全断面隧洞掘进机施工法在引黄工程中的应用

李继平

（山西省万家寨引黄工程管理局， 太原 030012）

摘 要：文中就万家寨引黄一期隧洞工程施工的全断面掘进机选型、掘进、衬砌、回填、灌浆、管片生产等方面技术做了全面阐述，总结了切实可行的经验，为国内同类型隧洞施工技术提供有益的借鉴。

关键词: 全断面隧洞掘进机； 施工； 技术； 应用 中图分类号：U455 文献标识码：B 1 万家寨引黄隧洞工程施工情况概述

万家寨引黄一期工程隧洞长度超过192 km，单洞长度达42.6 km,大部分处于覆盖深、地质条件复杂的区域，由于特殊地形地质条件的影响，工期紧,传统的钻爆法难以满足工程建设的需要。全断面掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）的施工具有快速、高效、安全可靠、施工质量好、成本低等优点，且集机械、电子、液压、激光、控制等技术为一体,实现了高度机械化和自动化,作为当前最先进的大型地下隧道开挖衬砌成套装备，得到了广泛应用。引黄工程先后集中使用了6台双护盾全断面掘进机（其中5台为美国罗宾斯公司制造，1台为法国NFM公司制造）用于工程建设，成为国内乃至世界使用全断面掘进机最集中的地方之一。全断面掘进机累计完成隧洞开挖及衬砌长度125km,占整个隧洞长度的65%。 2 TBM设备主要组成部分

TBM由主机和后配套系统组成。

主机由刀盘、刀头、主电机、传动系统、管片安装设备、超前钻探设备、操作室、超前支护设备等组成。

后配套系统由运输系统，支护系统，液压和控制系统，通风排尘系统，供电系统，排水系统，全装置，光导向系统（ZED系统）等组成。 3 TBM的选型及标定掘进直径的选定方法

从技术和经济两个角度来说，并非所有地质情况的工程都适宜掘进机的施工。因此，是否选用掘进机施工，选用何种类型的掘进机以及如何确定主要技术参数和进行系统配置，需考虑以下几个方面的问题。

1)地质因素分析：主要从工程的地质条件是否适宜掘进机和影响开挖效率的因素来加以考虑，分析有关地质资料。

2)掘进性能的要求：衡量掘进性能的指标主要为纯掘进速率、完好率、利用率和刀具

消耗等。

3)主要技术参数的选择：影响掘进机的耐久性和性能的主要关键零部件为：刀盘、刀具、刀盘轴承、刀盘驱动系统、主机体、推进系统和支撑系统等。

在引黄工程使用的双护盾全断面岩石掘进机中每台都结合各洞段的地质情况完成掘进机的选型。在长隧洞选线中，由于受技术、经济条件的制约，造成了对地质结构了解的局限性，常常在施工中遭遇未预见的地质灾害（如涌水、岩溶、瓦斯、断层破碎带、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等），造成掘进施工受阻或停工。在进行TBM选型时，应充分考虑以上可能碰到的不利情况。如用于南干7号洞北的全断面岩石掘进机由于要穿越煤系地层、膨胀岩及地下水洞段，该机就装有瓦斯报警装置、超挖装置、自动排水设备、超前钻探及超前预注浆设备等。一旦探头检测到瓦斯的含量超过安全含量，自动装置就会及时切断电源停止掘进，确保施工人员及设备的安全；同时该机还可适应膨胀岩洞段扩挖的要求等。各TBM的主要特性见表1

表1 TBM主要特性表

全断面岩石掘进机后配套设备主要由风、水、电供应和材料运输保障系统构成。据统计由于后配套系统的原因引起的掘进停工时间占总停工时间的比例较高，因此全断面岩石掘进机后配套技术及设备对保障全断面岩石掘进机的连续、均衡、高效运转至关重要。引黄工程后配套系统最长的达350m,其上安放有变压器、卷线机、压缩机、电器柜、除尘设备、灌浆机和液压动力设备及水泥浆拌和系统等，后配套系统和它上面的辅助设备都在设计和装配阶段进行了调整和改进，以适应在各种不同地质条件下掘进的需要。后配套系统带有用于双冲层的机车，在后配套系统尾部增加加利福尼亚道岔，以提高运输速度。 4 TBM标定掘进直径的选定

TBM标定掘进直径的选定内容见表2

表2 TBM标定掘进直径的选定

5施工方法

双护盾TBM在掘进过程中主要是由驱动电机带动刀盘旋转，刀盘的转动带动其上的滚动刀头切削岩石，其向前的推力来自TBM机头的夹盾与围岩的摩擦力及主推进油缸和机头尾部辅助推力缸对已安装管片的反力。通过出渣统及运输系统运出开挖料，并运进管片、豆砾石、水泥及各种施工材料；管片安装系统通过遥控安装管片，管片安装完毕后进行管片与

围岩之间豆砾石回填，并在机尾进行水泥灌浆。 5.1掘进

TBM的掘进是依靠安装在刀盘上的滚刀旋转挤压破碎围岩来进行的。每天开始掘进前专业技术人员都要对TBM掘进机进行技术检查，主要检查刀盘及其部件的完整性，检查激光导向系统及洞轴线的偏移情况，以便做出必要的调整，然后TBM启动工作。一般每隔2km对洞内基本导线进行检查。

