TBM施工关键技术探讨——以N-J水电站工程为例

夏 云，陈必振，陆广东

(中国葛洲坝集团路桥工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

TBM施工段沿线地质条件复杂，具有埋深大(最大埋深1870m)、隧道线长的特点。存在高压外水、遇水页岩软化膨胀、高埋深隧道段收敛变形大、突水、穿越围岩稳定性差复杂地质问题。在TBM施工过程中，成功应用了管棚技术、地质段胶结情况下的仰拱喷护、高埋深全断面钢拱支护，清碴带与卸碴带的联动施工技术是保证隧道连接畅通的关键。

1 工程概况

1.1 NJ简况

图1 NJ工程建筑物及地下洞室布置图

NEELUM-JHELUM(以下简称“N-J”)水电站工程位于AZAD JAMMU & KASHMIR州，为长隧洞引水式水电站。本工程引水隧洞总长28.6km(单线洞和双线洞交错布置)，共设置5条施工支洞(分别为A1-A5)，其中A1、A2支洞间的引水隧洞长13,577m，是本工程的关键线路和施工难点，拟在此段引水隧洞采用TBM进行掘进施工，见图1。

2 TBM施工问题

图2 施工现场图

TBM施工段为双线隧道，采用两台TBM逆坡自下而上开挖。图2显示，单台TBM开挖长度约11.2km，沿水流方向设计纵坡约0.78%，设计开挖直径8.5m，TBM施工段地质条件复杂，具有埋深大、洞线长的特点。主要工程地质问题有高压外水、遇水时页岩软化膨胀、收敛变形大、涌(突)水、围岩稳定性差、隧道穿越断层破碎带等。

TBM掘进施工过程中，随着隧洞埋深不断增加，逐步进入了高埋深、高地应力岩爆段，最高埋深达1870m，其中埋深>1500m的掘进里程在2km以上。针对复杂地质条件，TBM适应性差，掘进效率较低，施工难度大[1]。

3 NJ-TBM施工关键技术

3.1 穿越软弱地层的管棚技术

TBM通过软弱断层带施工过程中，根据超前地质预报(TST)与超前钻探等常规的地质预报手段的结合来判断TBM掌子面前地质情况，若出现不良地质情况可进行超前地质加固施工。采用TBM设备上配备伞状钻机对不良地段进行预加固处理。

1)管棚施工参数

TBM到达破碎围岩洞段前3m开始进行管棚施工，具体里程将根据超前地质预报成果及掘进揭露的实际围岩地质条件经各方协商后确定。管棚施工长度15m-25m，管棚处理范围为顶拱120°范围，钻孔间距为400mm；管棚钻孔设备采用TBM配套的伞状钻机进行钻孔，根据伞状钻机的设计参数，管棚外插角为7°。管棚钢管采用φ89mm无缝钢管，壁厚5.5mm。预先在φ89×5.5mm钢管上钻φ10mm的出浆孔，孔距200mm，呈梅花型布置，出浆孔。为防止灌浆对刀盘的影响，护盾顶部及掌子面3m范围内的钢管不钻注浆孔。TBM掘进，当刀盘距管棚端头3m处开始进行第2个管棚施工，再继续掘进后进行第3个管棚施工，如此循环直至TBM安全通过地质破碎带。

2)灌浆技术参数

水泥浆浓度为1∶1.25-1∶0.8，灌浆初压0.5MPa，终压3MPa。浆液扩散半径≥0.5m。灌浆前应按参数进行灌浆现场试验，灌浆参数应通过现场试验合格按实际情况确定，以确保达到固结围岩的目的。

3)管棚施工方法及组织措施

管棚施工主要工序有：跟管钻进、洗孔、制浆、灌浆、充填M30水泥砂浆或水泥浆，详见管棚注浆工序，见图3。

图3 管棚注浆工序流程图

4)管棚超前支护施工效果

管棚超前支护施工可以有效支撑顶部围岩，同时对松散的岩石起到了固结的作用，保障了TBM设备通过软弱断层地段。

3.2 遇水泥化地质段的仰拱喷护

NJ工程TBM施工段地质情况为砂岩和页岩组成，广泛出露于工程区，泥页岩遇水软化及膨胀、围岩稳定性差，隧洞还具有高埋深、高地应力，大收敛变形洞段等主要地质问题。隧洞的支护手段遵循新奥法理念，隧洞采用柔性支护，仰拱混凝土及时封闭，尤其是遇水泥化地质段，需要尽早进行仰拱混凝土的封闭施工，尽快完成全断面的支护，通过定期对围岩、洞室稳定性的监控量测，在保障隧洞安全。

