摘要：随着我国经济的高速发展，铁路、公路和引水隧洞的修建在全国各地展开。为提高掘进效率，加快施工进度并保证工程质量，隧道工程越来越多地采用TBM法对长距离隧洞进行施工。TBM掘进中刀盘凿岩、皮带出渣和喷锚等工序产生了大量的粉尘。在实际施工中因为对通风除尘认识不足和相应的技术方案的缺乏，施工人员工作环境烟尘弥漫，大量的粉尘进入人体内，造成不同程度的尘肺病，对工人的身体健康和生命造成巨大的伤害。因此针对长距离隧洞中敞开式TBM施工，掌握粉尘的扩散运移规律和通风排尘的效果是保证人员身体健康和工程顺利进行的基本。鉴于此，文章结合笔者多年工作经验，对TBM在施工过程中存在的问题及改进建议提出了一些建议，仅供参考。
关键词：TBM施工；存在的问题；改进建议
引言
随着我国经济的持续发展，隧道及地下工程施工技术也得到了更新，尤其是在特长隧道建设过程中，敞开式TBM施工技术越来越普遍。尤其是在长大隧道建设时，往往很难避免穿越围岩破碎带或者是软弱围岩，但敞开式TBM受限于自身设计领域，不适合在该种围岩段之中进行应用。为此，在实际TBM技术应用时，需要克服一系列问题，维护相关工作的全面开展。
1、TBM简述
目前已有多种样式的TBM应用于地下工程的各种领域，TBM施工具有速度快、安全、可靠和对环境影响小等多种优点，现已成为长大隧道快速施工的趋势。采用TBM施工的长大隧道在施工中一般会穿越断层破碎带、强蚀变等不良地质段，极易遇到破碎岩层坍塌，严重影响TBM施工进度。以往施工项目大多采用侧面导坑法进人TBM刀盘前方清理塌方松散体，或者从护盾上方通过导坑清理刀盘前方松散体，然后TBM步进通过。施工过程中在破碎带内施做新的导坑，安全风险大，并且因作业空间限制，大型设备不能用于施工作业，多数情况下采用人工操作，施工进度较慢。某引水工程隧洞采用敞开式TBM施工穿越断层破碎带时，通过化学注浆固结刀盘轮廓线和护盾上方坍塌松散体施做止浆墙和护盾上部180°范围内施作管棚超前预支护承住护盾上部及两侧洞壁松散体，然后TBM掘进通过的方法，加快了TBM施工进度，同时也保障了施工安全和施工质量。近年来中国铁路建设取得了长足的发展，但西北、西南地区铁路覆盖率还远远不能满足其经济发展的需求。这些区域以山区地形为主，新建铁路中越岭隧道越来越多，TBM作为一种安全、高效的隧洞施工手段，越来越多地被应用到隧洞施工中。TBM技术地质适应性较差，在软弱围岩及极硬岩中施工工程处理措施多、成本高。国内外专家总结多年TBM施工经验，得出若TBM开挖长度L与刀盘直径D比值大于600或者长度大于3000m时，TBM是经济的。
2、TBM在施工过程中存在的问题
2.1单轴饱和抗压强度
岩石单轴饱和抗压强度是影响TBM施工工程措施的一个主要因素。当岩石单轴饱和抗压强度过低，即为软弱岩石时，围岩自身承载能力不足，变形过大，施工中容易造成TBM卡阻。对于小于30MPa的较软岩和30～60MPa的坚硬岩采用A1、A2衬砌类型，全断面采用钢架+钢筋网+喷混凝土形式来保证开挖断面的稳定性，半圆以上采用系统锚杆防止洞顶局部失稳及落石。而当单轴饱和抗压强度过高时，TBM掘进困难，刀具磨损严重。单轴饱和抗压强度主要影响开挖面整体稳定性及掘进速度，进而影响到TBM的掘进成本。研究不同单轴饱和抗压强度下TBM施工对于隧洞TBM适应性评价极为重要。
2.2富水性
单位体积节理数和岩体透水性密切相关，一般断层破碎带及贯通节理密集带，涌水量将增大。TBM施工过程中要提前探知涌水量，对涌水量特别大的段落采用提前注浆或管幕等措施处理，以便TBM能够顺利通过。对于一般富水性的段落和岩体单轴抗压强度较低的段落，在使用钢筋网+喷混凝土确保开挖断面稳定性的同时，封堵隔断了地下水。而对于坚硬岩，需采取加厚喷混凝土3cm来处理。
2.3粉尘问题
在掘进施工时，掘进机对掌子面岩层的切割、压碎及摩擦等作用产生大量粉尘，危害工程人员的身体健康。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3、TBM在施工过程中问题的改进建议
3.1单轴饱和抗压强度的改进建议
