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摘要：随着社会的发展与进步，重视特长隧道TBM掘进施工技术对于隧道建设具有重要的意义。本文主要介绍特长隧道TBM掘进施工技术研究的有关内容。
关键词特长隧道；TBM；掘进；施工技术；对策；
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
引言
随着我国隧道建设的快速发展，根据特长隧道特点引进了TBM施工技术，很快在煤炭、市政、铁路、公路、水利行业的特长隧道得到应用，并取得了一定的效益。TBM施工具有能连续作业、施工速度快、工期短、环境污染小、安全性能高等特点。但是TBM工法对地质依赖性高、不良地质通过能力差，由于不良地质原因造成TBM卡机的现象时有发生，严重影响了掘进进度，如何应对不良地质段的施工技术已被广泛重视。
一、工程概况
某引水工程隧洞全长17286米，最大埋深368米，地质环境复杂，岩性以软岩、极软岩为主，局部洞段有地下水活动。隧洞净断面D＝4.96米，纵坡1/1650。采用单护盾TBM掘进且同步衬砌，TBM刀盘开挖直径5.75米，主机长10.3米，后配套长170米，整机总重700T，设计最大推力28883kn，额定扭矩4000kn.m，脱困扭矩6312 kn.m，转速为0-8rpm。预制六边形管片衬砌,管片外径与围岩之间的环形间隙上部270度范围进行豆砾石（5－10mm）回填和水泥浆灌浆充填，底部90度回填M15水泥砂浆。
隧道不良地质段主要以含水疏松细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，该类围岩为细粒结构，局部含砾石，成岩较差，结构疏松，多孔隙，亲水性强，遇水极易软化、崩解，强度低，干湿效应明显，具塑性流变，具弱透水，属含水岩性。局部含水疏松沙岩洞段极可能出现涌水及流沙等地质灾害。
二、进度分析
该隧道合同工期58个月，TBM正常掘进时间为12个月，掘进完成12.3km（详见表1）,其中，最高当月进度1868米，创造了单护盾TBM月掘进的世界纪录，最高日进度81米，但最低月进度32米（TBM遇大塌方段，出渣量超过设计量6倍以上）。
表1-TBM施工进度表
导致TBM施工中断的主要因素，先是在施工过程中遇到了盾体周围和刀盘前方大塌方，围岩对盾体的应力增大，盾体被抱死，刀盘无法启动。采取了开导洞清理塌方虚渣和前盾延伸改造，成功实现脱困，脱困时间达6个月左右。后又遭遇突泥涌砂，整个盾体3/4被泥沙掩埋，分别进行了抢险施救、注浆加固、设备改造、井点降水等措施均无法脱困后决定拆除设备，重新制造刀盘和盾体，从隧道进口下坡掘进施工剩余洞段。
由此可见，单护盾TBM在中硬岩地质条件下具有快速掘进且同步衬砌、一次成型等显著特点，但在高地应力、断层破碎及无自稳能力的软岩不良地质段，特别是在地基承载力较差的软弱含水疏松砂岩中掘进，极易出现刀盘及盾体被卡、栽头等问题，严重影响TBM的正常掘进。
三、TBM 通过不良地质地段的对策
1、 根据不同地质条件合理选用 TBM 掘进参数
在TBM 通过塌方地段时, 适当减少 TBM 的掘进速度、刀盘转速等掘进参数, 能有效减少围岩的扰动,从而减少塌方或避免发生塌方, 使 TBM 安全、顺利地通过塌方地段。
2、在塌方段盾体被抱死，对盾体上方和刀盘前方虚渣清理或前盾延伸改造。
如果出现刀盘被压无法启动，可从TBM尾盾预留的观察窗处进入尾盾上方，根据围岩变形情况，将盾体上部180度范围内的围岩掏除并进行支护，释放部分作用在盾体上的围岩应力，调整掘进参数，减少扰动，低速前进。如果清理虚渣不能正常掘进，则要进行前盾延伸改造，在前盾上焊接钢板将刀盘（刀盘上部212度范围）伸出前盾部分遮盖一部分，减少刀盘转动扭矩到达脱困目的。
3、减少停机时间
在极软岩洞段开挖时，要充分考虑围岩的收敛变形对施工的影响，加强各工序、各环节组织管理，尽可能减少TBM掘进机的停滞时间，以减小盾体被挤压的风险。为了使盾体在受到轻微挤压时仍能快速通过，可在盾体外壳涂抹油脂类物质，以减少护盾与洞壁之间的摩擦阻力。
