掘進機施工法

掘進機施工法是指用掘進機開挖隧洞的施工方法。全斷面掘進機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)的施工具有快速、高效、安全可靠、施工質量好、成本低等優點，且集機械、電子、液壓、雷射、控制等技術為一體,實現了高度機械化和自動化，作為當前最先進的大型地下隧道開挖襯砌成套裝備，得到了廣泛套用。

基本介紹

• 中文名：掘進機施工法
• 外文名：Construction method of driving machine
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 範圍：電力系統
• 釋義：用掘進機開挖隧洞的施工方法

簡介

全斷面掘進機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)的施工具有快速、高效、安全可靠、施工質量好、成本低等優點，且集機械、電子、液壓、雷射、控制等技術為一體,實現了高度機械化和自動化，作為當前最先進的大型地下隧道開挖襯砌成套裝備，得到了廣泛套用。引黃工程先後集中使用了6台雙護盾全斷面掘進機(其中5台為美國羅賓斯公司製造，1台為法國NFM公司製造)用於工程建設，成為國內乃至世界使用全斷面掘進機最集中的地方之一。全斷面掘進機累計完成隧洞開挖及襯砌長度125km，占整個隧洞長度的65%。

TBM設備主要組成部分

TBM由主機和後配套系統組成。主機由刀盤、刀頭、主電機、傳動系統、管片安裝設備、超前鑽探設備、操作室、超前支護設備等組成。

後配套系統由運輸系統，支護系統，液壓和控制系統，通風排塵系統，供電系統，排水系統，全裝置，光導向系統(ZED系統) 等組成。

TBM的選型及標定掘進直徑的選定方法

從技術和經濟兩個角度來說，並非所有地質情況的工程都適宜掘進機的施工。因此，是否選用掘進機施工，選用何種類型的掘進機以及如何確定主要技術參數和進行系統配置,需考慮以下幾個方面的問題。

1) 地質因素分析：主要從工程的地質條件是否適宜掘進機和影響開挖效率的因素來加以考慮，分析有關地質資料。

2) 掘進性能的要求：衡量掘進性能的指標主要為純掘進速率、完好率、利用率和刀具消耗等。

3) 主要技術參數的選擇：影響掘進機的耐久性和性能的主要關鍵零部件為刀盤、刀具、刀盤軸承、刀盤驅動系統、主機體、推進系統和支撐系統等。

在引黃工程使用的雙護盾全斷面岩石掘進機中每台都結合各洞段的地質情況完成掘進機的選型。在長隧洞選線中，由於受技術、經濟條件的制約，造成了對地質結構了解的局限性，常常在施工中遭遇未預見的地質災害(如湧水、岩溶、瓦斯、斷層破碎帶、膨脹岩、高地應力、圍岩大變形等) ，造成掘進施工受阻或停工。在進行TBM選型時，應充分考慮以上可能碰到的不利情況。全斷面岩石掘進機由於要穿越煤系地層、膨脹岩及地下水洞段，該機就裝有瓦斯報警裝置、超挖裝置、自動排水設備、超前鑽探及超前預注漿設備等。一旦探頭檢測到瓦斯的含量超過安全含量，自動裝置就會及時切斷電源停止掘進，確保施工人員及設備的安全; 同時該機還可適應膨脹岩洞段擴挖的要求等。

全斷面岩石掘進機後配套設備主要由風、水、電供應和材料運輸保障系統構成。據統計由於後配套系統的原因引起的掘進停工時間占總停工時間的比例較高，因此全斷面岩石掘進機後配套技術及設備對保障全斷面岩石掘進機的連續、均衡、高效運轉至關重要。引黃工程後配套系統最長的達350m，其上安放有變壓器、卷線機、壓縮機、電器櫃、除塵設備、灌漿機和液壓動力設備及水泥漿拌和系統等，後配套系統和它上面的輔助設備都在設計和裝配階段進行了調整和改進，以適應在各種不同地質條件下掘進的需要。後配套系統帶有用於雙沖層的機車，在後配套系統尾部增加加利福尼亞道岔，以提高運輸速度。

施工方法

雙護盾TBM在掘進過程中主要是由驅動電機帶動刀盤旋轉，刀盤的轉動帶動其上的滾動刀頭切削岩石，其向前的推力來自TBM機頭的夾盾與圍岩的摩擦力及主推進油缸和機頭尾部輔助推力缸對已安裝管片的反力。通過出渣系統及運輸系統運出開挖料，並運進管片、豆礫石、水泥及各種施工材料; 管片安裝系統通過遙控安裝管片，管片安裝完畢後進行管片與圍岩之間豆礫石回填，並在機尾進行水泥灌漿。

