浅谈某输水隧洞工程施工TBM机型选型应用

朱方剑

【摘 要】根据开敞式TBM、单护盾TBM、双护盾TBM作业特性，参照以往工程实例和经验，结合本工程地形地质条件等因素，通过施工风险、施工灵活性、掘进效率、经济性等综合比较分析，最后建议选用开敞式TBM作为本工程输水隧洞的主要施工设备。

【关键词】输水隧洞;TBM;开敞式

中图分类号： TV672 文献标识码： A文章编号： 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 全断面隧道掘进机）是集机、电、液、光技术于一体的高度机械自动化的地下工程施工设备，具有安全、优质、高效、快速、环保等特点，在深埋地下超长隧洞工程施工领域具有广泛的应用前景[1]。其原理是利用掘进机旋转刀盘上的圆形滚刀挤压剪切破碎岩体，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带机上向后输送，再通过牵引矿渣车或隧洞连续皮带机运渣到洞外[2]。目前TBM按护盾形式主要分为开敞式TBM、单护盾TBM、双护盾TBM三种形式。开敞式TBM[3]适用于围岩整体较完整，有较好的自稳能力中硬～坚硬地层（单轴抗压强度50～350 MPa），采取有效支护手段后，也可适用于软岩隧道。单护盾TBM[4]主要适用于围岩不能保持自然稳定的软岩（单轴抗压强度小于50MPa）隧洞。双护盾TBM[5]在具备单护盾机型功能的同时，增加了以后方洞壁为支撑的掘进推进模式，从而可以在坚硬围岩中快速掘进;与单护盾比较，双护盾TBM增加了撑靴系统和伸缩护盾，盾体较长。

1 工程概况

某输水系统由输水堰坝、进口事故检修闸、输水隧洞（管道）等建筑物组成，全段采用有压输水方式，设计输水流量10.5m3/s。输水隧洞进口位于进口事故检修闸后，末端接入供水工程管线，线路全长28.27km，采用TBM+钻爆法施工，其中隧洞长25.65km（钻爆法施工11.07km、TBM施工14.58km），管道长2.62km，管径1.8m。

（1）钻爆法施工段。从隧洞进口到来岩支洞接入点处输水主洞，共长3.72km。钻爆法隧洞采用平底圆形断面，开挖断面洞径3.6m，底宽2.8m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

（2）TBM+钻爆法施工段。从来岩支洞接入点至长潭水库库尾山岸村TBM施工进口处，共长18.79km，其中TBM段14.58km、钻爆法步进段4.21km。考虑到出渣和排水方便，TBM施工从下游掘进，中部在甘头设施工支洞。步进段分别位于来岩支洞下游（长2km）和甘头支洞接入点上下游（各1km），采用钻爆法施工。TBM设备从山岸经210m长始发洞进洞，通过甘头步进段后，掘进至来岩支洞下游步进洞，再经来岩支洞出洞。TBM掘进采用圆形断面，开挖断面洞径4.0m，隧洞混凝土襯砌段约占总长的25%;步进洞采用平底圆形断面，钻爆法施工，开挖断面洞径5m，底宽4m。

（3）下游段隧洞（钻爆法）+管道。TBM下游接输水隧洞管道，末端接入供水工程管线，全长5.76km，沿线采用隧洞和管道结合。其中隧洞长约3.14km，管道长约2.62m（跨库管桥长0.64km），管道管径1.8m。隧洞断面采用平底圆形断面结构，开挖洞径2.8m，开挖底宽2.2m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

2 工程地质条件

隧洞沿线为硬质岩地层，隧洞围岩以角砾熔结凝灰岩为主，晶屑玻屑含量一般小于10%，晶屑以石英、长石及少量暗色矿物组成，熔岩结构，块状构造，胶结物为熔岩胶结，新鲜岩石致密坚硬。根据抗压强度试验，新鲜岩块抗压强度110MPa～200MPa（见表1）。有压洞线通过地段山体上覆岩体厚度一般为150m～600m，沟谷等处厚度较薄一般为60m～90m，长滩浅埋段上覆岩体厚度仅40m左右。沿线围岩以Ⅱ类～Ⅲ类为主，稳定～基本稳定，f=3～5，k0=30MPa.cm-1～50MPa.cm-1，需进行衬砌或喷锚处理。断层通过段围岩以Ⅳ类～Ⅴ类围岩为主，为不稳定岩体，易发生坍塌，局部可能有涌水、突水现象，施工时应做好安全预防措施，f=1～2，k0=5MPa.cm-1～10MPa.cm-1，需加强临时支护措施并进行衬砌加固处理。

3 TBM机型适应性分析

3.1 单护盾TBM

本工程岩石单轴抗压强度主要介于110～200MPa之间。而单护盾TBM主要适用于岩石单轴抗压强度低于50Mpa的软岩隧洞，对本工程围岩条件适应性不足。单护盾TBM设备造价略低于双护盾TBM，但与双护盾TBM推进方式相比，单护盾TBM推进方式单一，仅能通过拼装好的管片提供推进支撑力，掘进与管片拼装不能同时进行，掘进效率比双护盾TBM低。因此，从施工风险、施工速度、施工成本方面综合考虑，单护盾TBM不适合在本工程中应用。

