倪錦初 朱學(xué)賢 凌旋 帖熠
摘要:隨著中國大規(guī)?;A(chǔ)建設(shè)的推進(jìn),越來越多的深埋長隧洞采用TBM施工,而TBM選型是TBM施工方案中關(guān)鍵問題之一。以滇中引水工程香爐山隧洞為例,重點(diǎn)從穿斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段施工難易程度、卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn),以及超前加固和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)操作便利性等方面進(jìn)行綜合分析,推薦優(yōu)先選用兩臺敞開式TBM,并針對具體地質(zhì)情況、施工特點(diǎn),提出了TBM相應(yīng)的功能配置。研究成果可為類似工程提供借鑒。
關(guān) 鍵 詞:TBM選型; 不良地質(zhì)條件; 深埋長隧洞; 香爐山隧洞
中圖法分類號: TV554 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A
DOI:10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.024
0 引 言
隨著中國大規(guī)?;A(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展,水利隧洞、鐵路隧道、公路隧道等現(xiàn)代隧洞工程迎來了建設(shè)高峰,隧洞工程呈現(xiàn)出規(guī)模越來越大、長度越來越長、施工難度越來越高的趨勢。受地形、地質(zhì)條件限制和設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展,隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)在隧洞工程中應(yīng)用的比例也越來越高。如正在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的引江補(bǔ)漢工程,單隧洞長度約194 km,初步規(guī)劃采用9臺TBM施工,TBM施工長度約占整個(gè)隧洞長度的2/3。
對于深埋長隧洞,地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了工程施工的艱難性,根據(jù)地質(zhì)條件、隧洞功能特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行合理的TBM設(shè)備選型是工程成敗的關(guān)鍵問題之一。如西北某引水工程引水隧洞出口側(cè)的TBM選用雙護(hù)盾式,隧洞大阪上南緣斷裂帶軟弱巖體在極高圍巖壓力作用下發(fā)生大規(guī)模塌方和快速塑性變形,致使TBM多次嚴(yán)重卡機(jī),三年多時(shí)間內(nèi)僅艱難掘進(jìn)300多米。
本文以滇中引水工程[1]香爐山深埋長隧洞挖掘需要的TBM選型研究為例,從地質(zhì)條件、工期、造價(jià)、施工環(huán)境等方面綜合比較,重點(diǎn)從TBM施工斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段[2]施工難易程度、卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn),以及超前加固和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)操作便利性等方面進(jìn)行選型分析,為今后類似工程TBM選型提供借鑒。
1 TBM選型控制因素及現(xiàn)狀
1.1 TBM類型及特點(diǎn)
當(dāng)隧洞工程確定采用TBM施工后,就要對TBM進(jìn)行選型。目前TBM主要分為敞開式、雙護(hù)盾式和單護(hù)盾式等[3]。敞開式TBM利用支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁的反作用力,實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)功能所需的反推力和反扭矩,一般用于巖石穩(wěn)定性好、軟弱圍巖較少的隧洞[4]。護(hù)盾式TBM在主機(jī)外設(shè)置了護(hù)盾,主機(jī)在護(hù)盾保護(hù)下進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)[5]。單護(hù)盾TBM只能依靠已安裝的管片提供前進(jìn)反力,雙護(hù)盾TBM則結(jié)合了敞開式TBM和單護(hù)盾TBM的優(yōu)勢,在圍巖軟弱破碎時(shí)采用單護(hù)盾模式掘進(jìn),在圍巖完整并具有足夠的強(qiáng)度時(shí)采用雙護(hù)盾模式掘進(jìn)。隨著工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的增加和TBM設(shè)備制造水平的提高,各類TBM的應(yīng)用界限逐漸打破,如通用緊湊型TBM、雙模式TBM、復(fù)合式TBM[6]等均是吸取各基本類型TBM的優(yōu)點(diǎn)組合而來的新類型。
