孫 千

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110166）

開敞式全斷面硬巖掘進機（T B M）在長大隧洞施工中的應(yīng)用

孫 千

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽110166）

本文主要介紹了T B M掘進機的優(yōu)勢、應(yīng)用現(xiàn)狀、施工基本原理與施工工藝流程，并簡要概述了開敞式T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞工程中的應(yīng)用。開敞式T B M在大伙房輸水工程中成功應(yīng)用為相似地質(zhì)條件下的地下工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

T B M掘進機；大伙房輸水隧洞工程；長大隧洞

1 前言

隧洞施工常用的方法包括常規(guī)施工法和掘進機施工法，目前以掘進機施工最為常用，其中T B M在長大隧洞修建中最為常用。T B M掘進技術(shù)廣泛應(yīng)用了計算機、遙控、激光制導(dǎo)等先進的電子信息技術(shù)，體現(xiàn)了計算機、新材料、自動化、信息化、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合和密集，在一定程度上反映了一個國家的綜合實力與科技水平［］。采用T B M掘進具有一定的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）施工速度快且高效。T B M可連續(xù)掘進，同時完成多項施工作業(yè)，而且掘進速度快，效率高。

（2）施工質(zhì)量優(yōu)。施工過程中圍巖不因爆破震動而發(fā)生破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）安全環(huán)保。施工過程減少了工人的參與，且不會產(chǎn)生油煙或噪音污染，對環(huán)境影響小。

（4）經(jīng)濟。施工效率高，可大大縮減工期，節(jié)省費用。

2 T B M在隧洞施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國T B M掘進施工的應(yīng)用始于20世紀90年代，但在掘進速度上與國際水平相差甚遠，后來引進國外進口設(shè)備，在甘肅引大入秦工程中得以成功應(yīng)用。2000年后我國開始推動國內(nèi)T B M產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2001年9月，在北京召開的國際T B M應(yīng)用專題研討會，在國內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛的影響。2001年 12月成立了T B M推廣應(yīng)用小組，提出了“在中國推廣應(yīng)用隧道掘進機及發(fā)展隧道掘進機產(chǎn)業(yè)的倡議書”。2002年3月，錢七虎院士等提出了“實現(xiàn)隧道掘進機本地化生產(chǎn)”的提案。

國外T B M的應(yīng)用較為成熟，近年來成功地在英吉利海峽工程和日本東京灣高速公路工程中應(yīng)用了掘進機開挖隧洞。20世紀80年代以來，T B M掘進機在一些發(fā)達國家得到普遍應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，掘進機的類型和使用范圍也不斷擴大。既可以在松散軟土、淤泥中應(yīng)用，又能在極堅硬的巖石（抗壓強度350～450 MP a）中掘進。由于掘進機具有諸多的優(yōu)勢，因此在國際上有“移動式掘進工廠”之稱。進入21世紀以來，掘進機向斷面多樣化，多工作面方向發(fā)展，在開挖地鐵車站、鐵路隧道、水工隧洞等地下工程中發(fā)揮了重要作用［2］。

3 T B M施工原理

3.1 T B M的基本結(jié)構(gòu)

（1）主機系統(tǒng)組成

主機系統(tǒng)是T B M的核心，由刀盤、刀具、主軸承、機頭架和主大梁、支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、主機皮帶機等幾部分組成。主機系統(tǒng)的主要功能是將巖石切削成便于運輸?shù)氖缓笸ㄟ^設(shè)備前端的收集器將石渣收集至皮帶機上，再將石渣經(jīng)由皮帶機運出洞外。

（2）后配套系統(tǒng)組成

后配套系統(tǒng)是T B M主機連續(xù)掘進所需配套設(shè)施的總稱，分為內(nèi)部系統(tǒng)和外部供應(yīng)。內(nèi)部系統(tǒng)包括激光制導(dǎo)、支護系統(tǒng)、超前探測、監(jiān)控中心、石渣運輸、水電裝備、通風(fēng)除塵、通訊系統(tǒng)和安全監(jiān)控；外部供應(yīng)包括電力供應(yīng)、石渣運輸、供風(fēng)供水和人員材料。后配套系統(tǒng)是T B M實現(xiàn)掘進、出渣及初期支護一體化施工的輔助保障。

