劉建春

（陜西引紅濟(jì)石工程建設(shè)有限公司 陜西 太白 721600）

1 TBM及TBM施工概況

隨著國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和我國城市化進(jìn)程的加快，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市人口暴漲，城市供水能力成了制約城市發(fā)展的瓶頸，因而就出現(xiàn)了大如南水北調(diào)、山西引黃、遼寧大伙房，小如陜西的引紅濟(jì)石、甘肅的引洮工程、青海的引大濟(jì)湟等跨流域調(diào)水工程，這些工程有個共同的特點(diǎn)，就是都采用了TBM工法，僅是在TBM的形式上有所區(qū)別而已。

TBM是全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel BoringMachine）的簡稱，是一種在持續(xù)推力作用下，推進(jìn)主動旋轉(zhuǎn)的刀盤，通過刀盤上被動旋轉(zhuǎn)的滾刀擠壓破碎巖石，使隧道全斷面一次開挖成型的全機(jī)械化巖石隧道工程機(jī)械。TBM技術(shù)目前被認(rèn)為最先進(jìn)、最快速的隧道施工機(jī)具。目前西方發(fā)達(dá)國家只要超過3km的隧道基本上都優(yōu)先選用采用TBM法施工，我國也有學(xué)者提出超過10km的隧道應(yīng)優(yōu)先考慮TBM工法。

2 擬采用TBM工法的引水隧洞應(yīng)重視的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

TBM雖然已成為隧道施工中一種全新的工法，但由于TBM技術(shù)是上世紀(jì)90年代末才引進(jìn)我國，雖然經(jīng)過了近30年的應(yīng)用和嘗試，但目前還處在摸索階段，國內(nèi)也沒有針對硬巖掘進(jìn)機(jī)的施工標(biāo)準(zhǔn)，因此，結(jié)合近十年來TBM施工管理經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為擬采用TBM工法的水利工程在其實(shí)施的過程中應(yīng)當(dāng)在地質(zhì)勘探、洞室設(shè)計、設(shè)備選型、穿越不良地質(zhì)段施工預(yù)案等關(guān)鍵環(huán)節(jié)上多重視，多研究，否則即使TBM設(shè)備再先進(jìn)，施工中可能會遇到很多困難，甚至導(dǎo)致TBM工法的失敗。

2.1 前期地質(zhì)勘探

TBM設(shè)備本身要求依據(jù)建設(shè)單位提供的地勘資料和一些具體的要求而量身定制，因此，世界上幾乎沒有完全相同的TBM。正是因?yàn)門BM對圍巖的挑剔和敏感性，因此計劃用TBM施工的水利工程，首先必須加強(qiáng)前期地質(zhì)勘探工作，弄清洞線范圍內(nèi)巖石類別、產(chǎn)狀、走向，各類巖石的單軸抗壓強(qiáng)度等基本的圍巖物理指標(biāo)，根據(jù)占隧洞軸線80%～90%的圍巖性狀來確定TBM的基本型式。特別是地勘時發(fā)現(xiàn)斷層、破碎帶等不良地質(zhì)段，更應(yīng)該加密勘探，盡可能地深入鉆探，弄清斷層、破碎帶的走向、規(guī)模、斷層物質(zhì)、地下水以及各地質(zhì)年代圍巖在軸線上的垂直分布情況等。只有提供相對詳實(shí)準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，設(shè)備制造商才能根據(jù)已知地質(zhì)狀況有針對性地對TBM進(jìn)行設(shè)計，如超前加固設(shè)計、導(dǎo)向設(shè)計、抽排水能力設(shè)計，轉(zhuǎn)彎半徑，設(shè)備驅(qū)動的總推力以及根據(jù)地理位置選擇電能驅(qū)動或液壓驅(qū)動等。有條件的工程我們建議做1km～2km的試驗(yàn)段來確定圍巖的物理特性和整體圍巖的地質(zhì)參數(shù)，從而給設(shè)備制造商提供更具代表性的地質(zhì)資料。

