鄂北水资源配置工程宝林隧洞TBM施工方法初探

罗 岚，沈立群

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北 武汉 430064)

鄂北水资源配置工程是国家重点推进、优先实施的172项重大水利工程之一，输水线路上共有隧洞55座，合计长度119.43km，占线路总长的44.3%。其中宝林隧洞连续洞长13.84km，是工程沿线工期最长的节点性工程之一。宝林隧洞纵坡为

1/9600，沿程输水流量为3.5m3/s。隧洞沿线地面高程118.3～750m，相对高差630m左右，为中低山地形。隧洞最大埋深647m，平均埋深239m。围岩多以Ⅱ～Ⅲ类为主，岩性为白云钠长片麻岩、混合片麻岩和黑云奥长混合片麻岩；进出口和断层破碎带为Ⅳ～Ⅴ类，成洞条件相对较差。隧洞横断面型式为城门洞形及圆形，过水断面净宽3.2～6m。

表1 宝林隧洞围岩工程地质分类

宝林隧洞上覆中华山国家森林公园，地势高，山体雄厚，若采用传统爆破方式施工，对周边生态环境将会产生较大破坏，而从自然环保、区域地形等方面都不利于布置施工支洞。为最大限度减少工程建设对生态环境的影响，最终采用采用钻爆法与TBM法(全断面隧道钻掘机掘进)联合施工。进出口合计3.24km岩石条件差，采用钻爆法施工；中部Ⅱ～Ⅲ围岩段长10.6km，采用1台TBM施工。TBM工法在湖北省水利工程上投入使用尚属首创，其施工方法对水利工程建设新技术、新设备、新工艺的探索实践具有重要意义。本文将根据宝林隧洞的地质和施工条件，从TBM设备选型及其施工方案设置等方面初步探讨施工方法。

1 TBM设备选型

1.1 地质条件

TBM是专用性很强的工程机械，对地质条件的适用程度差，这在很大程度上使得地质条件成为TBM施工最重要的限制因素[1]。

宝林隧洞围岩分类及统计[2]见表1、2。

表2 宝林隧洞围岩类别统计

线路地层均为不透水隔水岩层，地下水主要表现为风化裂隙中的裂隙潜水。未见到泉水出露。沿线的断层带多为胶结较好的糜棱岩，其透水性弱。沿断层也未见泉水出露。

通过评价岩体完整性、围岩强度应力比、岩石饱和单轴抗压强度进行适宜性评价，认为宝林隧洞中部10.6km的工程地质条件适合TBM施工[3]。

1.2 TBM类型选择

不同类型的TBM有不同的特点，适用于不同地质环境，TBM型式选择的适当与否决定了工程进度甚至关乎工程的成败[4]。

TBM可分为开敞式、单护盾式、双护盾式和扩孔式，单护盾式和扩孔式TBM国内尚未被采用，一般在开敞式TBM和双护盾TBM两者之间选择[1]。对TBM的选型从地质适应性、工期、工程设计、掘进性能和速度、现场条件、设备费用和施工成本等角度进行综合分析，详见表3。通过比较，认为开敞式TBM更适合宝林隧洞施工。

表3 开敞式TBM与双护盾TBM的比较

2 TBM施工

2.1 开敞式TBM施工工艺

开敞式TBM可根据岩性不同选择配置临时支护设备，进行隧洞施工的主要作业包括TBM掘进、出渣、初期支护和轨道铺设等，辅助作业包括隧洞通风、供电、供水、排水等，其施工关系及过程[7]如图1所示。TBM设备的推进过程也就是施工的掘进过程。“掘进—排运—运输”“运输—支护—掘进”2个过程是采用开敞式TBM施工的基本作业。其施工作业程序[8]如图2所示。

图1 开敞式TBM施工关系及过程

图2 开敞式TBM施工作业程序

2.2 TBM的施工

桩号247+500～258+100间10.6km采用开敞式硬岩掘进机(TBM)施工，最小开挖直径4m；开挖后Ⅱ类围岩段采用一次喷锚支护，Ⅲ类围岩洞段采用喷锚+衬砌复合支护方式。隧洞出渣运输采用有轨运输，采用变频电动机车牵引编组列车。

采用掘进机施工须加强地质预报工作，对开挖面前方50～100m范围内的地质情况应有准确的预报。掘进机施工必须对各个工序、工艺实施标准化管理，操作必须实行标准化作业。

宝林隧洞出口场地比较开阔，可在隧洞出口组织TBM组装调试，主机与后配套分别在2个场地同时进行。组装、调试完成后，TBM由组装位置到洞口、以及在隧洞出口390m钻爆法施工段将采取步进的方式通过，待TBM主机与后配套设施滑行至始发洞段后，由撑靴支撑洞壁提供主机掘进的反作用力，使TBM向前推进。TBM掘进的过程中渣料通过后配套设施直接运至洞口，装自卸汽车运至指定弃渣场。临时支护和一次支护洞段可在掘进过程中在护盾的保护下与掘进同时完成，二次支护可等隧洞全面贯通后进行，亦可在不影响掘进的前提下同时进行。

在桩号247+460～247+500设置拆卸洞室对主机和后配套设施进行拆卸，拆卸洞室设计为铆钉形，洞内安装2×25t桥吊，断面尺寸6m×6m×40m(宽×高×长)。TBM到达拆卸洞室后，将主机和后配套分离，边拆边采用无轨方式将部件从隧洞进口运输出洞。先拆卸主机部分，再逐步将后配套推进至拆卸洞室，逐节推进逐节拆卸。

3 实际施工效果

实际用于工程的TBM是铁建重工自主研制的“鄂北宝林号”，如图3所示，是专门为鄂北工程量身定制的敞开式硬岩隧道掘进机，也是国内首台完全拥有自主知识产权的最小直径敞开式硬岩隧道掘进机。其开挖直径4m，长度290m，重约750t，总装机功率约2400kW。每日可掘进25～30m，是常规钻爆法掘进尺度的8～10倍，设备于2017年2月21日主机进洞安装调试，4月5日正式开始掘进，目前实现月掘进进尺770m，创国内同类TBM掘进新纪录[9]。

4 结语

宝林隧洞是鄂北地区水资源配置工期最长的节点性工程之一，本文根据宝林隧洞的地质和施工条件，初步探讨了宝林隧洞的TBM施工方法。研究表明。

图3 鄂北宝林号图

(1)从对地质适应性、工期、工程设计、掘进性能和速度、现场条件、设备费用和施工成本等方面综合来看，宝林隧洞适宜于采用开敞式TBM施工方案。

(2)宝林隧洞开敞式TBM施工方法为，在桩号247+500～258+100间10.6km采用开敞式硬岩掘进机(TBM)施工，最小开挖直径4m；开挖后Ⅱ类围岩段采用一次喷锚支护，Ⅲ类围岩洞段采用喷锚+衬砌复合支护方式。隧洞出渣运输采用有轨运输，采用变频电动机车牵引编组列车。在隧洞出口组织TBM组装调试，组装、调试完成后，TBM由组装位置到洞口、以及在隧洞出口390m钻爆法施工段将采取步进的方式通过。TBM掘进的过程中渣料通过后配套设施直接运至洞口，自卸汽车运至指定弃渣场。在桩号247+460～247+500设置拆卸洞室对主机和后配套设施进行拆卸。

(3)从实际施工效果看，用于宝林隧洞工程的TBM是铁建重工自主研制的“鄂北宝林号”，其开挖直径4m，每日可掘进25～30m，是常规钻爆法掘进尺度的8～10倍，目前实现月掘进进尺770m，掘进效果良好。