秦嶺隧道I線進口段TBM施工組織管理

摘 要 秦嶺隧道是目前我國最長的鐵路隧道，引進德國EIRTH公司直徑8.8m的敞開式全斷面硬巖掘進機進行機械化TRANBBS施工，樹立了中國鐵路施工史上的第四座里程碑。文章從設備維修保養、施工管理、勞動組織三個方面介紹了秦嶺隧道I線進口段TBM施工組織管理的現狀，強調了科學管理在大型機械化施工中的重要地位，對TBM施工組織體系的建立進行了探討。
關鍵詞　鐵路隧道TBM設備管理施工管理勞動組織管理

　　1. 概述
　　秦嶺隧道I線是目前我國最長的鐵路隧道，全長18.452km。隧道地質條件復雜，工程量艱巨。巖性以混合花崗巖、混合片麻巖等堅硬巖石為主，干抗壓強度78~325MPa。施工中可能遇到巖爆、地熱、涌水、放射性異常、圍巖失穩等地質災害。鐵道部經過多次專家論證，決定秦嶺隧道I線采用2臺敞開式全斷面隧道掘進機（TB880E型TBM）掘進，全圓穿行式模板臺車二次模筑混凝土的施工方案。隧道TRANBBS設計為圓形斷面，開挖直徑8.8m，成洞直徑7.7m。
　　隧道進口段于1998年1月19日正式掘進，至1999年8月29日順利貫通，除去設備大修和節假日，平均日進尺10.4m，最高日進尺40.5m，平均月進尺317m，最高月進尺317m，創造了掘進機施工的全國最高記錄。筆者在現場施工中認識到，只有先進的設備、完善的配套設施與科學嚴謹的施工組織管理相結合，才能充分發揮TBM快速掘進的性能。
　　2. 設備管理
　　為了使設備始終處于良好狀態，結合TBM施工特點，項目部制定了《秦嶺隧道北口TBM設備管理辦法》，建立了項目部機電總工程師→機電部→領班工程師→施工隊的設備管理組織體系，完善了點、線、片、整體管理，逐層分工負責的崗位責任制原則。從設備組裝到維修保養都制定了嚴格的規章制度，實行標準化作業、程序化管理。
　　2.1 組裝管理
　　根據TBM組裝及調試要求，隧道進口段設250m預備隧道和10m出發隧道，需提前用鉆爆法施工。TBM單件重達86t，為保證拼裝場地的承載能力，采用C30混凝土鋪底，厚度30cm，頂面為平坡。
　　組裝設備主要有：75t×2+15t龍門吊車1臺，6t叉車一臺，5t、40t平板拖車各1輛，25t、40t汽車吊各1輛。TBM組裝順序如下：安裝初始部件→內部凱氏→外部凱氏和后支撐→主軸承→刀盤→刀盤護盾→主機輔助設備→設備橋→1號拖車→設備橋、1號拖車上的輔助設備→2~7號拖車→液壓及電氣設備→7~17號拖車及斜坡軌→風水電等設施。
　　設備組裝前，項目部邀請國內有關專家和TRANBBS技術人員編制了《TB880E型TBM組裝施工組織設計》，制定了詳細的組裝工藝和操作細則。我方工作人員在WIRTH公司技術人員指導下，用了12周的時間，順利完成了TBM的組裝調試工作。由于TBM設備功能塊較多，操作要求嚴格，組裝時必須嚴格按WIRTH公司提供的技術規范操作，并認真接受外方技術人員的指導。
　　2.2 維修保養管理
　　施工過程中必須對設備進行全面規范化的維修保養。認真實施預防性保養是降低設備故障率的前提，可以減少機械設備的維修次數，從而減少不必要的停機。每天安排6h的維修保養時間，操作中著重注意以下幾點：
　　1）主軸承的維護
　　主軸承是TBM最重要的部件之一，潤滑條件對其使用壽命影響極大。主軸承潤滑分三個獨立的回路，油箱和油泵分離，必須經常檢查其密封情況，防止串油。注意定期檢查氣動油脂泵的工作狀況，定期更換潤滑油。主軸承的維護是TBM設備維護的重點，由液壓工程師負責實施。
