王恩輝，呂昀龍，趙 飛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

長(zhǎng)距離輸水隧洞工程通常具有地質(zhì)條件復(fù)雜、洞線長(zhǎng)、開(kāi)挖直徑大等特點(diǎn)[1]。近年來(lái)我國(guó)引水隧洞數(shù)量持續(xù)增加，引水隧洞具有埋深大、距離長(zhǎng)、地質(zhì)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜等工程特點(diǎn)，已成為隧洞建設(shè)面臨的主要技術(shù)難題。近年來(lái)，開(kāi)敞式TBM、護(hù)盾式TBM及盾構(gòu)機(jī)在土木行業(yè)已廣泛應(yīng)用。TBM機(jī)械化設(shè)備集機(jī)、電、液氣、激光、傳導(dǎo)、測(cè)量、預(yù)報(bào)于一體，能夠解決長(zhǎng)距離、復(fù)雜地質(zhì)下人工鉆爆無(wú)法完成的重大工程，相較于傳統(tǒng)爆破工法具有安全、高效、智能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)[2-4]。

1 工程概況

北疆重大調(diào)水工程是一項(xiàng)高埋深超長(zhǎng)距離隧洞輸水工程，最長(zhǎng)單洞總長(zhǎng)283.3km，采用無(wú)壓自流輸水，隧洞平均埋深428m，最大埋深774m。隧洞沿線地質(zhì)條件極其復(fù)雜，穿越多個(gè)大構(gòu)造斷裂帶，隧洞全線設(shè)置11臺(tái)開(kāi)敞式TBM機(jī)，采用開(kāi)敞式TBM和鉆爆法相結(jié)合方式聯(lián)合施工。KS IV標(biāo)TBM掘進(jìn)總長(zhǎng)度為17.67km，開(kāi)挖洞徑7.0m，由TBM3-1和TBM3-2組成，均由同一開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖掘進(jìn)。TBM3-1掘進(jìn)過(guò)程中期間經(jīng)歷多次卡機(jī)和進(jìn)度受阻等情況，為確保TBM3-2段施工安全，本次利用TBM3-1與TBM3-2中間設(shè)置的檢修洞對(duì)TBM機(jī)器進(jìn)行檢修和改造[5-7]。

2 水文地質(zhì)條件

2.1 TBM3-1卡機(jī)處地質(zhì)條件

TBM3-1卡機(jī)處護(hù)盾內(nèi)圍巖為Ⅴ類，起始樁號(hào)為64+405.3，巖性主要為青灰色凝灰質(zhì)砂巖，其次為少量的紫紅色安山巖，兩者界線明顯，產(chǎn)狀各異，通?；祀s在一起?？傮w產(chǎn)狀為60°～85°NW∠30°～60°。①掌子面圍巖從右導(dǎo)洞內(nèi)觀察，硬度略強(qiáng)，但破碎不穩(wěn)定，隨著涌水沖刷也有塌方的可能。②護(hù)盾至掌子面圍巖硬度低，糜棱巖化，局部手可扣動(dòng)；巖體破碎，完整性差，裂隙發(fā)育密集，裂隙面多見(jiàn)紅色鐵質(zhì)薄膜。圍巖穩(wěn)定性差，刀盤前上方塌方嚴(yán)重，塌腔深度大于7m，塌落物有泥砂混合物和硬塊體，并隨著外界震動(dòng)不斷掉落。③護(hù)盾外圍巖破碎，硬度較軟，較干燥，未受水流影響，并進(jìn)行了支護(hù)，目前穩(wěn)定性尚可，但應(yīng)加強(qiáng)變形觀測(cè)。64+405.3向上游大于100范圍內(nèi)無(wú)水干燥。

