楊恒準(zhǔn)

（四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

TBM 是英語(yǔ)Tunnel Boring Machine（全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)）的簡(jiǎn)稱，是通過(guò)利用自身支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進(jìn)的反作用力，使刀盤(pán)上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體，并在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過(guò)程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體（擠壓式），或利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低（僅為抗壓強(qiáng)度的5%～10%）的特點(diǎn)，靠剪切與彎斷破碎巖體，最終形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械[1]。它具有速度快、質(zhì)量?jī)?yōu)、費(fèi)用低、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，目前在國(guó)內(nèi)外隧洞工程中得到廣泛應(yīng)用。

其中，刀盤(pán)作為T(mén)BM 破巖的核心部件，其耐磨性和完好性直接關(guān)系到TBM 的結(jié)構(gòu)安全和施工效率，因此，就需要刀盤(pán)技術(shù)人員及時(shí)進(jìn)行刀盤(pán)磨損檢查，以確定停機(jī)檢修洞段和檢修時(shí)機(jī)。正常情況下，TBM 刀盤(pán)檢修作業(yè)需要求檢修人員進(jìn)入刀盤(pán)前部，因受到支護(hù)設(shè)備和作業(yè)空間限制，檢修洞段圍巖支護(hù)強(qiáng)度會(huì)有一定限制，必須要選定在圍巖完整、穩(wěn)定的洞段，方能停機(jī)檢修刀盤(pán)，更好地保障檢修人員安全。同時(shí)，合理規(guī)劃刀盤(pán)檢修時(shí)段，可以延長(zhǎng)刀盤(pán)壽命和提高TBM 掘進(jìn)效率。因此，當(dāng)TBM 掘進(jìn)長(zhǎng)時(shí)間處于不良地質(zhì)洞段，恰遇需要停機(jī)檢修刀盤(pán)，無(wú)法合理選定檢修洞段時(shí)，為保證TBM 刀盤(pán)完好性，延長(zhǎng)刀盤(pán)壽命，就不得不非正常停機(jī)檢修。

陜西省某引水工程，因具有主洞洞線長(zhǎng)埋深大、地應(yīng)力高、巖層石英含量高，TBM 掘進(jìn)過(guò)程中巖爆問(wèn)題突出的特點(diǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該工程TBM 掘進(jìn)段總長(zhǎng)度12330.5m，其中發(fā)生巖爆洞段累計(jì)長(zhǎng)度8404.8m，占比68.1%；總共發(fā)生巖爆47161 次，中等強(qiáng)度11318次，強(qiáng)巖爆2208 次。按照原設(shè)計(jì)TBM 刀盤(pán)常規(guī)檢修，需控制在進(jìn)尺1500m～2000m 開(kāi)展一次即可。但受巖層高石英含量和強(qiáng)巖爆等問(wèn)題影響，導(dǎo)致TBM 掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)磨損快，刀具、鏟齒、擋渣塊等部件易損傷，檢修期間隔明顯縮短，往往僅完成800m～1200m 就需要停機(jī)修復(fù)刀盤(pán)，也導(dǎo)致不可避免地需要在巖爆洞段停機(jī)檢修刀盤(pán)。因目前國(guó)內(nèi)同類情況可借鑒案例較少，現(xiàn)對(duì)陜西省某引水工程TBM 施工段多次在不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修成功案例進(jìn)行總結(jié)，為在今后類似工程中作為借鑒。

1 TBM 刀盤(pán)常規(guī)檢修對(duì)圍巖條件的要求

TBM 停機(jī)段的選定，在施工過(guò)程中須由具有一定經(jīng)驗(yàn)的人員依據(jù)掘進(jìn)參數(shù)，并通過(guò)觀察皮帶出碴巖塊大小和碴量，揭露圍巖穩(wěn)定情況，以及通過(guò)刀盤(pán)刀孔觀察掌子面刀跡完整情況，提前根據(jù)地質(zhì)情況確定停機(jī)樁號(hào)。同時(shí)，須提前結(jié)合設(shè)計(jì)勘探地質(zhì)資料，利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以及實(shí)際揭露圍巖地質(zhì)情況、圍巖特性，選擇圍巖完整性較好且處于穩(wěn)定狀態(tài)的洞段作為最終的TBM 停機(jī)段，并利用微震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，探查停機(jī)段微震活動(dòng)情況，降低刀盤(pán)前部預(yù)留作業(yè)區(qū)巖爆風(fēng)險(xiǎn)。[2]