3.2 T B M破巖機理

掘進機主要用盤形滾刀進行破巖，滾刀貫入巖石邊緣下部，產(chǎn)生較高的應(yīng)力場和綜合裂隙，在巖石與滾刀接觸處產(chǎn)生一個半圓形擠壓帶，由于滾刀的壓力作用擠壓帶內(nèi)巖石產(chǎn)生拉張裂隙，向擠壓帶外圍擴張，巖石受壓力作用發(fā)生破壞。因此巖石的單軸抗壓強度是反映T B M破巖的一個重要指標。

3.3 影響T B M掘進的因素

影響T B M掘進的主要因素包括隧道地質(zhì)條件的優(yōu)劣、巖石的強度和耐磨性及巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等幾個方面。

（1）地質(zhì)條件

影響T B M施工的地質(zhì)條件包括隧道地壓和涌水狀態(tài)。很大的地壓作用T B M的掌子面難于自穩(wěn)，掘進變得困難；在涌水地段，極端情況下T B M機體會產(chǎn)生下沉，導(dǎo)致施工無法進行。

（2）巖石單軸抗壓強度

巖石類型是影響掘進速度的一個重要因素，而單軸抗壓強度就是反映T B M破巖的一個重要指標。T B M適用于單軸抗壓強度為30～150MP a的巖石［3］，極限承受值為350MP a。

（3）巖石的強度和耐磨性

巖石的硬度和耐磨性與巖石的礦物成分密切相關(guān)，影響耐磨性的主要是石英、長石等磨粒性強的礦物，這些礦物的含量越高則巖石硬度越高，耐磨性也越大。巖石的硬度及耐磨性越高，對整個刀盤的磨損越快，導(dǎo)致刀具推力不足，掘進速度下降，工期延長。

（4）巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度

巖石的節(jié)理、裂隙等發(fā)育程度在一定程度上會影響掘進效率。節(jié)理間距對T B M破巖有一定影響，適當(dāng)?shù)拈g距能夠有效提高破巖效率，而間距太大或太小都不利。因此節(jié)理發(fā)育而又不至坍塌的圍巖，是T B M掘進的最佳施工條件。

4 T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞工程中的應(yīng)用

遼寧省大伙房水庫輸水隧洞是目前世界上同洞徑最長的跨流域工程，隧洞的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，最大埋深為600m，巖石以正長斑巖、混合花崗巖、混合巖及安山巖等中硬巖石為主，抗壓強度可達55MP a。由于施工中可能會遇到巖爆、地?zé)帷⒂克驀鷰r失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)過多次專家論證和調(diào)研，對比其他方法后，決定采用全斷面硬巖掘進機施工。

4.1 開敞式T B M施工過程

（1）T B M選型及其參數(shù)的選擇

T B M分為開敞式、單護盾、雙護盾等，根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，隧道設(shè)計要求等綜合分析后決定采用開敞式T B M進行施工。型式確定后，計算確定合理的掘進機參數(shù)，包括刀具型式、數(shù)量和布置方式，支撐方式，刀盤轉(zhuǎn)速與驅(qū)動功率，出渣方式以及排水、供電、通風(fēng)措施等。

（2）T B M監(jiān)造與驗收

T B M監(jiān)造主要是控制設(shè)備制造過程中的質(zhì)量、進度和投資。當(dāng)工廠組裝調(diào)試完成后，進行出廠驗收，這是十分重要而且必要的。驗收要對整機各個系統(tǒng)進行測試，每個系統(tǒng)、每個項目都必須經(jīng)過細致認真地測試。