　　2）刀具檢查及更換
　　刀具是TBM的主要部件，必須定期檢查、更換，以延長使用壽命。每個掘進班應檢查一次刀盤，發現碴中有金屬構件或刀盤區域有異常的噪音、氣味時，必須立即停機檢查刀盤，檢查重點是中心刀和邊刀。
　　根據刀具磨損規律，刀具組負責人應制定詳盡的刀具更換及調位計劃，及時更換達到磨損量或損壞的刀具，避免在掘進過程中更換刀具。刀具修理人員應及時修復損壞的刀具，并保證裝配質量。
　　3）除塵風機的維修保養
　　除塵風機故障對施工影響很大。由于粉塵增多，激光穿透力減弱，影響仰拱塊的鋪設和掘進方向的調整。洞內能見度降低，支護工作無法與掘進同時進行，延長了停機等待時間，同時對施工人員的身體健康造成危害。
　　應將除塵風機列入重點維修保養范圍，定期檢查除塵電機的工況，及時清洗更換濾網。
　　4）其它部位維修保養
　　在維修保養中，將錨桿鉆機油管及鏈條，仰拱吊機鏈條轉向輪、3號皮帶機的糾偏及修補、電氣設備的絕緣防護等做為重點保養對象，并對其它設備做一般預防性保養。
　　2.3 設備管理要領
　　（1）科學制定并嚴格執行設備維修保養計劃，堅持定期保養、定期維護，實現制度化、規范化管理。
　　（2）加強設備故障統計和分析研究工作，減少常規性故障的發生，提高故障診斷能力，發生故障后能夠及時排除。
　　（3）加強設備狀態檢測和油水檢驗管理，特別是主電機工作狀態檢測及主軸承潤滑油的檢驗。
　　（4）根據設備配件消耗規律，制定合理的購置計劃，在滿足使用要求的前提下，盡量使用國產配件，以降低工程成本。
　　3. 施工管理
　　TBM施工時開挖、出碴、運輸、支護等工序平行連續作業，要求洞外配套設施的能力必須滿足TBM掘進的需要，并且布局合理。TBM施工工序較多，必須編制實施性施工組織設計，制定關鍵工序作業指導書，加強工序銜接，確保施工的連續性。
　　3.1 洞外配套設施管理
　　根據TBM施工特點，結合列車編組順序和運輸方式，將刀具修理車間、混凝土拌合站、仰拱塊預制廠、機修車間、翻車機等配套設備沿運輸軌線成條形布置，達到各工序協調動作，保證出碴運輸及材料供應的連續性。洞外配套設施管理的重點是仰拱塊預制廠的生產管理。
　　仰拱預制廠的生產能力必須滿足TBM掘進的需要。仰拱塊生產流程為：鋼筋骨架制作→立模→混凝土灌注→蒸汽養護→脫模→室內存放養護→運輸翻轉→室外存放。整個生產過程采用流水作業方式進行。首先清洗模具，噴涂脫模劑，安放鋼筋骨架及各種預埋管件；將生產好的混凝土運至固定式模具旁，利用橋吊起吊料斗灌注混凝土，附著式振搗器振搗成形；常溫靜置2h后，蓋上養生罩，在40℃蒸汽中養護18h（升溫2h，恒溫13h，降溫3h）；養護結束后脫模起吊仰拱塊，并做好仰拱塊的編號；室內繼續養護3天后，運往室外翻轉后存放待用。
　　預制廠生產管理的重點是鋼筋骨架的制作，混凝土的生產、運輸、灌注，蒸汽養生溫控工藝。以上工序均編制了作業指導書，制定了質量控制措施。
　　3.2 洞內施工管理
　　TBM掘進循環主要由開挖、出碴、運輸、支護、仰拱塊安裝、激光定位、通風除塵、風水電管路及軌道延伸等工序組成。施工中必須建立統一的調度指揮系統，協調洞內、外各工序的關系，保證施工的連續進行。
　　1）開挖
