1、软岩地质条件下单护盾 TBM 掘进姿态控制摘要：随着引洮 7#隧洞连续创下高产，并以月掘进 1868m 突破单护盾 TBM 月掘进世界记录，单护盾必将成为今后长距离软岩隧洞施工的宠儿，得到广泛应用。本文结合引洮工程 7#隧洞单护盾 TBM 在施工中以控制 TBM 姿态和管片姿态为前提，为连续创下高产提供有利条件，重点对软岩地层中控制 TBM 掘进姿态控制和调整进行分析总结，为类似工程项目提供参考。 关键词：软岩；单护盾 TBM；姿态控制；姿态调整；控制措施 中图分类号： F407.1 文献标识码： A 引言 随着国家基础建设推进，隧洞工程快速发展，TBM 必将在我国隧洞施工中广泛应用。TBM
2、实现了连续掘进和同步开挖支护，并具有掘进速度快、效率高、安全风险小和一次成型的特点。由于隧洞距离长，地质条件差，掘进姿态控制直接影响隧洞施工质量，并影响隧洞施工进度，因此合理选择掘进参数，采取有效控制办法，控制 TBM 掘进姿态尤为重要，结合引洮 7#隧洞实际施工情况，对如何控制 TBM 掘进姿态，提出个人意见和建议。 工程概述 引洮供水一期工程总干渠 7隧洞工程位于甘肃省渭源县境内，主要包括阎家沟通风竖井和总干渠 7隧洞。阎家沟通风竖井桩号 53+955，井深 154.94m+水平段 20.012m。隧洞起止桩号为 46+715-64+001，全长17286m，设计断面为圆形，沿进口方向 1
3、/1650 的上坡，主要采用单护盾TBM 施工。设计开挖直径 5.75 米，衬砌管片后直径 4960mm，管片背后上部 270 度范围进行豆砾石（510mm）回填灌浆，要求结石强度为 C15，下部 90 度为回填 M15 水泥砂浆。管片设计为六边形，纵向接头为凹凸面球窝结构，环向以定位销连接，设计外径 5520mm，内径 4960mm，环片厚度为 280mm，环片宽度为 1600mm，每环管片分 4 块（1 块底管片，2 块侧管片，1 块顶管片） ，单块最大重量约 5.2t。管片强度设计为 C45，抗渗等级为 W8，抗冻等级为 F50（其中进出口 200 米范围为 F200） 。 该工程 TB
4、M 由主机、后配套、加利福尼亚道岔组成，总长 380.3m。其中主机长 10.3 米；后配套由 17 节拖车组成，总长 170 米；加利福尼亚道岔由 29 节平板车组成，总长 200 米。TBM 设计允许最小转弯半径500 米，设计最大推力 28883kn，额定扭矩 4000kn.m，脱困扭矩6312kn.m，设计正转转速为 0-8rpm，设计反转转速为 0-8rpm。 一、水文地质条件 7#隧洞围岩主要由上第三系（N2L3）泥质粉砂岩、粉（砂）质泥岩、砂砾岩、 （含砾）砂岩、疏松砂岩等组成，岩性软弱，互层状分布，相变剧烈。岩层产状平缓，受构造影响轻微，断裂裂隙不发育，仅发育舒缓短轴褶皱，总体
5、上富水性较差。地下水主要由大气降水补给，降雨稀少，且年内分布不均，地层渗透性弱，地下水水量一般较小（实测泉水最大流量小于 5L/min） 。根据钻孔揭示、试验及水文地质调查，砂砾岩、砂岩孔隙率 20%左右，为含水透水层，钻孔一般有地下水，泉水均出露于砂岩、砂砾岩层部位。泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为相对隔水层，地下水分布不均，一般呈层状分布且局部承压，所在山体为微弱层状含水山体。 二、软岩地质条件下 TBM 掘进姿态难以控制原因 1、围岩易被扰动，易塌方 软岩遇水后强度急剧缩减，在 TBM 开挖掘进过程中，由于刀盘转动，会造成围岩扰动，导致围岩塌方，塌方量过大直接导致 TBM 掘进困难，严重影响 T
6、BM 姿态。 2、围岩软硬不均、推力分配不均 软岩条件下，围岩由于含水率不一，可能造成围岩强度缩减不一，导致围岩软硬不均，从而直接影响推力分布，推力分布不均匀，导致姿态调整困难或无法调整。 3、刀仓出渣不干净，推力扭矩增大，尾盾被垫起 软岩塌方体较多，且由于含水率和含泥量较大，造成出渣困难，刀仓和出渣口经常被渣土堵死，造成出渣不及时，导致推力和扭矩增大，且由于渣土垫于盾体底部，造成掘进姿态控制困难，TBM 掘进一直抬头现象。 4、易载头 随围岩含水率增大，以引洮 7#隧洞含水疏松沙层为例，围岩含水率达到 12%时，围岩软化、泥化加剧，承载力急剧下降，导致 TBM 低头，无法通过调整油缸形成差进
