姜永宏 張愛玲

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況及問題的提出

1.1 工程概況

榆林能源化工基地榆神工業(yè)區(qū)供水工程位于陜西省榆林市，橫跨府谷、神木兩縣，是一項跨區(qū)域調(diào)水工程，其取水水源為府谷東部巖溶水和第四系孔隙潛水。輸水線路全長91.83km，沿線共布置水工建筑物29座，其中隧洞共11座，隧洞總長76.4km，7#隧洞單洞最長，長度為33.99km，其次是11#隧洞長27.68km，其余均不超過3km、最短251m。隧洞圍巖類別一 般 為 Ⅲ （31.06km，33.8%）、 Ⅳ 類（42.14km，45.9% ）， 局 部 為 Ⅴ 類（3.5km，3.8%），隧洞橫斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸2.5m×3.2m（寬×高）。

根據(jù)地質(zhì)報告，7#隧洞穿越的地層圍巖主要為三疊系上統(tǒng)青灰色厚層狀砂巖，分類以Ⅲ、Ⅳ類為主，局部Ⅴ類，以軟巖和較軟巖石為主，巖石飽和抗壓強度從3MPa到30MPa。隧洞地下水位位于洞頂以上0～200m。Ⅲ類圍巖局部穩(wěn)定性差，會產(chǎn)生塑性變形。Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。隧洞開挖過程中可能產(chǎn)生坍塌冒頂，并產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。

11#隧洞穿越的地層圍巖主要為侏羅系中下統(tǒng)延安組(J1-2y)灰色中厚層狀長石砂巖夾薄層泥巖，含煤線和可采煤層，分類以Ⅳ類為主，局部Ⅴ類，以軟巖和較軟巖石為主，巖石飽和抗壓強度24MPa。隧洞地下水位位于洞頂以上0～100m。Ⅳ類圍巖不穩(wěn)定，自穩(wěn)時間很短，規(guī)模較大的各種變形和破壞都可能發(fā)生。隧洞施工中由于砂巖中的泥巖夾層易風(fēng)化、崩解，失水干裂，易發(fā)生頂壁剝落掉塊。

1.2 問題的提出

考慮到本工程7#、11#隧洞較長，對于超長隧洞，現(xiàn)代理念多選用TBM施工方法，但針對本工程的具體條件，應(yīng)進行掘進機施工的適用性研究。施工方案選擇的合理與否直接關(guān)系到工程的進度和投資，因此，合理地確定施工方案是工程的首要任務(wù)。

2 TBM機型選擇及應(yīng)用實例

2.1 TBM分類及其適用條件

隧道掘進機(TBM)屬于專用設(shè)備，需根據(jù)具體的隧道工程進行針對性的設(shè)計和制造。不同類型的TBM有不同的適用條件。

敞開式TBM適應(yīng)于較完整～完整、有較好自穩(wěn)性的硬巖地層（50 MPa～150MPa），特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢。由于開挖和支護分開進行，使敞開式TBM刀盤附近有足夠的空間用來安裝一些臨時、初期支護的設(shè)備如鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、超前鉆機、噴射混凝土設(shè)備等，并可應(yīng)用新奧法及時地、有效地對不穩(wěn)定圍巖進行支護，具備通過軟弱圍巖、斷層等不良地質(zhì)的能力，可獨立地完成不良地質(zhì)地段的掘進。永久性襯砌待隧道貫通后施工或者采用同步襯砌施工技術(shù)。

單護盾TBM主要適合在自穩(wěn)能力較差的脆性圍巖或軟巖地層（5MPa～60MPa）隧道中施工，預(yù)制管片作為永久襯砌結(jié)構(gòu)。拼裝好的管片為掘進提供反力，人員及設(shè)備處于封閉盾殼的保護之下，施工安全性較好。

雙護盾TBM是在單護盾機型的基礎(chǔ)上開發(fā)的，在具備單護盾機型功能的同時，增加了撐靴。通常情況下，依靠撐靴撐緊洞壁，為掘進提供反力，主要適用于較完整、有一定自穩(wěn)性的軟巖～硬巖地層（30MPa～90MPa），適宜的地質(zhì)條件下可以快速掘進，結(jié)合同步拼裝管片，綜合成洞進度快，可大大節(jié)約工期，節(jié)省勞動力。巖石抗壓強度較低時，拼裝好的管片為掘進提供反力。