　　TBM掘進每循環進尺1.8m，平均循環時間80~90min。受圍巖類別、節理發育程度等影響，循環時間最短35min，最長5h。例如DK66+285~+365段屬IV類圍巖，節理不發育，平均循環時間92min，最長165min；而DK66+500~+530段屬VI類圍巖，節理不發育，平均循環時間136min，最長循環時間280min，可見循環時間與圍巖類別有較大關系。除了圍巖類別外，循環時間很大程度上取決于巖石的節理發育程度。DK65+207~+260段屬V類圍巖，抗壓強度平均103MPa，節理較發育，最短循環時間僅35min; DK65+160~+207段屬VI類圍巖，抗壓強度103MPa，節理不發育，循環時間最長達300min。施工中發現，巖石抗壓強度100~150MPa，節理發育而又不致坍塌的圍巖，是TBM掘進的最佳施工條件。
　　開挖管理作為施工管理的重要環節，其核心是掘進參數的選擇和掘進方向的控制。當巖石堅硬完整時，推力15~17MN，扭矩2000~3500Nm，推力大，貫入度較低，扭矩較小，刀具磨損快，為防止刀具過載，選擇推力自動控制模式。在軟弱破碎巖石中掘進時，推力一般在5MN以下，扭矩3000~5000Nm，此時推力小，貫入度高，扭矩較大，為防止驅動電機過載，選擇扭矩自動控制模式。在巖石硬度不均勻，扭矩與推力變化較大時，應盡量降低掘進速度，以保護刀具和改善主軸承的受力狀況。施工中要求主司機根據地質條件的變化，選擇合理的推力和扭矩，不斷提高TBM操作水平。
　　2）出碴運輸
　　出碴采用有軌運輸方式。運輸軌道為四軌雙線，軌距900mm，選用43kg/m標準鋼軌直接鋪設在仰拱預制塊上。后配套尾部設有加利福尼亞道岔，供車輛錯車。根據循環出碴量（約180m2），碴車編組數量10節，每節容量20m3，采用35t進口柴油機車牽引運輸。
出碴與掘進作業同時進行。出碴流程為：巖碴經鏟斗!主機膠帶輸送機（長22.5m，寬1.2m）→設備橋　　膠帶輸送機（長26m，寬1.2m）→后配套系統膠帶輸送機（長160m，寬1.2m）→雙向溜碴槽（移動距離80m，裝碴時碴車不必移動）→碴車→洞外翻車機翻碴→18t北方奔馳自卸汽車倒運至棄碴場。
在配置了足夠的運輸車輛后，運輸管理的重點放在運輸車輛、翻車機的保養及運輸軌道的養護上。
　　3）支護
　　支護作業的停機等待時間將延長循環時間。TBM配備了超前鉆機、錨桿鉆機、混凝土濕噴機、鋼拱架安裝器等足夠的支護設備，但在通過巖爆區、斷層破碎帶、軟弱涌水帶等特殊地質地段時，施工中仍缺乏足夠的經驗，致使停機時間過長，制約了TBM掘進速度的發揮。
　　支護作業的關鍵是根據不同的地質條件，制定合理的技術措施，逐步建立起適合TBM施工的支護體系。
　　4）仰拱塊安裝及軌道延伸
　　仰拱塊安裝利用仰拱塊吊機起吊，激光束定位，每塊約需7~8min。仰拱塊安裝后與圍巖間隙，通過注漿孔在0.5~0.6MPa壓力下注入C20細石混凝土，以保證基底的密實。施工中注漿工作必須及時進行，使混凝土早期強度得到充分的發展。每安裝7塊仰拱塊需延伸一次運輸軌道。
　　以上工作與掘進同時進行，若工序銜接處理不好，會占用循環時間。施工中必須加強同洞外行車調度的聯系，保證仰拱塊及注漿料的及時供應。
　　5）施工測量
　　TBM掘進方向由ZED260激光導向系統控制。該系統能夠不間斷地提供TBM所處位置與隧道設計軸線的偏差，并顯示在操作室的控制單元上，主司機根據這些信號來調整TBM掘進方向。
