齊夢(mèng)學(xué), 周雁領(lǐng)
(1. 中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司, 重慶 400700; 2. 中鐵十八局集團(tuán)有限公司, 天津 300222)
全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)為依靠刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)、通過(guò)盤形滾刀破巖實(shí)現(xiàn)隧道全斷面一次開(kāi)挖成型、采用主機(jī)帶式輸送機(jī)出渣的大型機(jī)械設(shè)備[1-2],具有技術(shù)先進(jìn)、速度快、一次成型、工作環(huán)境好、安全性高、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、對(duì)自然環(huán)境破壞小等優(yōu)點(diǎn)[3],是目前最先進(jìn)的隧道施工設(shè)備之一。TBM法已成為發(fā)達(dá)國(guó)家隧道施工的首選工法[4],也是我國(guó)長(zhǎng)大隧道特別是山嶺隧道的首選工法。
關(guān)于某某工程TBM施工創(chuàng)最高月進(jìn)尺、最高日進(jìn)尺等施工紀(jì)錄的報(bào)道[5-6]有很多,而關(guān)于某某工程TBM施工受阻、卡機(jī)等長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)處理的文獻(xiàn)[7-8]也不少,這也是為何稱TBM“特別猛”又“特別慢”的緣故[4]。TBM施工究竟是“猛”還是“慢”呢?筆者的觀點(diǎn)是: 地質(zhì)條件適宜時(shí)TBM“特別猛”,其單日掘進(jìn)速度甚至可達(dá)近百m; 地質(zhì)條件惡劣時(shí)TBM“特別慢”,需要人工干預(yù)甚至礦山法開(kāi)挖后通過(guò)。當(dāng)遭遇地質(zhì)難題以及外部環(huán)境長(zhǎng)期干擾而無(wú)法正常施工時(shí),TBM人會(huì)感到“特別?!?,因?yàn)闆](méi)有好的解決措施而迷茫; 當(dāng)齊心協(xié)力攻克難關(guān),成功解決一項(xiàng)又一項(xiàng)難題時(shí),TBM人會(huì)感到“特別美”,成就感會(huì)油然而生; 當(dāng)TBM法隧道建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大時(shí),TBM人會(huì)感到“特別忙”,整年奔波或者堅(jiān)守在工地現(xiàn)場(chǎng); 同時(shí),TBM人都懷著一個(gè)“特別夢(mèng)”,即在重大工程中依靠集體的聰明才智和吃苦耐勞的精神,攻堅(jiān)克難駕馭TBM勇往直前,為實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國(guó)夢(mèng)貢獻(xiàn)力量。
隨著我國(guó)TBM設(shè)備研制、應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,針對(duì)TBM的研究很多,有設(shè)備技術(shù)方面的,有TBM選型方面的,也有施工技術(shù)與管理方面的,但關(guān)于TBM施工管理理念和綜合管理的研究較少。為了科學(xué)認(rèn)識(shí)、正確認(rèn)知TBM施工,在安全與質(zhì)量的前提下,以保工期、控投資、降成本、增效益,促進(jìn)TBM工法科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展為著力點(diǎn),筆者結(jié)合近20年的TBM施工實(shí)踐,不斷總結(jié)和探索,在遼寧重點(diǎn)供水工程二段四標(biāo)TBM施工過(guò)程中,逐步形成并首次提出TBM“持續(xù)、均衡、快速”施工理念,即SPS作業(yè)法。
本文簡(jiǎn)要匯總TBM在我國(guó)的應(yīng)用現(xiàn)狀,針對(duì)TBM施工進(jìn)度不均衡的問(wèn)題進(jìn)行分析,結(jié)合工程實(shí)踐闡述TBM施工SPS作業(yè)法及其必要性,從需要具備的“3個(gè)基礎(chǔ)”著手,提出“七持續(xù)”“三均衡”10項(xiàng)措施實(shí)現(xiàn)適宜地質(zhì)條件下TBM穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),而在惡劣地質(zhì)條件下努力提升TBM工程適應(yīng)性,以期TBM工法能夠更加適應(yīng)我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模巨大、工期普遍緊張的特點(diǎn),促進(jìn)TBM工程的合理規(guī)劃以及TBM工法的科學(xué)使用,不斷提升我國(guó)TBM施工水平。
目前我國(guó)TBM法隧道建設(shè)呈現(xiàn)井噴式發(fā)展態(tài)勢(shì),應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)涵蓋了鐵路、水利、能源、軌道交通、礦山、綜合管廊等,同時(shí)施工的TBM數(shù)量已達(dá)40余臺(tái)(套)。例如: 西部某長(zhǎng)隧引水工程3條隧洞總長(zhǎng)520 km,采用TBM法與鉆爆法相結(jié)合施工,主體工程同時(shí)采用18臺(tái)敞開(kāi)式TBM、3臺(tái)盾構(gòu)施工,其中2條支洞采用2臺(tái)二手TBM施工,如此大規(guī)模的集群化TBM施工,在國(guó)際上也是前所未有的; 同時(shí),引綽濟(jì)遼、滇中引水、青島地鐵、深圳地鐵、重慶軌道交通、西(寧)成(都)鐵路、川藏鐵路等項(xiàng)目也正在和即將采用大量TBM施工,從目前我國(guó)的設(shè)備設(shè)計(jì)制造以及施工能力和水平來(lái)看,這些工程將完全由國(guó)內(nèi)企業(yè)承建,并且絕大多數(shù)將采用自主品牌的TBM設(shè)備。
