王爽

（上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，上海 200434）

目前，TBM法在我國隧道、隧洞施工中應用較多[1-3]，但高海拔地區(qū)隧洞利用TBM掘進的已建工程卻寥寥無幾，幾乎無經(jīng)驗借鑒，下文結(jié)合西藏某電站引水隧洞對高寒、高地應力、低壓等惡劣環(huán)境下的TBM施工可行性進行分析，并提出相應的改進措施。

1 工程概況

該電站為一級混合式開發(fā)水電站，引水隧洞沿河段左岸山體展布，總長16.81 km，由進水口、引水隧洞、氣墊式調(diào)壓室及壓力管道組成，進口底板高程為3 681.50 m，發(fā)電引用流量124.4 m3/s，引水隧洞后段為高壓隧洞。尾水建筑物由尾水連接洞、尾閘室、無壓尾水隧洞、尾水渠組成，尾水洞出口底板高程為3 245.52 m。

引水隧洞開挖及襯砌斷面均為標準平底馬蹄形，Ⅱ，Ⅲ類圍巖洞段凈斷面頂拱半徑為3.75 m，圓心角為180°，最大凈高6.84 m；Ⅳ，Ⅴ類圍巖洞段過水斷面頂拱半徑為3.50 m，圓心角為180°，最大凈高6.38 m。對Ⅳ，Ⅴ類圍巖洞段頂拱120°范圍內(nèi)，采用回填灌漿和全斷面固結(jié)灌漿處理。

1.1 水文氣象

流域年平均降水量超過833 mm；年平均氣溫5.9℃，極端最高氣溫30.6℃，極端最低氣溫-22.1℃；年平均氣壓653.9 hPa。

1.2 地質(zhì)條件

引水隧洞沿線山體雄厚，岸坡陡峻，隧洞中后段垂直埋深大，一般在600～1 000 m，最大垂直埋深約1 500 m；隧洞從上至下依次穿越拉貢塘組砂板巖、古近紀花崗巖、來姑組砂板巖和古近紀花崗巖，除板巖為較軟巖～中硬巖外，其余巖石以中硬巖～堅硬巖為主。

1）引0+0～引2+500 m段，洞室垂直埋深200～670 m，穿越1條支溝，過溝段上覆埋深189 m，該溝規(guī)模不大，過溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖陡壁，不存在過溝淺埋問題。洞室圍巖總體屬中硬～堅硬巖，在1+920 m附近可能會遭遇嘉黎-向陽日斷裂，洞室以Ⅲ類、Ⅳ類圍巖為主，斷裂帶為Ⅴ類圍巖。過斷裂帶洞段可能存在突涌水問題。

2）引2+500～引5+000 m段，洞室垂直埋深150～600 m，該段穿越2條支溝，支溝切割深度約300 m，溝道狹窄，過溝段上覆埋深大于170 m，過溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖陡壁，不存在過溝淺埋問題。洞室圍巖巖質(zhì)堅硬，洞室圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，少量Ⅳ類。過溝段可能存在突涌水問題。

3）引5+000～引9+570 m段，洞室垂直埋深一般600～800 m，最大埋深1 500 m，穿越1條支溝，過溝段上覆最小基巖埋深約190 m，不存在過溝淺埋問題。圍巖巖質(zhì)堅硬巖，在K9+400 m附近可能遭遇澤拉錯-宗頗斷裂。地應力以中～高量級為主，洞室圍巖以Ⅲ類圍巖為主，部分Ⅱ類，少量Ⅳ類。該段隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆，過溝段可能存在突涌水問題。

4）引9+570～引12+300 m段，洞室垂直埋深一般500～900 m，最大埋深約1 400 m，穿越1條支溝，過溝段上覆最小基巖埋深約240 m，不存在過溝淺埋問題。圍巖以堅硬巖為主，地應力以中～高量級為主，洞室圍巖以Ⅲ類圍巖為主，部分Ⅱ類，少量Ⅳ類。該段隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆，過溝段可能存在突涌水問題。

5）引12+300～引14+300 m段，洞室垂直埋深一般400～800 m，最大埋深約1 000 m，穿越1條支溝，過溝段上覆埋深440 m，該溝規(guī)模不大，過溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖斜坡，不存在過溝淺埋問題。圍巖主要為粉砂質(zhì)板巖夾石英砂巖，引14+300 m附近可能遭遇澤拉錯-宗頗斷裂。地應力以中等地應力量級為主，洞室圍巖以Ⅲ類和Ⅳ類為主，過斷裂帶洞段存在少量Ⅴ類圍巖。過溝段、穿越斷裂段可能存在突涌水問題。