1.2 TBM選型控制因素
通常認(rèn)為,敞開式TBM主要應(yīng)用于巖石強(qiáng)度較高、(堅(jiān)硬或中硬巖)能夠提供支撐靴足夠推力的巖體中。護(hù)盾式TBM同樣可以用于巖石強(qiáng)度較高巖體,在軟巖洞段圍巖無法提供撐靴反力時(shí),可利用輔助油缸通過支撐已安裝好的管片提供推力進(jìn)行掘進(jìn)。
敞開式TBM的護(hù)盾相對較短,在軟巖變形或巖爆洞段卡機(jī)的可能性相對較低。如卡機(jī),可從護(hù)盾后進(jìn)行超前加固穩(wěn)定后再繼續(xù)掘進(jìn),因此在不良地質(zhì)洞段脫困處理相對靈活。敞開式TBM只有一個(gè)不長的頂護(hù)盾,掘進(jìn)后圍巖處于暴露狀態(tài),開挖后便于觀察圍巖情況和進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。
護(hù)盾式TBM的盾體較敞開式TBM長2~3倍,在軟巖變形或巖爆洞段卡機(jī)的可能性相對較高。護(hù)盾式TBM主機(jī)外圍由護(hù)盾包裹,管片安裝在護(hù)盾內(nèi),從機(jī)頭到洞尾均處于封閉狀況,施工人員除從機(jī)頭和護(hù)盾的觀測孔中察看巖層狀況外,只能從巖渣來判斷。
對于敞開式TBM,初期支護(hù)、二次襯砌施工與掘進(jìn)可同步進(jìn)行,但由于工序多、互相有干擾,施工效率相對較低。雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)和管片安裝可同時(shí)進(jìn)行,施工效率相對較高,掘進(jìn)速度相對較快。
對圍巖條件較好的隧洞,敞開式TBM只需要初期支護(hù)或較小的二次襯砌工程量即可保證隧洞穩(wěn)定,經(jīng)濟(jì)性相對較好。對圍巖條件較差的隧洞,敞開式TBM施工隧洞的初期支護(hù)、二次襯砌工程量較大,需與護(hù)盾式TBM施工隧洞的管片進(jìn)行具體對比。
敞開式TBM除頂護(hù)盾以外,均暴露在圍巖之外,施工中的粉塵、廢棄漿液如不能很好地控制,則施工環(huán)境較差。近幾年,當(dāng)采用鋼筋排等新技術(shù)后,敞開式TBM頂盾后操作空間的施工安全得到了保障。護(hù)盾式TBM機(jī)頭緊貼掌子面,掘進(jìn)、管片安裝、豆礫石回填和灌漿等主要作業(yè)均在封閉的狀態(tài)下進(jìn)行,施工過程中受巖爆、受煙塵、粉塵、廢棄漿液的影響較小,施工環(huán)境較好。
1.3 TBM選型現(xiàn)狀
由于行業(yè)和工程類型不同,隧洞結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計(jì)理念等方面存在差異,不同行業(yè)在TBM選型方面還存在一定差異[7]。在國內(nèi),鐵路行業(yè)中基本應(yīng)用敞開式TBM,水利行業(yè)中應(yīng)用雙護(hù)盾式TBM較多。
總體上來說,TBM選型主要根據(jù)各類型TBM設(shè)備自身特點(diǎn),結(jié)合地質(zhì)條件、工期、造價(jià)、施工環(huán)境[7]等方面綜合分析確定。在地質(zhì)條件方面,以往TBM選型重點(diǎn)關(guān)注占比較大的隧洞圍巖條件,而忽略占比較小的不良地質(zhì)洞段,從而導(dǎo)致TBM掘進(jìn)困難,造成工期嚴(yán)重滯后,投資大量增加。
如引大濟(jì)湟工程引水隧洞,TBM施工段以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主,占到45.32%,在開挖過程中可能遇到地應(yīng)力引起的巖爆,地下水引起的涌水、涌泥、片幫、塌方等,從主要圍巖條件TBM的適應(yīng)性、不良地質(zhì)洞段施工安全和施工進(jìn)度等方面考慮,兩臺TBM均選擇雙護(hù)盾式TBM。隧洞出口側(cè)的TBM在掘進(jìn)不久后就在圍巖收斂、塌方情況下發(fā)生十余次卡機(jī),雖采取了多種處理措施,但TBM還是被嚴(yán)重卡機(jī),工程被迫停工。為使隧洞盡快貫通,后在隧洞進(jìn)口段增加一臺NFM-TBM進(jìn)行掘進(jìn),同時(shí)對出口側(cè)的TBM進(jìn)行改造,重新定做了TBM護(hù)盾。對支撐盾、伸縮盾、后護(hù)盾等改造完成后,TBM重新啟動(dòng)掘進(jìn),最終兩臺TBM掘進(jìn)至貫通點(diǎn)K16+003處。
