隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工質(zhì)量管理及控制

王竹強(qiáng) 張宇華

（山西省水利建筑工程局 山西太原 030006）

1 隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）性能概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和綜合國力的增強(qiáng)，隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）在我國的使用越來越廣泛。TBM為“Tunnel Boringmachine”縮寫，即：隧洞掘進(jìn)機(jī)。隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工具有快速、安全、高效的特點(diǎn)，因此尤其在埋深大、距離長的隧洞中應(yīng)用越來越多。

TBM施工與常規(guī)法（也叫鉆爆法）施工工藝有著很大的區(qū)別，TBM施工是將開挖、襯砌、灌漿等各個工序同時進(jìn)行施工，采用流水線式作業(yè)，這樣的施工特點(diǎn)給TBM施工質(zhì)量控制帶來很大難度和挑戰(zhàn)。

影響TBM施工質(zhì)量的因素主要有3個，即：設(shè)備狀態(tài)、地質(zhì)條件、組織管理。在工程開工之前必須根據(jù)前期勘探資料選定合適的設(shè)備，我國已有由于TBM設(shè)備選型不合理而造成最后由TBM施工改為常規(guī)施工的教訓(xùn)。在施工過程中，必須合理地對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，確保設(shè)備狀態(tài)良好，只有選取合理的設(shè)備和保證設(shè)備的良好狀態(tài)才能確保工程的順利進(jìn)展，設(shè)備狀況是保證TBM施工質(zhì)量的前提；TBM施工對地質(zhì)條件要求較高，圍巖的地質(zhì)條件直接影響開挖、襯砌、灌漿各個工序的質(zhì)量，十分惡劣的地質(zhì)處理不當(dāng)會造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果，因此施工過程中要加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)測，根據(jù)地質(zhì)預(yù)測及時調(diào)整施工方案，地質(zhì)條件是保證TBM施工質(zhì)量的關(guān)鍵；TBM是電氣、液壓、機(jī)械綜合的精密度較高的設(shè)備，而且各種不同的專業(yè)、工序要同時進(jìn)行施工，操作手的熟練程度和有效的組織管理非常重要，組織管理是保證TBM施工質(zhì)量的主要因素。只有將具備良好的設(shè)備、準(zhǔn)確判斷圍巖的地質(zhì)情況、實施高效的組織管理才能保證TBM施工質(zhì)量。

TBM施工主要分為三道工序，即開挖工序、襯砌工序（管片安裝工序）、回填灌漿工序（目前有人提出將TBM回填灌漿工序分為豆礫石噴灌和水泥漿灌注兩道工序，雖然從工藝和施工順序?qū)嶋H分為兩步施工，但從質(zhì)量驗收和施工組織管理的角度還是應(yīng)為一個工序，目前還有人提出不同地質(zhì)洞段應(yīng)采用不同的灌漿工藝，因此將各種灌漿統(tǒng)一為一個灌漿工序較好）。本文從這三道工序現(xiàn)場施工的質(zhì)量控制結(jié)合上述的影響因素來探討TBM掘進(jìn)機(jī)施工質(zhì)量的管理和質(zhì)量控制。

2 工序質(zhì)量控制

2.1 開挖工序

TBM開挖質(zhì)量檢查重點(diǎn)就是隧洞的方向，即洞軸線的水平偏差和垂直偏差。由于TBM掘進(jìn)施工是全斷面整體開挖，刀盤及護(hù)盾是根據(jù)隧洞尺寸設(shè)計制作的，因此隧洞的成型控制基本可以不考慮，而且TBM開挖過程全部封閉，施工中也無法進(jìn)行隧洞的成型檢查。

TBM開挖方向主要由掘進(jìn)機(jī)自配的自動導(dǎo)向系統(tǒng)來控制，自動導(dǎo)向系統(tǒng)一般根據(jù)以下五個參數(shù)來確保開挖方向的準(zhǔn)確性：洞軸線的水平偏差、洞軸線垂直偏差、水平趨向、垂直趨向、滾動角。洞軸線的水平偏差和垂直偏差是指現(xiàn)在開挖的洞室方向，是質(zhì)量評定和驗收的重要依據(jù)；水平趨向和垂直趨向是指機(jī)頭趨向，即機(jī)頭開挖下1m時的軸線偏差值，單位為mm/m，趨向值是保證軸線準(zhǔn)確的主要指標(biāo)；滾動角是指TBM掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾的滾動角，在掘進(jìn)過程中，由于刀盤強(qiáng)大的轉(zhuǎn)動和扭矩、應(yīng)力必然導(dǎo)致護(hù)盾會也會滾動，因此控制滾動角也是確保軸線質(zhì)量的重要指標(biāo)。趨向值和滾動角是操作手調(diào)整機(jī)頭方向確保隧洞開挖質(zhì)量的重要依據(jù)。