2 TBM 在不良地質(zhì)段強(qiáng)制停機(jī)檢修的原因

2.1 不良地質(zhì)對(duì)TBM 刀盤(pán)的影響

由于該工程掘進(jìn)段圍巖表現(xiàn)為高圍巖強(qiáng)度、高石英含量，同時(shí)加上高地應(yīng)力、強(qiáng)巖爆等不良地質(zhì)條件影響，刀盤(pán)部件在掘進(jìn)過(guò)程中損傷較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為：“鏟齒座變形及焊縫開(kāi)裂、擋渣板掉落、V 型耐磨塊、刀盤(pán)面板耐磨塊、刀座磨損嚴(yán)重等情況”。若不能及時(shí)停機(jī)檢修，刀盤(pán)隨著磨損的日益加劇，刀具異常損壞被動(dòng)更換的情況逐步增多，會(huì)進(jìn)一步增加了鏟齒母座、V 型耐磨塊、刀盤(pán)面板被磨損的風(fēng)險(xiǎn)，甚至傷及刀盤(pán)母體后，會(huì)對(duì)刀盤(pán)造成不可修復(fù)的質(zhì)量缺陷。

2.2 刀盤(pán)修復(fù)的必要性

TBM 刀盤(pán)的易磨損件主要包括鏟齒與鏟齒座、擋碴塊、滾刀、V 型塊、刀盤(pán)面板、耐磨條以及人孔蓋板等，以上部件無(wú)論任何一個(gè)或多個(gè)受損，其他正常部件都會(huì)受到直接或間接影響，會(huì)加快受損速度和異常損壞概率。如果刀盤(pán)易磨損件能夠得到及時(shí)修復(fù)，既可以降低刀盤(pán)整體損傷程度，又可以避免被迫停機(jī)修復(fù)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提高TBM 掘進(jìn)速度。

1.V 型耐磨塊主要作用是保護(hù)刀具，防止?jié)L刀被砸。及時(shí)修復(fù)后，可降低在不良地質(zhì)條件下掌子面出現(xiàn)的大塊石導(dǎo)致面刀的異常損壞概率。

2.鏟齒安裝在鏟齒座上，作用是將隧道底部的巖碴鏟起，隨著刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)滑落皮帶機(jī)運(yùn)出洞外。及時(shí)修復(fù)后，可快速將刀盤(pán)與掌子面之間的巖渣鏟出，避免大量巖渣留存在刀盤(pán)前端，加重刀盤(pán)部件磨損。

3.及時(shí)修復(fù)鏟齒座，可減少鏟齒螺栓的掉落，并可降低掘進(jìn)時(shí)被迫停機(jī)處理鏟齒座變形、開(kāi)裂等情況。

4.擋渣塊的主要作用是可防止刀盤(pán)前大石塊從鏟齒座位置擠到刀盤(pán)后，其及時(shí)得到修復(fù)可有效避免大塊石擠到刀盤(pán)后，直接進(jìn)入皮帶系統(tǒng)，砸傷皮帶，堵塞下渣口。

城市道路關(guān)系到城市間的交往、居民的出行、城市的形象等，所以長(zhǎng)期以來(lái)都受到社會(huì)各界的關(guān)注，各地政府努力地控制城市道路質(zhì)量。現(xiàn)階段中，我國(guó)的城市道路建設(shè)雖然取得了不少成就，但還是面臨著不少問(wèn)題，軟土地基在長(zhǎng)期使用后會(huì)出現(xiàn)沉降、塌陷等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了道路的正常使用。這主要是因?yàn)樵诔鞘械缆肥┕み^(guò)程中，沒(méi)有采取合適的技術(shù)手段對(duì)軟土地基進(jìn)行有效地加固。為了讓城市道路能夠繼續(xù)為城市發(fā)展服務(wù)，施工方需要重視軟土地基問(wèn)題，選擇合適的軟土加固技術(shù)，提高地基的密實(shí)度，提高地基荷載力，從而保證城市道路的正常使用和城市的快速發(fā)展。