由引大濟(jì)湟工程TBM選型可以看出,占比不大的不良地質(zhì)洞段往往對TBM施工順利與否起關(guān)鍵作用,因此應(yīng)該重視從不同類型TBM在不良地質(zhì)洞段施工的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn),以及出現(xiàn)卡機(jī)后處理的難易程度等方面進(jìn)行選型分析。
2 香爐山隧洞TBM選型
2.1 香爐山隧洞施工方案
滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程,工程主要包括水源工程和輸水工程兩個(gè)部分。結(jié)合控制節(jié)點(diǎn)、行政區(qū)劃、水價(jià)分析,投資分?jǐn)傄蟮?,將輸水工程線路劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪紅河五大段。香爐山隧洞位于大理Ⅰ段,起點(diǎn)在麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)沖江河右岸山體內(nèi),終點(diǎn)在鶴慶縣松桂與積福村附近,整個(gè)隧洞穿馬耳山脈,全長62.596 km。隧洞設(shè)計(jì)引水流量135 m3/s,圓形斷面,凈斷面直徑8.3~9.5 m,設(shè)計(jì)水深7.1 m。
香爐山隧洞沿線屬高、中山地貌區(qū),地面高程一般為2 400~3 400 m,隧洞最大埋深1 450 m。隧洞段沿線主要出露泥盆系、二疊系、三疊系、第三系及第四系地層,局部地段不連續(xù)分布侵入巖脈。隧洞在深埋大的石英片巖、碳酸鹽巖、玄武巖等堅(jiān)硬完整巖體中且地下水貧乏洞段可能產(chǎn)生中強(qiáng)巖爆。
香爐山隧洞區(qū)褶皺、斷裂發(fā)育,沿線穿越大栗樹斷裂(F9)等13條大斷(裂)層,易產(chǎn)生中等-極嚴(yán)重?cái)D壓變形等問題。
香爐山隧洞沿線可溶巖地層分布較廣,地表、地下巖溶形態(tài)發(fā)育齊全。發(fā)育有白漢場(Ⅰ)、拉什海(Ⅱ)、鶴慶西山(Ⅳ)、清水江-劍川(Ⅴ)等多個(gè)巖溶水系統(tǒng)。隧洞穿越寬厚斷裂破碎帶、碳酸鹽巖、玄武巖、向斜核部等富水洞段可能會(huì)產(chǎn)生較大滲水、甚至涌水突泥問題[8](主要為斷裂帶),以及高外水壓力問題[3]。
由于香爐山隧洞埋深大,難以通過布置施工支洞全部采用鉆爆法施工。結(jié)合香爐山隧洞沿線地形條件和圍巖情況等,擬采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案[9],主要通過隧洞進(jìn)出口以及設(shè)置施工支洞,采用鉆爆法開挖規(guī)模較大的4條區(qū)域性斷裂及部分圍巖較差洞段,其余洞段采用2臺TBM施工,TBMa、TBMb分別由上、下游相向掘進(jìn),掘進(jìn)長度分別為14.68 km和20.64 km。
香爐山隧洞施工方法分段列于表1,施工方案如圖1所示。
2.2 香爐山隧洞TBM施工段工程地質(zhì)
2.2.1 TBM施工段工程地質(zhì)、水文條件
(1) 地形地貌。TBMa-1施工段布置于白漢場-九河槽谷和汝南河槽谷間的汝寒坪一帶,沿線地面高程2 758~3 150 m,隧洞埋深740~1 000 m,最大埋深1 135 m;TBMa-2施工段及TBMb施工段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一帶,沿線地面高程2 500~3 418 m,隧洞埋深一般600~1 300 m;TBMb-2施工段長木箐北山一帶最大埋深1 450 m,TBMb-1段核桃箐一帶埋深約450 m。
(2) 巖性。TBM施工段均位于微新巖帶,北衙組(T2b)、中窩組(T3z)灰?guī)r、白云巖等屬較完整巖體,玄武巖(Pβ、Nβ)屬較完整-完整巖體,局部完整性較差,黑泥哨組(P2h)、青天堡組(T1q)、松桂組(T3sn)等砂、泥頁巖屬較破碎-較完整巖體。其中TBMa-1施工段主要穿二疊系玄武巖;TBMa-2施工段及TBMb-2施工段除了穿玄武巖外,還穿越砂泥巖、灰?guī)r及白云巖、砂泥巖等;TBMb-1施工段主要穿越灰?guī)r地層。
(3) 地質(zhì)構(gòu)造。TBM施工段沿線褶皺主要有汝寒坪背斜、汝寒坪向斜、大陡山背斜向斜、宣化關(guān)向背斜、后本箐向斜、獅子山背斜、馬鞍山背斜等,褶皺走向以NNE~NE為主,與線路多呈大銳角及中等角度相交。
