為N2L3磚紅色互層狀泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，局部夾砂礫巖及薄層泥巖；隧洞出口位于陽陰峽溝道左岸的黃土斜坡段，洞口部位覆蓋有7～10m坡洪積黃土狀土。

3 TBM設(shè)備施工參數(shù)

在TBM設(shè)備選型確定后，TBM設(shè)備施工掘進(jìn)過程中，結(jié)合地層巖性、圍巖的完整性、強(qiáng)度、TBM設(shè)備施工特點等條件選擇施工參數(shù)至關(guān)重要。

TBM設(shè)備的掘進(jìn)參數(shù)，主要是指TBM設(shè)備施工掘進(jìn)時，刀盤推進(jìn)時的推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤驅(qū)動電機(jī)電流、主推進(jìn)油缸壓力、支撐油缸壓力、出渣量、豆礫石回填量及灌漿等指標(biāo)。同時，開挖斷面設(shè)備掘進(jìn)軸線、高程、TBM盾體姿態(tài)、測量監(jiān)控系統(tǒng)（TBM配置的PPS系統(tǒng)）也作為主要控制指標(biāo)，為TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)的選擇提供支持性依據(jù)。

施工過程選擇有代表性的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，成果見表 1。表中最大值、最小值分別按時間段和掘進(jìn)段進(jìn)行統(tǒng)計分析，平均值為所統(tǒng)計參數(shù)的算術(shù)平均值。

表1 TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計表

4 施工掘進(jìn)分析

正常施工掘進(jìn)時TBM設(shè)備掘進(jìn)施工采用的是雙護(hù)盾掘進(jìn)模式，其掘進(jìn)參數(shù)需隨地層巖性的圍巖類別、強(qiáng)度、巖性的變化而進(jìn)行相應(yīng)的施工調(diào)整，以使TBM設(shè)備能夠保持掘進(jìn)時推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力的相對平穩(wěn)，易破巖，使掘進(jìn)開挖軸線、管片安裝軸線與設(shè)計軸線的偏差控制精度得到保證，為管片拼裝創(chuàng)造良好的條件。同時，合理選擇刀盤推力等掘進(jìn)參數(shù)，可進(jìn)一步降低刀具（正常和非正常）損耗、節(jié)省成本投入、提高破巖效果、減少停機(jī)時間，進(jìn)行正常、均衡生產(chǎn)。

從表1統(tǒng)計分析可以看出，TBM設(shè)備掘進(jìn)隨地層巖性、圍巖條件不同，其掘進(jìn)參數(shù)指標(biāo)是不相同的，具體分析如下：

（1）刀盤推進(jìn)速度。刀盤推進(jìn)速度起伏較大，說明巖石軟硬強(qiáng)度變化范圍較大、完整性變化速率較快，圍巖巖性沿開挖軸線凹凸起伏變化。當(dāng)圍巖巖石強(qiáng)度較軟、巖石結(jié)構(gòu)分布較均勻，主推油缸推力相對較小時，刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)速度較快。當(dāng)圍巖巖石強(qiáng)度突然變硬，推進(jìn)油缸壓力較大，刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)速度迅速降低，一般控制刀盤推進(jìn)速度為100～120mm/min。 施工作業(yè)掘進(jìn)視圍巖強(qiáng)度、完整性隨時需調(diào)整主推油缸壓力，以保證刀盤的正常轉(zhuǎn)速。表中部分洞段刀盤推進(jìn)速度最大值為 222 mm/min，說明已超出TBM設(shè)備設(shè)定的最大允許值120 mm/min，將使刀盤和刀具的磨損加劇，開挖過程易引起設(shè)備盾體的劇烈振動，對設(shè)備整體運(yùn)行工況造成不利和風(fēng)險影響，故應(yīng)加強(qiáng)施工操作的控制，杜絕此類情況的發(fā)生。

（2）馬達(dá)工作電流。馬達(dá)工作電流的變化區(qū)間也直接反映著設(shè)備掘進(jìn)圍巖巖石的強(qiáng)度、完整性變化范圍，其電流值越大，說明刀盤驅(qū)動電機(jī)的工作負(fù)荷越大、巖石越堅硬，反之亦然。表中統(tǒng)計與地質(zhì)勘察的結(jié)果基本一致，但遇具體地層時圍巖巖性也有區(qū)別，這與圍巖巖性化學(xué)、物理力學(xué)指標(biāo)反映的巖石飽和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)相關(guān)。

