大伙房水库输水隧洞工程施工方法探析

孟庆玲

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

大伙房水库输水隧洞工程施工方法探析

孟庆玲

（辽宁省水文局，辽宁沈阳110003）

针对大伙房水库输水隧洞工程施工所采用的TBM技术，探寻该方法在隧洞施工中的选型适用性分析、支洞布设参数、单机掘进深度参数设定等方面应遵循的原则，同时有针对性地提出采取TBM法施工的组织管理对策，可为同类型水库输水隧洞工程的施工与管理提供决策依据。

大伙房水库；输水隧洞工程；TBM法施工；应用探析

1工程概况

大伙房水库输水隧洞工程采用TBM（Tunne1BoringMachine）掘进技术开展施工，该施工方法采用全断面隧洞掘进机械，完成掘进、出渣以及衬砌等联合工序的连续掘进施工方式，是融合了现代计算机控制、激光定位导向、电子传感测量、超前地质勘探以及远程通讯工程等多种高自动化功能的隧洞施工技术，具备施工数据采集、管理、姿态调控以及数据实时传输等信息化施工特征，同时较传统钻爆法具有快速、高效、安全、低成本以及环保等优点。因此，TBM法被广泛应用于交通、铁路、水利以及电力等隧洞的掘进施工中。通过探析TBM法在大伙房水库输水隧洞工程施工中应用的若干技术要点，以期为类似工程的施工与管理提供有益借鉴。

大伙房水库输水隧洞工程旨在解决辽宁省中部以及南部区域水资源短缺的问题，该工程横跨辽宁省本溪与抚顺2市，输水隧洞一期工程为长85.32km、洞径8.03m的特长水工隧洞，该隧洞将凤鸣与西江水电站尾水输送至大伙房水库，设计引水流量70m3/s，担负着向辽宁省南部以及中部地区7城镇输运生活与生产用水的重任。输水二期工

程隧洞段全长29.1km，洞径6m，设计流量60m3/s，担负着由大伙房水库往目标城市输水的任务。该隧洞施工须穿越数十条岩石断裂带以及多个地质单元与向斜构造，隧洞掘进时遭受透水、渗流以及围岩塌落等因素的威胁，地质条件十分复杂［1］。大伙房水库输水工程特长隧洞采取TBM法施工技术，隧洞断面主要采取马蹄形与圆形，在工程III～V类围岩普遍采用模筑30cm厚混凝土，同时喷锚支护喷涂12～16cm混凝土衬砌，每隔16m布设环向施工缝并设止水。TBM法施工技术具有经济合理、安全可靠且施工迅速等优点，通过优化TBM选型、选定合理的施工参数，从而在工程实践中有效避免该区域特殊地质条件可能引发的施工风险。

2TBM法在输水隧洞施工中的选型适用性分析

由于TBM法施工具有连续掘进、机械型号选型固定且施工受区域地质条件约束较大等特征，常设计采用开敞式TBM与护盾式TBM2种施工机型，且需要根据前期的地质勘探资料来确定TBM设备配置与具体施工方法，因此，施工区域地质外因与机械设备内因的配置选型条件优劣将直接影响到TBM法施工的造价成本甚至施工安全。有必要针对TBM法在大伙房水库输水隧洞施工的双护盾式、开敞式等多种选型进行探讨，具体选型应综合考量如下条件确定。

（1）破碎、软弱岩层中的选型适用性。大伙房水库输水工程特长隧洞在实施涉及破碎、软弱地层当中的掘进施工，因开挖面岩石粘合性较差，易造成围岩破碎等问题。开敞式TBM设备在掘进此类地层过程中须花费较长时间进行围岩支护，同时软弱围岩也未能给撑靴提供足够的反支撑力，因此不适于此类地层的掘进施工［2］。与开敞式TBM设备不同，双护盾式TBM设备可依托安装的管片支撑机械完成掘进开挖，适用于破碎、软弱岩层中的施工，且该选型下的施工作业人员处于管片与盾壳的的封闭保护空间中，作业环境更加安全。

（2）中、硬岩层中的选型适用性。大伙房水库输水特长隧洞的开挖涉及中、硬岩层中的掘进施工，该类岩层围岩自稳性强，岩体完整度高。作为配置了支撑靴的双护盾式TBM设备，虽具备在中、硬岩层中掘进的能力，但其须依靠掘进参数与岩渣特征方可进行配筋率管片的安置，且该选型设备辅助工序复杂、管片安置耗时长，施工掘进中随意性很大，因此不适合中、硬岩层的掘进施工［3］。鉴于此，开敞式TBM设备所具有的盾壳短且可使得掘进面尽早暴露的掘进特点便显现优势。开敞式TBM设备可简化对暴露岩面的支护，同时坚固的围岩也可为该类选型设备提供足够的反支撑力，从而推动刀盘顺利掘进。

（3）涌水岩层中的选型适用性。在大伙房水库输水隧洞施工地质勘探明显具有大规模涌水，且涌水量不大于0.5m3/min的岩层施工时，可采取少量钻孔并在刀盘前方进行全封闭式预灌浆处理。此时，开敞式TBM设备可通过加长主梁与顶、侧护盾，同时配置2台凿岩钻机进行预灌浆，即可正常掘进施工［4］。然而，双护盾式TBM设备因其盾壳与钻孔距离较长、钻孔角度大，造成掘进机械内部无法布设钻孔设施且钻孔成本较高，从而无法实现全封闭预灌浆处理，无法适用于涌水段的掘进开挖施工。