護(hù)盾內(nèi)現(xiàn)推測(cè)情況為斷裂帶(斷層)，依據(jù)為從維保入口涌水沖出的泥砂和左右兩側(cè)導(dǎo)洞所見(jiàn)情況，刀盤前為泥砂狀物或強(qiáng)糜棱化極軟弱圍巖，軟硬不均，發(fā)現(xiàn)有大于1m的硬石塊。傳送帶上輸出的圍巖狀態(tài)為土狀、泥狀、砂狀，手捏即碎。涌水時(shí)清時(shí)濁，混濁時(shí)帶有大量泥砂，為斷裂充填物或軟弱圍巖遇水軟化后形成，此斷裂應(yīng)為張性斷裂。

2.2 TBM3-2未開(kāi)挖段地質(zhì)條件

TBM3-2段位于烏倫古河以北，地形為剝蝕丘陵地貌，地面起伏小，平坦、開(kāi)闊。巖性為石炭系鈣質(zhì)粉砂巖夾碳質(zhì)粉砂巖，石英含量5%～10%，中厚-薄層狀，巖層產(chǎn)狀315°SW∠65°，與洞線方向夾角22°。炭質(zhì)粉砂巖層厚一般在0.7～10.4m，最大厚度15.7m，巖層間距一般在3.8～30m，最大間距96.7m，比例約占60%，層理較發(fā)育，強(qiáng)度較低，遇水易軟化，圍巖穩(wěn)定條件差，屬Ⅳ、Ⅴ類圍巖。該段局部發(fā)育小斷層帶，寬度1.0m左右，帶內(nèi)充填糜棱巖為主。

根據(jù)地勘資料顯示，TBM3-2掘進(jìn)段共發(fā)育3條較大的斷裂，各級(jí)圍巖占比為：6.42%(Ⅱ級(jí)圍巖)、57.93%(Ⅲ級(jí)圍巖)、25.6%(Ⅳ級(jí)圍巖)和10.04%(Ⅴ級(jí)圍巖)。且不良地質(zhì)段分布相對(duì)較集中。

3 國(guó)內(nèi)開(kāi)敞式TBM復(fù)雜地質(zhì)段應(yīng)用現(xiàn)狀

TBM3-2段具有較為集中的復(fù)雜地質(zhì)段，目前國(guó)內(nèi)開(kāi)敞式TBM應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)段的工程主要有：高黎貢山隧道、樂(lè)西高速平導(dǎo)洞、蘭州市水源地建設(shè)工程、陜西省引紅濟(jì)石工程、甘肅省引洮供水一期工程等[7-11]。主要的處理措施有：

(1)掌子面前方化學(xué)灌漿加固、小導(dǎo)洞開(kāi)挖對(duì)刀盤脫困、超前管棚、設(shè)備改造(減小刀盤背面與護(hù)盾的間隙+加密刮渣口限粒板)及破碎部位進(jìn)行有效支護(hù)等。

(2)針對(duì)TBM主驅(qū)動(dòng)、主機(jī)皮帶機(jī)系統(tǒng)以及混凝土噴射系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加強(qiáng)不良地質(zhì)施工安全性。旋轉(zhuǎn)接頭、液壓轉(zhuǎn)向閥組、二次風(fēng)機(jī)、離合器摩擦片、除塵風(fēng)管以及前后支撐油缸等。

(3)增大開(kāi)挖洞徑、在護(hù)盾與巖壁間灌注油脂類潤(rùn)滑物質(zhì)、采用人工導(dǎo)洞釋放圍巖壓力以及鉆爆提前全斷面開(kāi)挖大斷面等。對(duì)TBM進(jìn)行盾體、前盾和外伸縮盾、支撐盾以及刀盤擴(kuò)徑等進(jìn)行局部改造。

根據(jù)現(xiàn)有資料不難看出，現(xiàn)有開(kāi)敞式TBM應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)段缺乏主動(dòng)性，現(xiàn)場(chǎng)往往根據(jù)出現(xiàn)的情況被動(dòng)采取措施。其中掌子面灌漿等大多采用人工鉆孔及注漿的方式，現(xiàn)場(chǎng)施工效率較低。因此將開(kāi)敞式TBM改造，全方位適應(yīng)不良地質(zhì)段很有必要性。

