朱方劍

【摘 要】根據(jù)開敞式TBM、單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM作業(yè)特性，參照以往工程實例和經(jīng)驗，結(jié)合本工程地形地質(zhì)條件等因素，通過施工風(fēng)險、施工靈活性、掘進(jìn)效率、經(jīng)濟(jì)性等綜合比較分析，最后建議選用開敞式TBM作為本工程輸水隧洞的主要施工設(shè)備。

【關(guān)鍵詞】輸水隧洞;TBM;開敞式

中圖分類號： TV672 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0164-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.075

Talking About TBM Type Selection and Application in Construction of a Water Conveyance Tunnel Project

ZHU Fang-jian

（The water conservancy and hydropower project quality supervision station in Tai Zhou，

Zhejiang Taizhou， 318000，China）

【Abstract】According to the operating characteristics of open TBM，single shield TBM and double shield TBM， referring to past engineering examples and experience，combining the factors of topography and geology of the project and so on，through comprehensive comparative analysis of construction risk，construction flexibility，excavation efficiency and economy，etc.Finally，it is suggested to select open TBM as the main construction equipment of the water conveyance tunnel of this project.

【Key words】Water conveyance tunnel;TBM;Open type

TBM（Tunnel Boring Machine 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)）是集機(jī)、電、液、光技術(shù)于一體的高度機(jī)械自動化的地下工程施工設(shè)備，具有安全、優(yōu)質(zhì)、高效、快速、環(huán)保等特點，在深埋地下超長隧洞工程施工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。其原理是利用掘進(jìn)機(jī)旋轉(zhuǎn)刀盤上的圓形滾刀擠壓剪切破碎巖體，通過旋轉(zhuǎn)刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機(jī)皮帶機(jī)上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續(xù)皮帶機(jī)運渣到洞外[2]。目前TBM按護(hù)盾形式主要分為開敞式TBM、單護(hù)盾TBM、雙護(hù)盾TBM三種形式。開敞式TBM[3]適用于圍巖整體較完整，有較好的自穩(wěn)能力中硬～堅硬地層（單軸抗壓強(qiáng)度50～350 MPa），采取有效支護(hù)手段后，也可適用于軟巖隧道。單護(hù)盾TBM[4]主要適用于圍巖不能保持自然穩(wěn)定的軟巖（單軸抗壓強(qiáng)度小于50MPa）隧洞。雙護(hù)盾TBM[5]在具備單護(hù)盾機(jī)型功能的同時，增加了以后方洞壁為支撐的掘進(jìn)推進(jìn)模式，從而可以在堅硬圍巖中快速掘進(jìn);與單護(hù)盾比較，雙護(hù)盾TBM增加了撐靴系統(tǒng)和伸縮護(hù)盾，盾體較長。

1 工程概況

某輸水系統(tǒng)由輸水堰壩、進(jìn)口事故檢修閘、輸水隧洞（管道）等建筑物組成，全段采用有壓輸水方式，設(shè)計輸水流量10.5m3/s。輸水隧洞進(jìn)口位于進(jìn)口事故檢修閘后，末端接入供水工程管線，線路全長28.27km，采用TBM+鉆爆法施工，其中隧洞長25.65km（鉆爆法施工11.07km、TBM施工14.58km），管道長2.62km，管徑1.8m。

（1）鉆爆法施工段。從隧洞進(jìn)口到來巖支洞接入點處輸水主洞，共長3.72km。鉆爆法隧洞采用平底圓形斷面，開挖斷面洞徑3.6m，底寬2.8m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

（2）TBM+鉆爆法施工段。從來巖支洞接入點至長潭水庫庫尾山岸村TBM施工進(jìn)口處，共長18.79km，其中TBM段14.58km、鉆爆法步進(jìn)段4.21km?？紤]到出渣和排水方便，TBM施工從下游掘進(jìn)，中部在甘頭設(shè)施工支洞。步進(jìn)段分別位于來巖支洞下游（長2km）和甘頭支洞接入點上下游（各1km），采用鉆爆法施工。TBM設(shè)備從山岸經(jīng)210m長始發(fā)洞進(jìn)洞，通過甘頭步進(jìn)段后，掘進(jìn)至來巖支洞下游步進(jìn)洞，再經(jīng)來巖支洞出洞。TBM掘進(jìn)采用圓形斷面，開挖斷面洞徑4.0m，隧洞混凝土襯砌段約占總長的25%;步進(jìn)洞采用平底圓形斷面，鉆爆法施工，開挖斷面洞徑5m，底寬4m。

（3）下游段隧洞（鉆爆法）+管道。TBM下游接輸水隧洞管道，末端接入供水工程管線，全長5.76km，沿線采用隧洞和管道結(jié)合。其中隧洞長約3.14km，管道長約2.62m（跨庫管橋長0.64km），管道管徑1.8m。隧洞斷面采用平底圓形斷面結(jié)構(gòu)，開挖洞徑2.8m，開挖底寬2.2m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

