孟慶玲

（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程施工方法探析

孟慶玲

（遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003）

針對(duì)大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程施工所采用的TBM技術(shù)，探尋該方法在隧洞施工中的選型適用性分析、支洞布設(shè)參數(shù)、單機(jī)掘進(jìn)深度參數(shù)設(shè)定等方面應(yīng)遵循的原則，同時(shí)有針對(duì)性地提出采取TBM法施工的組織管理對(duì)策，可為同類(lèi)型水庫(kù)輸水隧洞工程的施工與管理提供決策依據(jù)。

大伙房水庫(kù)；輸水隧洞工程；TBM法施工；應(yīng)用探析

1工程概況

大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程采用TBM（Tunne1BoringMachine）掘進(jìn)技術(shù)開(kāi)展施工，該施工方法采用全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)械，完成掘進(jìn)、出渣以及襯砌等聯(lián)合工序的連續(xù)掘進(jìn)施工方式，是融合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制、激光定位導(dǎo)向、電子傳感測(cè)量、超前地質(zhì)勘探以及遠(yuǎn)程通訊工程等多種高自動(dòng)化功能的隧洞施工技術(shù)，具備施工數(shù)據(jù)采集、管理、姿態(tài)調(diào)控以及數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)刃畔⒒┕ぬ卣鳎瑫r(shí)較傳統(tǒng)鉆爆法具有快速、高效、安全、低成本以及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此，TBM法被廣泛應(yīng)用于交通、鐵路、水利以及電力等隧洞的掘進(jìn)施工中。通過(guò)探析TBM法在大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程施工中應(yīng)用的若干技術(shù)要點(diǎn)，以期為類(lèi)似工程的施工與管理提供有益借鑒。

大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程旨在解決遼寧省中部以及南部區(qū)域水資源短缺的問(wèn)題，該工程橫跨遼寧省本溪與撫順2市，輸水隧洞一期工程為長(zhǎng)85.32km、洞徑8.03m的特長(zhǎng)水工隧洞，該隧洞將鳳鳴與西江水電站尾水輸送至大伙房水庫(kù)，設(shè)計(jì)引水流量70m3/s，擔(dān)負(fù)著向遼寧省南部以及中部地區(qū)7城鎮(zhèn)輸運(yùn)生活與生產(chǎn)用水的重任。輸水二期工

程隧洞段全長(zhǎng)29.1km，洞徑6m，設(shè)計(jì)流量60m3/s，擔(dān)負(fù)著由大伙房水庫(kù)往目標(biāo)城市輸水的任務(wù)。該隧洞施工須穿越數(shù)十條巖石斷裂帶以及多個(gè)地質(zhì)單元與向斜構(gòu)造，隧洞掘進(jìn)時(shí)遭受透水、滲流以及圍巖塌落等因素的威脅，地質(zhì)條件十分復(fù)雜［1］。大伙房水庫(kù)輸水工程特長(zhǎng)隧洞采取TBM法施工技術(shù)，隧洞斷面主要采取馬蹄形與圓形，在工程III～V類(lèi)圍巖普遍采用模筑30cm厚混凝土，同時(shí)噴錨支護(hù)噴涂12～16cm混凝土襯砌，每隔16m布設(shè)環(huán)向施工縫并設(shè)止水。TBM法施工技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠且施工迅速等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)優(yōu)化TBM選型、選定合理的施工參數(shù)，從而在工程實(shí)踐中有效避免該區(qū)域特殊地質(zhì)條件可能引發(fā)的施工風(fēng)險(xiǎn)。

2TBM法在輸水隧洞施工中的選型適用性分析

由于TBM法施工具有連續(xù)掘進(jìn)、機(jī)械型號(hào)選型固定且施工受區(qū)域地質(zhì)條件約束較大等特征，常設(shè)計(jì)采用開(kāi)敞式TBM與護(hù)盾式TBM2種施工機(jī)型，且需要根據(jù)前期的地質(zhì)勘探資料來(lái)確定TBM設(shè)備配置與具體施工方法，因此，施工區(qū)域地質(zhì)外因與機(jī)械設(shè)備內(nèi)因的配置選型條件優(yōu)劣將直接影響到TBM法施工的造價(jià)成本甚至施工安全。有必要針對(duì)TBM法在大伙房水庫(kù)輸水隧洞施工的雙護(hù)盾式、開(kāi)敞式等多種選型進(jìn)行探討，具體選型應(yīng)綜合考量如下條件確定。

（1）破碎、軟弱巖層中的選型適用性。大伙房水庫(kù)輸水工程特長(zhǎng)隧洞在實(shí)施涉及破碎、軟弱地層當(dāng)中的掘進(jìn)施工，因開(kāi)挖面巖石粘合性較差，易造成圍巖破碎等問(wèn)題。開(kāi)敞式TBM設(shè)備在掘進(jìn)此類(lèi)地層過(guò)程中須花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行圍巖支護(hù)，同時(shí)軟弱圍巖也未能給撐靴提供足夠的反支撐力，因此不適于此類(lèi)地層的掘進(jìn)施工［2］。與開(kāi)敞式TBM設(shè)備不同，雙護(hù)盾式TBM設(shè)備可依托安裝的管片支撐機(jī)械完成掘進(jìn)開(kāi)挖，適用于破碎、軟弱巖層中的施工，且該選型下的施工作業(yè)人員處于管片與盾殼的的封閉保護(hù)空間中，作業(yè)環(huán)境更加安全。