4 TBM改造方案

針對(duì)開(kāi)敞式TBM在破碎圍巖段易卡機(jī)、安全性降低、施工工序繁雜、進(jìn)度延緩等情況，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)開(kāi)敞式TBM進(jìn)行改造，通過(guò)將支護(hù)轉(zhuǎn)換為護(hù)盾式及安裝超前鉆注一體機(jī)等設(shè)備，達(dá)到快速掘進(jìn)、提前加固破碎圍巖段等優(yōu)勢(shì)。主要改造的技術(shù)方案如下：

(1)穿越集中不良地質(zhì)段時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)敞式TBM升級(jí)改造為護(hù)盾式TBM，一次支護(hù)型式采用鋼管片模式。

(2)在機(jī)身首部增設(shè)超前鉆注一體機(jī)，充分利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果對(duì)前方存在的不良地質(zhì)段進(jìn)行超前支護(hù)。

(3)針對(duì)洞內(nèi)TBM脫困時(shí)扭矩不足問(wèn)題，進(jìn)行主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)減速比改造升級(jí)。

(4)在一次支護(hù)模式調(diào)整的同時(shí)為確保后期隧洞輸水能力，結(jié)合支護(hù)體系和結(jié)構(gòu)尺寸及TBM刀盤性能，采用對(duì)刀盤邊刀設(shè)置墊塊實(shí)現(xiàn)增大開(kāi)挖直徑的方式，合理調(diào)整開(kāi)挖直徑。

(5)對(duì)原TBM機(jī)身配備的鋼拱架拼裝機(jī)進(jìn)行改造，將鋼拱架+鋼筋排模式改造為可切換的鋼管片模式，實(shí)現(xiàn)了特殊地質(zhì)條件下可隨時(shí)調(diào)整的雙模式TBM功能通過(guò)改造，有效控制刀盤進(jìn)渣及設(shè)置輔助推進(jìn)系統(tǒng)等。

(6)通過(guò)改造，有效控制刀盤進(jìn)渣及設(shè)置輔助推進(jìn)系統(tǒng)等。

5 管片方案分析

5.1 管片材質(zhì)選擇

目前隧洞工程常用管片有：鋼筋混凝土管片、鋼纖維混凝土管片、鋼管片等?；炷凉芷哂薪Y(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐久性好、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)。且鋼筋混凝土管片已在多個(gè)行業(yè)廣泛使用，具有成熟的技術(shù)基礎(chǔ)。但是，在本工程采用本方案具有以下弊端：

(1)管片廠應(yīng)配備管片生產(chǎn)車間、鋼筋籠加工車間、養(yǎng)護(hù)池、管片堆放場(chǎng)、砂石料場(chǎng)、攪拌站、管片檢漏及拼裝場(chǎng)地。占地面積較大，現(xiàn)場(chǎng)占地批復(fù)較困難。

(2)管片廠生產(chǎn)加工區(qū)需消耗大量電力，工程距離城鎮(zhèn)100km。現(xiàn)有電力僅能維持現(xiàn)場(chǎng)TBM等大型機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)。如新建管片廠，需重新布設(shè)電路，耗時(shí)耗力。

(3)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)顯示，本工程TBM3-2隧洞總長(zhǎng)11.4km，其中采用管片長(zhǎng)度為2km左右。管片施工段落占比較小，管片廠投資較大、使用率較低、不經(jīng)濟(jì)。

5.2 支護(hù)型式選擇

根據(jù)工程隧洞規(guī)模、地質(zhì)條件等綜合分析，提出混凝土管片、鋼管片及薄壁鋼管片+混凝土襯砌隧洞支護(hù)型式。根據(jù)工程總投資、現(xiàn)場(chǎng)工期等綜合分析，工程選用薄壁鋼管片+混凝土襯砌支護(hù)型式，其具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)結(jié)構(gòu)采用鋼管片+鋼筋混凝土襯砌型式，施工期及運(yùn)行期均能保障結(jié)構(gòu)安全。