國(guó)內(nèi)TBM設(shè)計(jì)制造企業(yè)主要有3家,分別是完全自主研發(fā)的鐵建重工、收購(gòu)了德國(guó)WIRTH公司的中鐵裝備和收購(gòu)了美國(guó)ROBBINS公司的北方重工。筆者希望國(guó)內(nèi)完全自主品牌能夠健康發(fā)展,也希望融合了境外資源的國(guó)內(nèi)品牌能夠提供更好的產(chǎn)品和服務(wù),促進(jìn)我國(guó)TBM設(shè)計(jì)制造水平的不斷提高,使其更加符合隧道建設(shè)的市場(chǎng)需求。
TBM法隧道建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)張,自然而然地帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)施工企業(yè)的迅猛發(fā)展,從原來(lái)中鐵十八局和中鐵隧道局2家施工企業(yè)發(fā)展到目前的近20家企業(yè)同時(shí)施工。
我國(guó)TBM法隧道的建設(shè)環(huán)境也呈現(xiàn)出兩極化發(fā)展趨勢(shì),一是朝向地質(zhì)條件復(fù)雜的山嶺隧道發(fā)展,二是朝向建設(shè)環(huán)境嚴(yán)苛的城市地下工程發(fā)展。
業(yè)內(nèi)專家與相關(guān)從業(yè)人員對(duì)于TBM施工綜合管理與存在問(wèn)題方面的研究,涵蓋了宏觀管控與具體的技術(shù)層面。文獻(xiàn)[9]指出我國(guó)工程建設(shè)中存在不合理建設(shè)工期、不合理工程造價(jià)、不合理施工合同、不合理施工方案4大不合理現(xiàn)象,同樣適用于TBM法隧道施工;文獻(xiàn)[4,9]提出了正確認(rèn)識(shí)TBM工程適應(yīng)性與適用范圍、降低設(shè)備成本、提高隧道規(guī)劃設(shè)計(jì)水平、科學(xué)籌劃工期、合理控制工程造價(jià)、盡量開(kāi)展地質(zhì)詳勘等觀點(diǎn)。由于施工進(jìn)度關(guān)乎工期、施工成本、建設(shè)投資以及項(xiàng)目收益,因而受到業(yè)內(nèi)的高度關(guān)注。
縱觀國(guó)內(nèi)TBM施工項(xiàng)目,施工進(jìn)度總體上存在嚴(yán)重的不均衡現(xiàn)象。西康鐵路秦嶺隧道及西南鐵路敞開(kāi)式TBM平均月進(jìn)尺約300 m、最高月進(jìn)尺500~600 m;山西引黃入晉工程采用雙護(hù)盾TBM施工,總干線月進(jìn)尺約700 m、最高月進(jìn)尺約1 100 m,南干線平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 800 m,南干聯(lián)絡(luò)段平均月進(jìn)尺約1 300 m、最高月進(jìn)尺約1 600 m;中天山隧道敞開(kāi)式TBM前期平均月進(jìn)尺約400 m、后期約100 m;蘭渝鐵路西秦嶺隧道敞開(kāi)式TBM平均月進(jìn)尺約400 m;遼寧重點(diǎn)供水工程敞開(kāi)式TBM平均月進(jìn)尺約600 m。為增強(qiáng)可比性,以同一工程不同標(biāo)段、同一施工單位不同項(xiàng)目的同機(jī)型TBM施工進(jìn)度為例,分析如下。
1)吉林省中部城市引松供水工程采用3臺(tái)敞開(kāi)式TBM施工,開(kāi)挖直徑7.93 m,采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣,相關(guān)信息見(jiàn)表1,施工進(jìn)度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖1(圖中折線斷開(kāi)部分為TBM中間轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間,計(jì)算平均月進(jìn)尺時(shí)將其扣除)。TBM1平均月進(jìn)尺643 m、最高月進(jìn)尺983 m;TBM2平均月進(jìn)尺549 m、最高月進(jìn)尺1 336 m;TBM3平均月進(jìn)尺652 m、最高月進(jìn)尺1 406 m。3臺(tái)TBM月進(jìn)尺的離散性對(duì)比見(jiàn)圖2(已經(jīng)扣除開(kāi)始掘進(jìn)、貫通、中間轉(zhuǎn)場(chǎng)等不滿整月的月份),顯然月進(jìn)尺離散性由低到高排序依次為TBM1—TBM3—TBM2。經(jīng)初步調(diào)研,地質(zhì)原因、設(shè)備完好率、施工技術(shù)、施工理念、組織管理等的差異是影響施工進(jìn)度均衡性的主要因素。
表1引松供水工程TBM施工信息匯總
Table 1 Statistics of TBM construction information of Songhua River Water Conveyance Project
TBM設(shè)備隧道區(qū)段長(zhǎng)/m區(qū)段1區(qū)段2區(qū)段3隧道總長(zhǎng)/m施工狀態(tài)TBM開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)間TBM完工時(shí)間累計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度/m平均月進(jìn)尺/m最高月進(jìn)尺/mTBM111 4998 29819 797貫通2015-042017-0715 528643983TBM210 15210 99621 148掘進(jìn)2015-0514 5525491 336TBM310 5155 0564 62720 198貫通2015-062018-0118 7986521 406
注: 不同的月份起止日期,對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析存在一定影響,但不影響本文研究分析及結(jié)果。
圖1 引松供水工程3臺(tái)TBM月進(jìn)尺對(duì)比
Fig. 1 Comparison of monthly advance among 3 TBMs used in Songhua River Water Conveyance Project
圖2 引松供水工程3臺(tái)TBM月進(jìn)尺離散性對(duì)比
Fig. 2 Comparison of discreteness of monthly advance among 3 TBMs used in Songhua River Water Conveyance Project
