浅谈水利工程TBM施工技术应用

前言：想要写出一篇引人入胜的文章？我们特意为您整理了浅谈水利工程TBM施工技术应用范文，希望能给你带来灵感和参考，敬请阅读。

【摘要】TBM技术的全称是断面隧道掘进技术，该技术主要应用在大型隧道开挖施工中。该技术具有机械强度较高，施工质量好、施工速度快等一系列优势。本文对TBM工艺原理进行了介绍，对该技术在水利工程中的应用进行了深入的探究。

【关键词】水利工程；tbm施工；初期支护

近年来，随着经济的不断发展，国家电力需求越来越大，给水利水电事业的发展带来了巨大的契机。为了提高大规模水利工程施工质量，我国目前越来越重视隧道施工质量，使得TBM施工技术得到了广泛的应用。

1工程概况

本文水利工程线路全长为148.246km，一共需要建设5条隧道，隧道的总长度为140.771km，经过全面研究施工规划，决定应用TBM及钻爆法对隧道进行施工。本标段的主要施工内容有：隧洞进口明挖段50m，主洞段34.752km；5条施工支洞，总长度为2.284km；入库检修泵站机电设备的安装、永久性施工道路以及供水管线系统等。为了保证该水利工程的整体施工质量，本文对TBM施工技术展开了全面分析。

2TBM的工艺原理、设备配置及施工方法

2.1TBM的工艺原理及施工特点

TBM设备的主要构成部分有：推进系统、刀盘、支撑、机头架和大梁，其具体的工作原理是通过综合利用自主机监控系统、支撑系统、超前处理系统以及牵引系统等实现开挖操作。整个工艺流程包含TBM掘进、出渣和初期支护三个施工环节[1]。在正式运行设备前，工作人员需要对后配套系统调试。概括来说，TBM施工技术的特点有：①施工速度快，施工效率高，可以保证掘进施工连续进行，初期支护、掘进和出渣作业可以同步完成；②施工质量好，应用机械破岩的施工方式可以避免对周围岩体的扰动，极大程度降低了模筑混凝土衬砌工程量；③施工过程十分高效，不仅可以节省工期，还节省了后期的运维成本，极大地提高了项目的经济效益和社会效益；④施工过程较为安全，可以有效减少人工作业量，将安全事故的发生概率降到最低。另外，该基础还具有施工过程较为环保、自动化程度较高、出渣能力较强等诸多优势。

2.2TBM设备配置

根据施工方法和具体的施工要求配备TBM设备，确保所有的设备都能稳定地发挥其性能；保证TBM设备配置必须具有以下四个基本功能：掘进、出渣、导向、支护。在配置辅助设备之前，施工企业需要和设备供应商反复讨论和沟通，设计和优化辅助设备的型号、规格及数量，以满足施工实际要求为基础实现设备最优配置。需要注意的是，应尽可能选择先进的施工设备，以此进一步提高设备应用效率。综合考虑实际施工出渣强度、渣土运输距离、洞内空间大小以及隧道的坡比情况选择规格合适的出渣运输设备和出渣方式，确保出渣设备的生产能力符合项目排渣需求。在我国范围内，通常应用轨行式渣车或连续皮带机作为施工现场的主要排渣设备，并根据围岩条件以及掘进设备类型选择最合理的支护设备。

2.3TBM的施工方法及影响因素

应用TBM施工技术时，掘进方向的控制是十分重要的内容[2]，只有控制好掘进方向才能控制好盘型滚刀的受力，而一旦刀具出现损坏问题除了会影响实际施工进度，还可能导致隧道超挖问题，使得后续的工程量不断增加，严重影响工程质量和工期。为了更好地控制TBM掘进方向，需要注意以下内容：充分的调研；确定最佳的施工方向参数；控制好设计中线和掘进轴线之间的偏差；边掘进边调整。TBM的工作模式主要有三种：手动控制模式、自动扭矩控制模式以及自动推力控制模式。其中，前者可以应用于各种地层的施工，后两种工作模式适合于均质软岩和均质硬岩的施工。在实际施工中，断层、破碎地带、挤压或碰撞断层等不良地质条件会限制TBM施工性能的发挥，因此在施工前需要做好全面的调研，做好充分的准备，针对可疑地段注意加强地质预报。当施工到达特殊地段前50m时，应彻底检修TBM电气、灌浆、液压和机械等系统，确保实际施工可以顺利通过不良地质洞段。正常施工时，需要认真分析岩渣的成分、岩性、变化趋势以及块度，并且记录好各项运行参数，以此为基础判断施工前方岩石的实际情况。此外，针对刀盘铲斗进料口进行封堵设计，确保一旦遇到不良地质条件可以减少出渣量，保证TBM施工的连续性。

