隧道掘进机在水利工程中的应用探讨

张汉祥

(福建省汀江水电工程有限公司，福建 龙岩 364000)

1 隧道掘进施工技术概述

全断面隧洞掘进机(Tunnel Boring Machine,TMB)施工技术在20世纪50年代开始应用于地下施工领域，并在20世纪70年代开始广泛应用。隧道掘进机施工机械和技术集机电、液、光、电气等系统为一体，自动化程度高，掘进速度快，环保和综合效益高，对于钻爆法等传统施工技术难以开展的地质条件复杂的深埋长隧道掘进施工较为适用。随着隧道掘进技术的发展，隧洞衬砌技术也得到相应发展，对于稳定性较好的围岩，可不进行支护或仅采取喷锚支护措施，对于稳定性一般或较差的围岩，应采用隧道掘进开挖技术。

2 工程背景

2.1 工程概况

引洮供水工程是以已建成的九甸峡水利枢纽为水源，从洮河流域调水到严重干旱缺水的甘肃省中部干旱地区11个国家扶贫重点县，解决该地区极其困难的城镇生活和工业用水、农村人畜饮水、农业灌溉和生态用水的大型调水工程。本标段包含八干渠8#隧洞后半段(出口控制段)-10#隧洞前半段(进口控制段)，标段渠线长5629.22m。主要建设内容为：8#隧洞后半段长度1020.55m；2#倒虹吸长度1389.99m，2#倒虹吸退水渠长度1019.75m；9#隧洞桩号长度1431.75m；第7段暗渠长度358.93m；10#隧洞前半段(进口控制段)长度1413m。本标合同造价4096.84万元，合同工期为2016年10月1日—2019年6月30日。隧洞开挖主要断面为城门形2.977m×2.8m断面；隧洞纵坡1/1250，建筑物设计流量3.5m3/s。

2.2 地质条件

本工程标段不良地质段较多，但对全断面隧洞掘进机施工有直接影响的不良地质段主要有2种：①Ⅴ-Ⅳ类软弱围岩层；②断层断，可能造成塌方与卡机，必须加强预测并提高对隧洞掘进机操作人员技术水平的要求，根据掘进机推力缸退推力取值的变化，随时采取措施调整掘进机运行状态，若存在溶洞迹象，石渣中包含溶岩[1]的可能性较大，则必须加强复杂地质条件的超前预测与应对。

8#-10#隧洞洞身围岩岩性主要表现为新近砂质泥岩。新近砂质泥岩围岩为Ⅴ类围岩，性能相当不稳定，并主要呈泥质结构，干燥时便凝结为块状，遇水时迅速泥化崩解，失水后又快速干裂，呈现出十分明显的干湿效应，项目取新近砂质泥岩饱和抗压强度为0.1MPa，为强度小的软弱围岩，膨胀率在0.8-1.5之间，膨胀力为25-37.5kPa。隧洞洞身段节理裂隙不发育，其结构面岩层呈薄层-极薄层状，产状平缓，部分为中厚层，岩体完整。新近砂质泥岩中无地下水分布，所以，隧道掘进开挖施工过程中岩壁始终干燥，仅有局部裂隙密集带、强风化带等施工区域因发生滴渗水而局部潮湿。围岩强度应力比为0.87，在开挖施工的过程中，毛洞顶拱会因发生坍塌而掉块、变形，因顶拱处围岩缺乏自稳能力，所以变形破坏较严重，在开挖后必须立即按设计要求支护处理，包括设置锚杆、超前管棚、挂网喷混凝土，局部洞段设钢拱架支护等，为防止洞底泥化还应及时封闭底拱，并将干硬性混凝土垫层设置在洞底。

地震所诱发的滑坡和黄土湿陷坍塌是引洮供水工程本标段区域主要的不良物理地质现象，综合本工程地质条件及隧洞实际情况，应排除爆破开挖法后采用对围岩扰动较小的掘进机开挖技术[2]。

3 隧道掘进机施工

3.1 机械选型

引洮供水工程本标段隧洞掘进开挖采用具有连续切割、出渣、装载运输、行走等综合功能的日本三井三池生产的MRH-S-50型掘进机械，且该机械对于围岩硬度在Ⅳ类及以下的软弱围岩掘进较为适用，掘进和连续切割围岩的最大抗压强度在50MPa以内。该机械传动方式采用电气和液压的混合方式，操作简便，性能可靠，运行平稳，并配有内外喷雾装置，在掘进施工时开启喷雾装置后能有效抑制粉尘产生。