2 工程地質(zhì)條件

隧洞沿線為硬質(zhì)巖地層，隧洞圍巖以角礫熔結(jié)凝灰?guī)r為主，晶屑玻屑含量一般小于10%，晶屑以石英、長石及少量暗色礦物組成，熔巖結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，膠結(jié)物為熔巖膠結(jié)，新鮮巖石致密堅硬。根據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗，新鮮巖塊抗壓強(qiáng)度110MPa～200MPa（見表1）。有壓洞線通過地段山體上覆巖體厚度一般為150m～600m，溝谷等處厚度較薄一般為60m～90m，長灘淺埋段上覆巖體厚度僅40m左右。沿線圍巖以Ⅱ類～Ⅲ類為主，穩(wěn)定～基本穩(wěn)定，f=3～5，k0=30MPa.cm-1～50MPa.cm-1，需進(jìn)行襯砌或噴錨處理。斷層通過段圍巖以Ⅳ類～Ⅴ類圍巖為主，為不穩(wěn)定巖體，易發(fā)生坍塌，局部可能有涌水、突水現(xiàn)象，施工時應(yīng)做好安全預(yù)防措施，f=1～2，k0=5MPa.cm-1～10MPa.cm-1，需加強(qiáng)臨時支護(hù)措施并進(jìn)行襯砌加固處理。

3 TBM機(jī)型適應(yīng)性分析

3.1 單護(hù)盾TBM

本工程巖石單軸抗壓強(qiáng)度主要介于110～200MPa之間。而單護(hù)盾TBM主要適用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于50Mpa的軟巖隧洞，對本工程圍巖條件適應(yīng)性不足。單護(hù)盾TBM設(shè)備造價略低于雙護(hù)盾TBM，但與雙護(hù)盾TBM推進(jìn)方式相比，單護(hù)盾TBM推進(jìn)方式單一，僅能通過拼裝好的管片提供推進(jìn)支撐力，掘進(jìn)與管片拼裝不能同時進(jìn)行，掘進(jìn)效率比雙護(hù)盾TBM低。因此，從施工風(fēng)險、施工速度、施工成本方面綜合考慮，單護(hù)盾TBM不適合在本工程中應(yīng)用。

3.2 開敞式TBM與雙護(hù)盾TBM的適應(yīng)性對比

開敞式TBM和雙護(hù)盾TBM的設(shè)計方案已經(jīng)處于成熟階段，在國內(nèi)外有大量的工程實例，對施工中可能出現(xiàn)的問題具有豐富的應(yīng)對措施及方案，施工風(fēng)險較低。

（1）施工風(fēng)險對比。選擇開敞式TBM：在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，新成洞室需要大量施做初期支護(hù)，支護(hù)作業(yè)時間顯著超過掘進(jìn)時間，掘進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)常處于等待狀態(tài)。當(dāng)洞壁不能承受撐靴壓力，需要進(jìn)行特殊處理時，支護(hù)、清渣所占用的時間會更長。如出現(xiàn)這種情況，TBM的掘進(jìn)效率將受到影響，嚴(yán)重時會增加工期壓力。選擇雙護(hù)盾TBM：在高地應(yīng)力軟巖地段，或嚴(yán)重的斷層破碎帶，新開挖洞室出現(xiàn)較大收斂變形時，可能導(dǎo)致盾殼被卡死，人工干預(yù)輔助解困的難度極大;當(dāng)遭遇刀盤前方坍塌、掘進(jìn)方向控制困難，需要進(jìn)行預(yù)加固時，作業(yè)環(huán)境會受到嚴(yán)重限制;可能會造成多次較長時間停機(jī)，將大大拖延工期。

（2）施工靈活性對比。開敞式TBM操作空間較大，可以隨時直觀地對圍巖情況作出判斷;在設(shè)備配置上可以根據(jù)工程具體需要增加或加強(qiáng)某些功能。在TBM靠自身能力無法推進(jìn)，需要人工用鉆爆法輔助時，能夠使用多種方式對圍巖進(jìn)行處理。雙護(hù)盾TBM管片襯砌緊貼護(hù)盾進(jìn)行，前方作業(yè)空間封閉，這使得增加錨桿鉆機(jī)、超前注漿等設(shè)備后缺少必要的作業(yè)空間。同時由于較長的護(hù)盾，導(dǎo)致超前支護(hù)難度較大，在需要人工用鉆爆法輔助時，缺少靈活的處理措施，耗時較長。

