TBM法掘进技术在大伙房水库输水隧洞工程施工中的应用

白大成

(辽宁巨隆达水利工程监理有限公司，沈阳 110001)



TBM法掘进技术在大伙房水库输水隧洞工程施工中的应用

白大成

(辽宁巨隆达水利工程监理有限公司，沈阳 110001)

对大伙房水库输水隧洞施工地区进行地质勘探后决定施工方法采用TBM法。对施工方法在隧洞施工中机型选择进行分析，对支洞布设参数的设置进行全面的考虑。在充分考虑施工要求后对单机掘进深度进行合理化设置，针对TBM法施工提出了相应的组织管理策略，本文的研究将为类似工程的施工与管理提供可参考的实现数据。

大伙房水库；输水隧洞工程；TBM法施工；应用探析

大伙房水库输水隧洞工程的施工过程采用的是TBM法掘进技术，该施工方法所选用的掘进机械是全断面隧洞掘进机，这种机械能够使掘进、出渣以及衬砌等工序同时进行，这样能够使工期大大缩短。该隧洞掘进机械的自身还融合了多种现代自动化技术，其中主要包括计算机功能控制、激光扫描定位、地质勘探与钻探以及协助远程通讯等，在施工的过程中还能够实现数据采集传输功能，与传统钻爆法相比，具有安全可靠、快速高效、低耗环保等特点。因此，TBM法在铁路交通、水利电力施工建设中得到了广泛的应用。通过对大伙房水库输水隧洞工程施工中选用TBM法进行相应探究，希望对日后类似工程的施工与管理起到一定的参考和借鉴作用。

1 工程概况

大伙房水库地处辽宁抚顺境内，对该水库进行输水隧洞工程建设意在解决该水库流经区域水资源短缺的问题，输水隧洞建成后横跨本溪与抚顺两市，此项工程一期建设需完成长达85.32km、洞径宽度 8.03m的施工任务，该隧洞建成后可将凤鸣与西江水电站尾水运送到大伙房水库，流速可达70m3/s，从而能够使辽宁省南部以及中部城镇水资源短缺的问题得到有效缓解。二期工程需要建设长达29.1km、洞径 6m的隧洞，设计流速为60m3/s，该隧洞建成后主要负责大伙房水库与目标城市之间的输水任务。该隧洞在施工过程中须穿越的岩石断裂带高达数十条以及多个地质单元，施工难度极大，掘进时经常遇到透水、渗流以及围岩塌落等情况。为了使施工过程中受环境因素影响最小，大伙房水库输水工程隧洞施工时采用了TBM法施工，主要选用马蹄形与圆形作为隧洞断面的形状，在围岩上普遍模筑厚度为30cm的混凝土，通过环向施工缝的布设实现止水。施工建议中采用TBM法，能使工程的成本、安全可靠性能、工期得到保障。通过对TBM选型的优化、施工参数的合理化选定，从而能够有效避免施工过程中由于地质条件、施工环境所导致的施工风险的发生。

TBM法在施工过程中具有连续掘进、机械型号固定且施工过程中会受到一定的地址条件影响等特征，TBM法施工常用的机型有两种，分别是开敞式TBM和护盾式TBM，在施工之前需要对施工地区的地质条件进行探勘探，然后选定机型和具体施工方法，因此，施工区域的地质条件和机械设备的选型是直接影响TBM法施工成果的关键。鉴于此，为了使TBM法在大伙房水库输水隧洞施工过程顺利进行，有必要对TBM法的具体选型方式进行探究，根据如下情况进行选择。

1.1 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掘进施工时会遇到破碎、软弱地层，开挖面没有良好的黏合性，容易发生围岩破碎、塌落。开敞式TBM设备在对此类地层掘进时需要花费大量时间进行行围岩支护，但是软弱围岩不能满足撑靴所需要的反支撑力的要求，因此该方式对此类地层的掘进施工并不适用。与开敞式TBM设备相比，双护盾式TBM设备在掘进过程中，凭借自身所安装的管片支撑机械能够完成开挖工作，因此，该方式能够满足破碎、软弱岩层中的施工要求，选用这种机型由于施工人员处于管片与盾壳的的封闭保护空间中，施工人员的人身安全得到了保障。

1.2 中、硬岩层中的选型适用性

大伙房水库输水工程特长隧洞在掘进施工时会遇到中、硬岩层，该类岩层围岩稳定性好，岩体具有较高的完整度。双护盾式TBM设备自身配置了支撑靴，具备在这类岩层中开展掘进工作的能力，安置配筋率管片需要依据掘进参数与岩渣特征来进行，且该选型设备施工中需要复杂的辅助工序与之配合，施工掘进时具有较大的随意性，因此，该方法不适合在此类岩层掘进施工。鉴于此，开敞式TBM设备具有较短的盾壳，在掘进过程中能够使掘进面尽早暴露出来。这样一来对暴露岩面的支护工作可被简化，同时坚固的围岩也能够满足反支撑力的要求。

1.3 涌水岩层中的选型适用性

在对大伙房水库输水隧洞工程进行地质勘探时发现有明显的大规模涌水现象，根据相关施工标准要求，对涌水量<0.5m3/min的岩层进行施工时，在刀盘前方可采用全封闭式预灌浆处理后进行钻孔。此时，选用开敞式TBM设备通过加长主梁并与顶、侧护盾配合工作，即可使施工顺利进行。而双护盾式TBM设备因其盾壳与钻孔之间存有较大距离，导致无法在掘进机械内部安装钻孔设施，大大提高了钻孔成本，且全封闭预灌浆处理也不能实现，所以双护盾式TBM设备不适合涌水段的掘进施工。