（3）T B M運輸與安裝

對T B M整機進行適當(dāng)解體后，選擇合適的運輸方式與承運單位，仔細勘察運輸?shù)缆?，確定合理的運輸方案。對于T B M這樣龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，要有充足的場地進行組裝，根據(jù)組裝工藝與工序做好組裝方案等一系列準備工作，再對T B M進行組裝調(diào)試。

（4）T B M掘進

在組裝調(diào)試完成之后要先進行試掘進，當(dāng)設(shè)備運作良好，人員操作熟練后進行正式的掘進施工。在掘進施工過程中要選擇合適的掘進方式和掘進參數(shù)，掘進完成后要對掘進方向進行調(diào)整，將偏差控制在允許的范圍內(nèi)。

（5）初期支護

T B M施工時難免會遇到斷層破碎帶、軟弱圍巖等不良地段，因此必須及時施作初期支護，確保施工的順利、安全。初期支護的方式包括噴射混凝土、錨桿支護、加掛鋼筋網(wǎng)、鋼拱架或鋼格柵支護等措施。

（6）出渣與施工材料運輸

T B M效率的發(fā)揮很大程度上受到出渣運輸與施工材料運輸?shù)挠绊?。大伙房水庫中輸水隧洞工程采用的是連續(xù)皮帶機出渣方式。這種出渣方式方便石渣的二次倒運，根據(jù)工程布置情況，可以采用自卸車或皮帶機將石渣二次倒運到棄渣場。

（7）施工過程給排水和通風(fēng)除塵

T B M施工過程中刀盤、液壓泵站與刀盤驅(qū)動電機都需要用水冷卻，而且掘進過程產(chǎn)生的廢水或山體滲水都需要及時排除，這就需要一條輸水管道完成給排水。T B M施工時需要嚴格控制空氣中粉塵含量和環(huán)境溫度，設(shè)備本身配備了先進的除塵系統(tǒng)，可以達到除塵、降溫的作用。一旦除塵風(fēng)機發(fā)生故障，會使洞內(nèi)能見度降低，影響激光的穿透能力，延誤工期，同時危害工人的身體健康。因此需定期檢查、維修。

4.2 T B M在大伙房水庫輸水隧洞工程的應(yīng)用

大伙房水庫輸水隧洞工程采用3臺開敞式T B M掘進，經(jīng)歷了“組裝—調(diào)試—試掘進—正式掘進—轉(zhuǎn)場再掘進—拆機”［4］的完整循環(huán)，經(jīng)受了不良地質(zhì)情況、掘進洞段、機器故障等考驗，成功完成了大伙房水庫輸水隧洞的掘進工程。

5 結(jié)語

開敞式T B M掘進機在大伙房水庫輸水隧洞中成功應(yīng)用的實例，標志著我國開敞式T B M掘進技術(shù)已日趨成熟，同時為深埋長大的隧洞工程施工奠定了基礎(chǔ)，提供了經(jīng)驗，向我們展示了未來地下工程施工的美好前景。

［1］尹俊濤，尚彥軍，傅冰駿等.T B M掘進技術(shù)發(fā)展及有關(guān)工程地質(zhì)問題分析和對策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2005，13（03）：389-397.

［2］李衛(wèi)兵.T B M在超長隧道施工中的應(yīng)用研究［D］.吉林大學(xué).2005.

［3］王石春.隧道掘進機與地質(zhì)因素關(guān)系綜述［J］.世界隧道，1998（02）：39-43.

［4］杜士斌.開敞式T B M在大伙房輸水隧洞工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2010（01）：48-53.

表8 各段輸水隧洞經(jīng)濟洞徑計算成果表

在示例輸調(diào)水工程上運用上述方法進行分析計算，不僅合理的確定了管徑和洞徑，也為控制工程投資做出了較大的貢獻。該分析計算方法對于類似系統(tǒng)復(fù)雜、距離長、管徑大的輸調(diào)水工程，具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻

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孫 千（1982年—），男，工程師。