（3）掘進(jìn)效率對比。開敞式TBM掘進(jìn)與襯砌分開進(jìn)行，隧洞貫通時間為開挖時間和襯砌時間之和。在圍巖良好地段，支護(hù)、清渣工作量較小，開敞式TBM的掘進(jìn)速度較高，基本上與雙護(hù)盾TBM持平。在圍巖狀況較差時，開敞式TBM極少出現(xiàn)卡機(jī)的現(xiàn)象，但是掘進(jìn)速度會由于大量的清渣支護(hù)工作大幅度下降。Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下，開敞式TBM能夠發(fā)揮很好的掘進(jìn)效果，破巖效率高且初期支護(hù)與棄渣清理工作量很小，如果設(shè)備狀態(tài)良好、施工組織合理，平均月進(jìn)尺可達(dá)到600～800m甚至更高。IV、Ⅴ類圍巖條件下，采用開敞式TBM施工，初期支護(hù)與棄渣清理工作量較大，參照蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺開敞式TBM在IV類圍巖中連續(xù)長距離掘進(jìn)的經(jīng)驗，如果合理配置初期支護(hù)與主機(jī)底部清渣設(shè)備，加強(qiáng)施工組織與管理，在設(shè)備維護(hù)良好的情況下開敞式TBM在IV、Ⅴ類圍巖中掘進(jìn)平均月進(jìn)尺可達(dá)400～800m。雙護(hù)盾TBM使用管片襯砌，掘進(jìn)與襯砌是同步進(jìn)行的，隧洞貫通即意味著隧洞完工，整體工期比開敞式TBM短。同時管片襯砌使得前方支護(hù)量大幅度減少，雙護(hù)盾TBM的掘進(jìn)效率比開敞式要高。另一方面，雙護(hù)盾TBM在圍巖破碎段容易出現(xiàn)盾體被卡死，TBM無法掘進(jìn)，處理極為耗時，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致數(shù)周甚至數(shù)月的停機(jī)，嚴(yán)重影響整體掘進(jìn)效率。

（4）經(jīng)濟(jì)性對比。開敞式TBM設(shè)備造價比雙護(hù)盾TBM低30%左右，初期支護(hù)的費用較鉆爆法隧洞相當(dāng)。同時開敞式TBM開挖的隧洞二次襯砌為現(xiàn)澆混凝土，較雙護(hù)盾TBM采用高標(biāo)號預(yù)制鋼筋混凝土管片成本低?？傮w上開敞式TBM的施工成本顯著低于雙護(hù)盾TBM。

4 結(jié)語

（1）國內(nèi)外大量工程實例的證明，開敞式TBM的設(shè)計理念、設(shè)計方案和施工方式處于成熟階段，針對隧洞開挖中可能遇到的問題有著大量可行的經(jīng)驗和措施，施工風(fēng)險較小。

（2）針對斷層破碎帶較多以及軟巖大變形等不良地質(zhì)情況，開敞式TBM的處理方式比其他類型TBM更為靈活，超前支護(hù)的實施更容易。最為重要的開敞式TBM發(fā)生卡機(jī)的概率很小，而雙護(hù)盾TBM在同等條件下，極有可能頻繁出現(xiàn)卡機(jī)，造成TBM停機(jī)數(shù)天甚至數(shù)月之久。

（3）開敞式TBM能相對其他類型TBM實現(xiàn)后退的功能，雙護(hù)盾TBM的后退必須拆除襯砌管片，工作量巨大，而且在拆除管片后，洞室由于缺少必要的支護(hù)導(dǎo)致大范圍坍塌的可能性較大。

（4）開敞式TBM的開挖效率低于雙護(hù)盾TBM，其開挖效率受巖石狀況影響較大，在不良地質(zhì)段月進(jìn)尺會有較大幅度下滑。但是通過加強(qiáng)TBM超前支護(hù)和初期支護(hù)的能力，配置高效的清渣設(shè)備，能夠最大程度減小圍巖狀況對TBM掘進(jìn)的影響，保證月進(jìn)尺保持在理想范圍內(nèi)，滿足工期的要求。

（5）本工程地質(zhì)情況總體上較好，隧洞沿線巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于90～200MPa之間，從地質(zhì)條件上看更適合采用開敞式TBM。

（6）開敞式TBM設(shè)備造價以及隧洞開挖支護(hù)單價都低于雙護(hù)盾TBM。

綜上所述，本工程TBM施工段建議選用開敞式TBM施工是相對最為穩(wěn)妥、施工風(fēng)險最小、性價比最高的施工方法，后期再結(jié)合場地、通風(fēng)、排水、供電等施工布置以及TBM組裝、調(diào)試、掘進(jìn)、步進(jìn)、支護(hù)、出渣、維修養(yǎng)護(hù)、拆卸、運輸?shù)纫?，進(jìn)一步優(yōu)化。

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