秦岭复杂地质环境隧洞TBM快速掘进技术研究
时间：2023-06-03 18:25:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
鹿俊皓 王 江 柯贤博
(1.陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024；
2.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)
TBM工法是一种快速、高效、安全、机械化程度很高的施工技术。它以TBM掘进为核心，完成开挖、支护、渣土输送、地质预报等工作，被广泛地应用于矿山、铁路、城市地下空间、水利水电等工程领域。TBM掘进和传统的钻爆法相比，具有快速、安全、环保、高效等优点。我国于1997年从国外引入TBM设备，已在中天山、磨沟岭、西秦岭等隧洞工程施工中得到了应用，是国内隧道施工技术的一次重大飞跃[1]，很好地提升了隧道施工的机械化程度。但针对不良地质环境，TBM设备的掘进工效低，适应性相对较差，并由于TBM设备的施工措施不合理而产生重大事故，如我国台湾地区坪林公路隧洞工程、云南省掌鸠河输水工程的上公山隧道等[2]，大多数都是TBM设备通过复杂地质环境地段产生塌方、卡机等一些工程事故，严重影响工程的质量、安全、进度等。因此，对复杂地质环境下TBM掘进隧洞的施工关键技术研究特别重要。
引汉济渭秦岭大埋深隧洞是人类第一次从底部穿越秦岭，TBM施工段存在的高地应力、强耐磨性硬岩、高地温、常态化岩爆等复杂地质环境，综合施工难度堪称世界第一。复杂的地质环境对TBM设备的掘进过程提出了较大的挑战。为了确保TBM设备安全顺利通过该地段，对TBM设备快速掘进的关键技术和应对措施的研究就特别重要。在施工过程中，通过对TBM设备掘进模式选择及操作控制、超前地质预报、导向测量、姿态控制与调整等一系列技术措施研究[3]，提高了TBM设备在该类洞段施工的工效和适应能力，实现了TBM快速施工。
引汉济渭工程秦岭隧洞TBM掘进段位于陕西省宁陕县四亩地镇境内，工程自3号支洞进入主洞延伸段下游1942m开始，标段全长18.275km，施工桩号为K28+085～K46+360，采用一台由罗宾斯提供的φ8.02m敞开式硬岩掘进机施工，TBM掘进段隧洞综合坡度-1/2472.555，隧洞底部铺设仰拱块，采用皮带机出渣，具体段落划分见图1。
图1 工程平面布置
若围岩较硬，掘进推力先达到额定值，此时应以推力变化为参照，选择掘进参数，控制推进压力不超过额定值；
若围岩节理发育、裂隙较多或遇破碎带、断层带等情况时，主要以扭矩变化并结合推进力参数选择掘进参数。特别是在岩石软弱条件下一般采用扭矩和贯入度控制掘进，同时兼顾各种参数变化[5]。
变化的岩石条件反映在与TBM设备和掘进进度有关的各参数变化中，如刀盘主驱动电流增大一般表明刀盘超载或刀盘前面出现松散孤石和破碎岩石；
刀盘出渣超载一般表明工作面可能出现塌陷；
刀盘旋转速度降低一般伴随刀盘主驱动电流增加或刀盘出渣超载；
TBM贯入度降低总是表明异常的工作面条件；
TBM撑靴油缸压力变化反映围岩变化；
渣土碎块尺寸和数量参数为岩石条件变化提供信息；
TBM皮带机工作压力高表明皮带机超载，可能正在非常破碎的岩体中开挖等。TBM主司机通过观察及时调整控制这些参数，同时，这些关键参数将被自动记录和存储，以便于随后的调取查询。
主控室是TBM的心脏，设备上90%的指令在主控室内操作，其内部安装有操作盘，显示仪(包括参数显示、仪表显示、故障显示、状态显示及指示等)，PLC系统、调向显示设备等。操作盘上有操作按钮及手柄，控制不同部位设备的运转。只有全面了解设备状态，掌握正确操作规则的人才能担当主司机。