1.4 环境与占地影响选型适用性

双护盾式TBM设备在掘进施工时需要预制混凝土衬砌管片，与开敞式TBM设备相比需要占据大量的空间作为堆料场以及预制厂房。据相关资料表明，每台双护盾式TBM设备完成一个施工标段需要消耗的混凝土管片为13.2×104m3，布设这些混凝土衬砌管片所需要的预制厂以及存放管理，占地面积为1.1×104m2，这样将在一定程度上给周边的地表建筑物造成威胁。因此，综合考虑大伙房水库输水工程特长隧洞的实际施工条件，该工程在施工时选用开敞式TBM设备更为合适。

2 TBM法施工参数探析

2.1TBM法施工支洞布设参数设定

采用TBM法进行隧洞工程施工时，为了能够最大限度地使施工过程中隧洞通风良好、设备能够及时检修、出渣运输通畅以及所用电压稳定，施工支洞的设置应按照如下要求进行:

1)尽量将作业面通风距离控制在最小的范围内，减少风量损失，确保良好的通风效果，为了通风支洞的作用最大限度地发挥，可保留为永久支洞，这样可以满足隧洞建成后输水时对换气的要求。

2)支洞设置应为TBM设备的保养与维护提供方面，保证单机掘进深度满足施工要求，同时为后续采用钻爆法施工提供工作面，从而使TBM法施工所存在安全风险得到缓解。

3)支洞设置也要将缩短出渣输运带的运输距离和供电距离考虑其中，这样能降低造价、减少电压损耗，节省整个工程的成本。

2.2TBM单机掘进深度参数设定

采用TBM法对大伙房水库输水工程隧洞的掘进施工时，须在对洞轴线长度确定以后，采用相关施工技术标准进行对比论证，从而对单机的掘进深度进行设定，然后可计算出需要几台TBM设备。结合大伙房水库的地质特征对TBM设备单机掘进深度有影响的因素主要有：岩体的强度及裂隙情况、围岩的稳定性、TBM设备的推力、刀盘运转的转矩与转速等，通过对这些影响机械掘进深度的因素分析，采用TBM法对大伙房水库输水隧洞工程施工建设时，单机掘进深度控制20km左右最为合适，相关配件的选取也以此为标准。

3 TBM在大伙房水库输水隧洞工程中的施工设计

通过对大伙房水库输水隧洞施工区域进行地质勘探可知，该区域地质相对较于稳定，没有区域性严重的深大断裂，是属于区域构造比较稳定的地区；洞室地温满目施工要求，无异常；测试地应力场分布，测试值属于中等水平，分布均匀。同时，发现六河河谷一带岩体存在严重的透水现象，因此，隧洞开挖时很可能遇到集中涌水的问题；穿越洞线的几条较大断层，随着隧洞挖掘工作的跟进很可能因渗流透水而导致塌落，使洞室围岩稳定性存在隐患。

大伙房水库输水隧洞一期工程洞径长度达85.32km、宽度 8.03m，属大断面超长隧洞。根据施工区域地质特性、施工建设的相关要求、钻爆法以及其他施工方法综合分析比较，施工过程将主要采用TBM法，钻爆法作为辅助施工方法。根据前问地质条件与适用机型的分析，选择3台开敞式TBM掘进设备，根据前文相关参数的分析单机掘进深度控制20km左右最为合适，出渣方式上首次采用了连续皮带机进行传送。为了使TBM单机掘进长度得到有效保障，在TBM法所涉及的施工段中可在恰当位置设置施工支洞。

4 TBM法施工组织管理对策

采用TBM法进行大伙房水库输水工程隧洞工程施工过程中，施工组织管理水平将对工程的质量、造价、工期等有直接的影响，因此，在TBM法施工之前应制定好相应的组织管理措施。下面对组织管理措施进行详细的介绍：

4.1 信息反馈管理措施

施工现场的地质变化情况、围岩类型等对施工进展造成影响的信息及时收集，根据实际情况调整掘进参数。TBM法施工现场应有专门的设备养护人员，根据损耗制定设备配件购置计划，保障配件充足供给，同时对TBM设备的日常工作情况做好及时记录，最好为此开发一个储存与管理信息库方便查阅，对常用易损配件建设合理库存量及预警提示。

4.2 设备维护管理措施

在施工过程中采用TBM法时，应注重对掘进工作起决定性作用的设备及其配套部件做好检修与维护，保障设备的工作质量，将每日作业时间严格控制在18h之内，确保每日有4-6h的保养时间。同时在工地设置TBM检测室，对设配系统运行情况、零部件的磨损程度进行监控与诊断，保障TBM法所选用的施工机械在整个工作过程中都处于良好的状态。

4.3 技术应用管理措施

为了使TBM法施工掘进的快速性得到最大限度的发挥，就要保证出渣过程连续快速，单台TBM掘进机每小时的出渣量可设置在900t以上，最长距离应设置在10km以上。由于掘进设备的刀盘长达48.26cm，因此，应选择变频电动机来驱动较为合适，从而使施工质量和进度得到有效保障。

5 结 语

大伙房水库输水隧洞工程掘进施工中采用TBM法，这种方法的应用满足了特长隧洞掘进工作的要求，并且能够有效解决隧洞涌水影响掘进施工的问题，改善围岩支护的稳定性，因此，文章所述方法特别适合在中、硬岩体施工中采用，同时掘进过程中采用了科学合理的防塌落方法，即模筑混凝土衬砌结构，这十分符合工程的实际施工情况。大伙房水库输水隧洞工程施工建设的顺利完成将为类似工程的施工提供很多参考和借鉴，为相关施工规范的制定与完善提供了数据。

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1007-7596(2017)02-0134-03

2017-02-12

白大成(1980-)，男，辽宁丹东人，助理工程师，研究方向为水利工程监理。

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