图4 管棚有效支护效果图

TBM施工段隧洞支护体系由三部分组成，分别为L1区支护施工、仰拱喷射混凝土施工、L2区喷射混凝土施工。L1区主要使用锚杆、网片，TH拱架(根据围岩情况而定)支护施工，针对遇水泥化地质段仰拱部位主要完成隧洞底部100°范围内混凝土喷护施工，L2区主要采用TBM自带的喷护混凝土系统进行260°范围内的混凝土喷护施工，从而完成全断面的隧洞支护施工任务。

NJ工程TBM施工段采用柔性支护手段，围岩支护与围岩共同变形受力。隧洞采用圆形断面满足静力学上计算条件，因此要尽可能使结构平顺以避免产生应力集中现象，同时尽早使结构闭合(封底)，以形成承载环。在遇水泥化地质段，其仰拱混凝土的喷护施工，保证了围岩全断面的封闭施工，防止泥岩遇水软化，有效的保证隧洞支护的安全。

隧洞施工过程中为完善TBM设计的不足，在TBM连接桥底部增设了一套全新的湿喷系统，用于仰拱混凝土喷护施工，使混凝土喷护系统更加完善，及时完成隧洞支护的闭合，使其成为完整的承载环，隧洞支护分区详见TBM分区支护图(见图5)。

图5 TBM分区支护图

引水隧洞采用TBM开挖施工，对围岩扰动小，开挖所形成的断面为圆形断面，不产生突出的拐角，避免产生应力集中的现象，隧洞支护采用锚喷的柔性支护方式，尤其是仰拱混凝土的尽早喷护施工，使得围岩全断面尽快形成闭环，通过与围岩的紧密结合，在隧洞的整个支护体系中，起主要作用的是围岩本身，在进行施工过程中，对隧洞周边定期进行位移收敛量的量测，通过数据说明隧洞支护满足施工安全的需要。

3.3 高埋深全断面钢拱架支护

1)钢拱架安装系统的改良

TBM快速通过高埋深、高地应力岩爆段，其中最主要的施工技术就是快速支护施工技术，常规的锚喷支护不能满足施工支护的要求，在施工中采取钢拱架进行加强支护。TBM设备自带的拱架安装器从拱架安装的角度时间较长，安装精度不够，对于拱架安装器的改良工作成为了施工的重点和难点，工程技术人员结合现场的实际情况，创新性将原拱架安装器的基础上增加悬挑钢结构及悬挑钢结构端头增加拱架固定装置(见图6、7)。

图6 TH拱架拼装后效果图

图7 TH拱架安装器细部结构

改良后拱架安装方面同未改良前拱架安装器相比，减少TH拱架固定点、减少已安装好拱架从护盾内脱出步骤，施工中减少TH拱架安装人员投入的同时，也缩短了TH拱架拼装时间。在TH拱架安装精度上得到很大提升，TH拱架安装定位更加精确、TH拱架的垂直偏差大幅减小，从而保障TH拱架具有良好的受力状态。

2)钢拱架快速安装施工技术

本工法施工准备：一方面，施工现场根据施工需要，将TH拱架相关材料准备齐全，并堆放至拱架安装器周边。另一方面，TBM完成掘进施工，需要对L1区围岩进行排险、清理，铺设网片、锚杆支护施工，完成以上施工内容后，再进行TH拱架安装施工[2]。

为缩短TH拱架安装时间，提高TH拱架安装精度，在拱架安装器上增加悬挑钢结构，悬挑钢结构≥4个。TH拱架安装施工，通过转动旋转器，将已经确定好的悬挑钢结构转动到底部，通过人工将拱架搬运至指定部位，并根据拱架最后搭接情况，进行第一根拱架的预留尺寸并使用TH拱架安装器上固定装置将TH拱架进行固定，使用风动扳手将固定装置上螺栓拧紧。

按照固定方向转动拱架安装器，大约转动角度为60°左右，将第2根TH拱架与第1根TH拱架进行连接(搭接长度为55cm)，将其连接螺栓使用风动扳手拧紧，并将第2根TH拱架与悬挑钢结构固定。以上是完成了1个小循环TH拱架的安装施工，继续进行TH拱架安装过程同上，略有不同的是在TH拱架与悬挑钢结构可不进行固定，悬挑钢结构只是起到控制TH拱架位置和垂直度作用。

当完成5个小循环施工后，TH拱架安装进入最后1个环节，L1区顶部使用举升小车将拱架顶至岩面，L1区钻机平台底部人工将第6根拱架与第1根拱架进行搭接，同时将张紧油缸放置就位，通过左右两侧钻机进行TH拱架垂直度的微调，达到TH拱架安装要求后，通过张紧油缸进行拱架的张紧施工，检查TH拱架与岩面的贴合情况，TH拱架与岩面紧密贴合后将第6根与第1根TH拱架间连接螺栓使用风动扳手拧紧。