2)遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞,均為敞開(kāi)式TBM施工,前者TBM開(kāi)挖直徑為8.53 m,后者TBM開(kāi)挖直徑為6.53 m,由同一個(gè)TBM團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)施工(后者主要的TBM技術(shù)與管理人員由前者整體調(diào)遣)。2臺(tái)TBM月進(jìn)尺對(duì)比見(jiàn)圖3,其中遼寧重點(diǎn)供水工程折線斷開(kāi)部分為TBM中間轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間,西部輸水隧洞在第1個(gè)月份TBM掘進(jìn)時(shí)間只有2 d,計(jì)算平均月進(jìn)尺時(shí)將其扣除,其TBM平均月進(jìn)尺根據(jù)圍巖條件選取第2—7個(gè)月的平均值。2臺(tái)TBM月進(jìn)尺的離散性對(duì)比見(jiàn)圖4(已扣除開(kāi)始掘進(jìn)、貫通、中間轉(zhuǎn)場(chǎng)等不滿整月的月份)。西部輸水隧洞TBM月進(jìn)尺嚴(yán)重不均衡且后期持續(xù)低迷,影響因素在于惡劣的地質(zhì)條件和施工干擾。該工程自第7個(gè)月開(kāi)始遭遇嚴(yán)重蝕變巖,之后是極度破碎圍巖,且涌泥、涌砂現(xiàn)象非常嚴(yán)重,TBM對(duì)于該段隧洞的地質(zhì)適應(yīng)性極差,不適合采用TBM施工,若選用機(jī)械法則應(yīng)該考慮土壓平衡盾構(gòu);實(shí)際揭露的圍巖與施工圖地勘成果相去甚遠(yuǎn),且遭遇極度破碎圍巖8個(gè)月之前提供給施工單位的地質(zhì)信息為“節(jié)理密集帶”,從而給掘進(jìn)施工造成了很大的誤導(dǎo);此外,建設(shè)單位的盲目指揮、不當(dāng)指導(dǎo),施工單位未能及時(shí)扭轉(zhuǎn)影響也是制約施工進(jìn)展不可忽視的一個(gè)因素。
圖3遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞工程2臺(tái)TBM月進(jìn)尺對(duì)比
Fig. 3 Comparison of monthly advance between TBM used in water conveyance projects in Liaoning and that in west China
圖4遼寧重點(diǎn)供水工程某標(biāo)段和西部某輸水隧洞工程2臺(tái)TBM月進(jìn)尺離散性對(duì)比
Fig. 4 Comparison of discreteness of monthly advance between TBM used in water conveyance projects in Liaoning and that in west of China
擴(kuò)展研究范圍發(fā)現(xiàn),上述TBM施工進(jìn)度不均衡問(wèn)題并非個(gè)例,已經(jīng)成為較為普遍的問(wèn)題,不利于TBM法的科學(xué)合理推廣與健康持續(xù)發(fā)展。
SPS作業(yè)法是TBM持續(xù)(sustained)、均衡(proportional)、快速(speedy)施工的英文縮寫,包括2重含義: 1)地質(zhì)條件適宜時(shí)實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)施工的長(zhǎng)期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn); 2)地質(zhì)條件惡劣時(shí)攻堅(jiān)克難,通過(guò)改進(jìn)施工工藝、改善設(shè)備功能與性能,提升TBM的工程適應(yīng)性。
如前所述的引松供水工程是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一,可以解決長(zhǎng)春、四平、遼源等吉林中部城市群水資源嚴(yán)重短缺問(wèn)題,保證城鄉(xiāng)居民飲水安全和保障國(guó)家糧食安全,設(shè)計(jì)水平年(2030年)多年平均引水量為7.31億m3[10]。該引水隧洞采用3臺(tái)TBM施工,原計(jì)劃掘進(jìn)貫通時(shí)間基本相同,但實(shí)際貫通時(shí)間差異較大,與另2臺(tái)相比TBM2貫通滯后時(shí)間折中按10個(gè)月計(jì)算,引水量取設(shè)計(jì)值的60%,水量損失約6億m3,社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益損失慘重;TBM施工期間人工費(fèi)月均按1萬(wàn)元/人計(jì)算,施工與管理人員按150人考慮,工期滯后10個(gè)月將增加人工費(fèi)1 500萬(wàn)元,還會(huì)產(chǎn)生大量的設(shè)備折舊費(fèi)、水電油消耗、管理費(fèi)等成本,因而工期對(duì)施工成本的影響是不言而喻的。提高TBM綜合月進(jìn)尺,確保工程如期甚至提前竣工至關(guān)重要。
我國(guó)有句諺語(yǔ) “不怕慢只怕站”,TBM法施工也是如此。如圖1所示,引松供水工程TBM1最高月進(jìn)尺只有983 m,但平均月進(jìn)尺為643 m;TBM2最高月進(jìn)尺為1 336 m,是TBM1的1.4倍,而平均月進(jìn)尺只有549 m,為TBM1的85.4%,如果加入中間轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間,其綜合施工速度更低,原因是施工進(jìn)度不均衡導(dǎo)致了TBM2綜合掘進(jìn)速度相對(duì)偏低。
由此可見(jiàn),努力實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工是非常必要的,否則會(huì)明顯延誤工期、造成施工成本的增加和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的巨大損失。
倡導(dǎo)TBM持續(xù)、均衡、快速施工理念,需要打好必要的基礎(chǔ)條件,否則只能事倍功半。筆者認(rèn)為應(yīng)該從以下3個(gè)方面著手。
