[12-11 16:59:29] 来源：http://www.tmgc8.com 隧道工程 阅读：3830次
摘 要：本文是西康铁路秦岭隧道出口和西南铁路桃花铺1号隧道使用开敞式掘进机在软弱破碎围岩地质条件下的施工探索与总结，可供TBM施工参考。
关键词：掘进机 软弱破碎围岩 施工
使用掘进机（简称TBM）进行隧道施工具有速度快、工程质量好、作业环境和施工安全性好的特点。当前，国际上大多数长大隧道施工首选使用掘进机，在我国，掘进机用于长大隧道施工，完全由我们自己管理使用只是近年来才开始起步的。西安——安康铁路的秦岭隧道和西安——南京铁路的桃花铺1号隧道使用从德国引进的TB880E型掘进机施工,开挖直径8.8m。TB880E型掘进机属开敞式硬岩掘进机,由于结构形式的限制，对地质条件的适应性较差，特别是难以适应较长距离软弱围岩地段的施工。提高这种掘进机在软弱围岩地质地段掘进的通过能力,对提高隧道施工速度和扩大其使用范围具有重要的实际意义。笔者全过程参加了西安——安康铁路秦岭隧道和西安——南京铁路桃花铺1号隧道的施工掘进。使用TB880E型掘进机开挖，通过了多条地质断层带,根据在软弱围岩地段施工的探索与实践，如果能够根据工程地质条件选择合理的施工方法和适当的TBM操控方法，完全可以提高开敞式掘进机在破碎软弱围岩地段施工的适应性,加快隧道的施工进度。
1 正常地质地段掘进
TB880E型掘进机采用双“X”形支撑系统，前后各有一组呈双“X”形的8个撑靴，共计16个，分别安装在前、后外机架上，所有撑靴可以同步协调动作，也可以通过锁定液压油路单独动作。
一般情况下，采用开敞式掘进机施工的隧道大部分地段围岩整体性较好，比较稳定，节理不发育或发育较少，岩石的饱和抗压强度较高，总体围岩分类在Ⅲ类以上，洞壁可以承受较大的撑靴支撑压力。掘进时,TBM的两个外机架及支撑系统以很高的撑紧压力（280bar以上）将撑靴以约41000kN的支撑力支撑在洞壁上(撑靴接地比压约为1.9MPa），产生足够的摩擦力,为在约17250kN额定推力时提供足够的反力,保证快速掘进。掘进时,刀具破岩和刀盘转动产生的反向推力和扭矩载荷通过刀盘—→内机架—→推进油缸—→外机架及支撑系统的传递途径，最终传递到支撑靴上，由支撑靴与洞壁的摩擦力来平衡。TB880E型掘进机有很强推进系统,在围岩整体性较好时得以充分发挥,可以创造很高的掘进速度。
2 拱墙坍塌地段的掘进
2.1 小范围拱墙坍塌
小范围的拱墙坍塌时，由于岩体比较破碎，应通过降低撑靴支撑压力、刀盘的转速和推进压力，调整这些掘进参数来减少对岩体的扰动，缓慢通过。拱墙坍塌较严重的地段，个别撑靴处于坍塌孔洞部位，此时还要锁定该部位的撑靴液压油路，控制该撑靴不与洞壁接触。由于坍塌侧撑靴是悬空的，另一侧撑靴会对机架产生推力，从而使刀盘有向一侧运动的趋势（如果悬空的是前支架上的撑靴，则会使刀盘有向坍塌侧运动的趋势；如果悬空的是在后支架上的撑靴，则会使刀盘向非坍塌侧运动的趋势）。在一个行程开始时如不注意此问题，那么很可能在行程结束后，掘进方向会发生较大偏差。掘进开始就要注意调整掘进方向。由于撑靴与洞壁的总接触面积减小，相应调整掘进参数，以确保TBM顺利通过。同时要及时做好掘进后的初期支护，避免坍塌的进一步扩大。
2.2 较大范围拱墙坍塌
拱墙处发生较大坍塌时，虽然掘进后在刀盘后部及时采取了立钢架、打锚杆、挂网、喷锚等初期支护措施，但因坍塌较为严重,造成TBM一侧的撑靴无法支撑，即使锁定相应部位的部分撑靴油缸，也难以通过，这种情况下，首先考虑采用单外机架支撑掘进。即两个外机架中有一个处于很难支撑的位置时，首先以较小支撑力将该机架稳定住，然后对该外机架推进油缸控制阀的控制线路进行改接，使推进油缸处于浮动状态，失去推进能力。由一个外机架受力支撑刀盘进行掘进。这种状态下掘进，要降低掘进参数，还要慎重操作，注意控制方向。
严重坍塌地段，采取上述方式仍无法通过时，就必须停止掘进，对坍洞进行回填。回填方法可根据坍塌状况灵活选择，如果深度不大，可采取枕木临时回填，让TBM先通过之后再施作混凝土永久回填；如果坍塌很深度大，影响范围广，就必须及时采取混凝土回填，待强度满足支撑要求后再继续掘进。
3 拱顶坍塌地段的施工www.tmgc8.com
3.1 顶护盾处出现局部崩塌和掉石快
开挖后，在顶护盾部位洞壁上有局部崩塌和少量石块下落时，应在顶护盾的后部及时施作加密锚杆,挂双层钢筋网，在锚杆端部焊接纵向加强筋，并及时喷锚。此时对掘进没有大的影响，但要适当控制掘进参数。