（2）中、硬巖層中的選型適用性。大伙房水庫(kù)輸水特長(zhǎng)隧洞的開(kāi)挖涉及中、硬巖層中的掘進(jìn)施工，該類(lèi)巖層圍巖自穩(wěn)性強(qiáng)，巖體完整度高。作為配置了支撐靴的雙護(hù)盾式TBM設(shè)備，雖具備在中、硬巖層中掘進(jìn)的能力，但其須依靠掘進(jìn)參數(shù)與巖渣特征方可進(jìn)行配筋率管片的安置，且該選型設(shè)備輔助工序復(fù)雜、管片安置耗時(shí)長(zhǎng)，施工掘進(jìn)中隨意性很大，因此不適合中、硬巖層的掘進(jìn)施工［3］。鑒于此，開(kāi)敞式TBM設(shè)備所具有的盾殼短且可使得掘進(jìn)面盡早暴露的掘進(jìn)特點(diǎn)便顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。開(kāi)敞式TBM設(shè)備可簡(jiǎn)化對(duì)暴露巖面的支護(hù)，同時(shí)堅(jiān)固的圍巖也可為該類(lèi)選型設(shè)備提供足夠的反支撐力，從而推動(dòng)刀盤(pán)順利掘進(jìn)。

（3）涌水巖層中的選型適用性。在大伙房水庫(kù)輸水隧洞施工地質(zhì)勘探明顯具有大規(guī)模涌水，且涌水量不大于0.5m3/min的巖層施工時(shí)，可采取少量鉆孔并在刀盤(pán)前方進(jìn)行全封閉式預(yù)灌漿處理。此時(shí)，開(kāi)敞式TBM設(shè)備可通過(guò)加長(zhǎng)主梁與頂、側(cè)護(hù)盾，同時(shí)配置2臺(tái)鑿巖鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)灌漿，即可正常掘進(jìn)施工［4］。然而，雙護(hù)盾式TBM設(shè)備因其盾殼與鉆孔距離較長(zhǎng)、鉆孔角度大，造成掘進(jìn)機(jī)械內(nèi)部無(wú)法布設(shè)鉆孔設(shè)施且鉆孔成本較高，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)全封閉預(yù)灌漿處理，無(wú)法適用于涌水段的掘進(jìn)開(kāi)挖施工。

（4）環(huán)境與占地影響選型適用性。雙護(hù)盾式TBM設(shè)備采取預(yù)制混凝土襯砌管片，相較于開(kāi)敞式TBM設(shè)備普遍須占有大量的堆料場(chǎng)、預(yù)制廠房、蒸養(yǎng)設(shè)備與料源開(kāi)采地。據(jù)測(cè)算，單臺(tái)雙護(hù)盾式TBM設(shè)備每個(gè)施工標(biāo)段需預(yù)制混凝土管片13.2×104m3，單獨(dú)布設(shè)混凝土襯砌管片預(yù)制廠與存放處需占地1.1×104m2，在對(duì)施工周邊地表建筑物產(chǎn)生潛在威脅的同時(shí)，將加劇區(qū)域土壤侵蝕、水土流失以及地下水入滲［5］。因此，綜合大伙房水庫(kù)輸水工程特長(zhǎng)隧洞施工的地質(zhì)與環(huán)境條件，開(kāi)敞式TBM設(shè)備則更適用于該工程的掘進(jìn)施工。

3TBM法施工參數(shù)探析

3.1TBM法施工支洞布設(shè)參數(shù)設(shè)定

采用TBM法施工大伙房水庫(kù)特長(zhǎng)輸水隧洞工程，為最大限度滿(mǎn)足施工通風(fēng)、設(shè)備檢修、出渣運(yùn)輸以及電壓穩(wěn)定等基本施工條件參數(shù)，宜依據(jù)如下措施設(shè)置施工支洞：①盡量縮短作業(yè)面通風(fēng)距離，保證通風(fēng)效果，降低風(fēng)量損失，且可將通風(fēng)支洞保留為永久支洞以滿(mǎn)足后期隧洞輸水對(duì)補(bǔ)齊的需求。②支洞設(shè)置應(yīng)便于對(duì)TBM設(shè)備的檢修與保養(yǎng)，保證單機(jī)掘進(jìn)深度的基本要求，同時(shí)可對(duì)鉆爆法施工提供作業(yè)面，以彌補(bǔ)TBM法施工因地質(zhì)、設(shè)備條件制約所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)［6］。③支洞應(yīng)以縮短出渣輸運(yùn)帶的運(yùn)輸距離降低設(shè)備造價(jià)，縮短供電距離降低電壓損失為重要考量對(duì)象，從而在降低工程造價(jià)的同時(shí)為掘進(jìn)施工提供可靠的電力保障。

