淺談水利工程TBM施工技術應用

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【摘要】TBM技術的全稱是斷面隧道掘進技術，該技術主要應用在大型隧道開挖施工中。該技術具有機械強度較高，施工質量好、施工速度快等一系列優勢。本文對TBM工藝原理進行了介紹，對該技術在水利工程中的應用進行了深入的探究。

【關鍵詞】水利工程；tbm施工；初期支護

近年來，隨著經濟的不斷發展，國家電力需求越來越大，給水利水電事業的發展帶來了巨大的契機。為了提高大規模水利工程施工質量，我國目前越來越重視隧道施工質量，使得TBM施工技術得到了廣泛的應用。

1工程概況

本文水利工程線路全長為148.246km，一共需要建設5條隧道，隧道的總長度為140.771km，經過全面研究施工規劃，決定應用TBM及鉆爆法對隧道進行施工。本標段的主要施工內容有：隧洞進口明挖段50m，主洞段34.752km；5條施工支洞，總長度為2.284km；入庫檢修泵站機電設備的安裝、永久性施工道路以及供水管線系統等。為了保證該水利工程的整體施工質量，本文對TBM施工技術展開了全面分析。

2TBM的工藝原理、設備配置及施工方法

2.1TBM的工藝原理及施工特點

TBM設備的主要構成部分有：推進系統、刀盤、支撐、機頭架和大梁，其具體的工作原理是通過綜合利用自主機監控系統、支撐系統、超前處理系統以及牽引系統等實現開挖操作。整個工藝流程包含TBM掘進、出渣和初期支護三個施工環節[1]。在正式運行設備前，工作人員需要對后配套系統調試。概括來說，TBM施工技術的特點有：①施工速度快，施工效率高，可以保證掘進施工連續進行，初期支護、掘進和出渣作業可以同步完成；②施工質量好，應用機械破巖的施工方式可以避免對周圍巖體的擾動，極大程度降低了模筑混凝土襯砌工程量；③施工過程十分高效，不僅可以節省工期，還節省了后期的運維成本，極大地提高了項目的經濟效益和社會效益；④施工過程較為安全，可以有效減少人工作業量，將安全事故的發生概率降到最低。另外，該基礎還具有施工過程較為環保、自動化程度較高、出渣能力較強等諸多優勢。

2.2TBM設備配置

根據施工方法和具體的施工要求配備TBM設備，確保所有的設備都能穩定地發揮其性能；保證TBM設備配置必須具有以下四個基本功能：掘進、出渣、導向、支護。在配置輔助設備之前，施工企業需要和設備供應商反復討論和溝通，設計和優化輔助設備的型號、規格及數量，以滿足施工實際要求為基礎實現設備最優配置。需要注意的是，應盡可能選擇先進的施工設備，以此進一步提高設備應用效率。綜合考慮實際施工出渣強度、渣土運輸距離、洞內空間大小以及隧道的坡比情況選擇規格合適的出渣運輸設備和出渣方式，確保出渣設備的生產能力符合項目排渣需求。在我國范圍內，通常應用軌行式渣車或連續皮帶機作為施工現場的主要排渣設備，并根據圍巖條件以及掘進設備類型選擇最合理的支護設備。

2.3TBM的施工方法及影響因素

應用TBM施工技術時，掘進方向的控制是十分重要的內容[2]，只有控制好掘進方向才能控制好盤型滾刀的受力，而一旦刀具出現損壞問題除了會影響實際施工進度，還可能導致隧道超挖問題，使得后續的工程量不斷增加，嚴重影響工程質量和工期。為了更好地控制TBM掘進方向，需要注意以下內容：充分的調研；確定最佳的施工方向參數；控制好設計中線和掘進軸線之間的偏差；邊掘進邊調整。TBM的工作模式主要有三種：手動控制模式、自動扭矩控制模式以及自動推力控制模式。其中，前者可以應用于各種地層的施工，后兩種工作模式適合于均質軟巖和均質硬巖的施工。在實際施工中，斷層、破碎地帶、擠壓或碰撞斷層等不良地質條件會限制TBM施工性能的發揮，因此在施工前需要做好全面的調研，做好充分的準備，針對可疑地段注意加強地質預報。當施工到達特殊地段前50m時，應徹底檢修TBM電氣、灌漿、液壓和機械等系統，確保實際施工可以順利通過不良地質洞段。正常施工時，需要認真分析巖渣的成分、巖性、變化趨勢以及塊度，并且記錄好各項運行參數，以此為基礎判斷施工前方巖石的實際情況。此外，針對刀盤鏟斗進料口進行封堵設計，確保一旦遇到不良地質條件可以減少出渣量，保證TBM施工的連續性。