a.上机前操作要点。详细了解上一班运转情况及遗留问题，观察各仪表显示是否正常，检查风、水、电润滑系统的供给是否正常，观察分析围岩类别，选择合理的掘进参数，了解上一班开挖中线标高偏差和支护完成情况。
b.掘进时的操作要点。启动主泵站，包括供水系统、通风除尘系统，选择刀盘的转速，依次启动皮带输送机，待主电机全部运转正常后，接合离合器转动刀盘，选择合理的掘进参数进行掘进，操作顺序不能更改，由TBM操作程序控制一大部分，其余则由TBM主司机控制，否则会损坏设备。
c.停机时的操作要点。正常情况下的停机，应与掘进时的操作相反。先停止掘进，后退刀盘2～3cm，让刀盘空转1min左右，停止刀盘转动，停止电机转动，停止皮带机运行，调整掘进方向，换步进行下一循环的作业。
d.紧急情况下操作要点。发现刀具金属件损坏脱落，从皮带机上输出、卸渣斗出现故障，液压系统出现故障，脂润滑故障等，要立刻停止掘进，后退刀盘2～3cm，立即停止刀盘转动，依次停止各系统的工作，对故障部位进行检查，最好不按紧急停机按钮，以免损坏设备。若遇紧急情况，如皮带机皮带断裂或危及人身安全，方可按紧急按钮。
TBM掘进过程中将超前地质预报纳入施工工序管理，以第三方超前地质预报成果为依据，结合掘进参数、出渣情况和成洞质量对掌子面围岩作出较为准确的判断，从而为下一步掘进施工措施的选择提供可供借鉴的依据[6]。
TBM施工超前地质预报一般有TRT、TSP、HSP-T水平声波超前地质预报系统探测，高分辨电法探测，红外探测，地质雷达等超前探测方式。本工程采用TSP203+超前探测，结合超前地质素描、超前红外探水以及地质展示的方式来进行超前地质预报。TSP203工作原理见图2。每次探测长度大约可达200m，但精度也会随距离的增加而有所降低。
图2 TSP 203工作原理
在TBM掘进施工过程中，超前地质预报应连续无中断，在每次超前地质预报完成后，及时分析，提供预报成果，并根据预报成果拟定施工技术交底文件，下发到作业班组，以此来指导现场施工生产。在实际施工过程中，还应对预报成果进行检验，收集整理地质资料，并进一步分析，为超前地质预报的相关参数修正提供依据与基础，逐步提升其准确性。
4.1 导向系统简介
本工程采用演算工坊导向系统进行隧洞轴线控制。演算工坊导向系统是目前TBM掘进施工常用的导向系统之一，设计的目的是使TBM操作人员用最少的注意力获得最多的TBM位置信息。本套导向系统用三维空间坐标自动确定TBM确切的位置和方向，从而给TBM主司机提供TBM轴线相对于设计中线偏差所有必需的信息。同时，如果TBM偏离轴线，导向系统将随时给TBM主司机提供一个虚拟的设计行走线路，指导主司机及时调向使TBM回到设计轴线位置。
4.2 演算工坊导向系统的组成及其功能
a.马达全站仪。全站仪是演算工坊导向系统的主机。在系统计算机的控制下可以自动搜寻并测量后视棱镜完成自动定向洞轴线、测量TBM上的两个马达棱镜的定位以及高精度的双轴电动倾斜仪的正常工作状况。
b.倾斜仪。在TBM前部有一个高精度的倾斜仪用来检测TBM的倾斜和滚动状况，并将检测数据传输到计算机控制系统中，通过倾斜及滚动改正，得出TBM准确的走向位置。
c.系统计算机。系统计算机是演算工坊系统的控制单元，通过搜集马达全站仪测量的棱镜数据和倾斜仪的读数，准确地计算出TBM方位、倾斜和滚动值，并以图片和数据的形式提供给TBM主司机。
d.马达棱镜。为了防止由于两个目标棱镜之间相互干扰而产生测量错误，本系统采用的是两个马达棱镜，在系统的控制下它能交替地打开和覆盖，这样能确保无论什么时候只能单独测量一个棱镜，从而避免了由于二者相互干扰产生的测量错误。