5.及時(shí)修復(fù)滾刀刀座，可減少滾刀螺栓的掉落，可有效避免滾刀異常損壞，進(jìn)而大大降低刀具檢修所占用的工序時(shí)間。

6.刀盤(pán)面板耐磨塊（條），其表面焊有耐磨鋼板，能很好地提高刀盤(pán)耐磨性，可使刀盤(pán)母體免受磨損。及時(shí)修復(fù)后，可避免巖石直接對(duì)刀盤(pán)母體的磨損，產(chǎn)生不可挽救的質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響刀盤(pán)使用壽命。

3 針對(duì)不良地質(zhì)條件下TBM 強(qiáng)制停機(jī)隱患及應(yīng)對(duì)措施

3.1 不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修安全隱患

一般情況下，只有當(dāng)TBM 長(zhǎng)時(shí)間處于不良地質(zhì)條件影響下，又遇刀盤(pán)受損嚴(yán)重而不得不選擇停機(jī)的情況下，才會(huì)被迫冒著巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)選擇在不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修。

在不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修作業(yè)勢(shì)必會(huì)存在非常高的安全隱患。因TBM 停機(jī)檢修作業(yè)，須提前安排護(hù)盾后6m～10m 范圍內(nèi)暫不進(jìn)行或僅進(jìn)行簡(jiǎn)單的錨桿（不能外漏過(guò)長(zhǎng)）、網(wǎng)片等初期支護(hù)，支護(hù)強(qiáng)度相比較弱。然而，在不良地質(zhì)洞段圍巖僅采用簡(jiǎn)單支護(hù)或不支護(hù)的方式，圍巖是很難維持自身穩(wěn)定的，且在TBM 后退過(guò)程中，以及后退完成后，因受空間等條件限制，很難在組織人員設(shè)備進(jìn)入刀盤(pán)前部進(jìn)行支護(hù)加強(qiáng)，從而極易發(fā)生大范圍塌方安全事故。刀盤(pán)前部預(yù)留作業(yè)區(qū)的圍巖由于不能及時(shí)支護(hù)或不支護(hù)，剛好又處于不良地質(zhì)洞段，發(fā)生大范圍塌方的可能性大大增加，安全隱患大，由此將會(huì)帶來(lái)不可估量的損失。

3.2 不良地質(zhì)洞段安全防護(hù)應(yīng)對(duì)措施

該工程TBM 施工段，因TBM 掘進(jìn)過(guò)程中一直受巖爆影響，存在塌方隱患，現(xiàn)場(chǎng)出露護(hù)盾圍巖已采用H150 型鋼拱架+鋼筋排+鋼筋網(wǎng)片+隨機(jī)中空錨桿的聯(lián)合支護(hù)形式加強(qiáng)支護(hù)?？紤]到TBM 停機(jī)后刀盤(pán)須倒退6m～10m，在刀盤(pán)前部預(yù)留檢修作業(yè)空間，就必須要將已經(jīng)支護(hù)的支護(hù)體系進(jìn)行拆除。但考慮到支護(hù)體系的拆除風(fēng)險(xiǎn)非常之高，參建單位多次召開(kāi)強(qiáng)制停機(jī)支護(hù)措施及安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估會(huì)，最終選定停機(jī)樁號(hào)并制定了具體施工方案，即：決定對(duì)原有支護(hù)體系進(jìn)行拆除，以便于刀盤(pán)后退，即按照“塌腔排危，錨網(wǎng)噴護(hù)，拱架逐榀拆除，TBM 逐榀后退，持續(xù)安全監(jiān)控”的原則，保證TBM 在不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修作業(yè)安全。

