敞開式全斷面硬巖掘進機在長大隧洞快速掘進中的實踐應(yīng)用

袁木林，汪艷紅

（1.吉林省水務(wù)投資集團有限公司，130000，長春；2.中國市政工程東北設(shè)計研究總院有限公司，130021，長春）

敞開式全斷面硬巖掘進機是集機械設(shè)備、電子元件、液壓裝備、激光設(shè)施、控制措施等諸多技術(shù)于一身的工廠化流水線隧道施工設(shè)備，可實現(xiàn)隧道建設(shè)中同時進行開挖、 支護、出渣施工，且連續(xù)作業(yè)一次成型。 由于該設(shè)備施工具有自動化程度高、隧道施工速度快、對施工作業(yè)面和周邊環(huán)境影響小、生產(chǎn)安全可控、對外界和受外界影響小等優(yōu)點，可破解常規(guī)鉆爆法施工不能完成的復(fù)雜地質(zhì)條件下大埋深、長距離隧道的施工，目前在國內(nèi)外隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。本文以吉林省“中部引水工程”總干線施工四標(biāo)段為例，對敞開式全斷面硬巖掘進機在長大隧洞中快速掘進條件進行分析并提出相關(guān)建議。

一、工程概況

1.工程簡況

吉林省中部城市引松供水工程是國務(wù)院確定的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一（簡稱“中部引水工程”）。 工程總干線施工四標(biāo)段位于吉林省吉林市岔路河至飲馬河之間，線路長23 km， 采用1 臺直徑7.93 m 的敞開式全斷面硬巖掘進機結(jié)合人工鉆爆法施工，其中鉆爆法采用裝載機配合自卸汽車進行出渣，掘進機法采用連續(xù)皮帶機進行出渣，運輸采用無軌運輸與有軌運輸相結(jié)合的運輸系統(tǒng)。 主體工程主要包括：隧洞出口鉆爆法施工主洞424 m， 飲馬河調(diào)壓井58.298 m，TBM 掘進施工17.494 km；堿草甸子豎井33.9 m， 正洞處理淺埋不良地質(zhì)段147 m；小河沿豎井43.94 m，水平通道12.86 m，正洞處理不良地質(zhì)段284 m；#8 支洞1 192.2 m，正洞檢修間及服務(wù)洞室共計450 m， 鉆爆段1 371 m；#3 通風(fēng)豎井53 m；#7 支洞518.1 m，拆卸間80 m，過岔路河段和大樁號段鉆爆施工2 726 m。

2.工程設(shè)計和施工風(fēng)險

（1）掘進設(shè)備施工段設(shè)計概況

TBM 施工段開挖斷面為圓形，開挖成洞直徑7.93 m。 采用錨噴支護作為初期支護，全圓現(xiàn)澆C25 鋼筋混凝土二次襯砌， 其中66+350 m～66+647 m、68+204 m～69+359 m 段共計448 m采用C40 預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌。 襯砌凈空（直徑）根據(jù)不同圍巖斷面主要有6.51 m、6.8 m、7.07 m。

（2）掘進設(shè)備檢修間

TBM 檢修間全長80 m，起止樁號為61+9.8 m～60+929.8 m。

（3）掘進設(shè)備拆卸間

TBM 拆卸間全長80 m，起止樁號為51+610 m～51+690 m。 斷面形式與TBM 檢修間擴大洞室相同，圍巖為Ⅱ類圍巖，巖性為花崗巖。

3.設(shè)計水文地質(zhì)和設(shè)備施工風(fēng)險

整個隧洞穿越多條溝谷，隧洞埋深38～150 m，其中有7.6 km 灰?guī)r巖溶段發(fā)育有溶蝕溶洞群及炭質(zhì)板巖。 全段共有32 條斷層， 最大影響寬度為200 m，其中Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等是阻水或?qū)當(dāng)嗔褦鄬?，位置恰處溝谷段，具有匯積水條件，不同程度的存在坍塌、涌水和涌泥突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害問題。 灰?guī)r地層中存在溶隙、溶槽、溶洞群問題。 根據(jù)實際施工情況，TBM 掘進過程中發(fā)現(xiàn)大小溶洞共計52 處，最大溶洞長22 m，寬度大于8 m。掘進設(shè)備穿越不良地質(zhì)段主要存在如下施工風(fēng)險：