4、采用扩挖刀加大隧道开挖直径
对埋深较大的极软岩洞段，由于总变形量较大，可以通过适当超挖，加大隧洞开挖直径，增大护盾与围岩之间的间隙，给围岩收敛变形留足较大空间。根据对隧洞围岩在不同埋深处收敛变形值的理论计算模型计算结果，考虑其变形特征和时段的分布规律。
5、超前预报系统和超前预加固
疏松砂岩分布洞段，可能出现流沙或涌水地质灾害，建议施工中应结合勘察分段资料，充分利用TBM自带的围岩预报系统和自带超前钻机，加强前方围岩事先探测，并根据具地质情况进行预先固结处理，减少灾害的发生或损失。
6、预防TBM载头
通过对盾壳底部合适位置布设注浆孔，采用注水泥浆或双液浆方式进行加固底板，提高地层承载力，从而防止TBM刀盘低頭及盾体下沉。但过程中要严格控制注浆量，防止浆液粘住盾壳，造成推进困难。
四、TBM 保养维修及故障处理
TBM 维修、保养及故障处理时间占用率也是一个变化范围很大的参数, 可达 14% ~ 30% 。维修包括计划内和计划外维修, 计划内维修在整个工程施工中是必不可少的, 计划外维修, 是不可预见的机械故障维修。要通过对 TBM 使用和维修各项操作规程的落实,使TBM 各重要组成零部件的使用寿命达到其设计寿命值。让TBM 的维修项目尽可能多地纳入到计划内维修, 少发生或不发生计划外维修, 这样, 就可以掌握时间利用率的主动权, 对工程进度做出合理的安排。
1、定期有计划检查
通过检查来了解设备目前的状态，找出存在的缺陷和隐患，据此有针对性地安排修理计划，保证设备有高的利用率。该方式的关键在于检查，妥善安排好要检查设备的种类、频率、部位和技术要求，形成一个总体的、预防性的定期检查计划表，并且，检查后必须安排近期的维修计划并付诸实施。这种修复是以检查作依据，较之根据磨损规律或统计经验积累得出的定期维修更贴近设备实际情况，突出设备运转状况个性，针对性更强，安排的修理计划接近与设备目前状况和设备缺陷所需要。例如刀盘驱动变速箱离合器的摩擦片，根据定期测量的磨损量，在达到最大磨损之前，由整备工班予以更换。
2、状态维修
对掘进施工有重大影响、监测条件和诊断准确性有保证的关键零部件，可以通过状态监测，准确诊断劣化趋势，优先采用预知——状态维修的策略；在设备状态出现了明显的劣化后实施维修，而状态的劣化通过状态参数变化来反映。该方式要求对设备的各种参数进行监测，随时反映设备实际状态。监测参数可在足够的提前期内发出警报，以便采取适当的维修措施。该方式的维修作业一般没有固定的间隔期，维修人员根据检测数据的变化趋势作出判断，再确定设备维修计划。
3、强制性维修
对一些关键性的零部件，由于其损坏将造成巨大的停机损失，或者零件所处的位置难于拆装，只能在其它部件拆除后方可进行拆装，单独进行这类零件的更换将带来巨大的停产损失，宜采用强制性维修方式。即在摸索一些经验及规律后，利用掘进施工的正常停机保养时间、维修作业（换刀）中时间或计划中的较长维修时间内，来强制性地修理或更换这些零件，以防止非计划停机。这样的维修费用虽然略有增加，但与停产损失相比所占比例很小。
结论
1）特长隧道地质复杂，做好前期勘察工作，提前人工处理不良洞段，主要有增设斜、竖井或绕洞开挖支护并施做整体滑行轨道床，TBM掘进到达该位置时推进并安装管片衬砌通过。
2）TBM在掘进施工过程中都不可能遇到完全相同的问题，地质、设备故障、操作方式和参数等不能完全照搬，需要从技术、设备、施工组织中进行不断的摸索和总结。
3）做到有计划的，强制性的设备维修保养制度，减少在不良地质洞段的停机时间。
4）要有针对突发情况的应对机制，需提前制定通过不良地质洞段的预案。
参考文献
[1] 秦岭隧道掘进机通过坍方地段的对策 [A] . 秦岭隧道 T BM施工专题情报资料(第 21 期)[R].隧道工程局科研所信息室, 2009.
[2] 中铁隧道集团.甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞实施性施工组织设计方案[R].洛阳：中铁隧道集团，2007.
[3]张根才.全断面隧洞掘进机（TBM）在万家寨引黄工程不良地质段的施工[J].水利建设与管理，2007（10）：23-24.