地質(zhì)條件是隧道建設(shè)最重要的影響因素,自選線開(kāi)始直到開(kāi)挖貫通,需要全過(guò)程關(guān)注。可信度較高的地勘成果能夠?yàn)門BM掘進(jìn)提供較為準(zhǔn)確的指導(dǎo),事先做好相應(yīng)準(zhǔn)備工作,否則就如雨雪霧天或者高峰期駕車出行而不關(guān)注路況信息,使得發(fā)生堵車甚至引發(fā)交通事故的概率大大增加。
1)開(kāi)工前的地質(zhì)勘查,應(yīng)盡量真實(shí)、準(zhǔn)確、完整。開(kāi)工前的地勘成果,會(huì)直接決定隧道施工工法選擇、TBM機(jī)型選擇、工期與進(jìn)度計(jì)劃,是隧道工程設(shè)計(jì)施工的首要條件。如前所述,西部某長(zhǎng)隧引水工程,平均1~2 km布設(shè)一個(gè)地質(zhì)鉆孔,對(duì)初步分析存在不良地質(zhì)的洞段加密探孔,詳盡而相對(duì)準(zhǔn)確的地勘成果為TBM順利施工奠定了良好的基礎(chǔ),該工程第1臺(tái)TBM自2017年9月15日開(kāi)始掘進(jìn),至2018年2月底累計(jì)掘進(jìn)4 729 m,實(shí)際揭露圍巖與施工圖地勘成果的吻合性約為70%,平均月進(jìn)尺860 m;而同一地區(qū)另外一條輸水隧洞,全長(zhǎng)41 km,以2臺(tái)敞開(kāi)式TBM施工為主,前期地勘粗略,洞身段絕大部分未詳勘,甚至由于埋深大導(dǎo)致布設(shè)地質(zhì)鉆孔困難,在出口段TBM已經(jīng)完成掘進(jìn)的2 773 m洞段,實(shí)際揭露圍巖與施工圖地勘成果的吻合性只有29.7%,并且出現(xiàn)了該洞段未預(yù)見(jiàn)的嚴(yán)重蝕變、長(zhǎng)距離極度破碎圍巖,TBM掘進(jìn)施工嚴(yán)重受阻,平均月進(jìn)尺僅146 m。地勘成果相對(duì)地質(zhì)條件的準(zhǔn)確度對(duì)于TBM順利施工的重要影響可見(jiàn)一斑。
2)TBM掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。由于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平的限制,深埋于地下的圍巖情況總是讓人捉摸不透,地質(zhì)勘查成果與實(shí)際揭露的圍巖總會(huì)存在一定的偏差,因而超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道施工地質(zhì)勘查工作的必要補(bǔ)充,特別是在地質(zhì)條件欠佳洞段,具有參考價(jià)值的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果能夠?yàn)門BM掘進(jìn)施工提供有效指引。施工圖地勘成果、TBM掘進(jìn)揭露圍巖狀況、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)三者相結(jié)合,能夠?yàn)門BM掘進(jìn)施工時(shí)做到基本探明前方地質(zhì)以及科學(xué)決策提供依據(jù)。
3)及時(shí)修正地勘成果。如果施工圖地勘成果與TBM掘進(jìn)實(shí)際揭露的圍巖存在較大出入,則應(yīng)該結(jié)合實(shí)際揭露圍巖狀態(tài)、地勘原始信息重新分析并修正原來(lái)的地勘成果,甚至補(bǔ)勘或者重新勘察,否則會(huì)嚴(yán)重誤導(dǎo)TBM掘進(jìn)施工,給隧道施工安全、質(zhì)量、工期、成本埋下隱患。如前所述,全長(zhǎng)41 km、地質(zhì)吻合性只有29.7%的隧洞,應(yīng)該立即開(kāi)展該項(xiàng)工作。
TBM屬于專用設(shè)備,每種類型的TBM都有其相應(yīng)的工程適應(yīng)性,甚至同類型的TBM每一臺(tái)的工程適應(yīng)性也會(huì)存在明顯差異,需要根據(jù)隧道工程的地質(zhì)條件和建設(shè)需求選型并進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。截至目前尚未出現(xiàn)可以應(yīng)對(duì)所有地質(zhì)條件和建設(shè)要求的“全能型”TBM。例如: 開(kāi)挖直徑相同的敞開(kāi)式TBM,如果隧道地質(zhì)以完整硬巖為主,則需要強(qiáng)大可靠的破巖能力,對(duì)初期支護(hù)能力的需求相對(duì)較弱;如果隧道地質(zhì)以Ⅲ、Ⅳ類圍巖為主,則需要高效的初期支護(hù)能力,適合較軟圍巖的破巖能力。因此,選擇隧道施工工法時(shí),首先要根據(jù)地勘成果全面論證TBM的工程適應(yīng)性,合理選型、科學(xué)配置。
TBM工程適應(yīng)性是一個(gè)動(dòng)態(tài)管理過(guò)程。隧道工程的地質(zhì)條件總是存在不確定性,特別對(duì)于深埋長(zhǎng)隧更是如此,因此要求TBM在能夠很好地適應(yīng)大多數(shù)地質(zhì)條件的同時(shí),也要盡量滿足可預(yù)判的本工程可能存在的不良地質(zhì)或者惡劣地質(zhì),并在施工實(shí)踐中不斷總結(jié)和探索,通過(guò)工藝和設(shè)備改進(jìn)提升TBM對(duì)不良地質(zhì)及惡劣地質(zhì)條件的適應(yīng)能力。但上述措施不應(yīng)該成為極端惡劣地質(zhì)條件下普遍采用的方法,只能作為應(yīng)急措施短時(shí)間、短距離應(yīng)用;TBM工程適應(yīng)性很差、施工嚴(yán)重受阻甚至長(zhǎng)時(shí)間卡機(jī)的洞段應(yīng)果斷地依據(jù)地質(zhì)勘查與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果、TBM設(shè)備及施工能力,科學(xué)決策,采用適宜的工法施工,而不能一味堅(jiān)持TBM工法,否則仍然會(huì)嚴(yán)重影響工程工期、成本,甚至造成TBM嚴(yán)重?fù)p傷。
對(duì)于相同的地質(zhì)條件、施工工法以及TBM類型和配置,合理的施工規(guī)劃能夠大大降低施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn),縮短工期、節(jié)約投資。例如: 現(xiàn)有先進(jìn)的TBM設(shè)計(jì)制造水平、設(shè)備管理與施工技術(shù)水平,單臺(tái)TBM在同一隧道工程持續(xù)掘進(jìn)20~25 km完全可以實(shí)現(xiàn),施工區(qū)段劃分、施工支洞設(shè)計(jì)、長(zhǎng)距離通風(fēng)與供排水、長(zhǎng)距離出渣與運(yùn)輸、中間是否存在不良地質(zhì)洞段及其應(yīng)對(duì)措施等眾多影響因素,都需要統(tǒng)籌規(guī)劃,合理設(shè)計(jì)。
