TBM全断面隧道掘进机在隧道施工中的质量控制

TBM 全断面隧道掘进机在隧道施工中的质量控制

刘　凯1,郭英俊2,张福英3

(11山西省万家寨引黄工程管理局运行分局,山西太原　030012;

21中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司,北京　100011;31中煤建安公司68工程处,山东邹城　273500)

　　摘　要:TBM 全断面隧道掘进机为进口大型岩巷掘进设备。在引黄工程隧道施工中,开挖、

管片安装、豆砾石回填和灌浆同时进行,如何设置质量控制点是质量控制的关键。由于TBM 施工速度快,若出现开挖、衬砌质量缺陷,则处理难度很大。所以,在施工中应以事前控制、事中控制为主,严格每一施工工序,杜绝各种隐患和缺陷。论文根据TBM 施工特点,对其在隧道施工中如何进行质量控制作了探讨。　　关键词:TBM 全断面隧道掘进机;隧道施工;质量控制　　中图分类号:U61;TV512　　文献标识码:B 　　文章编号:1671-0959(2004)08200292021　TBM 工作原理

TBM 全断面隧道掘进机是由美国罗宾斯(Robins )公司

生产的大断面岩巷掘进机,主要用于公路、铁路、水利及矿山工程中大型涵洞与隧道的掘进施工。

山西省万家寨引黄工程隧道开挖所采用的6台TBM 全断面隧道掘进机均为双护盾封闭式,由机头部和后配套组成。机头部主要由刀盘、前护盾、伸缩盾和后护盾等部分组成,主要实现截割、装渣、行走等功能。后配套位于TBM 机头部之后,分为滚动支撑段和轨道平台两部分,主要功能是实现设备的控制、配电、供水、排水,及运输装车等,还有压风机、高压油泵等辅助系统。前护盾为开挖系统,有26个单刀头和4个双刀头嵌于刀盘中,开挖时通过刀盘系统大圆盘的顺时针旋转、盘形刀头在主推进油缸推力的作用下向前回转滚动破碎岩石,

开挖的岩渣由周边式铲斗不断铲起,通过漏斗和溜槽卸落到皮带机上送入渣车。后护盾为衬砌系统,管片安装器直接将预制混凝土管片安装就位,然后缩盾,管片便脱离后护盾,随即通过管片安装孔(同时也是灌浆孔)将豆砾石泵送至管片与围岩间隙中,最后进行回填灌浆。开挖和衬砌是一个连续而完整的工作循环。

TBM 的掘进方向是由ZED 激光导向系统控制的。隧

道施工中的测量,是将洞外测量控制网引入洞内之后,输入ZED 激光导向系统进行的。该设备由一种计算机控制的激光束和测斜仪组成,由激光发射器通过后靶投射到前靶上,激光束投射到安装在距掌子面4m 的光靶上,再通过传输系统传输到操作室的计算机中心,操作人员根据显示屏的数据控制掘进偏差,精度可达到1mm 。通过操作面板上的操作键调向。

2　TBM 施工质量控制

施工过程质量控制是以工序质量控制为核心,设置质量控制点,进行预控。TBM 隧道施工质量控制包括开挖、管片安装、豆砾石回填、灌浆四个工序,且前一工序往往直接影响后一工序。只有对各工序活动条件进行有效控制,才能保证隧道施工质量。所以在施工前和施工过程中,要对主要人员、原材料及中间产品、施工设备进行预控和监控,并及时检查施工质量,发现问题及时分析判断,找出产生质量问题的原因,进行纠偏。TBM 施工质量控制程序

和控制点见图1。

图1　TBM 施工质量控制图

3　TBM 开挖质量控制

除发生塌方的洞段外,TBM 开挖无超挖或欠挖,所以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,也就控制了欠挖。

311　施工测量质量控制

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或临时水准点,每天或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,当隧道转弯时需加密测点,且每周利用TBM 停机维修的时间进行系统复核。

312　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、

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2　2004年第8期　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　　施工技术　

隧道围岩地质条件在一定程度上对开挖质量有较大影响,当掌子面上下或左右两侧的围岩强度、构造发育程度相差较大时,易产生掘进偏斜;当掘进机通过诸如断层破碎带、强风化～全风化岩石、土洞等软弱围岩时,机头易下沉。当遇到上述不利地质条件时,TBM操作手必须及时调整掘进速度、刀头推力和刀盘转速,才能有效地控制开挖偏差。

当掘进机主推力缸液压系统或计算机主控制系统出现故障时,掘进就会发生偏斜。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。

4　管片及安装质量控制

411　管片入洞前的质量控制

在管片运到施工现场前,已经过制造厂的各项检查,并有出厂合格证。在管片运往现场和堆放期间,不可避免地要出现混凝土表面损坏、止水条部分脱落等现象,如堆放不当且时间较长时还会出现管片裂缝。所以在进洞前要逐一检查,可修复使用的在洞外修复后进洞安装。

