李 軍（湖南益眾水利建設(shè)有限公司）

全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)在引水隧洞施工中應(yīng)用探討

李 軍（湖南益眾水利建設(shè)有限公司）

近年來(lái)，我國(guó)全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）制造技術(shù)得到了較快的發(fā)展，TBM施工的應(yīng)用技術(shù)也逐漸成熟。對(duì)于具有復(fù)雜地質(zhì)條件的水電工程而言，引水隧洞施工方案的合理選擇具有十分重要的意義。基于此，本文以某工程為例，詳細(xì)的闡述了TBM施工在引水隧洞的應(yīng)用，以供參考。

全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)；引水隧洞施工；應(yīng)用

1 引言

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)可簡(jiǎn)稱為掘進(jìn)機(jī)或是TBM。近年來(lái)，我國(guó)隧洞掘進(jìn)施工技術(shù)發(fā)展較快，并已在鐵路、水利水電等工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。但引水隧道施工中，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用還不是很成熟，必須加以深入研究。

2 工程概況

某水電站樞紐工程建筑物由碾壓混凝土重力壩、左岸長(zhǎng)飲水系統(tǒng)等構(gòu)成，總裝機(jī)容量達(dá)2575MW。該水電站樞紐工程左岸飲水系統(tǒng)共布設(shè)了3條引水隧洞，隧洞主要采用圓形斷面，襯砌之后的直徑為12.50m，其中，1#、2#、3#引水隧洞處的洞長(zhǎng)分別為14353.48m、14115.90m、14128.07m，該項(xiàng)目引水隧洞全線施工均采用鋼筋混凝土襯砌工藝進(jìn)行。

此外，該工程項(xiàng)目引水隧洞的最大埋深將近千米，最小埋深不足百米，其洞室圍巖由中厚-厚層變質(zhì)砂巖、花崗偉晶巖脈共同工程，主體為變質(zhì)砂巖。通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)進(jìn)行宏觀分析發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目左岸引水方案地下洞室圍巖總體主要為Ⅲ類，其中，Ⅱ類圍巖9%、Ⅲ類圍巖46%、Ⅳ類圍巖35%、Ⅴ類圍巖10%，由此可知，其總體具備成洞條件，但是少數(shù)部位可能存在承壓水涌水問(wèn)題與高地應(yīng)力情況。

3 斷面引水隧洞施工難點(diǎn)分析

在該工程項(xiàng)目整體施工中，斷面隧洞爆破施工具有較大的難度，主要因?yàn)樵谟谒矶此趨^(qū)域的地質(zhì)條件。爆破施工直接決定了隧洞掘進(jìn)施工，如果無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效的控制，必定直接影響到工程項(xiàng)目后續(xù)施工工作的順利進(jìn)行。同時(shí)，如果爆破作業(yè)沒(méi)有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)或是爆破的效果不理想，硬質(zhì)圍巖極容易發(fā)生坍塌故障，進(jìn)而對(duì)工程后續(xù)施工工作的順利開(kāi)展造成直接影響，并且還要嚴(yán)重威脅到施工人員的人身安全。因此，在進(jìn)行工程隧洞爆破施工工作時(shí)，必須選用適宜的爆破工藝，以確保爆破作業(yè)質(zhì)量，提升整體施工經(jīng)濟(jì)效益。

此外，隧洞出渣也是斷面引水隧洞施工難點(diǎn)之一，并且也是爆破作業(yè)之后的一道工作程度，如果隧洞出渣工作無(wú)法滿足項(xiàng)目相關(guān)要求，極有可能影響到工程后期施工的順利進(jìn)行。在工程隧洞施工過(guò)程中，如果渣堆堆放的過(guò)多，就會(huì)占用過(guò)多的隧洞空間，進(jìn)而對(duì)其他項(xiàng)目的順利進(jìn)行造成一定的影響。在隧洞施工過(guò)程中，如果外部環(huán)境條件相對(duì)不穩(wěn)定，特別是地質(zhì)方面的條件，再加上隧洞工程所占據(jù)的區(qū)域相對(duì)較小，大型挖裝機(jī)幾乎無(wú)法進(jìn)入，大大增加了出渣工作的難度，如果僅僅依靠小型機(jī)械或人力方式進(jìn)行出渣清理，很難在短期內(nèi)完成相應(yīng)施工工作。隧洞出渣操作所用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，所以，如果在出渣工作完成之后再進(jìn)行其他施工，就會(huì)增加施工時(shí)間，進(jìn)而對(duì)整體工程項(xiàng)目工期造成影響。如果在洞身開(kāi)挖過(guò)程中就進(jìn)行混凝土的堆砌操作，必定嚴(yán)重影響到隧洞開(kāi)挖的穩(wěn)定性。通過(guò)上述分析可知，應(yīng)當(dāng)在開(kāi)挖洞身的同時(shí)進(jìn)行混凝土的堆砌工作，但必須對(duì)洞身進(jìn)行有效的支撐，以確保隧洞開(kāi)挖施工的安全性。為了節(jié)省時(shí)間、縮短工期，施工人員可開(kāi)挖兩條運(yùn)輸路線，避免由于交通堵塞造成工期的延誤。

4 TBM選型

就當(dāng)前情況來(lái)看，在我國(guó)隧洞工程施工過(guò)程中，主要包括開(kāi)敞式與雙護(hù)盾式兩種用于巖石隧洞開(kāi)挖的掘進(jìn)機(jī)。其中，對(duì)于開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)，其在各種類型的圍巖環(huán)境下，都可以依靠支撐靴板頂在圍巖巖壁上提供的前進(jìn)過(guò)程中所需要的反作用力。對(duì)于雙護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)，其在圍巖條件較為良好時(shí)，與開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)相同，通常依賴支撐靴板頂在圍巖巖壁上提供前進(jìn)所需的反作用力，但是，如果圍巖條件相對(duì)較差，還需要依賴支撐系統(tǒng)在預(yù)制混凝土管片上提供前進(jìn)所需的反作用力。