以下述3點(diǎn)為例,通常情況下:
1)TBM單區(qū)段連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度以10~15 km為宜。連續(xù)掘進(jìn)長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)則設(shè)備持續(xù)完好性難以保證,掘進(jìn)過(guò)程中較長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)處理設(shè)備問(wèn)題的概率較大;劃分的掘進(jìn)區(qū)段過(guò)多,雖然施工難度降低了,但中間轉(zhuǎn)場(chǎng)每次耗時(shí)約2個(gè)月,也會(huì)嚴(yán)重影響工期和成本。
2)最大通風(fēng)長(zhǎng)度最好不超過(guò)15 km。采用ECE等知名品牌的高效變頻軸流風(fēng)機(jī)和適宜的通風(fēng)軟管,能夠較好地保證通風(fēng)效果且能耗低;對(duì)于更長(zhǎng)距離的通風(fēng)方案,技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn),但加大風(fēng)管直徑可能會(huì)侵占洞內(nèi)運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)空間或?qū)е露磸郊哟?,多臺(tái)風(fēng)機(jī)串聯(lián)通風(fēng)效果較差且增加能耗,中間增設(shè)接力風(fēng)機(jī)需要布設(shè)電纜和變壓器,都會(huì)增加通風(fēng)難度和成本,需要結(jié)合工程建設(shè)條件綜合論證;長(zhǎng)隧施工的通風(fēng)距離偏小,則會(huì)增加通風(fēng)支洞/豎井以及風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)工程量,工期和成本也會(huì)受到影響。
3)不良地質(zhì)洞段需要謹(jǐn)慎對(duì)待。首先是需要更加詳盡的地質(zhì)調(diào)查與勘察,其次是按照現(xiàn)有的TBM設(shè)備能力、初期支護(hù)措施、可以實(shí)現(xiàn)的超前加固措施和效果評(píng)判TBM針對(duì)不良地質(zhì)洞段的適應(yīng)性,能夠安全掘進(jìn)施工則采用TBM法,否則需要考慮采用礦山法等其他施工工法處理后TBM步進(jìn)通過(guò)或者下半斷面掘進(jìn)通過(guò)。
“天下武功唯快不破”,TBM掘進(jìn)施工同樣如此,但一時(shí)之快并不能保證全程快速和綜合成洞速度高,好比跑馬拉松必須根據(jù)個(gè)人體能和耐力合理控制全程速度、分配體能。
我們都希望TBM能夠充分發(fā)揮其“快速”的優(yōu)勢(shì),在日常的TBM設(shè)備管理和施工管理中,重點(diǎn)體現(xiàn)為2個(gè)重要指標(biāo): 1)設(shè)備完好率; 2)純掘進(jìn)時(shí)間利用率。TBM完好的狀態(tài)是隧道順利掘進(jìn)的根本;提到TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率,讓筆者想起小學(xué)語(yǔ)文課文《挑山工》,挑山工走“之”字形路線,登一次山走的路程大約比游人多一倍,但花的時(shí)間并不比游人多,關(guān)鍵在于挑山工持續(xù)緩速前進(jìn),具有很高的時(shí)間利用率,而游人瞬時(shí)速度快但停歇太多,時(shí)間利用率較低,龜兔賽跑的寓言故事講的也是這個(gè)道理。較高的設(shè)備完好率和純掘進(jìn)時(shí)間利用率是TBM持續(xù)、均衡、快速施工的重要指標(biāo)。經(jīng)研究認(rèn)為,需要在施工全過(guò)程中貫徹執(zhí)行“七持續(xù)”“三均衡”10項(xiàng)措施。
持續(xù)保證TBM及關(guān)鍵配套施工設(shè)備狀態(tài)完好,是貫穿TBM施工始終的全過(guò)程動(dòng)態(tài)管理。以TBM設(shè)備為例闡述如下:
1)TBM招標(biāo)采購(gòu)階段,需要全面、詳細(xì)地研究,根據(jù)工程需求提出合理的TBM功能、性能、壽命、工作能力等全方位的要求。
2)TBM設(shè)計(jì)階段,需要充分溝通,合理調(diào)整完善其功能、性能、各系統(tǒng)的能力、壽命,且各系統(tǒng)相互匹配,設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)過(guò)程中需要相關(guān)各方緊密配合。
3)制造階段,制造單位嚴(yán)格按工藝流程生產(chǎn),買方(用戶)需要嚴(yán)格按規(guī)程監(jiān)造,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并整改完善。
4)驗(yàn)收階段,需要高度關(guān)注出廠驗(yàn)收,目標(biāo)是消除存在的一切缺陷,各方共同嚴(yán)格要求、逐項(xiàng)檢查、努力發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題和必要的改進(jìn)可能性,消除設(shè)備缺陷,原則上驗(yàn)收合格率達(dá)到100%方可出廠。出廠驗(yàn)收與工地組裝調(diào)試驗(yàn)收,均為空載驗(yàn)收,重點(diǎn)關(guān)注TBM的設(shè)計(jì)功能是否滿足驗(yàn)收要求;試掘進(jìn)驗(yàn)收為負(fù)載驗(yàn)收,重點(diǎn)關(guān)注TBM工作性能是否滿足驗(yàn)收要求。把好驗(yàn)收關(guān),才能把好設(shè)備質(zhì)量關(guān)。
5)掘進(jìn)施工過(guò)程中,規(guī)范操作,按規(guī)程維護(hù)保養(yǎng),及時(shí)維修,避免和減少故障,降低故障對(duì)掘進(jìn)施工的影響。