单轴饱和抗压强度较低时，开挖断面存在整体、局部失稳风险，衬砌成本占施工成本主要部分;单轴饱和抗压强度适中时，TBM折旧费占施工成本主要部分;单轴饱和抗压强度较高时，刀具磨损占施工成本主要部分。施工成本随单轴饱和抗压强度的提高，呈现出先降后升的规律，在单轴饱和抗压强度在55MPa时，达到最低值，单轴饱和抗压强度为30～150MPa，敞开式TBM施工成本较低。敞开式TBM每延米施工成本随着单位体积节理数的提高，呈指数规律上升。体积节理数小于20时，不会影响到断面整体稳定性，成本上升不大;当单位体积节理数大于20时，开挖断面存在整体、局部失稳风险，成本快速上升。
3.2径向注浆加固围岩
为了避免深层围岩出现松动变形问题，从而对支护结构产生破坏，产生围岩二次坍塌，当具体TBM掘进支护工作结束之后，相关工作人员还可以根据具体TBM设备平台应用情况，实现对径向注浆加固操作。除此之外，在实际注浆孔操作过程中，可以应用风动凿岩机开展有效的钻孔操作，而且在注浆操作过程中，应该以Φ42小导管应用为主，让作业方式与常见钻爆隧道形式相符，将注浆压力集中在0.8~1.5MPa。
3.3通风排尘系统优化
加大风量可以降低作业区粉尘浓度，一定的通风系统布置可以优化除尘效果，但在上述风速和风管位置的计算条件下，作业区粉尘浓度均高于规范限值。因此本节模拟计算送风风管和除尘风管分别距掌子面15m和25m的最优通风系统布置下，送风风速为25m/s、30m/s、35m/s和40m/s时作业区粉尘浓度，比选能使作业区粉尘浓度小于2mg/m3的最优风速条件。在优化通风布置的基础上，加大送风风速可以降低敞开式TBM人员集中作业区的粉尘浓度。送风风速增大到40m/s时，作业区粉尘质量浓度基本稳定在2mg/m3规范限值以下。因此，秦岭隧洞的排尘优化送风风速为40m/s，可有效改善敞开式TBM施工环境。在除尘风速及位置不变条件下，送风风速越大，洞内粉尘危险浓度区域越广，敞开式TBM内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小，送风风速越小掌子面附近粉尘质量浓度越大。最大值约8mg/m3，随着到掌子面的距离增加，粉尘浓度降低，在约90m后粉尘浓度在规范值以下。(2)除尘风速及位置不变条件下，送风风速越大，洞内粉尘危险浓度区域越广，敞开式TBM内人员集中作业区的粉尘质量浓度越小，送风风速越小，掌子面附近粉尘质量浓度越大。(3)除尘风速及位置不变条件下，送风管距掌子面越远，敞开式TBM内人员集中作业区粉尘浓度越高，送风管布置在15m时，作业区粉尘浓度最低。(4)除尘风速及位置不变条件下，加大风量可以降低作业区粉尘浓度，通风系统布置可以优化除尘效果，送风风管和除尘风管分别距掌子面15m和25m，送风风速和除尘风速分别为40m/s和15m/s时，作业区粉尘质量浓度可控制在2mg/m3规范限值以下。
3.4 TBM掘进
当超前注浆加固操作工作结束之后，TBM便开始了新一轮的掘进操作，推进速度应保持在缓慢状态之下，在实际工作过程中，还需要对皮带出渣情况和TBM电机电流值等进行观察，一旦出现异常情况，应立即停机开展检查操作，避免大面积坍塌问题出现。当掘进工作完成3m注浆加固段之后，应停下来开展超前注浆加固操作，之后再开展相应的掘进操作，维护TBM安全不受任何影响，并实现对密集带的全面操作和处理。整体来看，通过TBM掘进工作的实施，可以将密集带施工操作进行完整性优化。
结束语
综上所述，从TBM在施工过程中可以看出，对于施工操作，敞开式TBM掘进操作能够展示出良好的掘进效果。相关工作人员可以在敞开式TBM刀盘前和上部围岩开展有效的操作，实现地质条件的充分改善，进而将TBM保持在安全状态下，顺利通过硬岩，保证施工质量和安全。
参考文献
[1]郭利民.敞开式TBM施工成本影响因素分析[J].水利建设与管理,2019,39(10):31-36+42.
[2]游胜.敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术[J].智能城市,2019,5(18):175-176.
[3]王海军.敞开式TBM空推步进技术在引松供水工程的应用[J].隧道建设(中英文),2019,39(09):1500-1506.
[4]安仓.敞开式TBM断层破碎带施工技术初探[J].安阳工学院学报,2019,18(04):75-78.
[5]徐海.敞开式TBM施工隧道粉尘扩散及除尘系统研究[J].中国安全生产科学技术,2019,15(06):179-185.
论文作者:鲁航
论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期
论文发表时间:2020/5/6