中国水利水电第十四工程局有限公司云南昆明650041
摘要：TBM（TunnelBoringMachine全断面隧道掘进机）是集机、电、液、光技术于一体的高度机械自动化的地下工程施工设备，具有安全、优质、高效、快速、环保等特点，在深埋地下超长隧洞工程施工领域具有广泛的应用前景。
关键词：输水隧洞；TBM；应用
引言
TBM的原理是利用掘进机旋转刀盘上的圆形滚刀挤压剪切破碎岩体，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，经过溜渣槽和装渣斗落入主机皮带机上向后输送，再通过隧洞连续皮带机将石渣运至洞外。其施工工艺主要围绕TBM设备掘进、出渣及初期支护三个施工工序进行，在掘进作业的同时，进行锚杆、挂网、钢支撑安装及喷混凝土等支护作业，以及同时进行连续皮带、轨道、通风、供电、照明、供水、排水等延伸及其他辅助作业，降低延误掘进作业，实现TBM安全、优质、高效。
1、工程概况
某输水工程某标隧洞总长为18.2km，主要包括TBM施工段（15.632km）、辅助洞室（0.4km）及钻爆法施工段（2.168km）。主洞采用1台TBM施工，断面形式为圆形洞，洞径7.03m；根据地形地质及施工分段规划，TBM分两个施工段，为独头逆坡掘进施工；其中TBM-1段掘进长度为5.255km，TBM-2段掘进长度为10.377km。
本工程施工总体规划为：采用钻爆法完成辅助洞室（包括始发洞、步进洞、安装洞及连接段）施工，同时完成下游钻爆洞段；TBM从支洞（长2047.247m，综合坡比11.84%）运输至安装洞，完成组装、调试。TBM掘进完成TBM11-1段后，TBM滑行通过1200m通过段后，部分设备转场至后继续掘进TBM11-2段。
本工程TBM施工段总长为15.632km，其中TBM-1段长5.255km，以Ⅲ类围岩为主，ⅢA类围岩长2.93km，ⅢB类围岩长1.953km），Ⅳ类围岩0.372km；TBM-2段长10.377km，以Ⅲ、Ⅳ类围岩为主，ⅢA类围岩长3.49km，ⅢB类围岩长2.327km，Ⅳ类围岩长4.398km，Ⅴ类围岩长0.162km。综合TBM施工段ⅢA类围岩长6.42km，占总长41.07%；ⅢB类围岩长4.28km，占总长27.38%；Ⅳ类围岩长4.77km，占总长30.51%；Ⅴ类围岩长0.162km，占总长1.04%。
本工程TBM施工段饱和抗压强度5～160MPa，其中Ⅲ类围岩60～160MPa，Ⅳ类围岩15～60MPa，Ⅴ类围岩小于5MPa；渗水、滴水，局部有线性流水，总涌水量57～2886m3/h。
2、施工技术准备工作
TBM掘进机是典型的非标设备，生产厂家不可能提前制作或批量生产，每一台TBM均需用户根据工程结构尺寸、工程地质资料等，选择不同刀盘、主轴承、驱动型式、控制系统、测量系统及与之相配套的后配套系统，以发挥TBM的效能和效率。因此，即需要收集本工程全面的、详细的工程资料，包括线路选型、洞径、地质资料、掘进长度等，还要收集类似工程TBM设备的技术参数及施工成果资料等，为TBM设备的选型做好基础性工作。
3、TBM设备选型
3.1设备选型需考虑因素
在新疆某工程使用的单护盾全断面硬岩掘进机中每台均结合各标段的地质情况进行掘进机的设计、制造。前期虽然已做大量的地质勘探工作，但是受限地质勘探孔间距以及地质人员通过地质勘探孔对隧洞线路的地质结构进行分析判断的准确性，常常在地下工程施工中遭遇不可预见的地质灾害（如突涌水、瓦斯、断层破碎带、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等），造成掘进施工受阻或停工。因此，在进行TBM选型时，要充分考虑可能出现的不利情况，确定主要技术参数和系统配置，一般需考虑以下几个方面的问题：
（1）地质因素分析。主要从工程的地质条件是否适宜掘进机和影响开挖效率的因素来综合考虑，并根据地质勘探资料地质情况选择合适类型的掘进机，并根据地质资料分析存在的特殊性进行设备的优化设计及相关设备配置，以达到针对工程地质条件进行优化设计，实现TBM安全、优质、高效、快速施工。