只有從設(shè)備選型與功能配置的源頭抓起,確保出廠的設(shè)備質(zhì)量可靠,并且在使用全過(guò)程中加強(qiáng)管理,加大設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)力度,正確處置設(shè)備故障,才能保持設(shè)備長(zhǎng)期處于良好工作狀態(tài)。
“沒(méi)有規(guī)矩不成方圓”,TBM施工過(guò)程中,規(guī)范操作涉及到每道工序,大到掘進(jìn)操作,小到洞底清理都要按規(guī)范執(zhí)行。編制完整的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)指導(dǎo)書(shū)并貫徹執(zhí)行,包括維護(hù)保養(yǎng)、掘進(jìn)操作、管片拼裝與回填、拼裝鋼拱架、打錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、安裝鋼筋排、噴射混凝土、洞底清理、刀具檢查與更換、管線延伸、連續(xù)皮帶機(jī)延伸、皮帶硫化、物料運(yùn)輸、刀具維修裝配、設(shè)備維修、軸線控制……規(guī)矩有了之后,關(guān)鍵在于按規(guī)矩執(zhí)行,增強(qiáng)執(zhí)行力。
例如: 掘進(jìn)操作環(huán)節(jié),規(guī)范操作可以讓TBM長(zhǎng)期保持在合理的負(fù)載范圍內(nèi)工作,并留有足夠的余量應(yīng)對(duì)突發(fā)情況而盡量避免TBM超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn);可以大大規(guī)避設(shè)備故障而提高設(shè)備完好率;可以減少和避免意外情況發(fā)生而提高TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率。所以,規(guī)范操作是實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工的重要影響因素。
“未雨綢繆”、“謀定而后動(dòng)”、“工欲善其事必先利其器”、“七分準(zhǔn)備三分干”,這些諺語(yǔ)都在說(shuō)明一個(gè)道理——“準(zhǔn)備”的重要性。持續(xù)做好各項(xiàng)施工準(zhǔn)備,是TBM順利施工的重要保障。道路不通TBM無(wú)法運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng),場(chǎng)地不平TBM配套設(shè)施沒(méi)有布設(shè)空間,起重設(shè)備不到位TBM無(wú)法組裝,施工組織設(shè)計(jì)不齊備TBM無(wú)法開(kāi)始掘進(jìn),風(fēng)水電不通、施工材料未加工、備品備件不到場(chǎng)TBM也同樣無(wú)法開(kāi)工。
施工準(zhǔn)備無(wú)處不在,施工準(zhǔn)備貫穿始終。TBM維修保養(yǎng)是為掘進(jìn)施工做準(zhǔn)備,本掘進(jìn)循環(huán)的完成是為下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)始做準(zhǔn)備,每道工序?qū)嶋H上都是在為下一道工序做準(zhǔn)備,直到隧道貫通、TBM拆卸并運(yùn)出隧道為止,此時(shí)又要為TBM后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)與存儲(chǔ)、后續(xù)工程施工做好必要的準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備充分完備,就能減少非掘進(jìn)所占用的時(shí)間,提高TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率,提高TBM設(shè)備完好率。
工序銜接緊湊能夠最大程度地避免時(shí)間浪費(fèi),提高TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率。例如: 西康鐵路秦嶺隧道TBM施工采用有軌運(yùn)輸出渣,平均月進(jìn)尺310 m,TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率29.8%,運(yùn)輸故障導(dǎo)致TBM停機(jī)等待時(shí)間占20%以上[11],因而工序銜接不暢對(duì)TBM施工進(jìn)度的影響很大;引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞嶺北工程第1階段TBM掘進(jìn)過(guò)程中,平均月進(jìn)尺517 m,純掘進(jìn)時(shí)間利用率只有約20%,主要原因之一是皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)經(jīng)常性故障導(dǎo)致TBM掘進(jìn)施工無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間緊密銜接,只能間歇性掘進(jìn),而TBM本身的工程適應(yīng)性很好,假設(shè)該工程的皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)配置合理、性能可靠,故障率會(huì)顯著降低,TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率達(dá)到業(yè)界平均30%以上的水平是可以實(shí)現(xiàn)的,即使提高5%平均月進(jìn)尺也會(huì)達(dá)到650 m。除設(shè)備原因之外,施工組織對(duì)工序銜接的影響也很大,勞動(dòng)力配置不足會(huì)增加工序作業(yè)時(shí)間,技術(shù)力量不足會(huì)增加措施決策時(shí)間,上下工序沒(méi)有統(tǒng)籌安排會(huì)增加單位工程量作業(yè)時(shí)間,工序交接拖沓、勞動(dòng)積極性不高同樣會(huì)影響施工效率。
工序銜接緊湊并且做到持之以恒,需要具備強(qiáng)有力的綜合施工管理水平,包括技術(shù)保障、資源投入、現(xiàn)場(chǎng)管理、人員管理、安全文明施工、質(zhì)量控制等各個(gè)方面,任何一個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題都會(huì)影響TBM順利掘進(jìn),多個(gè)短時(shí)間影響匯集到一起就會(huì)嚴(yán)重影響TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率,而TBM掘進(jìn)進(jìn)尺是由掘進(jìn)速率與純掘進(jìn)時(shí)間共同決定的。