現(xiàn)重點(diǎn)對(duì)TBM 在不良地質(zhì)洞段強(qiáng)制停機(jī)檢修前，原支護(hù)體系拆除及停機(jī)后刀盤(pán)前方圍巖加強(qiáng)支護(hù)施工方案做主要說(shuō)明。

3.2.1 原支護(hù)體系拆除與二次支護(hù)

首先，應(yīng)先將緊鄰第1 榀拱架的鋼筋排、鋼筋網(wǎng)片等初支體系進(jìn)行拆除，過(guò)程中全圓拱架支護(hù)段支護(hù)體系背后塌腔內(nèi)的孤石、碎塊，采用人工利用長(zhǎng)桿件撬動(dòng)清理。對(duì)于塊石塊徑≥1m、厚度≥0.5m 且無(wú)法撬動(dòng)清理時(shí)，在棚架防護(hù)下，采用沖擊電鉆打眼，電動(dòng)風(fēng)鎬由鉆眼中將塊石脹裂分塊清除。再人工配合TBM自帶的拱架安裝器，拆除第1 榀鋼拱架。

其次，對(duì)塌腔區(qū)域初噴射厚度5cm 的C20 納米仿纖維混凝土封閉塌腔基巖，待強(qiáng)度滿足要求后，在塌腔內(nèi)及周邊掛設(shè)φ6～10@20×20cm 鋼筋網(wǎng)片，塌腔外圍巖體完整區(qū)域按照環(huán)向間距1.0m 施做“L”型Φ25砂漿錨桿，塌腔內(nèi)施做Φ25 中空隨機(jī)錨桿以鎖固破碎巖體，可視圍巖情況增設(shè)格柵拱架。

最后，對(duì)塌腔區(qū)域進(jìn)行復(fù)噴至10cm 厚（塌腔內(nèi)噴混凝土一般不會(huì)直接影響刀盤(pán)后退，可根據(jù)實(shí)際情況增厚）。塌腔外周邊區(qū)域亦進(jìn)行噴混凝土封閉，厚度不超過(guò)5cm（塌腔外噴射混凝土厚度不應(yīng)影響刀盤(pán)正常后退）。

按照上述措施，以每一榀鋼拱架為一個(gè)循環(huán)，依次拆除原支護(hù)體系并同步完成二次支護(hù)。施工過(guò)程中應(yīng)有安全員全過(guò)程管控，并使用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、圍巖變形監(jiān)測(cè)等措施加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)。

3.2.2 刀盤(pán)前方未支護(hù)區(qū)域圍巖加強(qiáng)支護(hù)

TBM 后退到位后，于刀盤(pán)前方搭設(shè)腳手管架作業(yè)平臺(tái)，巖體拱部180°范圍內(nèi)以及掌子面進(jìn)行二次噴射C20 納米仿纖維混凝土10cm 厚做加強(qiáng)支護(hù)，以確保刀盤(pán)檢修施工安全。

3.2.3 施工流程圖

圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)拆除及同步二次支護(hù)作業(yè)，應(yīng)按照以下施工流程組織施工，每完成一個(gè)循環(huán)后，回到“拆除塌腔范圍鋼筋排等非圓拱架支護(hù)材料”開(kāi)展第二循環(huán)作業(yè)，直至TBM 刀盤(pán)后退至既定位置。

3.2.4 檢修期間的變形監(jiān)控

安排專人隨時(shí)觀察和注意圍巖和噴混凝土表面變化異常情況，加強(qiáng)圍巖收斂和應(yīng)力量測(cè)；同時(shí)測(cè)量人員必須加強(qiáng)圍巖的變形量測(cè)，設(shè)2 組量測(cè)點(diǎn)（量測(cè)點(diǎn)布設(shè)在同斷面上），觀察點(diǎn)位間的變形率。同時(shí)，當(dāng)聽(tīng)到圍巖內(nèi)部有悶雷似的聲響時(shí)，須盡快撤離人員躲避一段時(shí)間，等待巖爆平靜。