（2）掘进性能的要求。选用掘进机时，结合施工工期、工程地质资料、工程设计和施工工艺等多种因素的要求，对掘进性能提出相应的要求，掘进机的性能必须满足上述诸多因素的要求，并考虑一定的安全系数。衡量掘进性能的指标主要为纯掘进速率、完好率、利用率及刀具消耗等。
（3）主要技术参数的选择。影响掘进机的耐久性和性能的主要关键零部件为：刀盘、刀具、主轴承、刀盘驱动系统、主机体、推进系统、支撑系统及支护系统等，在设备选型时要重点对上述关键部件进行必选。
3.2刀盘对地质的适应性
根据本工程地质评价资料显示，本工程隧洞穿越地质条件复杂、围岩强度变化大，要求TBM刀盘设计和刀具配置既能适应最大饱和抗压强度为160MPa的硬岩掘进，又能适应饱和抗压强度小于5MPa的极软岩掘进，且刀盘和刀具应具有高的耐磨性能，以减少刀具更换的频次，实现连续快速掘进。
3.3主驱动对地质的适应性
刀盘主驱动方式对TBM施工非常重要，变频驱动具有可靠性高、传动效率高、能耗低、针对不同的围岩具有很好的调速性能和破岩能力等优点，已在TBM上得到广泛的应用，因此本工程刀盘驱动选用变频电机驱动方式，并配置8×350KW驱动电机，同时预留2个驱动电机的安装位置，满足TBM对不同地质条件掘进施工的要求。
刀盘设计为可以双向旋转，顺时针旋转破岩掘进出碴，在换刀和脱困时可逆时针旋转。在硬岩区，一般结构较完整、稳定性好，采用高转速掘进，以获得较高的掘进速度，以发挥TBM快速掘进施工的特点；在软岩区，一般结构较破碎、稳定性差、易掉块塌方，采用低转速掘进，以获得较高的扭矩，同时可以更好地保护刀具，保持掘进的连续性及安全性。
3.4设备的操作性
TBM的操作设计在满足施工的需求下，同时要充分考虑减轻操作者的劳动强度及提高操作者的劳动效率。主司机在主控室内既可完成TBM掘进的主要操作（包括启动泵站、推进、调向、换步、刀盘转动、油脂系统的注人控制等）；同时可以在监测显示屏上随时查询TBM的主要状态参数（如各种油压、油温、气压力、TBM姿态等）；通过监控主要状态参数以分析TBM设备掘进状态，以便发现异常情况及时进行修正、调整。
3.5长距离掘进适应性
本工程TBM独头连续掘进距离长约为16km，保证TBM具有良好的可靠性、使用性能和配套系统是本工程成功的关键。所选的TBM具有以下优点以满足长距离施工：
1TBM关键部件设计寿命满足工程需要。主轴承设计寿命和主驱动组件设计寿命都大于15000h，主轴承寿命大于30000h，可连续掘进30km以上，能满足本工程的需要。
2技术先进性。TBM大量采用变频、液压、控制、导向等领域的高新技术，其控制系统的底端全部由PLC可编程控制器直接控制，上端由上位机进行总体控制；通过PLC可编程控制系统实现TBM长距离掘进施工的自动化、智能化，提高TBM掘进施工效率。同时通过网络系统将TBM掘进状态及相关技术参数传输至洞外监控室，以实现洞外技术部门对TBM掘进的远程监控、调试及控制；系统可以全过程适时进行TBM相关技术数据采集、记录及储存，以便技术人员通过对数据的统计分析，总结不同地质围岩的掘进参数。
TBM电气、液压系统部件全部采用国内外知名品牌，保证良好的质量和使用性能，增加TBM掘进施工可靠性及稳定性。
3精确的方向控制能力。独头长距离掘进施工要求TBM具有良好的方向控制能力，以保证掘进方向误差控制在规定的允许偏差范围内，以保证可以高精度贯通。
一是在TBM设备上配置高精度的VMT自动导向系统，其精度等级为2″，且该系统具有安全防护装置，系统防水、防潮、防尘及防震性能好，可以精确的测得TBM与设计轴线的偏差；同时在操作室内可以实时显示当前TBM的姿态和方位，使主司机能精确地控制TBM掘进方向。
二是TBM本身能够自动纠偏，TBM主推进油缸和辅助推进油缸均分为4组，能分区域单独控制，使TBM具有良好的转向和纠偏性能；主司机通过观察当前TBM的姿态及方位，通过调整TBM主推进油缸和辅助推进油缸，实现TBM的纠偏。