(2)薄壁鋼管片板材大多采用10～12mm鋼板，僅端板采用16mm鋼板，相較普通鋼管片，極大節(jié)約了工程造價(jià)。

(3)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置鋼筋混凝土襯砌，保證了隧洞運(yùn)行期平穩(wěn)過(guò)流，對(duì)工程隧洞輸水能力不影響。

(4)薄壁鋼管片+混凝土襯砌方案管片重量較輕，對(duì)TBM改造中抓舉臂及電驅(qū)動(dòng)等改造影響不大。

(5)鋼筋混凝土襯砌將鋼管片與隧洞內(nèi)部水分離，對(duì)鋼管片保護(hù)層要求較低，節(jié)約造價(jià)。

5.3 薄壁鋼管片設(shè)計(jì)

5.3.1管片參數(shù)

管片鋼材采用Q235B，外徑6.94m，內(nèi)徑6.54m，厚度0.2m。結(jié)合TBM施工步進(jìn)模數(shù)分析，管片寬度采用0.9m。管片間拼裝采用錯(cuò)縫拼裝，采用螺栓連接。管片安裝時(shí)底部放置3個(gè)20°預(yù)制混凝土墊塊組成的底部墊層。

管片一環(huán)由6個(gè)分塊板組成，其中A板塊有3片單塊角度均為72°，B、C板塊角度均54°，K板塊角度36°。管片端部設(shè)置端板，端板厚16mm，中部筋板和外弧板厚度均為12mm，其余結(jié)構(gòu)均采用10mm鋼板。管片具體參數(shù)見(jiàn)表1。薄壁鋼管片結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 薄壁鋼管片結(jié)構(gòu)模型圖

表1 管片基本信息表

5.3.2防腐處理

管片制作完成后，管片外弧板、端板的外露表面采用無(wú)溶劑超厚膜型環(huán)氧涂料作為管片防腐層。具體設(shè)計(jì)方案為：管片制作焊接完成后，對(duì)管片外觀及精度進(jìn)行檢查，檢查無(wú)誤后，對(duì)管片表面進(jìn)行除銹工作，除銹質(zhì)量滿足S3級(jí)。經(jīng)除銹質(zhì)量檢查合格后，對(duì)管片端板、內(nèi)弧板、筋板及環(huán)縱向加強(qiáng)板進(jìn)行702環(huán)氧富鋅底漆20μm涂裝。待到702環(huán)氧富鋅底漆固化后，再對(duì)外弧板和端板進(jìn)行無(wú)溶劑超厚膜型環(huán)氧涂料800μm涂裝。

5.4 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

5.4.1松散體作用鋼管片敏感性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況分析，TBM3-1通過(guò)連續(xù)凝灰質(zhì)粉砂巖、炭質(zhì)粉砂巖段等不良地質(zhì)洞段時(shí)鋼筋排會(huì)堆積巖塊松散體。現(xiàn)通過(guò)模擬1～15m高度松散體作用于鋼管片，鋼管片應(yīng)力敏感性分析。計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同松散體高度下鋼管片應(yīng)力及豎向變形趨勢(shì)圖

5.4.2管片強(qiáng)度復(fù)核分析

結(jié)合本工程TBM3-1段掘進(jìn)地質(zhì)編錄情況，穿越不良地質(zhì)段時(shí)隧洞頂部極易形成1.5～3m左右塌腔。本次開(kāi)敞式TBM改造護(hù)盾屬于非整環(huán)結(jié)構(gòu)，管片組裝后不能實(shí)現(xiàn)同步周壁注漿，管片絕大部分均與圍巖之間存在松散層，此時(shí)結(jié)構(gòu)受力不利。另外，管片段周壁進(jìn)行注漿時(shí)，受注漿壓力作用，此時(shí)管片結(jié)構(gòu)受力較大。運(yùn)行期鋼管片承擔(dān)圍巖荷載。因此管片強(qiáng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮管片拼裝完成尚未周壁注漿工況、周壁注漿承受注漿壓力工況和運(yùn)行期工況等3種工況進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。

