开敞式TBM施工过程质量控制技术研究

我国应用TBM开挖隧道的案例较多，如西康铁路秦岭I线隧道、山西万家寨引黄入晋工程、辽宁大伙房水库一期输水隧道、甘肃引大入秦工程、四川锦屏二级水电站引水隧道以及桓集隧洞、吉林引水供水工程总干线等。

TBM施工的最大特点是集掘进、出碴运输、通风除尘和支护于一体，连续掘进，支护紧跟，一次成洞，从而克服了传统隧道掘进法——钻爆法（D&B）施工工序复杂、进度慢、工作条件差、工人劳动强度大、超欠挖严重、独头开挖长度受限（一般不超过3km，否则通风难以保证）、对围岩扰动大、安全性能差，难以实现高速、高效、安全、文明施工的缺点。同时，TBM根据开挖洞径要求，可以定制多种规格的刀盘直径。以刀盘直径8m为例，TBM施工质量控制主要集中在洞室开挖、锚喷支护过程中。本文试对开敞式TBM施工过程质量控制的技术要点进行探讨。

质量控制技术

开挖质量控制

除发生塌方的洞段外，TBM开挖无超挖或欠挖，开挖质量主要是指开挖轴线满足设计要求的程度，控制了轴线偏差，也就控制了开挖质量。

1.施工测量质量控制

TBM轴线控制主要依据设备激光导向系统，测量人员在将测量数据准确地输入TBM激光导向系统后，日常工作便是根据已有测量控制点，开挖一定洞长后测量一次，然后将测量数据输入激光导向系统，如此循环进行测量轴线控制。

2.隧道开挖过程质量控制

TBM开挖由控制系统控制，激光导向系统、掘进机运行参数（包括刀盘转速、扭矩或刀头最大推力、掘进速度推进油缸压力等）均通过该系统来观察和控制，隧道开挖质量受操作人员专业水平、围岩地质条件、掘进机工作状况等多种因素影响。操作人员必须是经过专门培训、并有一定操作经验的技术工人，在开挖过程中需时刻掌握TBM当前位置，掘进机偏转情况和掘进机运行参数，发现掘进已偏离设计洞轴线时要及时分析原因、调整偏差。所以，在日常维修中，要注意检查，以避免因故障而影响开挖质量。

锚喷支护质量控制

TBM施工锚喷支护主要采用新奥法的理念，采用柔性支护，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土、钢筋网、锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。新奥法的原理的主要工作为锚杆、钢筋网、钢拱架、喷混凝土。

1.锚杆

TBM施工过程中锚杆的设计规格主要受到TBM开挖洞径的影响。由于受到TBM设计锚杆钻机的影响，锚杆的布置是近似洞径切线方向布置，如图1所示。8m直径的隧洞锚杆一般长2.0m～3.5m，锚杆直径为Φ22～Φ25。

（1）施工材料

锚杆：锚杆的材料应按施工图纸的要求，选用热扎II级或III级螺纹钢筋。

水泥：注浆锚杆的水泥砂浆中的水泥应采用水泥强度等级不低于42.5的普通硅酸盐水泥。

砂：采用最大粒径小于2.5mm的中细砂。

水：水质应符合JGJ63-89第3.0.4条的规定。

水泥砂浆：砂浆标号必须满足施工图纸的要求，预应力锚杆的水泥砂浆的抗压强度等级为30M Pa，其余为25M pa。

（2）锚杆孔的钻孔

锚杆孔的开孔应按施工图纸布置的钻孔位置进行，其孔位偏差应不大于100mm。

锚杆孔的孔轴方向应满足施工图纸的要求，钻孔方向近似于洞室圆的切线方向；局部加固锚杆的孔轴方向应与可能滑动面的倾向相反，其与滑动面的交角应大于45°。

注浆锚杆的钻孔孔径应大于锚杆直径，若采用“先注浆后安装锚杆”的程序施工，钻头直径应大于锚杆直径15mm以上；若采用“先安装锚杆后注浆”的程序施工，钻头直径应大于锚杆直径25mm以上。

