TBM施工关键技术探讨——以N-J水电站工程为例

文章编号：
１００７－７５９６（２０２０）０７－００７８－０４ＴＢＭ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４
４３００２）摘　要：目前还没有ＴＢＭ设备顺利完成穿越高埋深、高地应力喜马拉雅山脉断裂带的相关报
道，
ＴＢＭ如何快速通过不良地段是隧洞施工的关键，是隧洞施工领域需要攻克的技术难题。

文章以Ｎ－Ｊ水电站工程为例详细探讨了Ｔ
ＢＭ施工的关键技术。

关键词：ＴＢＭ；水电站工程；隧洞施工技术中图分类号：
ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ　［收稿日期］
２０２０－０６－１０　［作者简介］夏云（１９６８－），男，湖北蕲春人，高级工程师；陈必振（１９８１－），男，湖北宜昌人，高级工程师；
陆广荣（１９８４－），男，黑龙江庆安人，高级工程师。

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ＡＺＡＤＪＡＭＭＵ＆ＫＡＳＨＭＩＲ州，为长隧洞引水式水电站。

本工程引水隧洞总长２
８ 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 ８９ｍｍ无缝钢管，壁厚５ ５ｍｍ。

预先在 ８９×５ ５ｍｍ钢管上钻 １０ｍｍ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。

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３　
管棚注浆工序流程图
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。

图５
　ＴＢＭ分区支护图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
）。

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。

Ｔ
ＢＭ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）。

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。

图６
　ＴＨ
拱架拼装后效果图图７
　ＴＨ拱架安装器细部结构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Ｔ
Ｈ拱架安装施工［２］。

为缩短ＴＨ拱架安装时间，提高Ｔ
Ｈ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Ｔ
Ｈ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６
０°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Ｔ
Ｈ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Ｔ
Ｈ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１
０　
活动溜槽处于伸出状态图１
１　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Ｔ
ＢＭ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。

（下转第９
７页）
５　结　语
付家门庄水库除险加固工程已于２０１９年施工完成，工程运行情况良好。

付家门庄水库除险加固工程的实施，解除了安全隐患问题，水库的防洪安全性得到提高，水库２０ａ一遇洪水削减洪峰２１％，２００ａ一遇洪水削减洪峰２０％，有效保护下游水库下游人民群众生命财产的安全，水库水源保证率得到提高，可充分利用水库水源发展农业灌溉，水库的防洪、灌溉效益得到充分发挥。

参考文献：
［１］解秀玲．浅析孟良崮水库除险加固措施［Ｊ］ 科技经济导刊，２０１６（２０）：５０，
５４．
（上接第８１页）
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。

参考文献：
［１］陈娜 基于隧道复杂地况下ＴＢＭ施工应对措施分析［Ｊ］ 建筑技术开发，２０１８，４５（２４）：２８－２９
［２］张滕 下沙溪隧道复杂工况下的浅埋下穿施工方法［Ｊ］ 江西建材，２０１６（１５）：１３４－１３５
［３］王亚凡，李宏亮，李建武 中天山隧道复杂地况下ＴＢＭ施工应对措施［Ｊ］ 国防交通工程与技术，２０１０，８（０６）：４５－４７，６３。