1. 掘進

TBM的掘進是依靠安裝在刀盤上的滾刀旋轉擠壓破碎圍岩來進行的。每天開始掘進前專業技術人員都要對TBM掘進機進行技術檢查，主要檢查刀盤及其部件的完整性，檢查雷射導向系統及洞軸線的偏移情況，以便做出必要的調整，然後TBM啟動工作。一般每隔2km對洞內基本導線進行檢查。

在掘進的同時，渣料通過刀盤上的料斗傳輸到皮帶上,渣車停放在加利福尼亞道岔上並通過液壓裝置移動，期間通過視頻裝置監視裝渣情況，機車總是在渣車的最前面以改善其安全性和提高運輸速度，機車由柴油發動機驅動，每列車由一個裝水泥的車廂、九個渣車、一個豆礫石車、一個載人車和四個管片車組成。渣車裝滿以後運出洞外，再通過翻渣機卸到轉渣場，最後用自卸汽車運到永久棄渣場，在返回的時候運回管片、水泥、豆礫石等。

洞內外運輸採用按列編組柴油機車牽引，火車運輸。此外，在TBM掘進的同時確定開挖隧洞的圍岩類別。地質工程師主要通過對TBM開挖渣料和有無地下水等方面的觀測，並在TBM停機時通過側窗和進入掌子面對圍岩的岩性、構造發育情況等方面進行觀察，同時參考TBM掘進參數的變化進行綜合分析，確定出開挖隧洞的圍岩類別。

2. 襯砌

管片襯砌是與TBM掘進的配套技術，可使TBM在複雜的地質條件下安全、快速掘進並使隧洞及時得到支護。管片由小火車運到TBM後配套系統上，一個掘進衝程結束後立即在後護盾內進行安裝。每個襯砌環由四片管片組成，包括兩片側管片和底拱、頂拱管片各一片，由異步液壓起重機進行安裝。安裝順序為操作手通過遙控裝置安裝底片- 頂片-左片- 右片，環與環之間用定位銷和導向桿加以連線，如此不斷循環進行。

3. 豆礫石回填與水泥灌漿

由於管片外側與圍岩之間不可避免地存在空隙(護盾的厚度、襯砌安裝間隙、刀頭磨損量及超挖等) ，豆礫石回填與水泥灌漿顯得尤為必要，一方面通過豆礫石回填灌漿層傳遞圍岩壓力；一方面填充圍岩與管片之間的間隙增加襯砌的穩定性和防滲性。

為了防止TBM開挖和洞內運輸車輛振動對管片穩定的影響，對圍岩與管片之間的間隙必須及時進行豆礫石回填。

管片豆礫石通過豆礫石泵→管道→噴嘴從混凝土管片的預留孔灌入管片與圍岩的間隙中。次序為從底拱到側拱再到頂拱，目的是為管片環提供一個適當的支撐力。為防止豆礫石進入襯砌與尾盾之間的間隙，在TBM尾盾裝配了一個封閉墊片。豆礫石填料應是經過篩選、清洗乾淨和堅固的細骨料,粒徑為5～10mm的專用料。

水泥灌漿相對要滯後一些，大約距離掌子面有200m左右，水泥為425# 普通矽酸鹽水泥。回填灌漿的水灰比為0.7:1( 重量比) ，孔口灌漿壓力為0.3～0.4MPa。灌漿原則是：橫向自下而上灌，縱向呈階梯狀，在下排孔灌完之後才能灌上排孔，不允許漿液由上排孔串至下排孔漫灌。

在不良地質條件的洞段實施灌漿時，如果單孔的吃漿量較大，應採取間斷性灌漿的方法，進行多次灌漿，直到串漿孔出漿為止。

水泥灌漿從底管片到頂管片按次序進行，底、側管片的灌漿基本在TBM掘進過程中及時進行灌漿，大部分頂管片的灌漿工作待隧洞貫通後實施。為防止漿體外滲，進行管片接縫間的勾縫工作。灌漿結束後28d進行鑽探取芯以檢查灌漿的效果，主要檢查灌漿的密實性、水泥結石的強度及滲透性。部分洞段進行了壓水試驗用來檢查灌漿的效果。

4. 管片生產

使用管片體形基本相同，均為六邊形。底片內拱設有道軌安裝平台，平台上預留道釘孔。管片外側安裝橡膠止水條,側面貼上瀝青緩衝片。

為了保證TBM的快速掘進，管片預製廠的生產線能力應能滿足施工的需求。一般1 條生產線的計畫產量為每天96片預製管片(1.4m寬) ，可滿足33m長的隧洞襯砌。管片養護部分分為預熱窯和蒸養窯，其中預熱窯可容納5個模具，蒸養窯可容納16個模具。

管片貯存在預製廠前面的露天場地，每4片為一組，按底片、側片、側片、頂片自上而下疊放，中間分別用兩根方木支撐。場地可以存放至少是16天的生產量。