■汪術(shù)偉 ■核工業(yè)井巷建設(shè)公司，浙江 湖州 313000

隨著近些年水利工程建設(shè)不斷增加，輸水隧洞工程的施工要求也在不斷提高。在這種情況下，TBM技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。TBM的技術(shù)特點(diǎn)十分顯著，在實(shí)踐應(yīng)用中也得到了充分體現(xiàn)。因此，需要對其進(jìn)行更加深入地研究，強(qiáng)化TBM技術(shù)在輸水隧洞工程中的作用。

1 輸水隧洞工程

在我國經(jīng)濟(jì)水平日漸提升的背景下，水利工程建設(shè)也進(jìn)入了高速發(fā)展期，2014年全年的水利工程投資總額超過了800億元。不僅如此，我國南水北調(diào)工程是世界上最大的輸水工程，水從湖北丹江口水庫一直輸送北京玉淵潭，中間跨越了多個(gè)省市，總長度達(dá)到了1245km。在南水北調(diào)工程中，穿黃隧洞是十分關(guān)鍵的輸水隧洞工程，主要包括了邙山隧洞和黃河隧洞，其總長達(dá)到了4.25km［1］。由此可見，輸水隧洞工程的施工條件不僅十分復(fù)雜，而且施工量通常較大，只有通過科學(xué)合理的施工技術(shù)，才能保證隧洞質(zhì)量。

輸水隧洞工程屬于隧道工程的一個(gè)分支，由于其性質(zhì)和傳統(tǒng)的隧道工程存在一定區(qū)別，故而其在施工工藝上也存在較大差別。在上世紀(jì)中，隧道施工主要是通過人力進(jìn)行，工人使用風(fēng)鎬、十字鎬等工具進(jìn)行巖體挖出隧道開鑿，這種方法人力需求巨大，施工極其緩慢。到上世紀(jì)七十年代，液壓鑿巖機(jī)問世，其在隧道施工中得以迅速應(yīng)用和發(fā)展，很快就衍生出了許多同類產(chǎn)品。在液壓鑿巖機(jī)不斷發(fā)展的同時(shí)，鉆爆施工的技術(shù)也逐步形成，通過在巖體上鉆眼爆破，可以在短時(shí)間內(nèi)掘進(jìn)較長距離。但是鉆爆法對巖層造成的擾動(dòng)很大，所以適用范圍僅限于穩(wěn)定的石質(zhì)隧道。

總的來說，輸水隧洞工程具有數(shù)目多、長度大、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、施工條件困難等基本特點(diǎn)。但是，輸水隧洞又具有極其現(xiàn)實(shí)的社會意義，對多個(gè)行業(yè)的發(fā)展以及國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)步都有積極的促進(jìn)作用。所以，需要不斷研究開發(fā)新的施工技術(shù)，提升輸水隧洞工程的施工能力。

2 TBM技術(shù)基本原理

2.1 TBM 分類

TBM的類型主要有護(hù)盾式和敞開式兩類。

護(hù)盾式TBM就是掘進(jìn)機(jī)有外殼保護(hù)，可以和主系統(tǒng)一起進(jìn)行移動(dòng)。護(hù)盾式TBM可以在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的工程環(huán)境下進(jìn)行使用，在輸水隧洞工程施工中出現(xiàn)涌水、巖體膨脹、斷層等不良地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，護(hù)盾式TBM可以有效削弱這些不良地質(zhì)災(zāi)害對工程施工帶來的影響，比如TBM施工機(jī)械出現(xiàn)埋機(jī)、卡機(jī)，甚至掘進(jìn)方向偏離等。

敞開式TBM就是僅有頂支撐，沒有盾支撐，而且頂支撐很短。TBM機(jī)械在向前移動(dòng)的過程中主要依賴千斤頂和主撐靴［2］。敞開式TBM的適用工程環(huán)境是巖層條件較好，以及掘進(jìn)力需求較大的輸水隧洞掘進(jìn)，所開掘的洞室?guī)r層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，力學(xué)性能良好，不易出現(xiàn)變形等問題。

2.2 TBM掘進(jìn)模式

護(hù)盾式TBM在掘進(jìn)過程中，通常是使用圓形全周管式襯砌。使用這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于允許隧道巖層的承載力較低，利用千斤頂推動(dòng)管片以便獲取反推進(jìn)力;如果撐靴對巖面能夠形成支撐時(shí)，雙護(hù)盾TBM能夠同時(shí)進(jìn)行掘進(jìn)和換步，加快了掘進(jìn)速度;管片安裝機(jī)在進(jìn)行管片安裝時(shí)，其安全度高、速度較快。值得注意的是，襯砌管片上的作用力是護(hù)盾式TBM產(chǎn)生的反推進(jìn)力，因此需要連續(xù)鋪設(shè)襯砌管片。不僅如此，為了達(dá)成防水目的，需要在管片之間加裝止水條，同時(shí)在洞壁間隙和管片外圓之間進(jìn)行注漿或是壓砂，以增強(qiáng)巖層的穩(wěn)定性。下圖為某雙護(hù)盾TBM作業(yè)流程示意圖。

圖1 雙護(hù)盾TBM

敞開式TBM通常是在開挖過程中，在刀盤后設(shè)置臨時(shí)支護(hù)，比如錨桿支護(hù)、拱架支護(hù)，然后再進(jìn)行混凝土二次襯砌。同時(shí)，為了避免小范圍失穩(wěn)情況，可以對支護(hù)設(shè)施進(jìn)行柔性處理，最大程度滿足洞室?guī)r層的穩(wěn)定性條件。輔以超前地質(zhì)預(yù)測技術(shù)，及時(shí)跟進(jìn)建設(shè)支護(hù)措施，可以使敞開式TBM在非穩(wěn)定巖層進(jìn)行施工。