（3）主推油缸壓力。刀盤的推進(jìn)速度、馬達(dá)工作電流參數(shù)與主推油缸的壓力有直接關(guān)系，油缸推力大，刀盤轉(zhuǎn)速下降，而馬達(dá)工作電流將上升。三者之間參數(shù)選擇必須統(tǒng)籌選擇，達(dá)到破巖的效果。在TBM設(shè)備掘進(jìn)時，保持刀盤轉(zhuǎn)速指標(biāo)適應(yīng)圍巖巖性，在正常的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)范圍之內(nèi)保持馬達(dá)工作電流的相對穩(wěn)定，保持主推油缸出力均恒和行程相對穩(wěn)定。同時要求作業(yè)操作手具備一定的技能和豐富的設(shè)備操作經(jīng)驗，隨時根據(jù)圍巖巖性的變化適應(yīng)性的調(diào)整主推油缸壓力，以保證三項參數(shù)的相對穩(wěn)定和設(shè)備掘進(jìn)正常推進(jìn)。值得一提的是，在掘進(jìn)中如果主推油缸壓力突然大幅度下降，并伴有出渣量增大、渣塊粒徑大小不均勻等現(xiàn)象時，應(yīng)考慮是否遇到不良地質(zhì)條件、地質(zhì)斷層或破碎帶（包括極不穩(wěn)定巖體），應(yīng)及時進(jìn)行分析研判，調(diào)整參數(shù)，確保設(shè)備安全掘進(jìn)。

（4）支撐油缸壓力。支撐油缸主要是穩(wěn)固TBM伸縮盾及尾盾，給刀盤及前盾盾體提供掘進(jìn)支撐和反推力。設(shè)備掘進(jìn)時支撐油缸壓力過大（即接地比壓過大），將使支撐靴破壞接觸圍巖的整體結(jié)構(gòu)和巖石的穩(wěn)定性（軟巖或不良地質(zhì)），使受擠壓巖石塌落和引起掘進(jìn)圈的圍巖坍塌，導(dǎo)致部分尾盾體不均勻擠壓、盾體脫盾困難，同時使底拱管片安裝間隙變小，管片環(huán)與圍巖間的空腔無法正常回填豆礫石等。支撐油缸壓力過小將不能起到固定盾體和支撐的作用，在TBM設(shè)備掘進(jìn)時會引起盾體滾動和管片安裝環(huán)滾動的問題，使管片安裝水平度、垂直度難以控制，甚至給后續(xù)工作（如軌道偏差、大車?yán)?、運(yùn)輸?shù)龋碛绊懀自斐晒芷芘?、大偏心受壓，?dǎo)致管片裂縫、破壞。施工中，應(yīng)根據(jù)圍巖條件計算接地比壓，確定支撐油缸壓力，并隨巖石變化情況進(jìn)行修正，確定合理的支撐油缸壓力。

（5）單循環(huán)進(jìn)尺用時。單循環(huán)進(jìn)尺用時是指TBM設(shè)備每掘進(jìn)一個行程（0.8m）所使用的時間。單循環(huán)進(jìn)尺用時能夠反映出刀盤刀頭切割當(dāng)前巖石的速度，也能間接反映出巖石軟硬強(qiáng)度的變化。