在掘进的同时，渣料通过刀盘上的料斗传输到皮带上，渣车停放在加利福尼亚道岔上并通过液压装置移动，期间通过视频装置监视装渣情况，机车总是在渣车的最前面以改善其安全性和提高运输速度，机车由柴油发动机驱动，每列车由一个装水泥的车厢、九个渣车、一个豆砾石车、一个载人车和四个管片车组成。渣车装满以后运出洞外，再通过翻渣机卸到转渣场，最后用自卸汽车运到永久弃渣场，在返回的时候运回管片、水泥、豆砾石等。

洞内外运输采用按列编组柴油机车牵引，火车运输。

此外，在TBM掘进的同时确定开挖隧洞的围岩类别。地质工程师主要通过对TBM开挖渣料和有无地下水等方面的观测，并在TBM停机时通过侧窗和进入掌子面对围岩的岩性、构造发育情况等方面进行观察，同时参考TBM掘进参数的变化进行综合分析，确定出开挖隧洞的围岩类别。 5.2衬砌

管片衬砌是与TBM掘进的配套技术，可使TBM在复杂的地质条件下安全、快速掘进并使隧洞及时得到支护。管片由小火车运到TBM后配套系统上，一个掘进冲程结束后立即在后护盾内进行安装。每个衬砌环由四片管片组成，包括两片侧管片和底拱、顶拱管片各一片，由异步液压起重机进行安装。安装顺序为操作手通过遥控装置安装底片-顶片-左片-右片，环与环之间用定位销和导向杆加以连接，如此不断循环进行。 5.3豆砾石回填与水泥灌浆

由于管片外侧与围岩之间不可避免地存在空隙（护盾的厚度、衬砌安装间隙、刀头磨损量及超挖等），豆砾石回填与水泥灌浆显得尤为必要，一方面通过豆砾石回填灌浆层传递围岩压力；另一方面填充围岩与管片之间的间隙增加衬砌的稳定性和防渗性。

为了防止TBM开挖和洞内运输车辆振动对管片稳定的影响，对围岩与管片之间的间隙

必须及时进行豆砾石回填。管片豆砾石通过豆砾石泵→管道→喷嘴从混凝土管片的预留孔灌入管片与围岩的间隙中。次序为从底拱到侧拱再到顶拱，目的是为管片环提供一个适当的支撑力。为防止豆砾石进入衬砌与尾盾之间的间隙，在TBM尾盾装配了一个封闭垫片。豆砾石填料应是经过筛选、清洗干净和坚固的细骨料，粒径为5～10mm的专用料。

水泥灌浆相对要滞后一些，大约距离掌子面有200 m左右，水泥为425#普通硅酸盐水泥。回填灌浆的水灰比为0.7：1（重量比），孔口灌浆压力0.3～0.4MPa。灌浆原则是：横向自下而上灌，纵向呈阶梯状，在下排孔灌完之后才能灌上排孔，不允许浆液由上排孔串至下排孔漫灌。

在不良地质条件的洞段实施灌浆时，如果单孔的吃浆量较大，应采取间断性灌浆的方法，进行多次灌浆，直到串浆孔出浆为止。

水泥灌浆从底管片到顶管片按次序进行，底、侧管片的灌浆基本在TBM掘进过程中及时进行灌浆，大部分顶管片的灌浆工作待隧洞贯通后实施。为防止浆体外渗，进行管片接缝间的勾缝工作。灌浆结束后28天进行钻探取芯以检查灌浆的效果，主要检查灌浆的密实性、水泥结石的强度及渗透性。部分洞段进行了压水试验用来检查灌浆的效果。 5.4管片生产

使用管片体形基本相同，均为六边形。底片内拱设有道轨安装平台，平台上预留道钉孔。管片外侧安装橡胶止水条，侧面粘贴沥青缓冲片。

为了保证TBM的快速掘进，管片预制厂的生产线能力应能满足施工的需求。一般1条生产线的计划产量为每天96片预制管片（1.4m宽），可满足33m长的隧洞衬砌。

管片养护部分分为预热窑和蒸养窑，其中预热窑可容纳5个模具，蒸养窑可容纳16个模具。

管片贮存在预制厂前面的露天场地，每4片为一组，按底片、侧片、侧片、顶片自上而下叠

放，中间分别用两根方木支撑。场地可以存放至少是16天的生产量。

6 结束语

山西省万家寨引黄一期工程TBM施工技术经参建各方实践中不断探索、总结取得了较为成功的经验，工程通过了分部工程、单位工程验收及2001年“首台机组试上水”、2002年10月18日“试通水”等阶段工程验收及2003年10月26日“正式通水”运行的考验，并

于2005年8月7日顺利通过“山西省万家寨引黄一期工程竣工初步验收”，工程从正式通水至今4年多时间已向太原市实现了不间断供水，全线TBM管线未发生管片破裂、渗漏水情况，达到了防渗、安全输水的设计目标，为引黄工程即将建设的北干线工程及国内大型TBM法施工的隧洞施工提供了有益的探索。

作者简介：李继平，男，1968年生，2007年毕业于河北工程大学水利水电工程专业，工程师

收稿日期：2007-09-12

Application of full section TBM Method in Tunnel Construction of

Wanjiazhai YRDP

Li ji-ping

Abstract: This paper all-sidedly elucidates the construction techniques including type selection of rull sectionTBM,tunnel excavation. Lining, backfilling, grouting and tunnel segment manufacturing of first stage tunnel project of wanjiazhai YRDP,Summarizes feasible experience,and provides useful reference to similar tunnel construction in our country.

Keywords: full section TBM construction technique application