e.数据传输电缆。包括各仪器与系统计算机的连接线和信号传输线。
4.3 演算工坊导向原理
为了获得TBM的位置和方向信息，至少需要确定TBM的两个点，并且还要测量出这两个点的三维坐标。这两个点是由安装在TBM前部的两个马达棱镜确定的，暂命名为P1和P2棱镜。而这两个棱镜相对于TBM机器轴线的相对位置固定不变，在TBM安装时确定。演算工坊导向原理见图3。
图3 演算工坊导向原理示意图
导向系统利用一个马达全站仪自动测量P1和P2棱镜。全站仪在开始测量这两个棱镜之前首先被定向(也就是测量作业时所说的后视)，然后按顺序测量P1和P2棱镜坐标和高程，最后，系统计算机将测量数据连同倾斜仪采集的数据经过程序处理，直接把TBM机体姿态以图文的形式显示在计算机屏幕上。随着在掘进过程中TBM不断向前移动，TBM机体的位置一直也在发生变化，通过在不同时段测量出两个棱镜的三维坐标就很容易推算出TBM的实际掘进轴线。所以，TBM实际轴线相对于设计轴线的竖向和水平偏差就很容易地计算出来并提供给TBM主司机。如果超出规定偏差，系统将自动计算并提供一个最优的投影路径指导TBM回到设计中线位置，同时它还能提供必要的路径参数(如最小的转弯半径及有关轨迹的几何元素)，方便主司机操作。
4.4 搬站及测量
因马达全站仪固定在边墙上，随着TBM的不断向前推进，马达全站仪的前视距离不断增加，所测数据误差也相应增加，为了减少误差让演算工坊能相对稳定准确地反映TBM掘进姿态，每向前掘进一定距离(约80m)，就将马达全站仪向前传递以减小前视距离。搬站流程及注意事项如下：
a.搬站前先记录下各测量数值，如刀盘偏差、坡度、滚动等。
b.安装支架，用以安置马达全站仪，可利用喷浆机平台来安装。安装时保持支架的水平和稳固。
c.测量新支架的施工坐标和标高。测量时必须以地面控制点为基准坐标进行测量和计算。
d.在系统计算机中输入新的马达全站仪坐标和后视棱镜坐标，运行演算工坊软件，记录各测量数据，如果与之前数据相差值超标，应重新计算或测量相关数据。
4.5 人工导向
人工导向是演算工坊导向系统的重要辅助措施，二者之间的导向原理基本一致，它是由测量人员通过用常规手段测量P1、P2棱镜来确定TBM的位置，以此来指导TBM主司机进行偏差调整。
a.打开演算工坊系统程序的主页面，把系统由原自动测量模式改为手动测量模式。
b.测量人员依照系统提示逐步进行测量，并将测量数据准确输入。
c.测量完成后系统显示屏将显示TBM位置状态，主司机进行方向调整。
注意事项如下：
a.人工导向的测量时机应该安排在循环掘进完之后、换步之前进行。
b.导向时，TBM必须停稳，处于绝对静止状态时方可进行测量；
测量速度不仅要快，还必须准确。
c.测量频率视岩石软硬情况而定，围岩较硬，调向效果明显，可选择2个循环导向一次；
软弱围岩，调向相对困难，则必须1个循环导向一次。
TBM掘进时根据地质预报及现场对围岩的观察，确定掘进模式和掘进参数调整范围，适时调整掘进推力、撑靴压力、刀盘转速和循环进尺，在尽量保护设备和安全的前提下实现快速掘进。在掘进过程中，根据隧洞测量导向系统显示的掘进偏差适当地进行方向调整。TBM施工集开挖、支护于一体，两者可平行作业。其掘进流程见图4。
图4 TBM掘进流程
5.1 换步、主机姿态调整
当主推进油缸达到最大掘进行程时，TBM需要停机换步。此时刀盘停止转动，放下后支撑和刀盘底护盾支撑，将撑靴慢慢收回并前移一个行程，撑靴前移到位后再次撑紧岩壁并收回后支撑和底护盾支撑，最后通过操作后配套伸缩油缸牵引后配套走行一个循环。TBM换步操作流程见图5。