6）引14+300～引16+810 m段，洞室垂直埋深一般600～900 m，最大埋深1100 m。洞室圍巖主要為堅硬巖，地應力可能達中～高地應力水平，圍巖以Ⅱ類和Ⅲ類為主，少量Ⅳ類。局部洞段可能存在巖爆問題。

2 TBM施工方案分析

2.1 TBM適用性分析

2.1.1 長距離掘進

隧洞長距離掘進，TBM必須性能良好、壽命較長、配件充足和儲備足夠刀具，同時運輸設(shè)備要求高效，要求通風系統(tǒng)能力強、可靠性高，供電、排水系統(tǒng)可靠。根據(jù)工程經(jīng)驗積累，TBM施工適用于長度超過7.00 km以上的隧洞，該工程引水隧洞總長16.81 km，滿足TBM施工的經(jīng)濟適用長度。

2.1.2 地質(zhì)條件分析

不同圍巖類別相應的巖石硬度變化也大，TBM需針對不同的地層采用不同的掘進參數(shù)，以提高掘進機的掘進速度。

工程引水隧洞巖性主要為花崗巖、粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖和少量的石英巖組成，以Ⅱ類和Ⅲ類圍巖為主。花崗巖為塊狀、次塊狀巖體，粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖以中硬巖為主。TBM適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強度介于20～250 MPa，尤其以50～100 MPa為最佳；巖石中石英含量越低越好，根據(jù)工程地質(zhì)條件初步判斷TBM施工是可行的。

2.2 TBM的工作特性

2.2.1 敞開式TBM

敞開式TBM是采用錨噴支護的一類全斷面隧道掘進機，其主機部分一般由刀盤、主驅(qū)動、護盾、主梁、鞍架、撐靴組成，通過撐靴支撐在開挖的隧道巖壁上產(chǎn)生的摩擦力來提供刀盤掘進的推進力。主機內(nèi)輔助設(shè)備一般包括鋼拱架拼裝系統(tǒng)、L1區(qū)錨桿鉆機系統(tǒng)、應急噴混系統(tǒng)等。支撐推進系統(tǒng)則主要由主梁、鞍架、撐靴、推進油缸、撐靴油缸、扭矩油缸、十字銷機構(gòu)、后支撐及后支撐油缸等組成，可以起到推進、換步、防扭、轉(zhuǎn)彎、糾偏等功能。支護系統(tǒng)則主要由鋼拱架拼裝系統(tǒng)、L1區(qū)錨桿鉆機系統(tǒng)、L2區(qū)噴混系統(tǒng)等組成，通過拼裝鋼環(huán)梁、打錨桿、噴混等工序?qū)崿F(xiàn)隧道的初期支護。

敞開式TBM在對付較完整、有一定自穩(wěn)性的圍巖時，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢，特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力；使用敞開式TBM施工可以直接觀測到被開挖的巖面，從而方便對已開挖的隧道進行地質(zhì)描述。由于開挖和支護分開進行，使敞開式TBM刀盤附近有足夠的空間用來安裝一些臨時、初期支護的設(shè)備，如鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、超前鉆機、噴射混凝土設(shè)備等，應用新奧法原理使這些輔助設(shè)備可及時、有效地對不穩(wěn)定圍巖進行支護。

2.2.2 雙護盾TBM

雙護盾TBM，除刀盤外全部被兩個護盾包圍[4]。雙護盾TBM適應地層較廣，可開挖軟巖、中硬巖、堅硬巖等地層，巖體較完整至破碎都可適應。圍巖較穩(wěn)定時，掘進的同時可安裝管片，掘進速度快。圍巖地層差時，撐靴不能支撐洞壁，可在單護盾模式下掘進，使設(shè)備快速通過軟巖地層。

在圍巖穩(wěn)定性較好的硬巖地層中掘進時，以撐靴緊撐洞壁為主推進油缸提供反力，使TBM向前推進，刀盤的反扭矩由2個位于支撐盾的反扭矩油缸提供，掘進與管片安裝同步進行。此時TBM作業(yè)循環(huán)：掘進與安裝管片→撐靴收回換步→再支撐→再掘進與安裝管片。

2.2.3 單護盾TBM

單護盾TBM，除刀盤外機頭部分全部由一鋼制的護盾包圍。單護盾TBM比雙護盾TBM結(jié)構(gòu)簡單，沒有伸縮盾、撐靴護盾、撐靴及撐靴油缸，其刀盤和主要驅(qū)動結(jié)構(gòu)與雙護盾TBM及敞開式TBM都類似。當軟弱圍巖所占比例很大，且撐靴無法支撐住洞壁時，可考慮采用單護盾TBM掘進。這樣，不僅單護盾TBM的價格比雙護盾TBM的價格低，而且其護盾短不易卡機，掘進速度也會因為減少巖石支護處理時間而比敞開式TBM快。