412　管片安装质量控制

管片安装质量是指衬砌管片的接缝、错台、破损和裂缝满足设计要求,它主要受隧道开挖质量、管片安装人员素质、管片结构尺寸误差的影响。

在TBM隧道施工中,衬砌和开挖面外缘近似于同心圆,当开挖轴线为直线时,安装管片后的洞轴线亦为直线;而当开挖轴线左右或上下摆动呈明显的曲线时,安装管片后的洞轴线亦为同形曲线。因通常采用规格相同的管片衬砌,当洞轴线发生弯曲时,管片间的接缝和错台就必然增大以适应洞轴线的变化。所以对开挖质量这一关键点进行有效控制,才能有效控制管片安装质量。

管片安装人员素质是影响管片安装质量的主要因素,他们必须是经过专门培训、并有一定操作经验的技术工人。在施工过程中,需经常了解开挖轴线的变化情况,根据洞轴线的变化来调整管片;在直接观察或测量管片接缝和错台的同时,需测量管片的偏斜程度、辅助推力缸的对称程度、管片背面不同部位与尾盾的间隙,在直线洞段,理论上管片左右应该对称,上下推力缸间的长度、左右推力缸间的长度、管片与尾盾的间隙应该相等。所以如发现测量数据差异较大,说明管片安装偏差较大,需及时调整。

在一定程度上,管片的破损率与管片的接缝和错台超差量成正比,即过大的接缝和错台会造成较多和较大面积的破损。所以,只有较好地控制管片接缝和错台误差,才能避免或减少管片破损率。5　豆砾石回填质量控制

由于T BM隧道施工时豆砾石用量大,一般使用人工豆砾石。尽管豆砾石在运往现场前已进行了各工序的加工处理,但有时会出现石粉含量过大现象,所以现场必须进行取样检验,石粉含量超标时要进行二次过筛,合格后方可使用。

豆砾石回填质量要控制回填顺序和充填密实度。豆砾石回填前,首先用高压风清理洞壁岩粉,然后按从下至上的顺序回填豆砾石,且要保证其充填密实。生产人员和质检人员可通过记录回填时间、检查管片安装孔及直接检查等方法控制豆砾石回填质量。

6　回填灌浆质量控制

611　浆液质量控制

灌浆浆液制备由设于TBM后配套尾部的计算机控制,浆液质量控制是确保设备正常运行的,每制备一定量浆液需测量一次浆液浓度,以保证水灰比满足设计要求。

612　灌浆顺序和孔距质量控制

由于TBM施工的特殊性,灌浆顺序采用从下至上的灌浆顺序,即底孔侧孔顶孔和顶垂孔。底孔灌浆紧跟管片安装进行,通常距TBM尾盾约15m,灌浆压力控制在012～015MPa,孔距为一环管片宽度;侧孔灌浆在TBM后配套末端进行,距开挖面约300m,灌浆压力也控制在012～015MPa,且宜采用对称并联灌浆,灌浆孔距不大于三环管片宽度,相邻两灌浆孔间的孔为检查孔;顶拱灌浆紧跟着侧孔灌浆后进行,灌浆压力宜控制在015～110MPa,孔距不大于五环管片宽度,相邻两灌浆孔间的孔为检查孔。施工过程中,应严格控制灌浆顺序和孔距,避免脱空。613　闭浆标准质量控制

底拱和侧拱回填灌浆的闭浆标准为:当相邻底拱灌浆孔或两侧灌浆孔出现串浆,且出浆量较大、浆液浓度接近进浆浓度时,即可结束灌浆。

顶孔和顶垂孔回填灌浆闭浆标准:在通常情况下同常规隧道施工,即在规定的压力下,灌浆孔停止吸浆,延续灌注5min即可结束。但当串浆距离较远,且相邻灌浆孔和检查孔完全被浆液充满时,也可结束灌浆。

614　灌浆质量检查

回填灌浆质量检查应在该部位灌浆结束7天后进行。检查孔应布置在脱空较大、串浆孔集中、灌浆情况异常以及围岩地质条件不良的部位,检查方法包括钻孔取芯法和钻孔注浆法。钻孔取芯法可直观检查豆砾石灌浆层的密实度和充盈度,并对豆砾石灌浆层的抗压强度和渗透系数进行测试,若灌浆层充满管片与围岩间隙,且密实、无蜂窝,即认为合格。钻孔注浆法即向孔内注入水灰比2∶1的浆液,若在规定的压力下,初始10min内注入量不超过10L,即认为合格。对检查不合格的部位,应重新进行灌浆和钻孔检查。

总之,由于TBM施工速度快,若出现开挖、衬砌质量缺陷,则处理难度很大。所以,在施工中应以事前控制、事中控制为主,严格每一施工工序,使各种隐患、缺陷消失于未然中。(责任编辑　马光辉)

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　施工技术　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　2004年第8期