①在灰?guī)r掘進中掘進設(shè)備穿越2處炭質(zhì)板巖段，該段圍巖軟弱，基本無強度，且遇水巖石就容易泥化糊設(shè)備刀盤，堵刀孔，且頂拱常伴有塌腔和嚴(yán)重掉塊，造成掘進機扭矩超過荷載無法掘進；渣料在轉(zhuǎn)渣皮帶上造成滑溜，無法順利出渣，造成場地泥濘，隧洞底部軟化，掘進設(shè)備主機頭發(fā)生栽頭等問題。

②掘進設(shè)備在灰?guī)r掘進中，揭露并穿越斷層破碎帶32 處， 其中2 處影響較大，最大影響范圍為200 m，且還有一處斷層與炭質(zhì)板巖疊加，該段頂拱坍塌嚴(yán)重，塌腔最深約6.5 m，現(xiàn)場支護困難，清渣量大。

③該標(biāo)段7.6 km 灰?guī)r洞段內(nèi)局部洞段存在巖溶區(qū)，探明12 處溶洞，實際揭露52 處（最大溶洞長22 m，寬度大于8 m），這種條件下掘進時設(shè)備容易發(fā)生偏機、栽頭、卡刀盤、涌泥掩埋盾體、涌水引起電器故障、收斂變形引起整機被卡等施工風(fēng)險。

④該標(biāo)段2016 年2 月29 日掘進時掌子面前方發(fā)生涌水、2016 年3月24 日發(fā)生突泥、2016 年5 月30 日發(fā)生涌水涌泥，致使支護工人在底部安裝拱架困難、刀盤前方石渣隨水流出、連續(xù)皮帶系統(tǒng)打滑、掘進機行走及運輸軌線淹沒無法延伸，TBM 被迫停止掘進。

二、TBM 掘進情況

中部引水工程總干線四標(biāo)段掘進機自2015 年5 月底始發(fā)掘進至標(biāo)段隧洞掘進完成，有效掘進時間共計18.7 個月，累計掘進12 626.3 m。 施工中成功攻克了溶腔溶洞發(fā)育、圍巖變化頻繁、地層軟硬不均、突泥涌水、高強度硬巖等不良地質(zhì)難題，設(shè)備掘進保持了安全、穩(wěn)定、連續(xù)、快速的勢頭，并取得了最高單班進尺40.4 m，最高單日進尺70.8 m， 最高單周進尺365 m， 最高單月進尺1 338 m 的較好成績， 創(chuàng)造了當(dāng)時國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的敞開式全斷面硬巖掘進機月施工全國紀(jì)錄。 同時，在國內(nèi)沒有灰?guī)r巖溶地層設(shè)備施工經(jīng)驗可借鑒的情況下，項目嚴(yán)格落實精細(xì)管理、安全質(zhì)量隱患排查的總體安排，按照“首件制+工序分析+成本分析”的工作思路，通過科學(xué)合理的施工組織，嚴(yán)格的現(xiàn)場問題反饋及處置機制， 完善的工序考核及工序銜接，積極的科研技術(shù)創(chuàng)新及成果總結(jié)，成功穿越了7.65 km 長的灰?guī)r巖溶地層，實現(xiàn)了國內(nèi)同條件施工的歷史性突破。

三、敞開式全斷面硬巖掘進機快速施工技術(shù)

1.深入研究地質(zhì)條件，做好前期方案策劃

中部引水總干四標(biāo)段隧洞地質(zhì)復(fù)雜，項目組織技術(shù)人員對地質(zhì)情況進行分析，研究不良地質(zhì)條件下掘進機施工技術(shù)的影響，編制了相關(guān)預(yù)案和施工專項方案。 同時研究確定掘進參數(shù)，既能保證掘進速度、又能實現(xiàn)安全掘進。