3TBM技术在工程施工中的具体应用

3.1初期支护方式

针对主洞中的Ⅱ类围岩进行支护施工时，需要应用喷射混凝土进行永久性支护，TBM掘进工作中混凝土的圆心角为70°。在对Ⅲ类围岩进行施工时，在顶拱周围设置锚杆，探测实际的施工情况。应按照梅花布孔的方式设置钢筋网和锚杆，再应用12cm的混凝土喷射成型。并以开口环梁以及挂网钢筋作为支护支撑，挂网钢筋和开口环梁的主要材质为槽钢，运用3.0m左右的锚杆加以固定，然后喷射12cm混凝土。对Ⅳ类围岩进行施工时，需要应用到长度为3m的锚杆支护和200mm×200mm钢筋网，设置好以上内容后喷射12cm厚混凝土。针对中间存在较差岩体胶结的地段进行施工时，需要设置拱架并控制拱架间距处于900~1800mm之间，然后喷射15cm厚混凝土，在整个施工过程中TBM掘进圆心角均为70°。在对V类围岩进行施工时，应用到长度为3.5m的锚杆支护，并且注意控制锚杆之间的距离为1.0m，并运用150mm×150mm钢筋网，控制好锚杆和钢筋网的间距，再喷射15cm厚混凝土。在后期支护施工中，往往应用到大型钢膜台车以及TBM施工技术，本工程的掘进施工总体流程如图1所示。掘进施工前做好超前地质预报，对于不良地段采用超前处理的方法，确保掘进施工顺利有序进行。针对不需要超前处理的地段，掘进施工中边清理边掘进，并注意做好初期支护。完成一段掘进施工后应进行相应的转向和更换，再继续下一轮的掘进。本工程中，工作人员对地质预报结果和实际施工情况进行了仔细的对比，一旦出现预报和实际情况不符的情况，需要重新处理。

3.2TBM施工的启动阶段

启动TBM掘进机后应立即确定最合理的掘进方向。这时设备的支撑部分位于前位位置，撑靴为设备提供支撑作用。确定掘进方向后提起支撑，启动切削盘，对液压缸提供推进作用。完成掘进施工后进行换步作业，停止转动切削盘，将后支撑部位伸出至隧洞的底部，这时后支撑部位为TBM设备提供支撑作用。利用水平支撑收回油缸，再收回油缸支撑，为了避免回收水平支撑的过程中对活塞杆的收回造成影响，利用液压缸供油，供油方式为反方向供油，外机架与水平撑靴应按照同步的状态向前方移动。

3.3TBM施工的掘进阶段

应用TBM施工技术时，掘进施工阶段主要分为五个环节和步骤：（1）应用侧向撑靴固定TBM刀盘的后部，确保其紧贴洞壁。只有侧向撑靴和楔块油缸相互配合才能更好地锁定支撑位置，为洞壁提供反作用力，控制水平掘进的方向不发生任何程度的偏移。合理调整前支撑的位置，避免其发生偏移的同时保证垂直掘进的方向[3]。（2）完成上一步施工后适当推进油缸，并转动刀盘开始掘进，掘进过程中的推进力由刀盘滚刀提供，通常来说刀盘滚刀所提供的推进力可达到250kN。（3）掘进施工时，根据实际地质条件确定好TBM设备的运作参数。硬岩结构因为强度较高，为了保证施工效果需要应用扭矩为4500kN•m的刀盘，控制刀盘的转速在4.5—6.5r/min之间。（4）掘进施工中油缸负责为刀盘提供推力，如果隧道长度较长，那么掘进过程中水平撑靴板可能会受到推进的反作用力，这时在水平撑靴板的作用下，水平支撑油缸会给洞壁提供支撑。水平支撑板负责支撑洞壁，为掘进的过程提供一个足够安全和稳定的内支护结构，极大地提高了掘进过程的安全性。（5）完成施工后，撤掉水平撑靴板以及侧面撑靴等支护设备，这时所有的重量均由TBM设备支撑。TBM掘进机到达后续施工地点后需要对其适当移动，当到达掘进位置后工作人员重新调整轴线的方向，布置好导向定位装置。

4结束语

在大规模隧道施工中，TBM施工技术的应用优势较为明显。在我国该技术出现和应用的时间虽然较短，但是经过不断的施工、实践和总结，TBM施工技术的应用水平得到大幅提升。本文对TBM的工艺原理及施工方法进行了介绍，探讨了TBM施工技术在水利工程中的应用，希望可以为该技术在其他工程中的应用提供借鉴和参考。

参考文献

[1]周小松.TBM法与钻爆法技术经济对比分析[D].西安：西安理工大学，2010.

[2]张良贵.双护盾TBM主推进系统的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2013.

[3]刘术臣.TBM技术发展方向及其国内应用前景[J].铁道建筑技术，2010（4）：1-3.

作者：刘彦章 单位：中铁十六局集团第二工程有限公司