中部引黄输水隧洞工程施工关键技术研究*

王 锋

(武汉地铁集团有限公司,湖北 武汉 430040)

0 引言

近年来,越来越多的跨流域调水工程已开始建设或纳入规划。随着我国TBM规模的逐渐壮大,施工技术日益成熟,TBM施工技术在我国水利隧洞工程施工中发挥的作用越来越大[1]。对于长隧道施工,TBM施工具有安全性高、掘进速度快、机械化水平高及施工环境好等优点,但在面对复杂地质条件时,TBM受设备及作业空间限制,其灵活性远不如钻爆法,易出现各种工程地质问题,使掘进效率大大降低[2],同时,TBM隧洞在特殊施工条件下的方案选择和应对措施等技术问题也决定着TBM的掘进效率和工程安全。

针对上述问题,已有大量的学者开展了相关研究,如韩超等[3]针对隧道极硬岩施工,提出了刀盘刀具的针对性设计及优化方案;吴世勇等[4-5]结合锦屏辅助洞发生的多次高压大流量突涌水和富水区灌浆封堵问题,提出了针对性的处理原则;许金林等[6]、齐梦学[7]、郭志等[8]、任吉涛等[9]分别根据隧洞特殊工程条件研究了不同形式的出碴施工技术;孙振川等[10]、曹正卯[11]针对隧道长距离通风难题,对施工通风特性和关键技术进行了研究,提出了针对性的通风设计方案。但不同的隧洞工程均有其特殊性,导致不同工程TBM施工所面临的问题不尽相同,需根据实际工程条件开展针对性研究,以提出解决方案。

本文以超长距离穿越复杂地质的中部引黄输水隧洞工程为依托,针对完整坚硬岩段破岩、高压富水洞段反坡排水、超长隧洞独头掘进出碴及通风等技术难题进行研究,提出了相应的技术方案,以期为类似输水隧洞工程施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 输水隧洞设计

中部引黄输水隧洞工程是山西省“十二五”水利规划的重点工程之一,为山西大水网建设工程“两纵十横”中的第4横,其中总干线3号隧洞TBM1标位于黄河流域吕梁山境内,施工段全长26.07km,采用1台双护盾TBM反坡掘进施工。隧洞设计开挖洞径为5.06m,衬砌后洞径为4.30m,为无压输水隧洞。TBM施工段采用预制混凝土管片衬砌,管片为六边形蜂窝状结构,管片外径为4.80m,内径为4.30m,厚度为25cm,每环管片宽1.4m,预制管片背后与围岩间的空腔平均为103mm,采用豆砾石充填并进行回填灌浆。

TBM1标施工段包括进洞支洞和主洞两部分,设计由施工支洞进洞,全长5.02km,设计纵坡3.857%,洞口高程与主洞高差为180.3m,TBM1于桩号SJ0+175.0处始发掘进。进洞支洞与隧洞主洞相交于Z(k)77+020 后,开始向主洞下游方向掘进至Z(k)98+070处拆卸洞室停止掘进,主洞全长21.05km,设计坡度0.04%。整体施工布置如图1所示。

图1 中部引黄输水隧洞TBM1标掘进段示意Fig.1 Layout of TBM1 section of Central Yellow River Diversion tunnel

1.2 工程水文地质条件

TBM1标施工段沿线高程最高点为 1 605.000m, 最低点为湫水河1 246.500m,相对高差约为358m,为低中山区,隧洞埋深主要在300～610m。隧洞穿越地层依次为奥陶系灰岩和泥灰岩、寒武系白云岩和泥质条带灰岩、太古界黑云斜长片麻岩、石墨透闪石大理岩和变质石英砂岩。

隧洞进洞支洞和主洞沿轴线方向共经过12条断层,包括组成离石大断裂的断层。其中主洞段共经过5条断层,3条断层位于地下水位以下,具体如表1所示。

表1 主洞段沿线断层分布统计Table 1 Statistical of fault distribution along the main tunnel section

隧洞主洞段沿线地下水类型主要有变质岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水(区间水及层间水)。自Z(k)92+374以后,隧洞多位于地下水位以下,地下水位高于洞顶130～350m,设计预测全隧洞最大涌水量为19 584m3/d,为典型的高压富水隧洞。

1.3 工程重难点分析

1)隧洞局部洞段岩石较坚硬,抗压强度一般为140～170MPa,石英含量为66%～72%,可钻性为9～11级,岩体相对较完整,裂隙发育程度较低。TBM在完整坚硬岩段中掘进时,可钻性及掘进效率显著下降,刀具检查频次及消耗量明显增加。根据相邻洞段的施工经验,相同掘进距离条件下硬岩段查/换刀时间约为软岩段的2.14倍,刀具消耗量约为软岩段的8.35倍,将极大地影响TBM掘进效率与施工成本。

2)根据勘察设计资料,隧洞沿线涉及天桥泉域和柳林泉域,泉域分水岭在Z(k)94+700的黑茶山一带,地下水的补给为大气降水补给及其他类水的侧向补给或越流补给。F4,F5断层距离较近,且均为倾角较陡的正断层,形成地堑式的断层组合,成为有利的富水构造,极有可能存在高压力、大流量、突发性的涌水。