　　ZED導向系統每120m前移一次，仰拱激光每TBM前移一次。此項工作在停機保養時間進行，不占用循環時間。施工中將TBM主機位置與仰拱激光建立聯系，相互校核，減少測量誤差，控制了掘進偏差和仰拱塊安裝偏差。
　　6）通風除塵
　　通風由Φ2.2m主風管供給，通過后配套尾部的助推風機增壓，經過接力風機送到TBM各個工作區域。除塵通過刀盤噴水和除塵裝置來實現，凈化后的空氣作為清潔空氣吹回隧道。
　　掘進期間，通風、除塵系統一直處于工作狀態。施工中注意檢查風管有無漏風現象，檢查并更換除塵風機的過濾網罩。
　　7）風、水、電管路延伸
　　風管儲存筒內存有風管100m，TBM自帶Φ100mm 水管50m、100kV高壓電纜400m，均盤在卷筒上。施工中隨后配套系統的前移，風、水、電管路自動向前延伸。
　　4. 勞動組織管理
　　TBM機械化作業特點，要求施工企業必須將有限的人力資源進行科學合理的配置，充分發揮員工的生產積極性。由于鐵路系統首次采用TBM施工，沒有類似工程經驗可以借鑒，在崗位劃分及勞動力配置方面有待進一步提高。
　　4.1 勞動力配置
　　管理中始終堅持以掘進為中心配置勞動力。隧道內分兩班掘進（18h）一班維修保養（6h），仰拱塊生產按流水作業方式進行，機械綜合隊實行彈性工作制。
　　洞內緊緊圍繞掘進，掘進班（每班）：主副司機2人，值班工程師1人，工長1人，拱部支護6人，仰拱塊鋪設4人，噴混凝土、注漿3人，刀盤后清碴2人，溜碴司機1人，機械修理2人，電工1人，合計23人。掘進班負責除出碴外掘進過程中的所有工作。保養班26人，負責刀具檢查更換及其它維修保養工作。運輸班28人，負責巖碴運輸及材料的供應。另外，管理人員人，刀具修理6人，機械車間8人，翻碴司機4人，供料3人。掘進隊合計126人。
　　洞外圍仰拱預制塊的生產，從鋼筋骨架加工入模→混凝土生產、運輸、灌注→蒸汽養護→脫模→室內養護→室外翻轉存放形成流水線作業，共計83人。
　　機械隊55人，負責錨桿、鋼筋網及其它材料的加工，洞內水管、電路的延伸，各類行走機械的使用、維修等。
　　項目部行政、技術、安檢、財務、人事、調度、事務、醫療、公安、生活等管理服務人員115人。
項目部各類管理、服務、生產人員計379人。
　　4.2 思想政治教育
　　項目部在加強技術培訓力度和勞動力優化組合的同時，積極開展"創黨員先鋒崗、建紅旗責任區"和共青團員"安全監督崗"活動，極大調動了廣大職工的勞動積極性。在全體參戰職工努力下，秦嶺隧道青年突擊隊先后被河南省、陜西省授予省級青年文明號，1998年10月又被團中央、全國鐵道團委授于國家級青年文明號，展現了新一代隧道工人的風采。
　　5. 結束語
　　TBM作為一種嶄新的施工技術，對施工企業的管理提出了更高的要求。施工中必須加強現場組織調度工作，制定嚴格的操作規程和崗位職責，協調好各工序的關系，TBM高速安全的優勢才能夠發揮出來。今后工作中還應注意以下幾點：
　　（1）針對不同地質條件，做好組織管理和技術上的準備，確保TBM連續作業。
　　（2）加強設備維修保養工作，提高機械利用率。
　　（3）做好各項統計工作，為TBM施工定額編制和今后施工積累資料。
　　（4）繼續優化勞動組合，建立一個高效的管理、服務、生產系統，逐步發揮TBM大型機械化施工的優勢。
　　TBM施工作為一門嶄新的管理技術、工程技術，有著廣闊的發展前景，筆者希望以此拋磚引玉，得到有關專家學者的指導，為TBM的應用發展作出努力。