由于TBM設(shè)備是針對相對較好的硬巖設(shè)計的，雖然有一定能力穿越斷層等不良地質(zhì)洞段的能力，但筆者認(rèn)為不是所有的不良地質(zhì)段都必須用TBM掘進(jìn)。對于地質(zhì)勘查時已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的埋深不大，但規(guī)模較大的斷層等，設(shè)計時可采用人工的方法提前處理，待TBM掘進(jìn)至該段時可滑行經(jīng)過，這樣既可以保證工期，還可以相對節(jié)省資金。因?yàn)閷?shí)踐證明TBM在大的斷層破碎帶中作業(yè)容易卡機(jī)、停機(jī)，脫困相當(dāng)?shù)睦щy。就國內(nèi)水利工程TBM脫困的情況來看，每延米的化學(xué)灌溉材料的用量已經(jīng)超過了10萬元人民幣，再加上其它一些直接費(fèi)，處理脫困的直接成本超過13萬元人民幣，幾乎是正常洞段成本的3倍～6倍。因此，提供盡可能準(zhǔn)確的地質(zhì)資料就目前的施工水平說是TBM工法成敗的最關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)正在施工的青海引大濟(jì)湟工程、甘肅的引洮工程、陜西引紅濟(jì)石工程都是由于地質(zhì)問題而制約了TBM掘進(jìn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出了預(yù)期的工期和投資。

圖1 進(jìn)口段設(shè)計示意圖

2.2 洞室設(shè)計

在洞室設(shè)計上建議盡可能地將洞室設(shè)計的大一些，筆者認(rèn)為直徑4.5 m～6.5 m的洞室較適合TBM施工。因?yàn)槎词铱臻g大時，TBM設(shè)備自身的配套設(shè)備擺布空間就可以相對集中，液壓、電路、皮帶系統(tǒng)相對就會減少，設(shè)備故障的幾率也相對減小。同時大的洞室可以使得TBM主機(jī)上許多元件在設(shè)備上并列布置，這樣可以縮短設(shè)備本身的長度，減少設(shè)置的長細(xì)比（主機(jī)長度與洞室直徑的比值），從而盡可能減少TBM主機(jī)段受到的圍巖壓力和水平方向摩擦力，保證TBM掘進(jìn)速度，減小卡機(jī)幾率。洞室空間大時可盡可能地在設(shè)備上合理布置超前加固等輔助設(shè)備，如超前鉆機(jī)、錨桿鉆機(jī)、噴射砼的作業(yè)平臺等，這些設(shè)備有利于設(shè)備正常掘進(jìn)和應(yīng)對突發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害等。

當(dāng)然，水工隧洞設(shè)計時受流量Q、縱坡比i、有壓或無壓形式等條件的約束較大，很難設(shè)計到適合TBM施工的合理斷面。筆者認(rèn)為水工隧洞的設(shè)計應(yīng)跳出現(xiàn)有設(shè)計模式，由于TBM施工大都采用順坡排水，因此，可以在隧洞的進(jìn)口設(shè)計一段斷面較小的洞段作為束水段滿足規(guī)劃要求，中間設(shè)置過渡漸變段與適合TBM掘進(jìn)的斷面連接，各斷面平順連續(xù)即可，這樣既能保證引水量又能保證TBM順利施工。至于資金投入方面，通過近幾年的TBM施工情況看，目前國內(nèi)外很多專家認(rèn)為小的斷面由于對設(shè)備的要求較多，一次性設(shè)備投入較大，再加之不能平行作業(yè)，工期較長，帶來的管理費(fèi)等有可能成倍增加，因此小斷面施工的綜合經(jīng)濟(jì)效益必須經(jīng)過對工期等科學(xué)測算后才能確定，不一定節(jié)省投資，但筆者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為采用TBM法施工4.5 m～6.5 m的斷面較為經(jīng)濟(jì)和科學(xué)。

2.3 設(shè)備選型

由于受巖土成分、生成的環(huán)境（沉積、熔融、侵入、變質(zhì)），地質(zhì)變動，構(gòu)造力、風(fēng)化侵蝕等綜合作用，現(xiàn)實(shí)中任何一條隧道的地質(zhì)結(jié)構(gòu)都不可能是均勻連續(xù)的。比較現(xiàn)實(shí)可行的方法是根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料對隧洞巖石進(jìn)行分析，確定某一種（類）占比重大或?qū)λ矶吹墓て诤驮靸r起控制和主導(dǎo)作用的圍巖類型做為“主體圍巖”，這樣以主體圍巖為主、兼顧其它圍巖條件提供給廠家，以便廠家對TBM進(jìn)行有針對性的專門設(shè)計。