國內(nèi)常用掘進機[5，6]的對比分析見表1。

表1 各種機型掘進機的對比分析

2.3 TBM選型

工程引水隧洞前段約5.00 km，洞段埋深150～600 m，后段洞室埋深一般600～900 m，最大埋深約1 500 m，洞室埋深較大，其中以Ⅱ，Ⅲ類圍巖為主，巖性主要是花崗巖、砂板巖。從目前的地質(zhì)條件分析，該工程采用敞開式TBM較為合理。但不同圍巖類別，相應的巖石硬度變化也大，TBM需針對不同的地層采用不同的掘進參數(shù)，以提高掘進機的掘進速度。

2.4 TBM月進尺分析

國內(nèi)外已建、在建工程項目TBM施工特性對比見表2。

1）從工程經(jīng)驗比較分析TBM掘進月進尺取值

對表2中TBM應用工程經(jīng)驗參數(shù)分析：表2中所列項目，掘進機平均月進尺約727.00 m/月；Robbins掘進機掘進速度最快，平均月進尺可達779.00 m/月；表2中與該工程洞徑類似項目，如西安～安康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道工程，掘進機平均月進尺約573.00 m/月；與該工程圍巖強度相近項目，西安～安康秦嶺鐵路隧道工程月平均進尺為528.00 m/月。

表2 國內(nèi)外部分TBM掘進機施工特性對比表

因此，借鑒類似工程經(jīng)驗，西安～安康秦嶺鐵路隧道洞徑8.8 m，工程引水隧道噴錨段開挖斷面約7.5 m，襯砌段開挖斷面約7.0 m，洞徑越小、掘進越快，該工程TBM掘進機月進尺參數(shù)取值可略大于528.00～573.00 m/月。

但考慮到工程沿線地質(zhì)有多條深切沖溝，規(guī)模較大，因而可能存在軟巖、斷層帶及涌水等地質(zhì)風險，埋深達150～1 500 m，更存在巖爆風險。因此，初步保守擬定該工程隧洞TBM掘進機施工月循環(huán)平均進尺按上述參數(shù)取值范圍的下限取用，即按所列項目平均掘進月進尺528.00 m/月作為掘進月進尺特性參數(shù)參考。

2）從圍巖強度與掘進機進尺關(guān)系分析掘進進尺

根據(jù)參考文獻［7］，圍巖強度與掘進進尺存在相關(guān)關(guān)系，見圖1。

對圖1分析可知：Rc越低TBM的掘進速度就越快，Rc越高TBM的掘進速度就越慢；若Rc太低，掘進后圍巖將沒有自穩(wěn)能力，工程不安全，只有當Rc合適才能保證TBM以一定的速度掘進，同時隧洞圍巖又能保持自穩(wěn)；工程成功經(jīng)驗表明，Rc為30～150 MPa的中等堅硬巖石和堅硬巖石較為適合TBM施工。

圖1 Rc與TBM掘進工作效率的關(guān)系曲線

3）TBM掘進月進尺的擬定

工程巖石的單軸抗壓強度介于20～250 MPa，巖石強度相對較硬，該工程TBM掘進速度按照1.5 m/h，則工程每日3班，2班掘進、1班維護保養(yǎng)；掘進班每班9 h，維護班每班6 h，掘進速度為27 m/d；每周周日檢修，每月按22 d施工，則月掘進速度約594 m。

綜上分析，由于該工程可能存在涌水、巖爆等問題，隧洞TBM掘進速度可適當保守，按月進尺500 m/月考慮。

3 改進措施

由于西藏特殊地理條件和氣候條件，以及該工程引水隧洞過溝段、穿越斷裂段可能存在突涌水問題，隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆等問題，事前應做好地質(zhì)預判并制定應急處理措施[8，9]，防范于未然，否則TBM機具遭損，將影響施工工期，同時建議在類似高海拔地區(qū)對TBM掘進機進行改進。

建議適當提高主機與后配套設(shè)備功率，使其功率略高于正常施工情況，以便在高圍巖壓力、高地應力等不良地質(zhì)條件下保證掘進速度。

建議開發(fā)全自動化TBM，減少高寒、低壓等惡劣環(huán)境下的施工人員勞動強度，考慮對送風系統(tǒng)增加氧氣輸送，以解決長隧洞高原缺氧問題。