2.設(shè)備量身定制

設(shè)備招標(biāo)前，針對工程的具體地質(zhì)、施工特點，先后組織了兩次掘進機設(shè)計聯(lián)絡(luò)會，確定了設(shè)備性能所必需的針對性設(shè)計及供應(yīng)商的相關(guān)承諾。 建設(shè)單位和施工單位選派設(shè)備工程師與廠家對接， 并全程現(xiàn)場監(jiān)督，確保設(shè)備設(shè)計和制造過程中適時優(yōu)化及質(zhì)量管控。

（1）監(jiān)造做到有的放矢

監(jiān)造方式：為滿足掘進機相關(guān)核心設(shè)備的要求采用全球采購，針對廠家的監(jiān)造需求，一方面對掘進機制造過程全面監(jiān)控；另一方面對施工階段相關(guān)人員進行前期有效的培訓(xùn)，增加對掘進機的認(rèn)識。 監(jiān)造前期，選派專業(yè)工程師進駐各制造廠，全程跟蹤監(jiān)控各關(guān)鍵部件的制造過程。

嚴(yán)格質(zhì)量控制：工廠組裝階段對組裝質(zhì)量全程進行監(jiān)控。 將監(jiān)造組人員按照工程組裝工序安排，分為白/夜班全程跟蹤。 重點控制關(guān)鍵組裝工序，如機頭架與主軸承的裝配、主軸承密封耐磨圈的裝配等。

工廠調(diào)試階段：整機調(diào)試分為空載調(diào)試和負(fù)載調(diào)試， 空載調(diào)試完成后在試掘進階段進行負(fù)載調(diào)試?？蛰d調(diào)試主要確保各環(huán)節(jié)滿足現(xiàn)場作業(yè)要求。

監(jiān)造階段問題處理：監(jiān)造過程中發(fā)現(xiàn)的問題，及時向制造方以正式函件的形式提出并按照實際施工要求進行針對性整改或改造。

通過兩次設(shè)計聯(lián)絡(luò)會和組裝監(jiān)造，在主大梁和連接橋、主控系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)、超前預(yù)報系統(tǒng)等方面進行了優(yōu)化和改進，使其在中部引水工程地質(zhì)條件下更具有掘進優(yōu)勢。

（2）設(shè)計具有針對性

超前地質(zhì)預(yù)報搭載系統(tǒng)：針對前期為指導(dǎo)掘進機掘進，采用的超前地質(zhì)預(yù)報措施均存在操作復(fù)雜、長時間停機等特點，本工程設(shè)備采用由山東大學(xué)自主研發(fā)并搭載在掘進機上激發(fā)極化超前預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)實時地質(zhì)預(yù)報，預(yù)報距離為30～40 m。在刀盤和護盾上安裝測量和供電電極，將供電電極系集成到掘進機的護盾上并沿環(huán)向布置，測量電極系集成在刀盤上，刀盤上通過開孔的方式安裝測量電極系，掘進機施工時測量電極系收縮到刀盤的刀倉中。 采用2 條多芯電纜與供電和測量電極系連接，同時設(shè)計2 根單芯電纜連接電極B與N，探測儀器安裝在掘進機主控室，電纜連接到主控室的儀器。 測量時，通過液壓系統(tǒng)推出電極伸縮到掌子面實現(xiàn)激發(fā)極化超前探測。

掌子面刀盤上布置測量電極14個，護盾與邊墻布置供電電極22 個，電極環(huán)分別與掌子面距離為2 m 與4 m。

支護能力: 設(shè)計增設(shè)了拱架撐緊系統(tǒng)，有效地解決了拱架不能緊貼巖面和出現(xiàn)坍塌、掉塊時拱架安裝不能到達設(shè)計位置等問題；設(shè)備在護盾后和主梁后配置了2 個支護作業(yè)區(qū)和2套支護系統(tǒng)，L1區(qū)域包含錨桿鉆機、拱架安裝系統(tǒng)和濕噴機，主要針對初露護盾圍巖進行支護，同時濕噴系統(tǒng)用于緊急情況下及時噴混凝土支護，確保施工安全。 L2區(qū)域主要為錨桿鉆機，用于滿足鎖腳錨桿及拱腰以下錨桿支護要求。 噴漿主要采用人工手持手柄遙控噴漿系統(tǒng)， 噴漿系統(tǒng)由20 m3/h 進口輸送泵+行走大車+伸縮懸臂組成，有效解決了懸臂伸出長度過大導(dǎo)致的無法可靠伸縮問題。