（4）环境与占地影响选型适用性。双护盾式TBM设备采取预制混凝土衬砌管片，相较于开敞式TBM设备普遍须占有大量的堆料场、预制厂房、蒸养设备与料源开采地。据测算，单台双护盾式TBM设备每个施工标段需预制混凝土管片13.2×104m3，单独布设混凝土衬砌管片预制厂与存放处需占地1.1×104m2，在对施工周边地表建筑物产生潜在威胁的同时，将加剧区域土壤侵蚀、水土流失以及地下水入渗［5］。因此，综合大伙房水库输水工程特长隧洞施工的地质与环境条件，开敞式TBM设备则更适用于该工程的掘进施工。

3TBM法施工参数探析

3.1TBM法施工支洞布设参数设定

采用TBM法施工大伙房水库特长输水隧洞工程，为最大限度满足施工通风、设备检修、出渣运输以及电压稳定等基本施工条件参数，宜依据如下措施设置施工支洞：①尽量缩短作业面通风距离，保证通风效果，降低风量损失，且可将通风支洞保留为永久支洞以满足后期隧洞输水对补齐的需求。②支洞设置应便于对TBM设备的检修与保养，保证单机掘进深度的基本要求，同时可对钻爆法施工提供作业面，以弥补TBM法施工因地质、设备条件制约所带来的风险［6］。③支洞应以缩短出渣输运带的运输距离降低设备造价，缩短供电距离降低电压损失为重要考量对象，从而在降低工程造价的同时为掘进施工提供可靠的电力保障。

3.2TBM单机掘进深度参数设定

针对大伙房水库输水工程深埋隧洞的掘进施工，须在确定TBM法施工洞轴线长度之后，采取综合经济技术指标对比论证，设定TBM设备单机的掘进深度参数，从而确定TBM设备所需台数［7］。TBM设备单机掘进深度可由下式计算：

单机掘进深度=设计运转时间·净掘进速

率/安全系数（1）

净掘进速率=Ib·Kd·Ks·转速·60/1000（2）式中：净掘进速率—额定功率下TBM所有刀盘掘进1h的进尺，m/h；Ib—每转基本掘进量，mm/r；Kd—岩体节理类型与间距修正系数；Ks—刀盘直径修正系数。

由式（1）与式（2）可知，影响大伙房水库输水工程隧洞TBM法施工单机掘进深度的制约因素包括岩石强度指标、岩体裂隙密度、围岩特征、TBM推力强弱、刀盘尺寸与形状以及相应的转矩与转速等指标。据此，大伙房水库输水隧洞工程TBM法实际施工中的单机掘进深度按20km控制为宜，相关主轴承的设计与配件供应亦按此要求。

4TBM法施工组织管理对策

在大伙房水库输水工程隧洞TBM法施工过程中，施工组织管理水平将直接影响施工掘进的质量、进度、造价以及安全，TBM法施工宜遵循如下施工组织管理措施。

（1）信息反馈管理措施。应现场搜集地质情况、围岩类型等多种施工进度影响信息，据此及时调整掘进参数。另外，TBM法施工现场工程师应对设备制定周、月工作计划以及配件购买计划，保障备件供给，同时开发适用于TBM备件储存与管理的信息库，构建常用易损备件合理库存量预警制度。

（2）设备维护管理措施。在TBM法施工过程中，应强化针对TBM主机设备以及关键配套部件的检修、保养力度，严格控制掘进作业每日工作量在18h之内，实行每日4～6h的强制性保养制度。同时设立TBM工地检测室，结合光谱、铁谱分析，对相关系统、部件的动态运行状态进行监控与诊断，从而确保TBM施工机械的良好工作状态。

（3）技术应用管理措施。为充分发挥TBM法施工快速掘进的优势，现场技术人员应选定合理的连续皮带机出渣形式，单台TBM掘进机出渣强度宜设置在900t/h以上，最长距离宜设置在10km以上［8］。同时，掘进施工中宜采取变频电动机来驱动达19in的大直径刀盘，从而提升工程施工的质量与进度。

4结语

大伙房水库输水隧洞工程采取TBM法掘进施工，实现了隧洞全线高精度贯通的目标，表明采用TBM法施工可满足特长隧洞掘进过程中遇到的隧洞涌水、围岩支护稳定要求，拥有较强的中、硬岩体施工适用性，同时掘进采取锚喷支护、模筑混凝土衬砌结构等措施既科学合理，又符合工程实际。大伙房水库输水隧洞工程的顺利实施为类似工程的实施积累了宝贵经验，为相关施工规范的修改与编制提供了实践依据。

［1］刘国华，李玉芹，曲长海.大伙房水库输水工程TBM施工方法研究［J］.东北水利水电，2008（03）：47-49.

［2］王跃峰，王立选，邵月顺.深埋特长隧洞TBM施工初探［J］.水利技术监督，2005（04）：42-45.

［3］孙千.开敞式全断面硬岩掘进机（TBM）在长大隧洞施工中的应用［J］.水利规划与设计，2015（06）：1.

［4］孙洪凯，祁海燕，潘旭，等.TBM在隧洞不良地质条件下的施工技术［J］.水利规划与设计，2015（06）：78-79+82+96.

［5］李文富，伊长友，狄鑫卓.大伙房水库水库输水工程TBM施工管理方法［J］.华北水利水电学院学报，2011，32（04）：61-64.

［6］蔡文华，刘长喜.引洮总干渠9#隧洞TBM设备施工应用及技术探讨［J］.水利规划与设计，2012（02）：61-64.

［7］贺红效.TBM长隧洞施工质量控制的关键技术［J］.水利技术监督，2008（01）：10-11+19.

［8］张军伟，梅志荣，高菊茹，等.大伙房水库输水工程特长隧洞TBM选型及施工关键技术研究［J］.现代隧道技术，2010，47（05）：1-10.

TV672+.1

B

1008-1305（2016）03-0086-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.033

2016-04-02

孟庆玲（1967年—），女，高级工程师。