通过对原拱架安装器与改良后的拱架安装器进行对比，原拱架安装器进行拱架安装需要60-70min，使用改良后的拱架安装器进行拱架安装需要20-30min，从拱架安装效率得到较大的提升；钢拱架安装投入的人员减少到原安装人员的一半，大大的节约了人工成本；TH拱架安装精度上得到很大提升，TH拱架安装定位更加精确、TH拱架的垂直偏差大幅减小，从而保障TH拱架具有良好的受力状态。

在施工过程中采用改良后的拱架安装器可大大缩短TH拱架安装时间，提高施工进尺，同时缩减人工成本，提高工程效益的同时也为隧洞早日贯通提供保障。

3.4 清碴皮带与出碴皮带联动施工技术

1)弃渣清理施工工艺流程

施工准备→连续皮带启动→拖车尾部清渣皮带启动→小型挖掘机进行清渣施工→连续皮带停止运行→拖车尾部清渣皮带停止运行(本循环清渣完成)。

图8 清渣系统后、右设计视图

图9 清渣系统左设计视图

2)TBM辅助清渣皮带的布置方案

TBM布置辅助清渣系统的空间狭窄，干扰因素非常多。上部的干扰因素主要是通风系统的风筒和连续皮带以及连续皮带的悬挂链条，下部的干扰因素主要是机车，要保证机车的安全运行。

TBM施工日均清渣量大约为40m3，清渣皮带的运输负荷很小，因此皮带选型的原则是尽可能窄。布置皮带时先定位下滚筒，在保证机车安全通行时尽量靠中。上滚筒定位时优先避让悬挂链条，在空间无法满足时可向右适当挤压风带，驱动电机挤压风带时做好防护措施避免将风带损伤。

3)传输皮带支撑结构选型

TBM设计时空间规划已经非常紧凑，增设的皮带出渣系统对连续出渣皮带、洞内通风系统产生一定的干扰，在采取措施后将干扰控制在可接受范围。皮带支撑结构设计初步设计考虑为悬臂桁架不带行走轮的方案。

皮带系统和堆渣平台的重量全部靠悬臂桁架承重，桁架末端和TBM拖车刚性连接。优点是承重平台和TBM拖车成为整体，不受轨道铺设质量的影响，始终和TBM拖车保持相对稳定。缺点是整套悬臂承重结构的加工量较大。

4)辅助清渣皮带与主皮带吊链干涉处理

图10 活动溜槽处于伸出状态

图11 活动溜槽处于缩回状态

连续出渣皮带是采用链条固定在洞壁上，整体和隧道相对静止。辅助清渣皮带和TBM拖车相连，掘进时跟随TBM往前移动，因此掘进时辅助清渣皮带和连续出渣皮带会有相对位移。辅助清渣皮带要正常运行就必须解决出渣斗如何穿过连续皮带悬挂链条的问题。

通过现场多次试验研究，最佳解决方案是将出渣斗分成两部分，与悬挂链条不干涉的部分做成固定渣斗，与悬挂链条相干涉的部分做成活动溜槽。运行时渣土由皮带先进入固定渣斗，再经过活动溜槽，最后滑入连续皮带运输至洞外。

活动溜槽由溜槽和水平轴承滑道组成，可自由向前或向后滑动。实际运行中活动溜槽只有两种工作状态，辅助出渣系统运行时采用伸出状态，溜槽随TBM往前移动快碰到悬挂链条时采用缩回状态，此时辅助出渣系统暂停运行，当活动溜槽通过悬挂链条时恢复伸出状态进行出渣。在水平轴承滑道上设置限位栓，在活动溜槽伸出或缩回时将其固定。

5)操作要点

隧洞弃渣施工准备相对而言比较重要，并分为两部分，其一，将清渣皮带区域小型挖掘机清理的有效范围进行清理和将混凝土弃渣进行集中；其二，TBM掘进施工的各项工序均要满足掘进施工的要求[3]。

连续皮带保持运行状态时，将清渣皮带溜槽伸出，启动清渣皮带，通过拖车尾部小型挖掘机将弃渣清理至清渣皮带上，弃渣经过清渣皮带运输至连续皮带，此过程为完成一个清渣小循环，清渣过程就是由若干个小循环组成。当连续皮带停止时，及时停止运行清渣皮带，避免弃渣过多，造成皮带损伤。

4 结 语

文章在N-J水电站工程复杂的地况下进行TBM施工，探讨在TBM施工过程中穿越软弱地层的管棚技术、遇水泥化地质段的仰拱喷护、高埋深全断面钢拱架支护、清碴皮带与出碴皮带联动施工技术等技术的应用方案，保证施工安全顺利完成。