图5 TBM换步操作流程
在TBM掘进的同时，进行初期支护和相关配套作业。当刀盘向前掘进1.8m时，完成一个循环的掘进。TBM掘进与换步步骤如下：ⓐ撑紧撑靴，收起后支撑，见图6；
ⓑ刀盘旋转，开始掘进推进，见图7；
ⓒ掘进行程完成后，进行换步，放下后支撑，见图8；
ⓓ收回水平撑靴，前移撑靴，再撑紧水平撑靴，进行下一掘进循环，见图9。
图6 TBM掘进准备
图7 TBM掘进
图8 TBM换步准备
图9 TBM换步
TBM在进行换步作业时，根据测量导向系统电脑屏幕显示的主机位置数据进行TBM姿态调整，完成对主机掘进方向和主机滚动值的调整，使TBM以合理的姿态工作。
5.2 TBM掘进姿态控制与调整
由于地层软硬不均以及操作等因素的影响，TBM推进不可能完全按照设计的隧洞轴线前进，而是会产生一定的偏差。TBM施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，使掘进偏差处于质量标准允许的范围(隧洞设计轴线水平方向±100mm、竖直方向±60mm)之内。
水平单撑靴掘进机方向控制工作原理为：根据测量导向系统显示的掘进机位置及方位，随时调整掘进机掘进方向，单撑靴敞开式掘进机的掘进方向在掘进过程中可随时调整，掘进机以刀盘护盾为支点，通过调整主梁的左右上下位置来完成。如需要向左方掘进时，左侧支撑油缸伸出，右侧支撑油缸收回，主梁向右移动，改变掘进方向。如需要上下调整时，可以调整倾斜油缸控制主梁的上下。因此隧洞的方向在掘进过程中随时可以调整，隧洞中心是一条连续的曲线，保证掘进方向可控。其方向控制原理见图10。
图10 掘进方向控制原理示意图
5.3 TBM姿态监测
TBM姿态监测是控制TBM掘进方向的唯一有效方法和手段。岭南TBM姿态监测系统拟配备一套演算工坊自动导向系统。该系统配置了导向、自动定位、掘进计算程序软件和显示器等，能够全天候地动态显示TBM当前位置与隧洞设计轴线的偏差以及预测在当前状态下一定距离的偏差趋势。
5.4 TBM姿态方向的控制与调整
a.在掘进过程中主要进行TBM的中线控制，当完成一个掘进循环后，在掘进过程中，对主机的倾斜和滚动值进行调整控制，纠正偏差。
b.为确保边刀不受损伤，每次调向的幅度不应太大，在更换完边刀的第一个掘进循环中不宜进行调向作业。
c.当TBM出现下俯时，通过调整上下油缸，增大主机的坡度,反之,则减小主机坡度。
d.水平方向纠偏主要是通过调节水平支撑的油缸伸缩量进行调整。
e.方向控制及纠偏注意事项。根据掌子面地质情况应及时调整掘进参数，防止TBM突然“低头”，方向纠偏时应缓慢进行，如修正过急，会对设备产生不利影响，TBM始发、贯通时方向控制极其重要，应按照始发、贯通掘进的有关技术要求，做好测量定位工作。
针对引汉济渭秦岭大埋深隧洞TBM施工段存在的高地应力、强耐磨性硬岩、常态化岩爆、长距离等复杂地质环境，通过查阅相关资料、组织调研国内外目前TBM掘进的施工案例、专家咨询研判和结合现场施工现状，对岭南TBM设备掘进模式选择及操作控制、超前地质预报、导向测量、姿态控制与调整等一系列掘进施工技术进行研究和不断地改进优化，提高了TBM 设备在该类洞段施工的工效、适应能力和刀盘的贯入度，并在现场进行实际应用论证。有效地规避了岭南TBM在复杂地质环境下掘进过程中出现长时间的停机现象，对加快现场施工进度、缩短工期、减小工程成本都具有很大的意义，同时可为类似工程隧洞 TBM掘进施工起到一定的借鉴作用。
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