通過(guò)對(duì)該水電站引水隧洞地質(zhì)條件進(jìn)行全面的分析可知，如果采用開(kāi)敞式TBM施工工藝，能夠在開(kāi)挖之后的較短期限內(nèi)，直接觀測(cè)到內(nèi)開(kāi)挖的巖面，促進(jìn)已開(kāi)挖隧道地質(zhì)描述工作的順利進(jìn)行。在局部洞段施工過(guò)程中，如果遇到了高壓地下水或是破碎帶等不良地質(zhì)情況，還需采用鉆爆法施工進(jìn)行支援。

5 TBM施工

5.1 TBM的施工方案

5.1.1 TBM施工范圍的確定

（1）工程地質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)該水電站引水隧洞工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)采用TBM工藝進(jìn)行施工，但由于不同施工段條件的差異，適應(yīng)程度存在較大的差異，這就需要在充分考慮工程施工段實(shí)際情況的基礎(chǔ)上，選用合理的施工技術(shù)與工藝。其中，A河段采用淺埋倒虹吸布置型式跨越某河流，不宜采用TBM施工；B溝段屬于宋玉斷層及其影響帶，由于收到了較強(qiáng)的構(gòu)造擠壓作用，導(dǎo)致巖體出現(xiàn)破碎現(xiàn)象，屬于碎裂—散體結(jié)構(gòu)，以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，圍巖穩(wěn)定性、成洞條件均相對(duì)較差，沿?cái)鄬蛹捌淦扑閹У叵滤顒?dòng)較為強(qiáng)烈，極有可能發(fā)生突發(fā)性涌水現(xiàn)象，再加上宋玉斷層的影響帶寬度較大，此處不適宜采用TBM施工。

（2）施工組織分析

通過(guò)分析該水電站項(xiàng)目引水隧洞布置狀況，決定采用鉆爆法和TBM法混合的施工方法進(jìn)行引水隧洞施工，其中，1#、2#引水隧洞采用TBM法施工，3#引水隧洞采用鉆爆法施工。該水電站引水隧洞采用TBM洞段為 （引2）1+740～（引2）9+ 230m，其他洞段均采用鉆爆法施工。

5.1.2 TBM施工

該水電站引水隧洞TBM施工范圍為（引2）1+740～（引2）9+230m，所以，在采用TBM工藝進(jìn)行相應(yīng)施工時(shí)，應(yīng)以5#支洞作為T(mén)BM設(shè)備運(yùn)輸通道，但需要將TBM組裝洞安裝在5#支洞與1#、2#引水隧洞交匯處，在組裝完成相應(yīng)的工作設(shè)備之后，需要自上而下挖掘，當(dāng)掘進(jìn)至1+740m樁號(hào)，即為2#支洞周?chē)鷷r(shí)，應(yīng)進(jìn)行TBM拆卸洞的設(shè)置，為T(mén)BM設(shè)備拆卸操作的順利進(jìn)行提供便利，完成拆卸之后從2#支洞運(yùn)出。除此之外，施工通道可在預(yù)可行研究階段布置7條支洞，然后進(jìn)行引水隧洞的局部擴(kuò)挖操作，形成TBM組裝洞、TBM拆卸洞。

5.2 出渣方案

隧洞開(kāi)挖過(guò)程中平洞開(kāi)挖料的運(yùn)輸可分為有軌運(yùn)輸、無(wú)軌運(yùn)輸與皮帶機(jī)運(yùn)輸三種類型。其中，有軌運(yùn)輸適應(yīng)于各種開(kāi)挖斷面、洞內(nèi)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)、無(wú)污染，但施工成本相對(duì)較高，靈活度也較低；對(duì)于無(wú)軌運(yùn)輸，其運(yùn)輸線路可以靈活選擇布置，但存在長(zhǎng)隧洞施工通風(fēng)困難、附加洞室工程量較大、洞內(nèi)污染較為嚴(yán)重的缺陷；皮帶機(jī)運(yùn)輸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)可靠、輸送能力大、功耗小、無(wú)污染，但施工成本較高。

除此之外，長(zhǎng)皮帶運(yùn)輸能夠高效連續(xù)工作，從而促進(jìn)TBM快速掘進(jìn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，受高壓大流量地下水的影響相對(duì)駕校，所以還可采用洞群施工條件，為隧洞混凝土襯砌、回填灌漿、固結(jié)灌漿等后續(xù)工作的快速進(jìn)行提供便利。通過(guò)上述分析，決定該水電站引水隧洞TBM施工洞段采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方案進(jìn)行出渣作業(yè)。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)集開(kāi)挖、出渣、襯砌、回填、灌漿于一體，并且有效結(jié)合了計(jì)算機(jī)、遙控等較為先進(jìn)的電子信息設(shè)備，有利于妥善解決我國(guó)的治水新問(wèn)題，進(jìn)而為我國(guó)水利施工的安全保障提供幫助。

[1]石志強(qiáng)，高麗麗，張 玲.深埋引水隧洞工程施工模擬模型研究[J].人民黃河，2013（34）：142～144.

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2095-2066（2016）22-0105-02

2016-7-20

李 軍（1986-），男，工程師，本科，主要從事項(xiàng)目經(jīng)理等工作。