荷載計(jì)算成果見(jiàn)表2，鋼管片結(jié)構(gòu)計(jì)算匯總見(jiàn)表3。

表2 荷載計(jì)算(設(shè)計(jì)值)成果表

表3 鋼管片結(jié)構(gòu)計(jì)算匯總表

模型由Midas GTS NX建模并計(jì)算鋼管片受力情況，鋼管片均采用實(shí)體單元模擬，荷載直接作用于模型實(shí)體。

Ⅳ類圍巖出護(hù)盾壁后未注漿工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖3—4所示。

圖3 Ⅳ類圍巖管片豎向位移云圖

圖4 Ⅳ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

Ⅳ類圍巖注漿工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖5—6所示。

圖5 Ⅳ類圍巖管片豎向位移云圖

圖6 Ⅳ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

Ⅳ類圍巖完建期工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖7—8所示。

圖7 Ⅳ類圍巖管片豎向位移云圖

圖8 Ⅳ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

Ⅴ類圍巖出護(hù)盾壁后未注漿工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖9—10所示。

圖9 Ⅴ類圍巖管片豎向位移云圖

圖10 Ⅴ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

Ⅴ類圍巖注漿工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖11—12所示。

圖11 Ⅴ類圍巖管片豎向位移云圖

圖12 Ⅴ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

Ⅴ類圍巖完建期工況計(jì)算結(jié)果云圖如圖13—14所示。

圖13 Ⅴ類圍巖管片豎向位移云圖

圖14 Ⅴ類圍巖管片有效應(yīng)力云圖

根據(jù)計(jì)算可知：鋼管片強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求(鋼管片最大應(yīng)力值均小于215N/mm2)。

5.4.3襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

鋼管片內(nèi)部襯砌采用C35、W10、F50混凝土，內(nèi)徑為5840mm，厚度為300mm。鋼管片內(nèi)部空格均采用C30混凝土預(yù)回填。管片自身穩(wěn)定性及承載能力得到大幅度提升，因此本次按襯砌承擔(dān)30%圍巖壓力計(jì)算，即頂部垂直圍巖Ⅳ類圍巖均布荷載為13.58kN/m；側(cè)向圍巖分布荷載為4.07kN/m；Ⅴ類圍巖均布荷載為14.70kN/m；側(cè)向圍巖分布荷載為4.90kN/m。

經(jīng)計(jì)算，襯砌結(jié)構(gòu)滿足素混凝土受拉、受壓承載能力要求，不需配置鋼筋。為防止和減少隧洞襯砌混凝土溫度及干縮裂縫，在隧洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)配置直徑20mm、間距200mm的構(gòu)造鋼筋。

6 現(xiàn)場(chǎng)使用效果

(1)開(kāi)敞式TBM改造后，隧洞開(kāi)挖月平均進(jìn)尺明顯提高，由改造前的160m提高為350m，效率提高2.2倍左右。TBM設(shè)備機(jī)械化程度大幅度提高，施工現(xiàn)場(chǎng)安全度和效率得到極大保障。

(2)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)拼裝后薄壁鋼管片進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。根據(jù)埋設(shè)陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，管片最大沉降值為7.07mm，水平變形最大值為10.95mm，管片變形均滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合新疆EH調(diào)水工程TBM3-2復(fù)雜地質(zhì)段開(kāi)敞式TBM改造及薄壁鋼管片應(yīng)用實(shí)例，現(xiàn)場(chǎng)施工效率極大提高。改造后的TBM主要適用于長(zhǎng)距離、復(fù)雜地質(zhì)隧洞。其中主要思路為：在隧洞圍巖較好段采用開(kāi)敞式特有的快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)；在復(fù)雜圍巖段采用護(hù)盾式，設(shè)備主動(dòng)適應(yīng)不良地質(zhì)段。為TBM新型式發(fā)展提供新思路，其中長(zhǎng)距離輸水隧洞采用薄壁鋼管片為國(guó)內(nèi)首例，為類似工程提供參考借鑒。