TBM開挖質(zhì)量好壞主要取決于自動導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和操作手的操作，因此測量人員要定期對導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行檢查復(fù)核并按要求保養(yǎng)維護(hù)，確保導(dǎo)向系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在掘進(jìn)過程中操作手要隨時觀察機(jī)頭趨向和滾動角的變化，并隨時進(jìn)行相應(yīng)的操作確保洞軸線的準(zhǔn)確。

TBM開挖還受到地質(zhì)和設(shè)備狀況的影響。如果遇到地質(zhì)惡劣，塌方嚴(yán)重，構(gòu)造等不良地質(zhì)時，塌方碎塊將刀盤、護(hù)盾與圍巖之間的縫隙填滿，導(dǎo)致TBM無法調(diào)整方向，嚴(yán)重的會造成卡機(jī)，如果圍巖過軟承載力小，或者遇到軟硬相間的地層都會導(dǎo)致機(jī)頭下沉等方向偏離。因此做好地質(zhì)預(yù)報，并做好通過不良地質(zhì)洞段的施工方案和施工準(zhǔn)備非常必要。

只要上述幾個方面都得好的操作，TBM開挖質(zhì)量就沒問題。

2.2 襯砌工序

TBM掘進(jìn)機(jī)施工的襯砌工序，就是管片安裝工序，施工質(zhì)量檢查的重點(diǎn)是管片安裝的接縫縫寬和錯臺，安裝過程中產(chǎn)生的管片破損、裂縫等質(zhì)量問題以及管片的勾縫質(zhì)量等。

（1）管片安裝接縫縫寬、錯臺質(zhì)量檢查

a、檢查方法：（見圖1）。在檢測接縫、錯臺時，尺子要貼緊或垂直管片，避免造成讀數(shù)不準(zhǔn)確。

圖1 接縫檢測方法示意圖 錯臺檢測方法示意圖

b、測量管片接縫、錯臺的位置在根據(jù)現(xiàn)場情況，在安全的前提下確定量測位置，但必須等離管片完全離開護(hù)盾才能量。

c、注意觀察管片在護(hù)盾內(nèi)------離開護(hù)盾------噴豆礫石------灌漿等整個過程中，接縫、錯臺的變化情況，若變化較大或出現(xiàn)異常變化要及時報告。

d、隨時掌握開挖情況和地質(zhì)情況，如果開挖軸線出現(xiàn)較大偏差或地質(zhì)情況出現(xiàn)變化時，要加強(qiáng)觀測管片的接縫、錯臺的變化情況，并詳細(xì)記錄。

（2）勾縫質(zhì)量檢查

①勾砂漿前，要將管片接縫內(nèi)的石渣、粉塵等雜物清理干凈。

②勾砂漿時，要將砂漿填入縫隙內(nèi)，壓緊填實，如圖2。

圖2 合格的勾縫示意圖 不合格的勾縫示意圖

③若接縫過大，導(dǎo)致止水條無法接觸，根據(jù)要求加塞一道止水條，再用砂漿填實，見圖3。

圖3 加賽止水條示意圖

④砂漿勾填完畢，在表面與管片保持一個平面，壓模平滑，不得突出或凹現(xiàn)或表面不平整。

⑤若管片錯臺小于2cm時，用勾縫砂漿將其磨平，注意不要坡度太大，大于2cm的錯臺，根據(jù)監(jiān)理工程師確認(rèn)的修補(bǔ)方案進(jìn)行修補(bǔ)。

2.3 灌漿工序

目前TBM回填灌漿施工大都采用噴灌豆礫石后再灌注水泥漿液的施工工藝，這種工藝在山西省萬家寨引黃入晉TBM工程項目中得到了極為成功的應(yīng)用。但隨著TBM在國內(nèi)的應(yīng)用越來越多，遇到的地質(zhì)問題也增多，豆礫石水泥漿回填灌漿工藝也暴露出一些弱點(diǎn)和局限，因此有些工程還嘗試采用了灌注砂漿或豆礫石水泥漿和砂漿相結(jié)合等綜合灌漿工藝。本文仍以豆礫石回填灌漿工藝為主探討此工序的質(zhì)量控制。

TBM回填灌漿質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)是灌漿飽滿密實，灌漿體的抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，通常灌漿的密實度采用取芯觀察和壓水壓漿試驗檢查，灌漿強(qiáng)度采用芯樣的抗壓強(qiáng)度檢查。要使灌漿達(dá)到質(zhì)量要求，施工過程中，重點(diǎn)檢查：豆礫石、水泥等原材料質(zhì)量、豆礫石噴灌情況、水泥漿配料、灌漿壓力、灌注量及串漿距離等。