3.2TBM單機(jī)掘進(jìn)深度參數(shù)設(shè)定

針對(duì)大伙房水庫(kù)輸水工程深埋隧洞的掘進(jìn)施工，須在確定TBM法施工洞軸線長(zhǎng)度之后，采取綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比論證，設(shè)定TBM設(shè)備單機(jī)的掘進(jìn)深度參數(shù)，從而確定TBM設(shè)備所需臺(tái)數(shù)［7］。TBM設(shè)備單機(jī)掘進(jìn)深度可由下式計(jì)算：

單機(jī)掘進(jìn)深度=設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間·凈掘進(jìn)速

率/安全系數(shù)（1）

凈掘進(jìn)速率=Ib·Kd·Ks·轉(zhuǎn)速·60/1000（2）式中：凈掘進(jìn)速率—額定功率下TBM所有刀盤(pán)掘進(jìn)1h的進(jìn)尺，m/h；Ib—每轉(zhuǎn)基本掘進(jìn)量，mm/r；Kd—巖體節(jié)理類(lèi)型與間距修正系數(shù)；Ks—刀盤(pán)直徑修正系數(shù)。

由式（1）與式（2）可知，影響大伙房水庫(kù)輸水工程隧洞TBM法施工單機(jī)掘進(jìn)深度的制約因素包括巖石強(qiáng)度指標(biāo)、巖體裂隙密度、圍巖特征、TBM推力強(qiáng)弱、刀盤(pán)尺寸與形狀以及相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速等指標(biāo)。據(jù)此，大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程TBM法實(shí)際施工中的單機(jī)掘進(jìn)深度按20km控制為宜，相關(guān)主軸承的設(shè)計(jì)與配件供應(yīng)亦按此要求。

4TBM法施工組織管理對(duì)策

在大伙房水庫(kù)輸水工程隧洞TBM法施工過(guò)程中，施工組織管理水平將直接影響施工掘進(jìn)的質(zhì)量、進(jìn)度、造價(jià)以及安全，TBM法施工宜遵循如下施工組織管理措施。

（1）信息反饋管理措施。應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)搜集地質(zhì)情況、圍巖類(lèi)型等多種施工進(jìn)度影響信息，據(jù)此及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。另外，TBM法施工現(xiàn)場(chǎng)工程師應(yīng)對(duì)設(shè)備制定周、月工作計(jì)劃以及配件購(gòu)買(mǎi)計(jì)劃，保障備件供給，同時(shí)開(kāi)發(fā)適用于TBM備件儲(chǔ)存與管理的信息庫(kù)，構(gòu)建常用易損備件合理庫(kù)存量預(yù)警制度。

（2）設(shè)備維護(hù)管理措施。在TBM法施工過(guò)程中，應(yīng)強(qiáng)化針對(duì)TBM主機(jī)設(shè)備以及關(guān)鍵配套部件的檢修、保養(yǎng)力度，嚴(yán)格控制掘進(jìn)作業(yè)每日工作量在18h之內(nèi)，實(shí)行每日4～6h的強(qiáng)制性保養(yǎng)制度。同時(shí)設(shè)立TBM工地檢測(cè)室，結(jié)合光譜、鐵譜分析，對(duì)相關(guān)系統(tǒng)、部件的動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與診斷，從而確保TBM施工機(jī)械的良好工作狀態(tài)。

（3）技術(shù)應(yīng)用管理措施。為充分發(fā)揮TBM法施工快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員應(yīng)選定合理的連續(xù)皮帶機(jī)出渣形式，單臺(tái)TBM掘進(jìn)機(jī)出渣強(qiáng)度宜設(shè)置在900t/h以上，最長(zhǎng)距離宜設(shè)置在10km以上［8］。同時(shí)，掘進(jìn)施工中宜采取變頻電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)達(dá)19in的大直徑刀盤(pán)，從而提升工程施工的質(zhì)量與進(jìn)度。

4結(jié)語(yǔ)

大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程采取TBM法掘進(jìn)施工，實(shí)現(xiàn)了隧洞全線高精度貫通的目標(biāo)，表明采用TBM法施工可滿(mǎn)足特長(zhǎng)隧洞掘進(jìn)過(guò)程中遇到的隧洞涌水、圍巖支護(hù)穩(wěn)定要求，擁有較強(qiáng)的中、硬巖體施工適用性，同時(shí)掘進(jìn)采取錨噴支護(hù)、模筑混凝土襯砌結(jié)構(gòu)等措施既科學(xué)合理，又符合工程實(shí)際。大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程的順利實(shí)施為類(lèi)似工程的實(shí)施積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，為相關(guān)施工規(guī)范的修改與編制提供了實(shí)踐依據(jù)。

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1008-1305（2016）03-0086-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.033

2016-04-02

孟慶玲（1967年—），女，高級(jí)工程師。