3TBM技術在工程施工中的具體應用

3.1初期支護方式

針對主洞中的Ⅱ類圍巖進行支護施工時，需要應用噴射混凝土進行永久性支護，TBM掘進工作中混凝土的圓心角為70°。在對Ⅲ類圍巖進行施工時，在頂拱周圍設置錨桿，探測實際的施工情況。應按照梅花布孔的方式設置鋼筋網和錨桿，再應用12cm的混凝土噴射成型。并以開口環梁以及掛網鋼筋作為支護支撐，掛網鋼筋和開口環梁的主要材質為槽鋼，運用3.0m左右的錨桿加以固定，然后噴射12cm混凝土。對Ⅳ類圍巖進行施工時，需要應用到長度為3m的錨桿支護和200mm×200mm鋼筋網，設置好以上內容后噴射12cm厚混凝土。針對中間存在較差巖體膠結的地段進行施工時，需要設置拱架并控制拱架間距處于900~1800mm之間，然后噴射15cm厚混凝土，在整個施工過程中TBM掘進圓心角均為70°。在對V類圍巖進行施工時，應用到長度為3.5m的錨桿支護，并且注意控制錨桿之間的距離為1.0m，并運用150mm×150mm鋼筋網，控制好錨桿和鋼筋網的間距，再噴射15cm厚混凝土。在后期支護施工中，往往應用到大型鋼膜臺車以及TBM施工技術，本工程的掘進施工總體流程如圖1所示。掘進施工前做好超前地質預報，對于不良地段采用超前處理的方法，確保掘進施工順利有序進行。針對不需要超前處理的地段，掘進施工中邊清理邊掘進，并注意做好初期支護。完成一段掘進施工后應進行相應的轉向和更換，再繼續下一輪的掘進。本工程中，工作人員對地質預報結果和實際施工情況進行了仔細的對比，一旦出現預報和實際情況不符的情況，需要重新處理。

3.2TBM施工的啟動階段

啟動TBM掘進機后應立即確定最合理的掘進方向。這時設備的支撐部分位于前位位置，撐靴為設備提供支撐作用。確定掘進方向后提起支撐，啟動切削盤，對液壓缸提供推進作用。完成掘進施工后進行換步作業，停止轉動切削盤，將后支撐部位伸出至隧洞的底部，這時后支撐部位為TBM設備提供支撐作用。利用水平支撐收回油缸，再收回油缸支撐，為了避免回收水平支撐的過程中對活塞桿的收回造成影響，利用液壓缸供油，供油方式為反方向供油，外機架與水平撐靴應按照同步的狀態向前方移動。

3.3TBM施工的掘進階段

應用TBM施工技術時，掘進施工階段主要分為五個環節和步驟：（1）應用側向撐靴固定TBM刀盤的后部，確保其緊貼洞壁。只有側向撐靴和楔塊油缸相互配合才能更好地鎖定支撐位置，為洞壁提供反作用力，控制水平掘進的方向不發生任何程度的偏移。合理調整前支撐的位置，避免其發生偏移的同時保證垂直掘進的方向[3]。（2）完成上一步施工后適當推進油缸，并轉動刀盤開始掘進，掘進過程中的推進力由刀盤滾刀提供，通常來說刀盤滾刀所提供的推進力可達到250kN。（3）掘進施工時，根據實際地質條件確定好TBM設備的運作參數。硬巖結構因為強度較高，為了保證施工效果需要應用扭矩為4500kN•m的刀盤，控制刀盤的轉速在4.5—6.5r/min之間。（4）掘進施工中油缸負責為刀盤提供推力，如果隧道長度較長，那么掘進過程中水平撐靴板可能會受到推進的反作用力，這時在水平撐靴板的作用下，水平支撐油缸會給洞壁提供支撐。水平支撐板負責支撐洞壁，為掘進的過程提供一個足夠安全和穩定的內支護結構，極大地提高了掘進過程的安全性。（5）完成施工后，撤掉水平撐靴板以及側面撐靴等支護設備，這時所有的重量均由TBM設備支撐。TBM掘進機到達后續施工地點后需要對其適當移動，當到達掘進位置后工作人員重新調整軸線的方向，布置好導向定位裝置。

4結束語

在大規模隧道施工中，TBM施工技術的應用優勢較為明顯。在我國該技術出現和應用的時間雖然較短，但是經過不斷的施工、實踐和總結，TBM施工技術的應用水平得到大幅提升。本文對TBM的工藝原理及施工方法進行了介紹，探討了TBM施工技術在水利工程中的應用，希望可以為該技術在其他工程中的應用提供借鑒和參考。

參考文獻

[1]周小松.TBM法與鉆爆法技術經濟對比分析[D].西安：西安理工大學，2010.

[2]張良貴.雙護盾TBM主推進系統的研究[D].秦皇島：燕山大學，2013.

[3]劉術臣.TBM技術發展方向及其國內應用前景[J].鐵道建筑技術，2010（4）：1-3.

作者：劉彥章 單位：中鐵十六局集團第二工程有限公司