盾構(gòu)機適用于土質(zhì)隧道施工，主要應(yīng)用于城市地鐵、軌道交通、過江過河隧道等工程。

復(fù)合式掘進主要適用復(fù)合地層，如上硬下軟，即上部為土層、下部為巖層的地層。在軟土地段還可以利用封閉系統(tǒng)對掌子面進行封閉處理，以穩(wěn)定掌子面。

2.2 機型選擇

本工程擬采用TBM施工段隧洞地層以軟巖為主，飽和抗壓強度從3MPa～30MPa，由于巖石抗壓強度較低，巖體不能夠提供足夠的TBM支撐反力，不宜選用敞開式掘進機。

由于巖石抗壓強度較低，巖體不能夠提供足夠的TBM支撐反力，且在通過松散地層時，鉸接的伸縮護盾也很容易使楔狀巖體松動、坍塌并堵塞到護盾上，使掘進機有被卡往的危險，故本工程不宜選用雙護盾掘進機。

雖然復(fù)合式掘進機可以在本工程地層中施工，但復(fù)合式掘進機造價更為昂貴，且在該地層中不能發(fā)揮最好的作用，不建議本工程采用復(fù)合式盾構(gòu)機。

本隧洞巖石飽和抗壓強度從3MPa～30MPa，單護盾掘進機較適合這種地層，本工程建議采用單護盾掘進機施工。

2.3 單護盾TBM施工實例

甘肅引洮供水一期工程總干渠7＃隧洞工程隧洞全長17286m，在國內(nèi)首次采用單護盾TBM施工。

引洮供水一期工程7#隧洞地表地貌溝壑交錯，洞身圍巖主要為白堊系泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)頁巖，局部為上第三系砂巖、砂礫巖，圍巖類別Ⅳ～Ⅴ類，巖體單軸飽和抗壓強度第三系地層小于12MPa；白堊系地層為45 MPa～60MPa；采用圓形斷面，隧洞凈斷面D＝4.96m，縱坡1/1650。由中鐵隧洞股份有限公司承建，合同價為38598萬元，合同工期58個月，原計劃采用一臺單護盾TBM完成洞身施工。TBM由法國設(shè)計，中國組裝制造。

2009年12月29日TBM開始掘進，在隧洞出口朝進口方向掘進，順利掘進2549m后，進入飽水疏松砂巖地層，TBM三次卡機，掌子面多次發(fā)生大范圍涌沙，TBM設(shè)備被埋達4/5，TBM被困并栽頭663mm，導(dǎo)致施工中斷，無法繼續(xù)掘進。從2010年4月至10月份，7個月艱難掘進504m。經(jīng)廣泛咨詢專家意見，認(rèn)為TBM設(shè)備不適應(yīng)7#隧洞含水粉細(xì)疏松砂巖施工。在這一形勢下，調(diào)整了施工方案，在7#隧洞中段新增開4個斜井、1個豎井，共5個工作面，采用常規(guī)施工方法穿越含水粉細(xì)疏松砂巖地層，將原7#隧洞出口被困的TBM解體，并重新加工盾體和刀盤，搬運至隧洞進口組裝，從進口掘進除含水粉細(xì)疏松砂巖地層以外的隧洞。承擔(dān)TBM刀盤加工和盾體加工的公司，經(jīng)過半年完成了刀盤和盾體的制造，于2011年8月17日TBM重新啟動，從7號隧洞進口方向向下游的出口方向掘進。9月份TBM掘進創(chuàng)下月掘進1515m、單日最高進尺80.8m的單護盾TBM掘進國內(nèi)紀(jì)錄；10月份，TBM掘進達到1718.6m，再次刷新單護盾掘進紀(jì)錄；11月30日，單護盾TBM掘進再創(chuàng)月進尺1868m的國內(nèi)新紀(jì)錄，打破了國內(nèi)TBM雙護盾掘進1855m的歷史紀(jì)錄。2012年01月05日，進口段TBM掘進主洞工作面與新增豎井上游主洞工作面掘進達到6816m后，與豎井貫通。

3 TBM施工方案

根據(jù)TBM的機型特點及適應(yīng)范圍經(jīng)分析，本工程較宜選用的TBM為單護盾TBM。

掘進機能施工的最大長度主要在于掘進機大軸承的使用壽命。大軸承是掘進機的最關(guān)鍵部位，它的重要性在于制造周期長（半年左右），更換時間超過6周以上，其壽命等同于掘進機壽命。目前大軸承的使用壽命一般為15000h～20000h，保守計算可以使用10000h～12000h，也就是說一般掘進機在不更換大軸承的情況下可以完成20km～25km隧道（洞）的掘進任務(wù)，而其它大型結(jié)構(gòu)件一般使用40km～60km也是完全可能的。本工程7#和11#隧洞埋深較大，擬在兩隧洞進出口各設(shè)一臺（共4臺）單護盾TBM相向施工，每臺TBM施工長度分別約為17.00km和13.84km，在施工工期和經(jīng)濟上較合理。