3.6独头长距离掘进通风针对性设计
本工程TBM设计为独头掘进且距离较长，中间没有检修通道和通风竖井，长度为17.2km。由于独头通风的距离长，掘进产生的粉尘及设备产生的油烟等有害气体不容易排出，故需要采用超长距离的隧道通风技术。
在TBM选型设计时通过在TBM后配套台车上安装接力风机通风延长总的通风距离。当隧洞掘进一定距离，在洞外风机全级开启无法满足施工要求时，先将TBM后配套接力风机第1级风机开启，接力将新鲜空气供向掘进掌子面；随着掘进距离的增加，适时开启接力风机第2级、第3级风机，接力将新鲜空气供向掘进掌子面，实现长距离隧洞安全通风，保障施工速度。
3.7不良地质段掘进施工的适应性
3.7.1富水地段掘进适应性
根据地质勘探资料显示，本工程隧洞穿过多个水文地质单元和含水层。预测隧洞涌水量较大，涌水灾害较严重。TBM必须具备保证顺利通过涌水及高水压地段的能力。因此所选TBM必须具有以下特点并保证涌水及高水压地段施工的顺利施工：
1地质预报。涌水预报采用HSP超前探测为主、超前地质钻探为辅的综合超前地质预报方法。TBM配置1台可150°范围内工作的液压驱动的冲击式超前钻机。钻机钻孔直径64mm～76mm，孔深达30m，用于超前地质预报工作。
2堵、排结合防水。由于隧洞部分洞段涌水量大，仅靠水泵排水无法保障施工顺利进行，需采用堵、排结合的方式防水。TBM主机区域配置2台流量为100m3/h的100WQ100-25-11型污水泵，将水抽至位于TBM后配套台车上的污水箱内，后配套布置2台流量为200m3/h的IS150-125-250型水泵），分别与回水管和污水箱连接，紧急情况下可用作排水使用。同时TBM配置超前钻机，可以利用超前钻机钻孔，用注浆设备进行超前地层灌浆加固堵。
3设备配置。TBM配置电器设备均具有良好防水性能，以保证TBM在涌水及高水压地段电气设备的完好，从而保证设备的正常运行。
3.7.2断层破碎带掘进适应性
本工程隧洞穿过多条大断裂带，断层破碎带及其影响带宽度达数百米，且存在连续4.2km的IV、V类围岩，为保障TBM正常掘进施工，对该台TBM进行针对性设计：
1超前支护。在TBM上配置超前钻机，可实现超前锚杆及超前小导管的钻孔施工，同时采用TBM设备上的注浆设备进行注浆。
2应急喷护封闭。在TBM护盾锚杆钻机位置安装应急喷混系统，喷射范围为顶拱120°，围岩较破碎或塌方严重时，结合钢筋排等支护进行应急喷混，及时将开挖揭露围岩进行封闭。
3超前地层加固。利用HSP系统对断层破碎带及富水情况进行超前地质预报，利用TBM配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计能满足对掌子面加固的需要。
3.7.3塌方地段掘进适应性
针对本工程隧洞将穿越易塌方地段。TBM采用以下设计：
1封闭式的刀盘设计。TBM刀盘采用封闭式设计，能有效地支撑掌子面，防止围岩发生大面积的坍塌。
2高强度的结构设计，足够的能力储。TBM高强度的结构设计和足够的推力、扭矩等功能储备能保证TBM不易被坍塌的围岩损坏或卡住。
3撑靴压力可调。TBM撑靴压力能根据地质条件调整，以免支撑力过大而破坏洞壁岩石。
3.7.4有毒有害气体地层掘进适应性
针对本工程隧洞独头长距离掘进施工，为了有效的监控氧气、瓦斯、硫化氢、一氧化碳、一氧化氮及二氧化氮等，在TBM护盾、控制室及后配套台车上均安装气体探测器。当有毒有害气体浓度达到预警值时报警，达到极限值时自动切断电源，同时启动应急照明灯和其他应急设备；且气体检测系统能连续检测并存储检测数据。
结束语
伴随着21世纪开发地下空间时代的来临，TBM近年来迅猛发展，特长地下引水隧洞TBM掘进施工成为一种趋势，TBM设备选型的好坏对工程是否可以安全、优质、高效、快速施工起着决定性的作用。
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