TBM穿越河谷施工技术研究

刘国柏

(辽宁润中供水有限责任公司, 辽宁 沈阳　110015)



TBM穿越河谷施工技术研究

刘国柏

(辽宁润中供水有限责任公司, 辽宁 沈阳110015)

随着TBM施工技术在超长水工隧道中的大量运用，穿越有水河谷就成为不可避免的工程问题。本文以应急入连工程输水隧洞横穿天马河TBM施工为例，对施工过程中的技术问题和防水措施进行了研究，结论对类似工程具有借鉴价值。

TBM施工； 天马河； 防水措施

1　工程概况

1.1工程简介

大连市位于辽宁省南部，三面临海，是辽宁严重资源型缺水城市之一。大伙房水库输水应急入连工程是为了进一步缓解大连市用水紧张而实施的重要水利工程，该工程设计调水量为每年3亿m3，能够极大缓解大连市水资源不足的现状。工程以碧流河水库为界分为碧流河北段工程和碧流河南段工程，线路总长201.32km。其中碧流河北段工程长165.07km，包括150.96km的输水管线和14.11km的输水隧洞。根据管线的总体布置，隧洞位于盖州市境内，入口位于许屯镇任屯村，出口位于梁屯镇杀虎岭村北碧流河北岸[1]。输水隧洞采用TBM盾构施工工法，其中穿越天马河施工地段水文地质情况异常复杂，给施工带来了一定困难。

1.2项目区水文地质特征

输水隧洞穿越天马河河谷地段的地层主要是泥质砂岩和砂岩，风化程度中等。据前期地质采样分析，岩层的最大强度为30.27MPa，最小强度为5.25MPa，地层软硬不均、强度变化较大、破碎程度高，隧道的最大埋深为70.89m，最小埋深仅为12.13m。

施工段的地表水主要是天马河的地表径流，该河道常年有水，谷深流急，且汛期多短时洪水，水文特征比较复杂。施工段的地下水主要是松散岩孔隙水和基岩裂隙水。其中基岩裂隙水埋深为0.00～11.23m，并偶见自流孔。复杂的水文地质环境，给施工过程中的防水、防渗技术提出了更高的要求。

2　TBM穿越天马河河谷的施工措施

2.1前期准备工作

负责具体施工的项目部全体成员进行了充分的思想动员，为TBM穿越天马河河谷施工做好了思想、技术、物资等方面的充分准备，以确保TBM机能够顺利通过河谷段，使成型隧洞满足项目设计标准。具体准备工作如下：

a.组织相关技术人员熟悉穿越段天马河河谷的水文地质资料，走访附近松树底村村民，力争对河谷地段有一个详尽、客观的了解，以便将施工参数调整到理想状态。

b.在横穿施工开始前，对TBM机等相关设备进行一次全面检修，特别是要做好刀具检查，确保施工机械处于最佳状态[2]。

c.加强TBM机的姿态控制，避免横穿河谷施工中在姿态上出现较大偏差，杜绝在横穿河谷地段大幅纠偏。

d.对前一阶段的施工经验进行总结，针对河谷地段的具体情况进行施工参数优化，使TBM机能够以最佳参数通过河谷地段。

2.2施工过程中的具体技术措施

选取施工过程中的前10环作为试验段，以试验获取的经验数据优化施工参数、完善施工工艺，保证TBM机能够有序、平衡、平稳通过天马河河谷地段。

a.施工过程要做到组织有序。主要包括施工设备的保养有序、施工流程的安排与衔接有序以及施工过程的信息管理有序[3]。

b.保持TBM机的平衡。首先，要严格控制出渣量，每环不得超过50m3，避免因为超挖造成地表扰动，将透水事故降低到最小限度；其次，将刀盘转速控制到0.9～1.1r/min，刀盘扭矩不超过2.8～3.7kN·m，推进速度控制在2.5cm/min以内；最后，尽量控制好TBM机的姿态，对出现的姿态偏差进行实时纠正，使TBM机的轴线控制偏差保持在15mm以内，严禁穿越河谷地段施工中进行超量纠偏，避免TBM机的蛇形运动。

c.保持TBM机的平稳[4]。首先是姿态平稳、避免蛇形，每环姿态变化量不超过4mm；其次是管片平稳，不仅要做好盾尾间隙测量，还要防止尾刷与管片碰撞导致的管片变形与密封性能下降；最后要保持推进速度的平稳，必要时可通过注入塑料的方法改善渣土性能，防止涌水流砂和喷涌现象的发生。

2.3TBM机通过后的补强措施

a.二次注浆措施。TBM机同步注浆固然重要，但也存在浆液收缩产生缝隙的问题。因此，二次注浆不仅可以弥补衬砌的上述缺陷，还可以提高衬砌的止水能力。

b.为避免管片变形对地层产生扰动，施工中要求对管片的螺栓进行三次复紧。也就是管片拼装时进行首次拧紧；在推出盾尾后进行复紧；在后续盾构掘进至拼装环片时，对已经成环的管片螺栓进行三次复紧，并予以全面检查。

2.4加强施工监测

TBM浅层穿越有水河谷具有一定的危险，因此要在施工的全过程进行周边地质环境监测[5]。对可能危及施工安全和影响周边环境安全的隐患进行准确预测，以便及时采取应对措施。在监测过程中，控制基准和预警阈值的确定不仅要满足工程设计要求，还要满足监测对象的安全要求，不能超出设计值。