TBM施工過程中，在隧洞中部設(shè)供兩臺TBM共用的拆卸洞，并在掘進機施工段中部位置設(shè)施工通風(fēng)支洞。

TBM采購運輸按12個月考慮，安裝調(diào)試按2個月考慮，TBM拆卸按1個月考慮，月均綜合成洞進尺按350米/月考慮，則7#和11#隧洞主洞施工時間為49個月和40個月，施工總工期分別為52個月和43個月（不含TBM采購運輸）。

4 鉆爆法施工方案

7#、11#隧洞施工支洞間距按不超過3km布設(shè)，盡量考慮平支洞，其次考慮斜井支洞，斜井支洞的傾角不大于17°。支洞橫斷面為城門洞型，斜井內(nèi)布置雙車道，一個車道進行出碴運輸，一個進行人和材料運輸，設(shè)計凈斷面寬×高=4.5m×4.5m。7#隧洞共布置施工支洞11個，支洞總長5991m，11#隧洞共布置施工支洞9個，支洞總長3511m。

結(jié)合本工程實際情況，Ⅲ類圍巖平均循環(huán)進尺取2m，斜井控制段單頭每天2個循環(huán)，月開挖進尺為100m；Ⅳ類圍巖平均循環(huán)進尺取1.4m，月開挖進尺為70m；Ⅴ類圍巖平均循環(huán)進尺取1.0m，月開挖進尺為50m。斜井擔(dān)負(fù)正洞襯砌綜合施工進度指標(biāo)125米/月。

工程籌建期9個月，工程準(zhǔn)備期1個月時間，工程收尾期1個月。7#和11#隧洞主洞施工時間為41個月和43個月，施工總工期分別為43個月和45個月（不含籌建期）。

5 判斷和決策

鉆爆法和全斷面掘進機法（TBM法）是目前隧洞開挖中兩個行之有效的施工方法。這兩個施工方法在不同的施工條件下具有各自不同的優(yōu)勢。在適宜的條件下，掘進機法具有掘進效率高、對圍巖擾動小、開挖壁面光滑、施工人員的勞動保護條件好等優(yōu)點，20世紀(jì)90年代以來，使用掘進機開挖隧洞在我國得到較大范圍推廣和應(yīng)用，甘肅引大入秦工程、甘肅引洮供水一期工程、山西萬家寨引黃工程和遼寧大伙房輸水工程均采用掘進機法開挖，但由于掘進機的購置費用高，安裝和施工準(zhǔn)備時間長及對圍巖地質(zhì)條件的適應(yīng)性不如鉆爆法等弱點，影響和限制了掘進機的適用范圍。

引洮供水一期7＃隧洞工程單護盾TBM施工經(jīng)驗表明，單護盾TBM掘進施工在不良地質(zhì)段,特別是在無自穩(wěn)能力、地基承載力較差的軟弱含水砂巖地層時,極易出現(xiàn)刀盤及盾體被卡、栽頭等事故,影響TBM的正常掘進。

由地質(zhì)報告可知，本工程地下水較高，巖石較軟，可能遇到與引洮供水一期7＃隧洞工程相同風(fēng)險，可靠性較差；而且本工程隧洞斷面較小、巖石較軟，TBM節(jié)省人力、施工效率高的優(yōu)勢發(fā)揮不明顯。鉆爆法對圍巖地質(zhì)條件的適應(yīng)性強，施工條件尚可，開挖斷面小、巖石較軟正是其優(yōu)勢所在，無疑為本工程可行、可靠的施工方案。

經(jīng)綜合分析，本工程圍巖巖石較軟，若采用TBM施工，較宜選用的TBM為單護盾TBM；TBM存在安裝和施工準(zhǔn)備時間長及對圍巖地質(zhì)條件的適應(yīng)性不如鉆爆法等弱點；另外，TBM的購置費用高。故本工程采用TBM施工在技術(shù)、經(jīng)濟上存在一定風(fēng)險，不推薦采用TBM施工，推薦采用鉆爆法施工。陜西水利