TBM施工段避開了龍?bào)?喬后斷裂(F10)等3條全新世活動(dòng)斷裂,穿越的斷裂主要有下馬塘-黑泥哨斷裂(FⅡ-32)等十幾條規(guī)模不等的斷層。
受褶皺及斷裂控制,沿線地層總體走向呈NNE~NE向,傾向NW或者SE,傾角多25°~50°,近東西向斷裂帶附近地層受構(gòu)造影響局部變陡,地層走向總體與線路呈中等角度至大角度相交。
(4) 巖溶與水文地質(zhì)。根據(jù)地表測繪及鉆孔資料分析,TBM施工段穿越的灰?guī)r、白云巖為強(qiáng)烈?guī)r溶化地層;灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r為中等巖溶化地層;玄武巖及各時(shí)代的侵入巖為裂隙性中等透水地層;砂、泥巖為相對隔水層。
斷裂破碎帶賦存一定規(guī)模的斷層脈狀水,因破碎帶構(gòu)造巖成分復(fù)雜,其富水及透水性差異性大,同一條斷層的縱向與橫向透水性差異較大。近東西向斷裂組多屬縱向裂隙性中等透水至強(qiáng)透水、橫向阻水?dāng)嗔褞?,僅局部斷裂段屬相對隔水至弱透水?dāng)嗔褞?近南北向斷裂組縱向多屬裂隙性中等透水至強(qiáng)透水?dāng)嗔褞А?/p>
(5) 地應(yīng)力。TBM施工洞段主要為中等-高地應(yīng)力水平,局部大埋深洞段為高-極高應(yīng)力水平。香爐山隧洞TBM施工段剖面概化見圖2。
2.2.2 TBM選型相關(guān)地質(zhì)條件
香爐山隧洞TBM施工段圍巖類別以Ⅲ、IV類為主,飽和抗壓強(qiáng)度大部分為30~80 MPa,較完整,可能存在的不良地質(zhì)問題主要有:高地應(yīng)力條件下的硬巖中等巖爆、軟巖(含斷層帶)嚴(yán)重至極嚴(yán)重大變形、高外水壓力以及可溶巖、斷裂帶、向斜的涌水突泥等。香爐山隧洞TBM選型相關(guān)地質(zhì)條件如表2所列。
2.3 香爐山隧洞TBM類型比較與選擇
從表2可以看出,香爐山隧洞TBMa和TBMb施工段主要圍巖的飽和抗壓強(qiáng)度和巖石完整性可提供TBM撐靴反力[10],大部分洞段開挖后也能保持自穩(wěn),選用敞開式TBM和護(hù)盾式TBM均可。
TBMa和TBMb施工段均不同程度穿越斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段[11],敞開式TBM和護(hù)盾式TBM在通過這些洞段時(shí)施工難度均較大,尤其在軟巖(含斷層)大變形洞段,由于敞開式TBM比護(hù)盾式TBM護(hù)盾短,卡機(jī)概率相對較低,如需采用超前預(yù)加固措施[12],敞開式TBM操作更為方便。
在主要圍巖洞段,護(hù)盾式TBM掘進(jìn)速度較敞開式TBM快,但由于兩TBM施工段均有存在卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的斷層和軟巖大變形洞段,如出現(xiàn)卡機(jī),其脫困處理工期難以預(yù)計(jì)。
香爐山隧洞為輸水隧洞,為保證過水能力,采用敞開式TBM施工時(shí)需采用糙率較小的二次混凝土襯砌結(jié)構(gòu),此外兩TBM施工段埋深普遍較大,初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)均較強(qiáng),其支護(hù)襯砌工程量造價(jià)與護(hù)盾式TBM的管片支護(hù)相當(dāng)。
敞開式TBM空間較護(hù)盾式TBM開放,施工環(huán)境較護(hù)盾式TBM差,但更有利于進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和觀察圍巖狀況。
綜上分析比較,從香爐山隧洞TBM施工段主要圍巖來看,選用敞開式TBM和護(hù)盾式TBM式均可;對于斷層、軟巖大變形不良地質(zhì)洞段,采用敞開式TBM卡機(jī)概率相對較小,更有利于進(jìn)行超前預(yù)加固、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[13]和觀察護(hù)盾后的圍巖狀況[14]。由于不良地質(zhì)洞段[15]的施工是TBM施工的關(guān)鍵,該工程所用兩臺TBM優(yōu)先選用敞開式。
對長大斷裂帶、長距離軟巖大變形和富水[16]等不適宜TBM施工的洞段[17],選擇任何TBM機(jī)型試圖一次性直接掘進(jìn)通過都是有難度的,通常需在TBM設(shè)計(jì)和工程施工上采取措施盡量減少其不利影響,且需充分重視對不良地質(zhì)問題的預(yù)測預(yù)報(bào)和超前處理。
2.4 香爐山隧洞TBM主要功能配置