快速施工:為滿足長距離、快速施工對支護材料需求，在后配套位置配置加利福尼亞道岔，可實現(xiàn)2 列運輸編組快速倒運及存放，滿足快速掘進情況下支護工況的材料和半成品運輸及多列機車運行會車需求。

材料吊運:由于設(shè)備橋空間有限，存放不了滿足設(shè)備快速掘進施工而需求大量原材料儲備的問題，故在該設(shè)備橋處增設(shè)了折臂吊機，使該設(shè)備的工作范圍增大、效率提高，同時解決了支護材料不能快速吊運、影響生產(chǎn)的難題。

3.做好施工組織管理，確保工程進度

（1）進度指標(biāo)確定

根據(jù)策劃會、 施工組織設(shè)計、建設(shè)單位及施工單位總部下發(fā)的進度通用指標(biāo)及類似工程的施工經(jīng)驗， 確定中部引水工程總干線施工四標(biāo)段TBM進度指標(biāo)并經(jīng)實踐統(tǒng)計驗證調(diào)整。

②實踐驗證進度指標(biāo)為工程掘進統(tǒng)計分析的內(nèi)控進度指標(biāo)，每月按25 天計算。

（2）資源配置

根據(jù)實施性施工組織設(shè)計及相關(guān)方案在“均衡生產(chǎn)”的原則下進行資源配置。

人員配置：TBM 掘進班組在試掘進期間（2015 年7 月8 日前）設(shè)掘進一班、 掘進二班進行12 小時兩班制作業(yè)，試掘進后進行重組掘進三班實行12 小時三班制作業(yè)， 同時為確保設(shè)備掘進順利進行，配套組建了綜合班、維修養(yǎng)護班、換刀和整修班、機電班。 每一掘進班為其配置地質(zhì)和土木值班工程師、掘進機主司機及機修工各1 名。 施工單位管理人員嚴(yán)格按照六部兩室進行人員配置，掘進機工區(qū)設(shè)置經(jīng)理1 人，副經(jīng)理3 人分別帶領(lǐng)三個掘進班進行掘進作業(yè)。

設(shè)備配置：除了掘進機施工常規(guī)配置的設(shè)備外，針對中部引水工程實際增加的機械設(shè)備有：①移動式噴漿車，利用2 臺材料車配置兩套噴漿車（噴漿機和料斗），以應(yīng)對不良地質(zhì)時提高噴漿效率； ②半自動網(wǎng)片焊接機，加快網(wǎng)片焊接速度，以確保大支護量情況下的網(wǎng)片供應(yīng)；③增設(shè)軟化水系統(tǒng)以減少冷卻循環(huán)系統(tǒng)結(jié)垢，保持各個系統(tǒng)的冷卻循環(huán)效果，以確保各個設(shè)備長期良性運轉(zhuǎn)；④配料機加裝濾網(wǎng)， 有效過濾了較大粒徑的沙子，降低了濕噴堵管等。

材料配置：施工單位工程部按照月進度計劃編制主材需用量計劃，物資部進行采購，限量領(lǐng)料，月底進行盤庫及召開成本分析會議，做到日清月結(jié)，查缺補漏。 同時按照工程所在地東北地域施工特點，重視并做好冬季儲料工作。

（3）安全管控

安全理念：以“我要安全，我會安全、我能安全”的安全管理理念在工程項目部深入人心， 只有確保安全，工程確定的高進度和快速施工目標(biāo)才會有保障。

班前講話：項目部非常注重TBM施工人員的班前講話，宣貫內(nèi)容包括安全、質(zhì)量及相關(guān)技術(shù)參數(shù)等方面的注意事項。 班前講話極大地提高了員工的安全、質(zhì)量意識。 同時積極開展技術(shù)培訓(xùn)工作，在圍巖巖性、支護參數(shù)發(fā)生變化以及即將過斷層破碎帶、裂隙較發(fā)育、溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重等不良地質(zhì)段時，及時組織相關(guān)參建單位和人員進行技術(shù)培訓(xùn)、相互交流，極大增強了參建人員的責(zé)任心。