3　施工过程中的防水防渗漏技术措施

由于项目段地下水位较浅，水文地质情况十分复杂，因此在施工过程中要采取有效技术措施，防止施工隧道的渗漏水情况。根据以往施工经验，TBM施工过程中的渗漏水问题主要表现在三个方面：一是环缝渗漏，二是纵缝渗漏，三是管片螺栓和吊装孔渗漏。因此，在施工过程中针对上述情况，采取了如下防渗漏技术措施。

3.1管片自防水

管片的防水质量对隧道防水效果有决定性作用[6]，因此该施工段采用C50高强度混凝土制作防水混凝土管片，其抗渗等级设计为P12。要严把管片生产质量关，在生产过程中不仅要满足塌落度和最小水泥用量要求，还应该做好养护工作，养护强度不得低于设计要求。在管片外弧侧面设计三元乙丙橡胶密封垫止水结构，以形成闭合的防水圈。

密封垫防水的原理是在防水混凝土管片预留的防水凹槽内贴密封止水垫，在施工中压缩密实而实现防水功能，在变形缝处要在密封表面设计遇水膨胀橡胶。三元乙丙橡胶密封垫的质量是影响管片密封效果的直接因素，在使用前必须进行质量检测，具体检测指标如表1所列。表中数据均是以密封垫的成品进行切片测试的结果，如果以橡胶样品测试，检测指标应在表格数据的基础上提高20%。

表1　三元乙丙橡胶密封垫检测指标

在密封垫粘贴前要先将混凝土管片的预留凹槽清理干净并保持干燥，粘贴时要在凹槽内侧涂刷阻燃粘贴剂，该次施工中选用的是氯丁-酚醛粘贴剂。涂刷过程分两次进行，在第一遍涂刷表面初干时再涂刷第二遍，然后等待15min左右，待粘合剂中的溶剂基本挥发之后将两个粘合面合在一起并压实。

3.2螺栓孔与注浆孔防水

在该施工地段的施工中采用遇水膨胀橡胶圈进行螺栓孔和注浆孔防水，橡胶圈的规格为外径35mm，内径20mm，其性能指标如表2所列。表中数据均指以密封垫的成品进行切片测试的结果，如果以橡胶样品测试，检测指标应在表格数据的基础上提高20%。

表2　橡胶止水圈的性能指标

3.3TBM机进出隧洞防水

施工中隧洞与端头井的接头处是防水的重点和难点区域，这里拐角较多，结构复杂，十分容易发生渗漏水现象。此外，TBM机在进出隧洞时由于压力骤降，混凝土管片容易产生接缝处漏水现象。因此在TBM机进出隧洞时应采用以下防水措施：

a. TBM机进洞前，隧洞口要通过基坑维护桩以及混凝土临时封堵的方法进行防水。

b.在开放隧洞口后，TBM机应该在最短的时间内推低工作面，同时以帘布橡胶板及时封闭隧洞口，如下图所示。TBM机到达时，要迅速推出洞门并迅速用水硬性浆液封闭洞口。

c.施工过程中如果产生洞门渗漏，要先进行导流再浇灌混凝土，在其有足够强度的情况下进行化学固结灌浆。

帘布橡胶板设置示意图

3.4其他防水措施

a.封顶块插入时如果摩擦力较大，可以考虑涂抹润滑剂，以防止橡胶密封垫被挤出或损坏，影响防水效果。

b.在遇水膨胀橡胶的表面涂刷缓膨胀剂。

c. TBM机进洞时，前方的阻力明显减小，极易造成管片之间由于缺少足够的压力而密实度不够，此时不仅要紧固螺栓，必要时可以采取纵向拉紧措施。

4　结　论

本文以大伙房水库应急入连工程穿越天马河河段的TBM施工为例，对TBM横穿河谷施工技术进行了研究与总结，得到如下结论：

a.项目区水文地质条件异常复杂，给TBM施工带来了不小的技术挑战。

b.研究得出TBM横穿河谷施工过程中的一些具体举措：施工前要做好周密准备，特别是做好TBM机的检修与姿态控制；施工中要保证TBM机有序、平衡、平稳掘进；TBM机通过后要及时进行二次注浆和三次紧固措施。

c.针对施工中极易发生的渗漏水问题，提出具体、有效的防水措施。

[1]李瑞,姜政同,丁子栋.大伙房水库输水应急入连工程建设综述[J].水利建设与管理,2012(S1):1-2.

[2]吴世勇,周济芳.锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究[J].岩石力学与工程学报,2012(8):1657-1665.

[3]杜士斌.开敞式TBM在大伙房输水隧洞工程中的应用[J].水利水电技术,2010(1):48-53.

[4]黄小军,王建有,杨晓迎.大伙房水库输水工程TBM1施工段输水洞安全监测分析[J].水利水电技术,2010(6):72-75.

[5]刘宁,张春生,褚卫江,等.深埋破碎岩体TBM掘进风险评估与应对[J].岩石力学与工程学报,2015(S1):3348-3355.

[6]刘东海,黄培志,冯守中.地质条件不确定性下TBM管片结构失事概率计算[J].岩土力学,2010(4)：1181，1186,1192.

Research on TBM crossing valley construction technology

LIU Guobai

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110015,China)

Crossing water valley becomes an inevitable engineering problem with the massive application of TBM construction technology in super-long hydraulic tunnel. In the paper, Emergency Dalian Diversion Project water conveyance tunnel crossing through Tianma River TBM construction is adopted an example. Technology problem and water-proof measures in the construction process are studied. The construction has reference value on similar projects.

TBM construction; Tianma River; waterproof measures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2016.10.005

TV554

A

1005-4774(2016)10- 0016- 03