在確定了主體圍巖后，就可以進(jìn)行設(shè)備選型，也就是開敞式TBM與護(hù)盾式TBM的比較了，結(jié)合國外及近年來我國使用TBM的經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為：

（1）開敞式TBM主要適用巖石強(qiáng)度較高（堅硬或中硬巖），能提供支撐軸足夠的推力，且?guī)r體相對完整，圍巖有一定自穩(wěn)定能力的巖體。

（2）雙護(hù)盾TBM也設(shè)有與開敞式TBM相同的支撐靴，同樣可以在堅硬與中硬巖中使用，同時還可以利用輔助推進(jìn)油缸，由已安裝好的管片提供反力，在軟巖中使用。雙護(hù)盾TBM施工作業(yè)在護(hù)盾內(nèi)和已安裝好的管片襯砌中進(jìn)行，對于規(guī)模不大的斷層、塌方等有較好的適應(yīng)能力，施工作業(yè)相對安全。

（3）在選擇TBM機(jī)型時，除了充分研究占洞室長度80%～90%的起主導(dǎo)作用的洞段圍巖以外，還要對那些雖然占的比例不大，但施工難度很大的特殊地質(zhì)洞段進(jìn)行研究，這些洞段不但影響工期、投資和工程質(zhì)量，在某些情況下甚至決定掘進(jìn)機(jī)能否順利通過。在應(yīng)對特殊地質(zhì)洞段時，雙護(hù)盾TBM存在較大的局限性。主要表現(xiàn)在：一是施工作業(yè)在護(hù)盾和安裝好的管片中進(jìn)行，施工相對封閉，無法隨時掌握隧洞出現(xiàn)的地質(zhì)狀況。有時TBM主機(jī)段可能已經(jīng)進(jìn)入了斷層破碎帶，但設(shè)備顯示還是正常數(shù)值，地質(zhì)編錄人員僅從尾盾下部的開口處判斷圍巖類別，指導(dǎo)管片安裝，這時安裝管片或者處理偶發(fā)機(jī)械故障所用的時間超過了主機(jī)段的圍巖自穩(wěn)時間，就有可能引起主機(jī)段圍巖的塌方、掉塊或大的收斂變形，從而導(dǎo)致停機(jī)、卡機(jī)，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致設(shè)備埋沒，TBM被迫退出等嚴(yán)重事故。雙護(hù)盾TBM雖然都配備超前鉆探系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中基本用來超前注漿，超前地質(zhì)鉆探功能基本不具備，這就決定了雙護(hù)盾TBM整個掘進(jìn)過程實(shí)際是個摸索前進(jìn)的狀態(tài)，一旦出現(xiàn)不良和復(fù)雜地質(zhì)只能先停機(jī)再處理，物力、財力都受到較大影響，有時可能還會出現(xiàn)惡性循環(huán)。

二是處理?xiàng)l件困難，工期延誤較大。雙護(hù)盾TBM遇到不能通過的不良地質(zhì)洞段被迫停機(jī)后，一般只能采用人工開挖小導(dǎo)洞的方式來給TBM解困，或人工開挖繞洞去處理設(shè)備周圍及刀盤前方不良地質(zhì)以實(shí)現(xiàn)再次掘進(jìn)。無論是開挖設(shè)備頂部小導(dǎo)洞還是繞洞，處理起來都有一定的施工難度、安全風(fēng)險和工期延誤，一般少則幾周、幾月，多的幾年。陜西的引紅濟(jì)石工程每次處理卡機(jī)都在一個月以上，青海某工程幾年來一直都在采用設(shè)備頂部開挖導(dǎo)洞的方式艱難掘進(jìn)。

3 結(jié)語

TBM作為一種全新的隧道施工工法在我國還處在摸索階段，特別是水工隧道由于受調(diào)水量等規(guī)劃因素的影響，沒有完全一樣的水利工程，再加之TBM本身不是通用設(shè)備，因此，擬采用TBM施工的水利工程，必須重視前期勘探、設(shè)計和設(shè)備選型這三個重點(diǎn)環(huán)節(jié)，綜合考慮圍巖狀況、工期、投資等關(guān)鍵因素，科學(xué)分析，不可盲目上馬，否則可能引起工期延誤和投資加大等決策性失誤。