安全檢查：項目建立了安全生產(chǎn)管理機構(gòu)， 制定安全生產(chǎn)責(zé)任制，開展安全管理活動， 并進行監(jiān)督檢查，形成從機構(gòu)、制度、管理和監(jiān)督上涵蓋施工生產(chǎn)全過程的安全生產(chǎn)保證體系，以實現(xiàn)安全生產(chǎn)管理目標(biāo)。 還采取加強安全教育、增加安全防護投入及保障、加大安全重大檢查及日常例行巡檢等措施，加強安全的系統(tǒng)管理。 項目針對特種作業(yè)人員、機械設(shè)備操作人員等進行專項安全教育培訓(xùn)。 各班組每日在生產(chǎn)副經(jīng)理、班組長的組織下進行早點名、班前安全講評；各部室、班組每周開展周安全學(xué)習(xí)活動。

4.做好技術(shù)服務(wù)與制定激勵機制

（1）系統(tǒng)管理，集中決策

中部引水工程項目管理力推“系統(tǒng)管理，集中決策”的管理理念，實現(xiàn)項目六部兩室的高效運轉(zhuǎn)和提高工作效率， 對于重大事項集中決策，規(guī)避項目管理風(fēng)險。 熟練掌握掘進施工流程， 并宣講給每一位施工人員，充分應(yīng)用和落實項目應(yīng)急反饋處置機制及掘進工序報告，實現(xiàn)TBM 掘進中信息的準(zhǔn)確性、及時性，不浪費一分一秒，為快速施工贏得更多時間。

（2）激勵機制

按工程和施工單位文件規(guī)定，制定了月度考核、 日進度超產(chǎn)獎勵，專題會節(jié)點獎等行之有效的考核辦法，極大地提高了員工的積極性。

5.加強掘進機設(shè)備及配套系統(tǒng)管理

使用敞開式全斷面硬巖掘進機施工屬于綜合集成化和機械化系統(tǒng)施工，僅從掘進機整機本身看，除設(shè)備主控操作外，相關(guān)附屬配套設(shè)備種類繁多，需各附屬設(shè)備同時配合作業(yè)方能促成掘進機使用功效和目的發(fā)揮出來。 因此，做好掘進機及配套系統(tǒng)的綜合管理，使其設(shè)備能正常高效地操作運用，是充分發(fā)揮掘進機系統(tǒng)有效利用率和快速施工的關(guān)鍵所在。重點應(yīng)強化以下方面的管控：①嚴(yán)格按設(shè)備養(yǎng)護要求常態(tài)化地對設(shè)備進行保養(yǎng)；②嚴(yán)格按操作規(guī)程對設(shè)備進行技術(shù)管控；③結(jié)合工程特點充分發(fā)揮通信及實時監(jiān)控系統(tǒng)功能；④根據(jù)工程的實際情況，適時調(diào)整和優(yōu)化相關(guān)預(yù)案和方案等；⑤充分發(fā)揮各參建單位及內(nèi)設(shè)部門和班組優(yōu)勢，暢通協(xié)調(diào)機制。

6.增強項目團隊的凝聚力和向心力

健全、 高效的項目管理團隊和活躍、積極向上的團隊文化是工程實現(xiàn)快速施工的主動力，項目通過凸顯“家”文化、“和”文化凝練團隊的向心力。

四、建 議

一是對設(shè)備掘進段的地質(zhì)水文條件勘察要做細(xì)做準(zhǔn)，掘進施工前要深入了解地質(zhì)情況， 并編制具有可操作性的相關(guān)預(yù)案和各項專項施工方案，為掘進機的快速施工提供保障；二是敞開式全斷面硬巖掘進機的設(shè)計及配套設(shè)備必須和地質(zhì)條件有良好的適應(yīng)性；三是要有完善的施工組織和管理方法；四是建立有效的激勵機制和打造有凝聚力和向心力的團隊。