7、行调整，导致 TBM 卡机。 三、软岩地质条件下 TBM 掘进姿态控制措施 1、明确地质 根据前期勘察地质纵剖面图和实际施工揭示围岩情况，明确地质围岩条件。主要明确影响单护盾 TBM 掘进的因素,本工程主要明确事项有岩性、含水率和含泥量，单护盾 TBM 有可能通过不大于 80m 的含水疏松沙层，必须加强施工组织，保证各个工序衔接正常，且要求通过时快速通过，停机保养时间不能超过 30min，一旦超过 30min 或含水率 12.4%，含泥量 28%可能出现严重突泥涌砂，造成 TBM 被卡。 2、制定调向原则，严格执行勤调缓调原则 单护盾 TBM 掘进调向原则，总体控制为勤调缓调原则，在掘进过程中
8、，要明确盾尾间隙，TBM 掘进趋势，做到勤调缓调，TBM 掘进姿态控制水平方向 0 位靠近，竖直方向保持在 30-60mm 掘进为宜。当 TBM 姿态和管片姿态出现不吻合时，要密切注意盾尾间隙，不要过于要求快速回调或者安装管片调整，要根据盾尾间隙，保证管片安装质量情况下，可保持 TBM 不予调整姿态，保持现有姿态直线前进，当管片间隙足够调整时，主司机和值班工程师沟通确认后，缓慢调整姿态。 3、刀盘清理 在软岩地层掘进,刀盘容易被泥沙堵塞,若较长时间不清理,则会造成刀盘前方被渣土封堵形成泥饼,导致无法掘进,或清理时间较长,软岩收敛变形造成卡机现象；特殊情况下,刀盘清理不及时和掘进速度过快可能造成
9、盾体底部渣土积累过多,盾体呈抬头姿势掘进,将无法保证 TBM 掘进姿态和管片安装姿态。由于抬头姿势过快,若没有引起重视，未采取清理刀盘、降低掘进速度和增大转速，可能在 3-5 环内将造成 TBM 盾体被卡。 4、管片底部砂浆换填 为保证 TBM 正常掘进，TBM 掘进姿态和管片姿态相互照应在 TBM 掘进施工中尤为重要，而在软岩条件下掘进时，由于隧洞底部承载力偏小，容易造成管片沉降，会造成管片姿态无法顺应 TBM 掘进姿态，导致盾体与管片之间存在夹角过大，TBM 盾体被管片卡住，从而引起 TBM 掘进推力过大、管片破损或卡机，因此在软岩条件下，采取干性水泥砂浆对隧洞底部换填，根据需要一般换填厚
10、度为 5cm 左右。 5、胶结油缸使用 胶结油缸在 TBM 掘进施工中应用调整较少，且调整幅度不能过大，地质围岩条件较好条件下胶结油缸下部比上部稍微伸出，TBM 掘进呈微抬头掘进，且在掘进过程中基本不予调整，主要通过控制掘进参数控制 TBM掘进姿态。软岩条件下由于掘进姿态较为难控制，常出现低头现象，此时可通过调整胶结油缸，以便调整掘进姿态，一般竖向姿态在 30mm-60mm时，胶结油缸上下行程差为 10mm 左右（上油缸比下油缸行程短） ；竖向姿态超过 60mm 时，胶结油缸形成差将适当减小，且调整浮动不能过大，一般行程差为 5mm 左右（上油缸比下油缸行程短） ，且要配合掘进参数控制掘进姿态
11、，不能仅仅通过调整胶结油缸来实现调整掘进姿态。 6、调整板使用 TBM 实现正反转条件下调整板一般情况下为固定状态，基本不予调整，调整板主要作用为调整 TBM 自身滚动，而对管片滚动起不利作用。TBM 正转掘进时，TBM 对管片作用为反正；TBM 反转掘进时，TBM 对管片作用为正转。正常情况下，TBM 滚动和管片滚动全部通过正反转选择调整，当管片滚动为顺时针滚动，且通过 TBM 正转无法实现调整时，此时可通过伸出调整板调整滚动，调整完成后再次固定调整板。 7、尾盾开口改造 原设计 TBM 尾盾无开口设计，底管片直接先作用于盾尾钢板，在 TBM向前掘进后，底管片坐落于围岩，此情况会导致管片错台
12、加大，且无法保证管片调相。根据施工情况将盾尾底部钢板割除，且在底管片端头接触钢板位置，将钢板变薄，实现了底部管片之间坐落于围岩上，保证了管片姿态调整。 8、盾尾间隙控制 盾尾间隙是观察 TBM 姿态和管片姿态是否相对应直观反映，盾尾间隙是管片外径和盾壳内径的相对关系，控制好盾尾间隙基本能保证 TBM姿态和管片姿态相吻合，从而保证管片安装质量，因此在 TBM 掘进过程中，查看盾尾间隙显得尤其重要，盾尾间隙查看分三步：第一步安装管片时查看，第二步安装完成后查看，第三步掘进后查看，通过此三步可了解管片姿态与 TBM 姿态是否相吻合，若出现盾尾间隙明显变小（相对应位置明显变大） ，则要查看掘进参数是否
13、相对于上一次掘进有明显变化，通过出渣口观察掌子面围岩是否发生变化，根据查看结果调整 TBM 掘进姿态和加垫木板方式调整盾尾间隙。 结束语 综上所述，软岩条件下单护盾 TBM 掘进受围岩条件影响较大，若围岩为含水疏松砂岩，隧洞通过岩层厚度大于 80m，含水率超过 12%，单护盾 TBM 基本无法正常掘进。因此，软岩条件下单护盾 TBM 掘进必须时刻注意盾尾间隙，保证 TBM 姿态和管片姿态相互顺应，以保证管片安装质量，避免管片卡住盾壳，造成 TBM 卡机。 参考文献 1 蒙先君.长距离双护盾 TBM 施工探讨J. 隧道建设. 2008(04). 2 杨成春,马晓卫.盾构机在特殊地段的管片拼装技术J. 隧道建设. 2006(S1).