[4]张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术[P].北京：中国水利水电出版社，2006：32-51.
关键词特长隧道；TBM；掘进；施工技术；对策；
中图分类号： U455 文献标识码： A 文章编号：
引言
随着我国隧道建设的快速发展，根据特长隧道特点引进了TBM施工技术，很快在煤炭、市政、铁路、公路、水利行业的特长隧道得到应用，并取得了一定的效益。TBM施工具有能连续作业、施工速度快、工期短、环境污染小、安全性能高等特点。但是TBM工法对地质依赖性高、不良地质通过能力差，由于不良地质原因造成TBM卡机的现象时有发生，严重影响了掘进进度，如何应对不良地质段的施工技术已被广泛重视。
一、工程概况
某引水工程隧洞全长17286米，最大埋深368米，地质环境复杂，岩性以软岩、极软岩为主，局部洞段有地下水活动。隧洞净断面D＝4.96米，纵坡1/1650。采用单护盾TBM掘进且同步衬砌，TBM刀盘开挖直径5.75米，主机长10.3米，后配套长170米，整机总重700T，设计最大推力28883kn，额定扭矩4000kn.m，脱困扭矩6312 kn.m，转速为0-8rpm。预制六边形管片衬砌,管片外径与围岩之间的环形间隙上部270度范围进行豆砾石（5－10mm）回填和水泥浆灌浆充填，底部90度回填M15水泥砂浆。
隧道不良地质段主要以含水疏松细砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，该类围岩为细粒结构，局部含砾石，成岩较差，结构疏松，多孔隙，亲水性强，遇水极易软化、崩解，强度低，干湿效应明显，具塑性流变，具弱透水，属含水岩性。局部含水疏松沙岩洞段极可能出现涌水及流沙等地质灾害。
二、进度分析
该隧道合同工期58个月，TBM正常掘进时间为12个月，掘进完成12.3km（详见表1）,其中，最高当月进度1868米，创造了单护盾TBM月掘进的世界纪录，最高日进度81米，但最低月进度32米（TBM遇大塌方段，出渣量超过设计量6倍以上）。
表1-TBM施工进度表
导致TBM施工中断的主要因素，先是在施工过程中遇到了盾体周围和刀盘前方大塌方，围岩对盾体的应力增大，盾体被抱死，刀盘无法启动。采取了开导洞清理塌方虚渣和前盾延伸改造，成功实现脱困，脱困时间达6个月左右。后又遭遇突泥涌砂，整个盾体3/4被泥沙掩埋，分别进行了抢险施救、注浆加固、设备改造、井点降水等措施均无法脱困后决定拆除设备，重新制造刀盘和盾体，从隧道进口下坡掘进施工剩余洞段。
由此可见，单护盾TBM在中硬岩地质条件下具有快速掘进且同步衬砌、一次成型等显著特点，但在高地应力、断层破碎及无自稳能力的软岩不良地质段，特别是在地基承载力较差的软弱含水疏松砂岩中掘进，极易出现刀盘及盾体被卡、栽头等问题，严重影响TBM的正常掘进。
三、TBM 通过不良地质地段的对策
1、 根据不同地质条件合理选用 TBM 掘进参数
在TBM 通过塌方地段时, 适当减少 TBM 的掘进速度、刀盘转速等掘进参数, 能有效减少围岩的扰动,从而减少塌方或避免发生塌方, 使 TBM 安全、顺利地通过塌方地段。
2、在塌方段盾体被抱死，对盾体上方和刀盘前方虚渣清理或前盾延伸改造。
如果出现刀盘被压无法启动，可从TBM尾盾预留的观察窗处进入尾盾上方，根据围岩变形情况，将盾体上部180度范围内的围岩掏除并进行支护，释放部分作用在盾体上的围岩应力，调整掘进参数，减少扰动，低速前进。如果清理虚渣不能正常掘进，则要进行前盾延伸改造，在前盾上焊接钢板将刀盘（刀盘上部212度范围）伸出前盾部分遮盖一部分，减少刀盘转动扭矩到达脱困目的。
3、减少停机时间
在极软岩洞段开挖时，要充分考虑围岩的收敛变形对施工的影响，加强各工序、各环节组织管理，尽可能减少TBM掘进机的停滞时间，以减小盾体被挤压的风险。为了使盾体在受到轻微挤压时仍能快速通过，可在盾体外壳涂抹油脂类物质，以减少护盾与洞壁之间的摩擦阻力。
4、采用扩挖刀加大隧道开挖直径
对埋深较大的极软岩洞段，由于总变形量较大，可以通过适当超挖，加大隧洞开挖直径，增大护盾与围岩之间的间隙，给围岩收敛变形留足较大空间。根据对隧洞围岩在不同埋深处收敛变形值的理论计算模型计算结果，考虑其变形特征和时段的分布规律。