2.3 TBM破巖原理

在輸水隧洞施工中，TBM需要對巖層進(jìn)行破壞，其主要是通過盤形滾刀完成這一施工作業(yè)。其破巖原理如下圖所示。

圖2 TBM破巖原理

從圖中不難看出，TBM進(jìn)行隧洞掘進(jìn)時(shí)，主要是盤形滾刀對巖體進(jìn)行鉆入破碎，進(jìn)而使整個(gè)巖壁破碎。影響TBM破巖速度的一個(gè)關(guān)鍵因素就是巖體軸向抗壓以及破巖指標(biāo)貫入率，貫入率就是刀盤旋轉(zhuǎn)一周貫入巖體的量，如果TBM無法在足夠的貫入率下突破巖層掌子面，或者是刀盤刀具超過磨損極限，那么這類巖層就是不可掘進(jìn)巖層，不適合輸水隧洞施工。

通常情況下，如果貫入率在每周3～4mm，則說明貫入率較為良好，施工較為順暢;如果貫入率在每周2～2.5mm，則說明巖層存在一定的掘進(jìn)問題［3］。在實(shí)際施工中，通常會最大程度推進(jìn)刀盤，以便貫入率能夠滿足施工要求。這就要求TBM每一個(gè)部分要滿足最大推力的工作條件。

3 TBM技術(shù)在輸水隧洞工程中的應(yīng)用探析

3.1 TBM 選型

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在輸水隧洞的長度超過5km、月掘進(jìn)度超過350m的隧洞工程中，TBM可以發(fā)揮出最優(yōu)效用。但是如果需要穿越涌水量大和斷層帶大的地質(zhì)段，則需慎用TBM技術(shù)。在使用TBM技術(shù)時(shí)，首先要進(jìn)行選型。選型工作主要包括了三個(gè)方面:TBM和鉆爆法優(yōu)劣比較、護(hù)盾式TBM和敞開式TBM比較、以及同類TBM比較。

首先，TBM和鉆爆法比較，TBM具有掘進(jìn)速度快、掘進(jìn)質(zhì)高、對環(huán)境破壞小、掘進(jìn)安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于較長隧洞施工。但是，在隧洞斷面非圓、預(yù)算資金較少、TBM設(shè)備到位時(shí)間較長、隧洞長度較短以及地質(zhì)水文條件極差等情況下不宜使用TBM。

其次，護(hù)盾式TBM和敞開式TBM比較。護(hù)盾式主要以雙護(hù)盾結(jié)構(gòu)為主，在地質(zhì)條件多樣時(shí)能夠發(fā)揮出較大優(yōu)勢，在軟巖和硬巖條件下都可以使用。而敞開式TBM適用于完整穩(wěn)定的巖層，只需具備頂支撐就可以進(jìn)行掘進(jìn)施工;在巖層條件存在不穩(wěn)定的情況時(shí)，則可以通過輔助設(shè)備對巖層進(jìn)行加固處理。

最后，同類TBM比較。護(hù)盾式TBM的原理和結(jié)構(gòu)基本相似，并無太明顯的區(qū)別。而敞開式TBM主要有一對水平支撐TBM、兩對X型支撐TBM等類型，在實(shí)際的輸水隧洞工程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選用。

3.2 TBM施工中TSP超前地質(zhì)預(yù)測技術(shù)運(yùn)用

超前地質(zhì)預(yù)測技術(shù)是隧道施工中的一項(xiàng)重要技術(shù)，可以對隧道施工前方的未知地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)測，用以指導(dǎo)實(shí)際施工，以對未知風(fēng)險(xiǎn)作出應(yīng)對措施。超前地質(zhì)預(yù)測技術(shù)的種類較多，適用范圍也各不相同，因此需要根據(jù)輸水隧洞的基本情況選用。

TSP預(yù)測技術(shù)能夠?qū)κ┕っ媲胺?00～200m范圍內(nèi)的未知地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測，操作簡單，結(jié)果可靠，而且不會對掘進(jìn)施工造成任何影響。比如TSP－203就是在已經(jīng)掘進(jìn)的隧洞側(cè)壁上布孔預(yù)測，探測停機(jī)時(shí)間不會大于1.5h。相對于其他預(yù)測技術(shù)而言，TSP技術(shù)比其他預(yù)測技術(shù)的時(shí)間更短，費(fèi)用更少，而且適用于地質(zhì)條件相對簡單的長隧洞預(yù)測。

但是，TSP預(yù)測技術(shù)也存在一定問題，比如預(yù)測結(jié)果的反饋圖形不直觀，需要專業(yè)人員進(jìn)行解讀;TSP對地層含水量的預(yù)測并不精準(zhǔn)，誤差較大;對測量值的理論修正還不完善，不能綜合考慮各方因素;對不同距離、不同影響的地質(zhì)預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)不夠明確。所以，在輸水隧洞工程中，運(yùn)用TBM技術(shù)要考慮各方施工需求，結(jié)合其他技術(shù)一同運(yùn)用，最大程度提升輸水隧洞施工效率和質(zhì)量。

4 結(jié)束語

TBM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)無須贅述，在輸水隧洞工程中，TBM技術(shù)的施工優(yōu)勢明顯高于鉆爆法以及其他施工方法。因此，在輸水隧洞施工中，需要根據(jù)隧洞施工實(shí)際，加強(qiáng)TBM技術(shù)的應(yīng)用。

［1］姚曉明.TBM在超長隧洞施工方法研究［D］.西南交通大學(xué)，2011.

［2］杜士斌.開敞式TBM在大伙房輸水隧洞工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2010.

［3］袁光胤.TBM技術(shù)在輸水隧洞工程中的應(yīng)用［D］.西安理工大學(xué)，2007.