3.2 开敞式TBM与双护盾TBM的适应性对比

开敞式TBM和双护盾TBM的设计方案已经处于成熟阶段，在国内外有大量的工程实例，对施工中可能出现的问题具有丰富的应对措施及方案，施工风险较低。

（1）施工风险对比。选择开敞式TBM：在Ⅳ、Ⅴ类围岩段，新成洞室需要大量施做初期支护，支护作业时间显著超过掘进时间，掘进系统经常处于等待状态。当洞壁不能承受撑靴压力，需要进行特殊处理时，支护、清渣所占用的时间会更长。如出现这种情况，TBM的掘进效率将受到影响，严重时会增加工期压力。选择双护盾TBM：在高地应力软岩地段，或严重的断层破碎带，新开挖洞室出现较大收敛变形时，可能导致盾壳被卡死，人工干预辅助解困的难度极大;当遭遇刀盘前方坍塌、掘进方向控制困难，需要进行预加固时，作业环境会受到严重限制;可能会造成多次较长时间停机，将大大拖延工期。

（2）施工灵活性对比。开敞式TBM操作空间较大，可以随时直观地对围岩情况作出判断;在设备配置上可以根据工程具体需要增加或加强某些功能。在TBM靠自身能力无法推进，需要人工用钻爆法辅助时，能够使用多种方式对围岩进行处理。双护盾TBM管片衬砌紧贴护盾进行，前方作业空间封闭，这使得增加锚杆钻机、超前注浆等设备后缺少必要的作业空间。同时由于较长的护盾，导致超前支护难度较大，在需要人工用钻爆法辅助时，缺少灵活的处理措施，耗时较长。

（3）掘进效率对比。开敞式TBM掘进与衬砌分开进行，隧洞贯通时间为开挖时间和衬砌时间之和。在围岩良好地段，支护、清渣工作量较小，开敞式TBM的掘进速度较高，基本上与双护盾TBM持平。在围岩状况较差时，开敞式TBM极少出现卡机的现象，但是掘进速度会由于大量的清渣支护工作大幅度下降。Ⅱ、Ⅲ类围岩条件下，开敞式TBM能够发挥很好的掘进效果，破岩效率高且初期支护与弃渣清理工作量很小，如果设备状态良好、施工组织合理，平均月进尺可达到600～800m甚至更高。IV、Ⅴ类围岩条件下，采用开敞式TBM施工，初期支护与弃渣清理工作量较大，参照兰渝铁路西秦岭隧道2台开敞式TBM在IV类围岩中连续长距离掘进的经验，如果合理配置初期支护与主机底部清渣设备，加强施工组织与管理，在设备维护良好的情况下开敞式TBM在IV、Ⅴ类围岩中掘进平均月进尺可达400～800m。双护盾TBM使用管片衬砌，掘进与衬砌是同步进行的，隧洞贯通即意味着隧洞完工，整体工期比开敞式TBM短。同时管片衬砌使得前方支护量大幅度减少，双护盾TBM的掘进效率比开敞式要高。另一方面，双护盾TBM在围岩破碎段容易出现盾体被卡死，TBM无法掘进，处理极为耗时，严重时可能导致数周甚至数月的停机，严重影响整体掘进效率。

（4）经济性对比。开敞式TBM设备造价比双护盾TBM低30%左右，初期支护的费用较钻爆法隧洞相当。同时开敞式TBM开挖的隧洞二次衬砌为现浇混凝土，较双护盾TBM采用高标号预制钢筋混凝土管片成本低。总体上开敞式TBM的施工成本显著低于双护盾TBM。

4 结语

（1）国内外大量工程实例的证明，开敞式TBM的设计理念、设计方案和施工方式处于成熟阶段，针对隧洞开挖中可能遇到的问题有着大量可行的经验和措施，施工风险较小。

（2）针对断层破碎带较多以及软岩大变形等不良地质情况，开敞式TBM的处理方式比其他类型TBM更为灵活，超前支护的实施更容易。最为重要的开敞式TBM发生卡机的概率很小，而双护盾TBM在同等条件下，极有可能频繁出现卡机，造成TBM停机数天甚至数月之久。

（3）开敞式TBM能相对其他类型TBM实现后退的功能，双护盾TBM的后退必须拆除衬砌管片，工作量巨大，而且在拆除管片后，洞室由于缺少必要的支护导致大范围坍塌的可能性较大。

（4）开敞式TBM的开挖效率低于双护盾TBM，其开挖效率受岩石状况影响较大，在不良地质段月进尺会有较大幅度下滑。但是通过加强TBM超前支护和初期支护的能力，配置高效的清渣设备，能够最大程度减小围岩状况对TBM掘进的影响，保证月进尺保持在理想范围内，满足工期的要求。

（5）本工程地质情况总体上较好，隧洞沿线岩石单轴抗压强度介于90～200MPa之间，从地质条件上看更适合采用开敞式TBM。

（6）开敞式TBM设备造价以及隧洞开挖支护单价都低于双护盾TBM。

综上所述，本工程TBM施工段建议选用开敞式TBM施工是相对最为稳妥、施工风险最小、性价比最高的施工方法，后期再结合场地、通风、排水、供电等施工布置以及TBM组装、调试、掘进、步进、支护、出渣、维修养护、拆卸、运输等要求，进一步优化。

【参考文献】

[1]陈晓东，陈居乾.我国20世纪TBM设备研制及其工程应用[J].水利规划与设计，2019（1）：68-73.

[2]王元红.TBM施工成本影响因素分析[J].水电站设计，2019（35-2）：59-63.

[3]刘吉安，马小龙.开敞式TBM浅埋段施工方法[J].東北水利水电，2017（12）：19-21.

[4]汪晨光.单护盾TBM在Ⅳ和Ⅴ类砂岩地质结构中的适用性研究[J].施工技术，2017（44-7）：52-53.

[5]罗小刚.双护盾TBM选型设计与施工[J].四川建材，2018（44-12）：213-214，216.