作為TBM掘進(jìn)施工技術(shù)保障的一個(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)是不斷優(yōu)化施工工藝,完善設(shè)備性能。
雖然開(kāi)工之前已經(jīng)制定了當(dāng)時(shí)認(rèn)為完善的施工方案和施工工藝,但掘進(jìn)施工過(guò)程中,還需要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題,努力探索,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上不斷增強(qiáng)設(shè)備的工程適應(yīng)性,提高技術(shù)措施的實(shí)施效率,提升施工能力,減少非掘進(jìn)工序占用時(shí)間,提高TBM掘進(jìn)施工過(guò)程中的設(shè)備完好率和純掘進(jìn)時(shí)間利用率。
例如: 敞開(kāi)式TBM同步襯砌施工技術(shù)能夠大大提升隧道施工綜合成洞速度與安全性;鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)的合理應(yīng)用能夠大幅減少破碎地質(zhì)條件下的圍巖坍塌;連續(xù)皮帶機(jī)出渣技術(shù)可以助力提升TBM純掘進(jìn)時(shí)間利用率和施工速度。
安全事故帶來(lái)的損失巨大,直接影響施工進(jìn)度與工期、社會(huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)效益等,國(guó)家、行業(yè)、企業(yè)對(duì)于安全生產(chǎn)的重視程度越來(lái)越高,相關(guān)法律、法規(guī)、規(guī)章制度也越來(lái)越健全,安全體系、安全措施不斷完善,共同為施工生產(chǎn)保駕護(hù)航。
百年大計(jì),質(zhì)量第一。沒(méi)有質(zhì)量保證就無(wú)法保證隧道全壽命周期內(nèi)的安全運(yùn)營(yíng)。
TBM施工安全,首先是人的安全,其次是設(shè)備安全,需要相應(yīng)的安全措施與資源投入方可實(shí)現(xiàn),這是安全生產(chǎn)的重要保證。遇到惡劣地質(zhì)條件時(shí),更要增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。例如: 為錨桿鉆機(jī)等初期支護(hù)設(shè)備配備足夠的防護(hù)措施可以有效避免拱頂坍塌造成設(shè)備損傷;作業(yè)人員充分了解巖爆風(fēng)險(xiǎn)及其危害能夠及時(shí)躲避危險(xiǎn)并提前采取預(yù)防措施;破碎圍巖條件下合理及時(shí)支護(hù)能夠保證隧道結(jié)構(gòu)質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)安全目標(biāo)。
安全與質(zhì)量密不可分,必須常抓不懈,不能出現(xiàn)斷檔,務(wù)必做到時(shí)時(shí)刻刻講安全、時(shí)時(shí)刻刻保質(zhì)量,唯有如此我們才能安心地使用TBM,配合TBM順利掘進(jìn)施工。
施工管理貫穿于TBM掘進(jìn)施工的全方位、全過(guò)程,除了前文所述,還包括生產(chǎn)組織管理模式、人力資源管理、執(zhí)行力建設(shè)、成本控制、資金管理等。例如: 20世紀(jì)90年代采用的“9 + 9 + 6”工作制(即2個(gè)掘進(jìn)班每天分別工作9 h,1個(gè)整備班每天工作6 h,交替循環(huán))與長(zhǎng)距離連續(xù)掘進(jìn)的施工現(xiàn)狀相比已經(jīng)落伍,逐步改為“12 + 12并6”工作制(即3個(gè)掘進(jìn)班每次工作12 h休息24 h,輪班作業(yè);同時(shí),1個(gè)整備班每天固定時(shí)間開(kāi)始工作6 h,整備完畢則掘進(jìn)班開(kāi)始掘進(jìn)施工,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接),既保證了工人充分休息又提升了TBM施工效率。
著重提及一點(diǎn),人力資源是第一生產(chǎn)要素,即便TBM這樣的機(jī)械化施工,也同樣離不開(kāi)人。TBM應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,帶來(lái)建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、制造單位對(duì)TBM專業(yè)人才需求的增加,TBM人才流動(dòng)在所難免,如何聘人、育人、用人、留人,營(yíng)造寬松的勞動(dòng)氛圍、培養(yǎng)健康樂(lè)觀的工作作風(fēng),激發(fā)人的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性,是一個(gè)大課題,且已經(jīng)有很多研究成果,但仍需與時(shí)俱進(jìn)、研究出更加適用的解決之道,為TBM施工留住可用人才。
TBM掘進(jìn)施工的生產(chǎn)要素涉及人、機(jī)、料、財(cái)、法、環(huán),既要滿足掘進(jìn)施工需求,又要合理控制,與工程本身、施工進(jìn)展、施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)匹配。資源配置不足會(huì)制約TBM掘進(jìn),過(guò)多又會(huì)造成生產(chǎn)資源的浪費(fèi),均衡匹配才符合TBM持續(xù)、均衡、快速施工的要求。
以人力資源為例,TBM施工需要大量有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人,也需要清理虛渣的普通工人,更離不開(kāi)主司機(jī)、機(jī)電液工程師等專業(yè)技術(shù)人才和高水平的技術(shù)管理與綜合管理人才,只有具備與崗位相適應(yīng)的良好素質(zhì)和較強(qiáng)能力的人力資源的合理匹配才能形成有機(jī)整體,為掘進(jìn)施工全面服務(wù)。