（6）PPS測量監(jiān)控系統(tǒng)。PPS測量監(jiān)控系統(tǒng)是通過導(dǎo)線控制網(wǎng)將洞外平面坐標(biāo)與高程傳遞到TBM設(shè)備PPS系統(tǒng)。PPS系統(tǒng)反映出的是刀盤中心線掘進(jìn)時的高程及軸線偏差數(shù)值及TBM盾體姿態(tài)（盾體滾動、仰俯角）。當(dāng)圍巖較完整、巖石分布較均勻時，設(shè)備掘進(jìn)軸線及高程控制、盾體姿態(tài)偏差相對較?。划?dāng)圍巖較破碎、掘進(jìn)斷面內(nèi)巖石軟硬差別較大時，設(shè)備掘進(jìn)PPS參數(shù)控制難度加大，導(dǎo)致控制偏差較大的問題。在TBM控制中心的人機(jī)操作界面中，對設(shè)備掘進(jìn)PPS參數(shù)分別設(shè)定了限值。正常情況下，控制界面顯示為綠色，說明當(dāng)前掘進(jìn)PPS參數(shù)控制正常；當(dāng)限值超出規(guī)定值時，控制界面將顯示黃色，提醒操作手注意糾偏；當(dāng)控制界面顯示紅色時，說明當(dāng)前PPS控制參數(shù)已達(dá)到設(shè)備允許的極限值，應(yīng)注意調(diào)整、糾偏的幅度和方式，避免造成設(shè)備卡機(jī)以及后續(xù)管片安裝困難等問題的發(fā)生。

（7）出渣量。通過觀察掘進(jìn)開挖的出渣量及巖塊的大小，可判斷當(dāng)前掘進(jìn)圍巖的巖性條件和變化情況，在相同的圍巖下掘進(jìn)所開挖的渣量應(yīng)該基本保持不變。當(dāng)掘進(jìn)斷面圍巖較完整、巖層結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的情況下，刀盤破巖后的巖塊相對較均一，粒徑大小所占比例比較穩(wěn)定。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速較快，但刀盤推進(jìn)速度卻較慢、刀盤切割后的巖塊粒徑較小時，說明巖石較完整和堅硬，此時的出渣量相對穩(wěn)定；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速很快且刀盤推進(jìn)速度較快，出渣巖塊粒徑大小偏差較大時，說明當(dāng)前掘進(jìn)巖石較破碎，完整性較差，出渣量將有所增大；當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速較快但刀盤推進(jìn)速度很慢，且出渣量很大，巖塊中大粒徑塊石不規(guī)則出現(xiàn)時，應(yīng)結(jié)合其他條件進(jìn)一步判斷是否為不良地質(zhì)區(qū)或斷層破碎帶等情況。

（8）對斷層破碎帶的判斷。斷層帶及斷層影響帶的判斷主要從設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)、巖渣成分、渣塊顏色、塊體大小、地下水出露、出渣量及豆礫石回填量等的變化進(jìn)行綜合分析判斷。在遇到斷層破碎帶和影響帶時，其設(shè)備主推油缸壓力驟降，馬達(dá)工作電流、支撐油缸壓力明顯下降。從巖渣情況分析，巖渣內(nèi)含有斷層泥、巖相成分多、破碎巖、開挖巖渣塊體表現(xiàn)出大小不均和懸殊現(xiàn)象、巖體內(nèi)有地下水、出渣量有所增加，同時圍巖掉快、塌方量明顯加大，豆礫石充填區(qū)被坍塌巖塊充填等。此時應(yīng)及時更換管片安裝類型或進(jìn)行必要的預(yù)加固，施工過程遵循“低推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度”原則快速連續(xù)掘進(jìn)通過。坍塌區(qū)采用固結(jié)灌漿處理。

5 結(jié)語

TBM 設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)的確定必須適應(yīng)工程地質(zhì)條件及地層圍巖巖性特點，要依據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報、區(qū)域地質(zhì)巖性、埋深、地應(yīng)力等判斷圍巖的穩(wěn)定性，同時結(jié)合施工設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整和完善。合理選擇掘進(jìn)參數(shù)是TBM設(shè)備施工非常重要的一項工作，在施工過程中要求技術(shù)、生產(chǎn)和工程地質(zhì)人員全面配合，提出明確的施工工作程序和技術(shù)運(yùn)行控制要求，編制施工作業(yè)操作手冊，建立設(shè)備檢修和維護(hù)制度，并配備具有豐富施工經(jīng)驗和技能的操作手，全面掌握設(shè)備操作手冊和領(lǐng)會操作要領(lǐng)，通過施工過程的準(zhǔn)確研判控制，進(jìn)而保證TBM設(shè)備掘進(jìn)安全、穩(wěn)定、有序、高效施工。