香爐山隧洞TBM施工段的地質(zhì)條件總體上適宜TBM施工,但要重視對斷裂帶及軟巖大變形、突水涌泥、巖爆等TBM適應(yīng)性較差的不良地質(zhì)洞段研究,并對TBM設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)和配置[18]。
(1) 掘進(jìn)功能配置。由于隧洞中局部有巖爆情況,刀盤應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度,刀盤預(yù)留超前鉆孔位置和霧化噴水裝置[19],通過施打超前地應(yīng)力釋放孔和噴水軟化圍巖來減少巖爆。主軸承采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng),具有正反轉(zhuǎn)功能和點(diǎn)動(dòng)功能,配置足夠的扭矩和推力,并有脫困模式,以應(yīng)對軟巖變形段,設(shè)計(jì)壽命不小于15 000 h,單機(jī)掘進(jìn)長度不小于25 km。
(2) 出渣功能配置。針對開挖斷面大、出渣量大的特點(diǎn),采用出渣效率較高的皮帶機(jī)出渣系統(tǒng),主機(jī)帶式輸送機(jī)設(shè)置防偏、刮渣、張緊、調(diào)速聯(lián)鎖裝置[20]。主機(jī)帶式輸送機(jī)和洞內(nèi)帶式輸送機(jī)出渣能力協(xié)調(diào),且應(yīng)滿足最大掘進(jìn)速度的要求。
(3) 支護(hù)功能配置。隧洞初期支護(hù)工程量大,TBM應(yīng)配備高效的支護(hù)系統(tǒng)。鋼拱架安裝器采用液壓驅(qū)動(dòng),具有可靠制動(dòng)及自鎖功能;錨桿鉆機(jī)具有反向同步功能、可靠制動(dòng)及自鎖功能;混凝土噴射裝置軸向行程不應(yīng)小于3個(gè)掘進(jìn)循環(huán)長度,配置混凝土噴射防護(hù)罩。除了主機(jī)段配備超前鉆機(jī)外,在刀盤后(主梁內(nèi))預(yù)留配置超前鉆機(jī)的位置,同時(shí)配置高速攪拌器、混合器和高壓灌漿泵,具備對全掌子面進(jìn)行灌漿止水功能。
(4) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)功能配置。TBM主機(jī)段配備兩臺多功能液壓超前鉆,最大鉆深不小于50 m,可鉆孔取芯;針對巖爆、軟弱地層、地下水的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)物探系統(tǒng),主要配置TBM機(jī)載TRT和激發(fā)極化法系統(tǒng);在刀盤上和前護(hù)盾上預(yù)留超前預(yù)報(bào)設(shè)備安裝孔。
(5) 開挖直徑調(diào)節(jié)功能配置。刀盤邊刀具備長距離徑向擴(kuò)挖2 cm×(5~15) cm的功能,護(hù)盾具備大距離伸縮、支撐圍巖能力的功能。
香爐山隧洞TBM主要技術(shù)參數(shù)需求初擬見表3。
3 結(jié) 語
香爐山隧洞跨越金沙江與瀾滄江分水嶺,具有深埋、超長等特點(diǎn),主要地質(zhì)問題有斷層破碎帶、高地應(yīng)力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等,為目前在地殼活動(dòng)性較強(qiáng)地區(qū)尚無先例的長距離深埋輸水工程。隧洞采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案。從巖體所處的地質(zhì)環(huán)境及巖體性狀分析,香爐山隧洞TBM施工段的TBM地質(zhì)條件適宜性總體情況良好,但局部洞段的滲涌水、斷裂帶及軟巖大變形、硬巖巖爆等不利地質(zhì)條件危害很大,應(yīng)采取針對性工程應(yīng)對措施。
從地質(zhì)條件、工期、造價(jià)、施工環(huán)境等方面進(jìn)行綜合比選,重點(diǎn)從不良地質(zhì)卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)、超前預(yù)加固、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)操作便利性等方面考慮,推薦該工程優(yōu)先選用兩臺敞開式TBM,并提出了相應(yīng)的主要技術(shù)參數(shù)和功能配置。由于TBM施工段夾有細(xì)顆粒軟弱地層及部分巖溶地下水地層,后續(xù)可以研究采用雙模式掘進(jìn)機(jī)施工的可行性。
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(編輯:胡旭東)