控制TBM施工成本要與當(dāng)前的建設(shè)環(huán)境、地質(zhì)條件、面臨的主要困難相匹配,并非一味減少投入。成本控制涉及所有的生產(chǎn)要素和施工環(huán)節(jié),與生產(chǎn)資源均衡匹配是相輔相成的,需要有大局觀、整體意識(shí)。成本消耗與TBM掘進(jìn)施工進(jìn)展存在必然的內(nèi)在聯(lián)系,均衡控制才能實(shí)現(xiàn)保生產(chǎn)和降成本雙贏的局面。
例如: 采用TBM法施工的長(zhǎng)大隧道,通風(fēng)距離甚至達(dá)到了20 km,通常會(huì)配置類似前文所述的高性能的通風(fēng)設(shè)備;對(duì)于通風(fēng)距離為7~8 km甚至更短一些的隧道,普通風(fēng)機(jī)也能夠滿足通風(fēng)需求,然而由于設(shè)計(jì)與制造質(zhì)量的原因,能耗截然不同,最終降低了設(shè)備采購(gòu)成本——“貪小便宜”,而大幅增加了風(fēng)機(jī)耗電成本——“吃大虧”。成本控制的“多”和“少”需要辯證對(duì)待。
上述措施保證了TBM掘進(jìn)施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、成本,而施工企業(yè)必須追求合理的利潤(rùn),否則企業(yè)就無(wú)法生存和發(fā)展。這就需要工程造價(jià)要合理,要與時(shí)俱進(jìn),而不是死守多年前頒布實(shí)施的TBM定額。
TBM法隧道施工技術(shù)作為近年才推廣應(yīng)用的新技術(shù)、新工藝,其技術(shù)水平、施工能力、施工規(guī)劃、施工方案正在不斷發(fā)生重大變化,定額編制時(shí)雖然合理推知、適當(dāng)超前,但仍然趕不上時(shí)代的腳步。例如: 2007年頒布實(shí)施的《水利工程概預(yù)算補(bǔ)充定額: 掘進(jìn)機(jī)施工隧洞工程》,概算部分“TBM掘進(jìn)定額中軸流通風(fēng)機(jī)臺(tái)時(shí)量是按一個(gè)工作面長(zhǎng)度6 km以內(nèi)擬定的,當(dāng)工作面長(zhǎng)度超過(guò)6 km時(shí),應(yīng)按表2系數(shù)調(diào)整軸流通風(fēng)機(jī)臺(tái)時(shí)量”,表2中所列工作面長(zhǎng)度最大僅為12 km[12],而目前實(shí)際工程中TBM最大通風(fēng)距離已經(jīng)超過(guò)20 km。再如人工費(fèi),參照最新的《水利工程設(shè)計(jì)概(估)算編制規(guī)定: 工程部分》,TBM掘進(jìn)人工費(fèi)中級(jí)工預(yù)算單價(jià)8.90元/h[13],與當(dāng)今不少于5 000元/月的普通農(nóng)民工工資水平相比,只有其40%。定額編制時(shí)所依據(jù)的工程實(shí)例、所采集的工程信息,數(shù)據(jù)樣本量太小、樣本代表性不足,和現(xiàn)階段的形勢(shì)相去甚遠(yuǎn);況且上級(jí)部門審批、建設(shè)單位招標(biāo)過(guò)程中還會(huì)在此基礎(chǔ)上“揮刀砍一截”,施工虧損是不言而喻的。
此類現(xiàn)象比比皆是,大伙房輸水工程、遼寧重點(diǎn)供水工程、西部某長(zhǎng)隧引水工程等都存在投標(biāo)價(jià)格低于成本價(jià)的問(wèn)題,施工企業(yè)為了市場(chǎng)份額而承建,這不是長(zhǎng)久之計(jì)。呼吁相關(guān)部門科學(xué)、理性對(duì)待工程造價(jià)控制問(wèn)題,既要控制投資又要讓企業(yè)通過(guò)自己的努力獲得合理的利潤(rùn),這才是長(zhǎng)久健康、科學(xué)、和諧發(fā)展之道,才能真正實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。
TBM施工SPS作業(yè)法,在遼寧重點(diǎn)供水工程二段四標(biāo)開(kāi)始研究應(yīng)用,并且在實(shí)踐過(guò)程中不斷探索、改進(jìn)、完善,全標(biāo)段TBM平均月進(jìn)尺616 m、最高月進(jìn)尺822.6 m,最低月進(jìn)尺485 m(不滿整月的試掘進(jìn)及轉(zhuǎn)場(chǎng)后的第1個(gè)月),月進(jìn)尺離散性為-25.2%~26.8%,純掘進(jìn)時(shí)間利用率達(dá)59.76%[5]。
之后,SPS作業(yè)法推廣應(yīng)用于吉林引松工程二標(biāo)段。TBM第1階段于2016年1月10日提前110 d貫通,平均月進(jìn)尺710 m,純掘進(jìn)時(shí)間利用率達(dá)63%[14-15];二標(biāo)段全線提前14個(gè)月貫通,平均月進(jìn)尺643 m,純掘進(jìn)時(shí)間利用率達(dá)56.85%[16]。
1)SPS作業(yè)法是促進(jìn)TBM法隧道施工技術(shù)科學(xué)發(fā)展的重要保障,目前的施工技術(shù)與管理水平,能夠滿足在適宜的地質(zhì)條件下實(shí)現(xiàn)TBM持續(xù)、均衡、快速施工。
2)“3個(gè)基礎(chǔ)”“10項(xiàng)措施”是實(shí)現(xiàn)適宜地質(zhì)條件下TBM持續(xù)、均衡、快速施工的必要條件和有力保障。
3)開(kāi)展極端惡劣地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)研究是TBM持續(xù)、均衡、快速施工不可或缺的重要內(nèi)容。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大和建設(shè)環(huán)境的變化,不良地質(zhì)條件、惡劣地質(zhì)條件是不可避免的,也無(wú)法完全預(yù)知,不良地質(zhì)條件下的TBM施工技術(shù)研究已經(jīng)很多,但極端惡劣地質(zhì)條件已經(jīng)嚴(yán)重影響了部分TBM工程的順利實(shí)施。下一步需要針對(duì)極端惡劣地質(zhì)開(kāi)展系統(tǒng)研究工作,如極強(qiáng)巖爆、高巖溫、高地應(yīng)力、強(qiáng)蝕變、嚴(yán)重破碎圍巖、大變形、大流量突涌水、高壓涌水、突泥涌砂、極完整特硬巖、高磨蝕性圍巖等。
最后,倡導(dǎo)所有參建單位各司其職,通力合作,發(fā)揮專長(zhǎng),專業(yè)人做專業(yè)事,促進(jìn)TBM工法科學(xué)、可持續(xù)發(fā)展。