锚杆孔深必须达到施工图纸的规定，孔深偏差值不大于50mm，孔内岩粉和积水必须清除干净。

（3）锚杆的注浆

锚杆注浆的水泥砂浆配合比，应在以下规定的范围内通过试验选定：

水泥：砂 为1：1～1：2(重量比)；水泥：水为 1：0.33～1：0.35。

锚杆注浆应采用专用注浆设备，保证注浆饱满。

砂浆应拌和均匀，随拌随用，一次拌和的砂浆应在初凝前用完，并严防石块、杂物混入。

先注浆的永久支护锚杆，应在钻孔注满浆后立即插杆；后注浆的永久支护锚杆，应在锚杆安装后立即进行注浆。

锚杆注浆后，在砂浆凝固前，不得敲击、碰撞和拉拔锚杆。

（4）锚杆质量检查

锚杆施工完成后主要进行注浆密实度和锚杆拉拔力的检查。

砂浆密实度检测：按照试验检测频率要求，用锚杆无损声波检测仪进行锚杆密实度的检查，密实度达到设计要求以上即可，未达到要求需要进行锚杆补做施工。

锚杆拉拔力检测：按照试验检测频率要求，采用锚杆拉拔仪进行检测，当拉拔力达到设计值后，锚杆未破坏，则满足设计要求。

2.钢筋网

钢筋网一般布设在洞顶120℃～270℃之间，与锚杆焊接牢固，并在钢筋网施工完成后，采用喷射混凝土覆盖。

（1）钢筋网的制作

按施工图纸参数要求，先制作钢筋网加工模具。一般钢筋网网片大小在长1.5m～2.5m，宽1.0m～2.0m之间。

钢筋网网格尺寸间距为150m m～300mm，钢筋采用直径为6.5mm～8.0mm光面钢筋，隧洞内钢筋保护层厚度控制不小于50mm。

（2）钢筋网施工

钢筋网挂设时，尽量长边方向垂直洞轴线布置，钢筋网与锚杆头焊接牢固。

钢筋网之间要有足够的搭接长度，以满足稳定、牢固要求。

3.钢拱架

钢拱架主要在洞室围岩较差部位，为了加强支护强度而采用。钢拱架一般采用H型钢和工字钢制作，全圆封闭结构。

（1）钢拱架制作

钢拱架采用H型钢和工字钢制作，先根据尺寸大小，进行钢材、连接板的下料工作。

对已准备钢材通过拱架弯曲机，弯出设计弧度。

对已压弯钢材进行连接板的焊接。

对已加工完成的拱架进行现场预组装。

（2）钢拱架的安装

钢拱架安装采用TBM设备钢拱架安装机逐段进行安装。

钢拱架安装在已安装好的钢筋网下部，与钢筋网形成整体。

钢拱架与钢筋网、岩面之间楔紧，相邻钢支撑之间连接牢靠，与系统锚杆牢固焊接。

每榀钢拱架通过纵向连接件连接成整体，并与锚杆头焊接，安装完毕后立即喷射混凝土将其覆盖。

4.喷射混凝土

TBM喷射混凝土施工，主要通过TBM设备自带喷射混凝土机械手进行，一般分为刀盘位置应急手动喷射系统和主梁自动喷射系统。

（1）混凝土材料

水泥：采用PO42.5普通硅酸盐水泥。

速凝剂：质量符合施工要求，并有生产厂家的质量说明书，初凝时间不低于5m in,终凝时间不大于10m in。

砂子采用细度模数2.5～3.5的中粗砂。

石子采用5mm～10mm的石子。

（2）配合比

喷射混凝土配合比，通过室内试验和现场试验选定，并符合施工图纸要求，速凝剂的掺量通过现场试验确定，喷射混凝土的初凝和终凝时间，满足施工图纸和现场喷射工艺的要求，喷射混凝土的强度符合施工图纸要求，为了降低喷射混凝土堵管的情况，混凝土塌落度控制在14cm～18cm之间。

（3）运输

采用6m3混凝土罐车通过机车牵引运输至工作面，再通过TBM后配套的提升设备提升至上料处。

（4）喷射混凝土施工

在喷射前对喷射面进行检查，并作好准备工作：清除开挖面的浮石、墙脚的石渣和堆积物；处理好光滑岩面；安设工作平台；用高压风水枪冲洗喷面，对遇水易潮解的泥化岩层，采用压风清扫岩面；埋设控制喷射混凝土厚度的标志；作业区具有良好的通风和充足的照明设施。

在受喷面滴水部位先施工排水孔，埋设导管排水，导水效果不好的含水层可设盲沟排水，对淋水处可设截水圈排水；对于大流量的地下涌水，需埋设导流管引流，在不影响喷射效果的情况下再施喷。

喷射混凝土时，先进行隧洞拱脚部位的施工，逐渐向上，这样可以避免形成回弹量堆积到受喷面影响质量。

喷射混凝土表面，平均起伏满足设计要求。喷射混凝土的回弹率：洞室拱部不大于25%，边墙不大于15%。

（5）质量检查

喷射混凝土施工时，采用埋设厚度标识的方法进行混凝土厚度质量控制；喷射混凝土强度检查，则采用现场喷射混凝土大板（450mm×350mm×150mm），试验室切割成标准试件的方式进行。

结语

TBM施工是一个密集的系统工程，除了设备的高度机械化、电气化、自动化，施工过程也环环相扣。必须保证每个环节的落实，方可进行整个系统的循环。TBM质量控制需要跟随TBM掘进施工，随时检查每个环节、工序的施工质量，方可控制整个工程的质量。