5、超前预报系统和超前预加固
疏松砂岩分布洞段，可能出现流沙或涌水地质灾害，建议施工中应结合勘察分段资料，充分利用TBM自带的围岩预报系统和自带超前钻机，加强前方围岩事先探测，并根据具地质情况进行预先固结处理，减少灾害的发生或损失。
6、预防TBM载头
通过对盾壳底部合适位置布设注浆孔，采用注水泥浆或双液浆方式进行加固底板，提高地层承载力，从而防止TBM刀盘低頭及盾体下沉。但过程中要严格控制注浆量，防止浆液粘住盾壳，造成推进困难。
四、TBM 保养维修及故障处理
TBM 维修、保养及故障处理时间占用率也是一个变化范围很大的参数, 可达 14% ~ 30% 。维修包括计划内和计划外维修, 计划内维修在整个工程施工中是必不可少的, 计划外维修, 是不可预见的机械故障维修。要通过对 TBM 使用和维修各项操作规程的落实,使TBM 各重要组成零部件的使用寿命达到其设计寿命值。让TBM 的维修项目尽可能多地纳入到计划内维修, 少发生或不发生计划外维修, 这样, 就可以掌握时间利用率的主动权, 对工程进度做出合理的安排。
1、定期有计划检查
通过检查来了解设备目前的状态，找出存在的缺陷和隐患，据此有针对性地安排修理计划，保证设备有高的利用率。该方式的关键在于检查，妥善安排好要检查设备的种类、频率、部位和技术要求，形成一个总体的、预防性的定期检查计划表，并且，检查后必须安排近期的维修计划并付诸实施。这种修复是以检查作依据，较之根据磨损规律或统计经验积累得出的定期维修更贴近设备实际情况，突出设备运转状况个性，针对性更强，安排的修理计划接近与设备目前状况和设备缺陷所需要。例如刀盘驱动变速箱离合器的摩擦片，根据定期测量的磨损量，在达到最大磨损之前，由整备工班予以更换。
2、状态维修
对掘进施工有重大影响、监测条件和诊断准确性有保证的关键零部件，可以通过状态监测，准确诊断劣化趋势，优先采用预知——状态维修的策略；在设备状态出现了明显的劣化后实施维修，而状态的劣化通过状态参数变化来反映。该方式要求对设备的各种参数进行监测，随时反映设备实际状态。监测参数可在足够的提前期内发出警报，以便采取适当的维修措施。该方式的维修作业一般没有固定的间隔期，维修人员根据检测数据的变化趋势作出判断，再确定设备维修计划。
3、强制性维修
对一些关键性的零部件，由于其损坏将造成巨大的停机损失，或者零件所处的位置难于拆装，只能在其它部件拆除后方可进行拆装，单独进行这类零件的更换将带来巨大的停产损失，宜采用强制性维修方式。即在摸索一些经验及规律后，利用掘进施工的正常停机保养时间、维修作业（换刀）中时间或计划中的较长维修时间内，来强制性地修理或更换这些零件，以防止非计划停机。这样的维修费用虽然略有增加，但与停产损失相比所占比例很小。
结论
1）特长隧道地质复杂，做好前期勘察工作，提前人工处理不良洞段，主要有增设斜、竖井或绕洞开挖支护并施做整体滑行轨道床，TBM掘进到达该位置时推进并安装管片衬砌通过。
2）TBM在掘进施工过程中都不可能遇到完全相同的问题，地质、设备故障、操作方式和参数等不能完全照搬，需要从技术、设备、施工组织中进行不断的摸索和总结。
3）做到有计划的，强制性的设备维修保养制度，减少在不良地质洞段的停机时间。
4）要有针对突发情况的应对机制，需提前制定通过不良地质洞段的预案。
参考文献
[1] 秦岭隧道掘进机通过坍方地段的对策 [A] . 秦岭隧道 T BM施工专题情报资料(第 21 期)[R].隧道工程局科研所信息室, 2009.
[2] 中铁隧道集团.甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞实施性施工组织设计方案[R].洛阳：中铁隧道集团，2007.
[3]张根才.全断面隧洞掘进机（TBM）在万家寨引黄工程不良地质段的施工[J].水利建设与管理，2007（10）：23-24.
[4]张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术[P].北京：中国水利水电出版社，2006：32-51.