三井三池MRH-S-50型掘进机属于悬臂式纵向截割断面掘进机械，主要包括截割部、铲板部、本体部、行走机构、液压系统和水系统、后支撑、电气系统及第一运输机等部分，三井三池MRH-S-50型掘进机构造简图，见图1。掘进机所自带的支撑装置能有效提升机械稳定性能，铲板部、行走部和第一运输机的驱动均通过大扭矩液压马达直接完成，刮板链为丝杠和弹簧的涨紧装置，电气系统的控制主要通过集成电路实现。三井三池MRH-S-50型掘进机性能参数，见表1。

1-截割部；2-铲板部；3-本体部；4-行走系统；5-液压系统；6-水系统；7-后支撑；8-电气系统；9-第一运输机

表1 三井三池MRH- S-50型掘进机性能参数

3.2 隧洞开挖

引洮供水工程本标段隧洞围岩为新近粉砂质泥岩，配备380v电源后采用三井三池S-50型掘进机并利用其旋转刀头进行围岩切割，考虑到施工工期要求，单次掘进开挖深度应控制在0.8m/h，按照每班3h的安排，可掘进开挖约2.4m。隧洞断面开挖应按照由下至上的次序一次开挖成型，为防止开挖过程中产生的渣土覆盖开挖轮廓线，应通过掘进机自带的刮盘将渣土刮入传送带后运输至掘进机后侧所停放的自卸汽车，由该汽车定期出渣。

完成供水隧洞开挖后还应立即安排钢拱架、锚杆、钢筋网及超前管棚、支护等的施工，并采取24h轮班作业。本工程标段隧洞围岩开挖应遵循“短进尺、强支护”的全断面开挖模式[3]，并保证喷锚和支护等同时进行，通过边开挖边支护保证施工进度和施工质量。

3.3 超前管棚

根据本引水工程设计标段隧洞围岩情况，超前管棚长度应确定为3m，短进尺、强支护每次掘进2.4m，并以直径42mm的Q-235无缝钢管为管棚钢管，在管壁按梅花形增设孔径10-15mm、孔距300mm的注浆孔。为避免注浆过程中发生漏浆，最后管段尾部1.0m以内不应设置注浆孔，本标段隧洞所设置的管棚中心距500mm。

为确保超前管棚钻孔及安装精度，还应增设设计厚度100mm、长2m的C25混凝土套拱，拱内按600mm的间距设12#工字钢拱架，并在拱架上加焊长度2m的无缝钢管为导向管。由于本隧洞超前管棚长度较长，为防止其干扰开挖界限，应针对导向管设置外插角，角度控制在2°范围内。

3.4 支护

本标段隧洞边仰坡施工主要采用锚杆钢筋网+C25混凝土喷射的联合支护，锚杆为长度3.0m的φ22螺纹钢，钢筋网为200mm*200mm的φ8盘条网。隧道边仰坡应避免大挖大刷，并边开挖边防护，待开挖至拱顶标高后，应预留处套拱位置。按设计要求整平套拱拱脚软弱土壤基底并进行其承载力检测，若达不到设计要求，应采用浆砌片石按不低于50cm的厚度加固处理。

套拱钢拱架安装时应按0.6-0.8m的间距与φ22钢筋连接，本标段支护套拱采用4榀20#工字钢，应将其钢架垂直度偏差控制在2°范围内，拱架与5mm厚度的钢板连接，并按设计要求在每块钢板上增设6个螺栓。为避免因外界荷载和隧洞开挖施工荷载影响而导致套拱沉降变形，套拱实际尺寸应在设计尺寸的基础上增大5.0cm。

4 结 论

引洮供水工程八干渠标段隧洞掘进机开挖施工的过程中，并不会对围岩产生冲击，能有效控制对围岩的扰动，使隧洞围岩支护工程量大大节省，也便于对超欠挖的有效控制，能保证本工程八干渠标段Ⅴ-Ⅵ围岩开挖施工的安全性和经济效益的提升。全断面隧洞掘进机施工技术在长隧洞及隧洞群施工方面具有传统钻进技术所不具有的技术优势，该技术在我国水利等基础设施建设方面也具有广阔的应用前景。