4 強(qiáng)制停機(jī)檢修采取措施實(shí)際效果

該工程TBM 施工段，在微震活躍，高地應(yīng)力，隨時(shí)都有巖爆發(fā)生的不良地質(zhì)洞段內(nèi)強(qiáng)制停機(jī)檢修，期間局部噴混凝土薄弱，漏噴部位，僅出現(xiàn)小片石迸濺，掉落情況，并未發(fā)生過(guò)一起安全事故。在確保作業(yè)人員設(shè)備安全的條件下，順利完成了此次TBM 檢修任務(wù)，為后續(xù)TBM 掘進(jìn)提供了很好的設(shè)備性能保障。

關(guān)于TBM 停機(jī)段的選擇時(shí)，可引用超期地質(zhì)預(yù)報(bào)，如TRT、TSP、HSP-T 水平聲波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、高分辨電法探測(cè)、紅外探測(cè)、地質(zhì)雷達(dá)等超前探測(cè)方式，以及配合微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控作業(yè)區(qū)域內(nèi)微震活動(dòng)情況，再結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)、出渣情況、圍巖特性，對(duì)掌子面前后圍巖做出較為準(zhǔn)確的判斷，從而為T(mén)BM 停機(jī)段選擇提供可靠的依據(jù)。該工程所采用的微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、TSP 系統(tǒng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控微震動(dòng)態(tài)，預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生概率及等級(jí)，就取得了很好的成效。

關(guān)于刀盤(pán)后退和刀盤(pán)前部預(yù)留作業(yè)區(qū)內(nèi)的原支護(hù)體系的拆除與二次支護(hù)，按照“塌腔排危，錨網(wǎng)噴護(hù)，拱架逐榀拆除，TBM 逐榀后退，持續(xù)安全監(jiān)控”的原則，充分利用TBM 自帶拱架安裝器拱架拆除，自帶鉆機(jī)錨桿安裝，人工鋪設(shè)網(wǎng)片，自帶應(yīng)急噴混系統(tǒng)C20 納米防纖維混凝土施工，具體的支護(hù)參數(shù)可視為情況而定，可很好地保證原支護(hù)體系拆除過(guò)程與停機(jī)檢修期間的作業(yè)安全。

當(dāng)然該引水工程TBM 施工段，不良地質(zhì)問(wèn)題主要體現(xiàn)在巖爆方面，對(duì)于其他不良地質(zhì)條件下停機(jī)檢修尚不能確定該方案是否可行。建議：若遇到地質(zhì)穩(wěn)定性極差，地質(zhì)問(wèn)題復(fù)雜洞段，會(huì)存在支護(hù)體系復(fù)雜且拆除難度增加，安全風(fēng)險(xiǎn)不易控制情況。因此，宜組織召開(kāi)專家安全評(píng)估會(huì)，集思廣益，群力群策，制定詳細(xì)有效可行的施工方案，確定安全情況下方能停機(jī)檢修。

5 總結(jié)

綜上所述，在遇到不良地質(zhì)條件且刀盤(pán)磨損嚴(yán)重時(shí)，尤其針對(duì)巖爆洞段，是可以通過(guò)合理的技術(shù)措施和施工手段安全實(shí)現(xiàn)停機(jī)檢修作業(yè)的。因此，采用TBM 掘進(jìn)工法施工的工程，當(dāng)TBM 設(shè)備機(jī)況不佳，刀盤(pán)受損嚴(yán)重急需停機(jī)檢修，而此時(shí)TBM 又正處于地質(zhì)不良洞段時(shí)，首先應(yīng)結(jié)合設(shè)計(jì)勘探地質(zhì)資料，可引用超期地質(zhì)預(yù)報(bào)，探明掌握TBM 掌子面前后地質(zhì)情況，為T(mén)BM停機(jī)段的選擇提供可靠的依據(jù)，極力選擇圍巖完整性較好且處于穩(wěn)定狀態(tài)的地段再進(jìn)行TBM 設(shè)備檢修。如必須在不良地質(zhì)洞段停機(jī)檢修的情況下，應(yīng)事先做好停機(jī)段支護(hù)技術(shù)論證，選用合理的支護(hù)形式，保證TBM 停機(jī)檢修期間的安全。