3.2 顶护盾处出现小型坍塌
开挖后，在顶护盾部位洞壁上有小型的崩塌，在施作加密锚杆，挂双层钢筋网后，要架设弧形槽钢片段，槽钢片用锚杆固定，将钢筋网压紧在洞壁上，再进行喷锚。槽钢片弧形方向的长度和纵向排列的根数视崩塌情况而定。每片槽钢上的锚杆不得少于3根。每根锚杆在锚固后1小时强度可达到3t，3天后强度达到10t以上。架设一片槽钢片约需半小时。
3.3 顶护盾处出现较大坍塌
顶护盾上部发生较大塌蹋方时必须停机进行以架设全园钢架为支撑的支护。全园钢架是用16号工字钢制作，由5段组成，用螺栓连接组成的封闭圆环。TB880E型TBM上设置有全园钢架架设装置。
支护如图1所示，首先清理危石和浮碴—→初喷3cm厚的混凝土封闭塌腔岩石表面—→清理下护盾后部隧道底部石碴—→拼装钢架—→在钢拱架上纵向排列φ42钢管，并与钢架焊接—→钢管上铺设厚2mm的钢板，封闭裸露坍塌部位围岩—→向已经封闭的塌腔内灌注混凝土。
4 断层破碎带地段的施工
4.1 通常情况
通常情况下，按隧道设计要求，对不同等级的围岩进行不同的初期支护。对Ⅱ、Ⅲ类围岩采用全园钢架支撑与锚杆、钢筋网、喷射混凝土联合支护，钢架距离为1.8m。在破碎地带，根据情况适当加密，还要降低掘进参数。对Ⅳ类围岩，在开挖断面上半园以上部位（或局部）采用锚杆、钢筋网和喷混凝土联合支护。对Ⅴ、Ⅵ类围岩，局部采用锚杆、钢筋网、喷混凝土联合支护，或者只采用锚杆、喷混凝土支护。
实际的地质情况与设计资料出入较大，施工中应结合TBM运转参数变化、出碴量及石碴块的大小等变化，按照积累的经验判断地质的变化，及时变更支护形式。
4.2 比较严重的围岩破碎段
在刀盘前上方出现较大塌方时，利用TBM本身的超前钻机和注浆设施，施作直径42mm的管棚，并向管内压注水泥沙浆，进行超前支护；刀盘后部及时打锚杆、挂网、喷混凝土及架立钢架,如图2。
5 富水地段的施工
5.1 顺坡排水掘进
TBM在隧道纵坡为上坡的方向上掘进时，如果遇到富水地段，可以让涌水通过隧道底部铺设的仰拱块上的排水沟自流排出。
5.2 反坡排水掘进
TBM在隧道纵坡为下坡的方向上掘进时，如果遇到富水地段，通常可利用TBM本身配置的排水系统进行反坡排水，该系统在工作面附近布置一台50m3/h的污水泵，通过管路将污水泵送至后配套的20m3污水箱，在污水汇集沉淀后，再由此向洞外逐级抽排或排入平导。
如果遇到较大涌水，应另配置了一套反坡排水系统，最大排水能力为200m3/h。
6 软弱围岩地段掘进的方向控制
TB880E型掘进机上的ZED激光导向系统能够显示TBM的掘进方位与隧道设计轴线间的差别。TBM的方向调整可操作后支承上两个水平调向油缸左右摆动主机尾部，使主机以底护盾为中心摆动，实现水平方向调整；通过调整后支承的撑靴油缸使主机以底护盾为中心上下摆动，进行垂直方向的调整；通过前后支撑调整机器滚动角。主机的方向调整是在前后支撑的承载下进行，由于刀盘、轴承箱及护盾等大件都集中在机器的前部，前支撑承载大，TBM通过不良地质段时，由于刀盘、护盾、撑靴周围围岩松散，甚至出现坍塌，很容易导致掘进方向偏差，有时会出现按照正常调向方法进行调向难以进行。在破碎带软弱围岩地质条件下掘进，必要时可采取非常规调向方法。
非常规调向方法就是暂时不用TBM的前后支承调整机器方向，而是采用前后外机架撑靴进行调向。具体方法是先将前外机架某一方位的撑靴撑出，接触洞壁，其它撑靴锁定不撑出；再撑出后外机架相对称位置的撑靴，其它撑靴锁定不撑出，前后机架撑出的撑靴接触洞壁后，连续点动撑靴油缸，前后外机架共同对内机架推动，调整主机方位，撑出不同的撑靴，调整不同的方位。这种调向操作困难，只能在特殊情况使用。
TBM是长大隧道施工的先进设备，TB880E型隧道掘进机是针对硬岩和较强自稳能力围岩设计的，其本身对在破碎软弱围岩地段施工的适应能力较差，但施工中地质条件不可能很均匀，在遇到破碎带、断层、围岩剥落、掉块、坍塌等围岩失稳现象以及涌水等各种不良地质条件时，需要灵活采取相应的施工方法与措施，确保施工安全进行。研究并掌握TBM在破碎带软弱围岩地段等不良地质条件下的施工方法，对扩大TB880E型TBM的适应范围、提高掘进速度，降低掘进成本具有现实意义。秦岭隧道和桃花铺一号隧道TBM施工中对破碎带软弱围岩条件下的施工技术进行了比较深入的研究，取得了很好的效果，可为同类工程施工借鉴。www.tmgc8.com
中铁十八局集团有限公司隧道工程公司 李宏亮/LI Hongliang