3 施工常見的質(zhì)量缺陷及處理

1）TBM開挖工序常出現(xiàn)的質(zhì)量問題是洞軸線超過允許偏差造成不合格，即機(jī)頭偏離。產(chǎn)生這個質(zhì)量問題主要原因有地質(zhì)原因，如前所述，由于遇到軟弱的圍巖，地基承載力小造成機(jī)頭下沉，由于塌方地巖渣將護(hù)盾與圍巖之間的空隙填滿時機(jī)頭無法調(diào)整方向。

2）管片安裝工序常出現(xiàn)的質(zhì)量問題有：

（1）管片安裝接縫錯臺超標(biāo)，一般引起接縫縫寬和錯臺超標(biāo)的原因有：豆礫石回填不及時；地質(zhì)惡劣；管片安裝不規(guī)范。因此要想控制管片安裝質(zhì)量，首先要及時回填豆礫石，操作手要按照規(guī)定的動作安裝管片，不要將管片安裝得傾斜憋勁。遇到地質(zhì)情況不好的洞段安裝管片更要注意。

（2）管片破損，一般引起接縫縫寬和錯臺超標(biāo)的原因有：使用單護(hù)盾模式進(jìn)行掘進(jìn)，使機(jī)頭向前推進(jìn)的力全部作用到管片上，將管片擠壓破損；安裝管片時磕碰導(dǎo)致破損。因此管片安裝時一定要注意小心操作。破損部位修補(bǔ)見上節(jié)內(nèi)容。

（3）管片裂縫。

3）回填灌漿工序常出現(xiàn)的質(zhì)量問題主要是在特殊地質(zhì)洞段的灌漿問題，在有外水洞段，由于外水的作用，容易將漿液稀釋等，使灌漿不密實，強(qiáng)度低；在塌方嚴(yán)重的地方，由于塌落的巖塊均位于頂管片或側(cè)管片底部，將灌漿的空間占滿，使豆礫石和水泥漿均無法灌注；遇到斷層、溶洞等無法灌漿，因此在遇到特殊地質(zhì)洞段要特殊灌漿處理。

4 展望及建議

正如上述，TBM掘進(jìn)機(jī)施工工藝具有高度自動化，高施工效率的特點(diǎn)，因此采用常規(guī)施工的質(zhì)量管理辦法無法與TBM掘進(jìn)機(jī)施工工藝相適應(yīng)，要想適應(yīng)TBM掘進(jìn)機(jī)這種特殊施工工藝，質(zhì)量管理也必須采用特殊的辦法，因此筆者提出以下建議：

4.1 TBM掘進(jìn)機(jī)施工質(zhì)量管理建立“動態(tài)質(zhì)量監(jiān)控”的思路和辦法

TBM掘進(jìn)機(jī)施工質(zhì)量管理必須采用“動態(tài)質(zhì)量監(jiān)控”，所謂“動態(tài)質(zhì)量監(jiān)控”，就是對連續(xù)的施工質(zhì)量數(shù)據(jù)隨時進(jìn)行匯總統(tǒng)計分析，并對下一步的施工質(zhì)量進(jìn)行質(zhì)量趨勢，進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測，根據(jù)質(zhì)量預(yù)測隨時進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)控，避免出現(xiàn)質(zhì)量超標(biāo)現(xiàn)象。如何實現(xiàn)“動態(tài)質(zhì)量監(jiān)控”，這是一個新課題，目前筆者正在研制“TBM掘進(jìn)機(jī)施工質(zhì)量管理軟件”，嘗試對工程質(zhì)量進(jìn)行信息化管理，使電腦自動進(jìn)行質(zhì)量分析，預(yù)測質(zhì)量趨勢，這樣就能快速準(zhǔn)確有效地進(jìn)行質(zhì)量控制，真正與TBM這種高科技施工相適應(yīng)。

4.2 原材料檢驗必須采用快速檢測的辦法

由于TBM施工速度很快，因此必須連續(xù)不斷地進(jìn)行原材料供應(yīng)，而目前我國相關(guān)規(guī)范對原材料的檢驗周期較長，不能適應(yīng)TBM快速施工的要求，所以必須要建立原材料的快速檢測辦法。

4.3 TBM質(zhì)量驗收和資料整理宜按時間進(jìn)行劃分整理

目前我國對工程質(zhì)量驗收的劃分（工程項目劃分）是按工程的部位、工藝特點(diǎn)、工程造價進(jìn)行考慮的，由于TBM施工連續(xù)和工藝的一致性的特點(diǎn)，現(xiàn)場所有的資料均是以班報進(jìn)行建立，因此TBM的質(zhì)量驗收劃分也因根據(jù)施工時段進(jìn)行，可以采用一個月進(jìn)行一次質(zhì)量評定，若本月實際施工天數(shù)少于半月或者施工進(jìn)尺遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于平均進(jìn)尺可以并入下月進(jìn)行質(zhì)量評定，所有工程資料也按月進(jìn)行整理組卷。