3)TBM1标施工段采用双护盾TBM施工,掘进距离为26.07km,施工后成洞段净空仅4.3m,由于地质条件限制,隧洞沿线无条件布置辅助坑道,使隧洞连续出碴距离及独头通风距离均达到目前国内最长。在隧洞掘进距离长、施工断面小的条件下,如何解决长距离出碴及隧道通风,保证TBM持续稳定快速施工是本工程的两大难题。

2 施工关键技术

2.1 TBM滚刀破岩效能提升技术

中部引黄输水隧洞TBM1标施工段采用1台直径为5.06m的双护盾TBM,刀盘上共设有33把432mm(17英寸)滚刀,如图2所示。其中,刀盘中心处布置4把双刃滚刀,刀刃编号为1～8号;布置25把单刃滚刀,其中9～23号为正面滚刀,24～33号为边缘滚刀。刀具额定荷载267kN。

图2 TBM刀盘刀具布置Fig.2 Layout of TBM cutters

根据现场施工情况统计,中部引黄输水隧洞TBM掘进至Z(k)92+373.700后,揭露地层为太古界界河口群奥家湾组变质岩,岩石较坚硬,岩体较完整,裂隙发育程度较低。统计TBM掘进至高磨蚀性硬岩段前2个月和后3个月的滚刀使用情况,如表2所示。由表2可知,TBM在高磨蚀性硬岩段中掘进时,刀具检查频次及消耗量明显增加。

表2 滚刀使用情况统计Table 2 Cutter life in surrounding rock of different strength

根据以往工程经验,TBM滚刀在完整坚硬岩段掘进时,存在明显的掘进功耗大、掘进速度慢、破岩效率低、刀具损耗大等问题,其可能原因为岩石强度致密且强度大,同时刀刃平且钝,导致滚刀在许用荷载下贯入岩石时,刀下密实核所传递的荷载不足以驱动刀间侧向裂纹贯通,岩石不能有效破碎为片状岩碴,造成滚刀刃反复碾磨掌子面,破岩效率低下,掘进速度慢。因此,在完整硬岩段施工时,需对TBM滚刀进行针对性设计。

针对开展全尺度滚刀直线破岩试验周期长、成本高、可重复性差等难题,采用规模化小尺度滚刀破岩试验和滚刀破岩现场掘进试验相结合的手段,对滚刀破岩效能提升技术开展研究。

2.1.1小尺度滚刀破岩试验

目前室内小尺度滚刀破岩试验平台多为非滚压破岩模式,无法实时准确测试破岩荷载,多用于滚刀磨损分析而非破岩机制研究。鉴于此,研制了多功能滚刀破岩试验平台(见图3),对岩样进行直线切割破岩试验。试验平台由控制系统、试验台及测试系统组成,具有与实际TBM滚刀破岩机理相似、岩石试样利用率高、围压加载方便、破岩荷载测试方便等优点。

图3 小尺度多功能滚刀破岩试验平台Fig.3 Small-scale multifunctional disc cutter’s rock-breaking performance testing platform

分别对平刃、楔刃和复合刃3种刃形滚刀的破岩效果进行测试,3种刃形刀圈的直径均为43.2mm,平刃滚刀的刃部宽度为1.2mm;楔刃滚刀的刃部宽度为0.4mm,楔角为41.2°;复合刃滚刀的刃部宽度为1.0mm,为双段楔角结构,第1段楔角为46°、第2段楔角为20°。其中,复合刃滚刀的基本刃形根据施工期间滚刀正常磨损的最终形态确定,在此基础上通过数值模拟手段确定最优刃部宽度和楔角角度。设定试验滚刀贯入深度为2mm,切割速度为0.17m/min,试验过程中以5Hz频率对滚刀破岩后岩碴大小、质量、滚刀法向力及破岩比能等参数进行分析。

为分析TBM滚刀刃形对破岩效果的影响规律,将不同滚刀刃形各试验组的平均法向力、峰值法向力、岩碴质量、比能等数据分别取平均值进行对比。小尺度滚刀破岩试验结果表明,平刃、楔刃和复合刃滚刀的平均法向力分别为3.2,2.2,2.2kN,楔刃和复合刃滚刀的平均法向力接近,且明显小于平刃滚刀,减小幅度为31.25%;平刃、楔刃和复合刃滚刀的峰值法向力分别为5.8,5.0,4.3kN,楔刃和复合刃滚刀的峰值法向力明显小于平刃滚刀,复合刃滚刀的减小幅度约为26%;平刃、楔刃和复合刃滚刀的岩碴量分别为4.9,4.3,3.6g,楔刃滚刀和复合刃滚刀产生的岩碴量小于平刃滚刀;平刃、楔刃和复合刃滚刀的破岩比能分别为26.3,22.8,17.9MJ/m3, 复合刃滚刀的破岩比能比平刃滚刀的破岩比能小约32%,破岩效率显著提升。

结合滚刀破岩机理,可看出平刃滚刀刀刃与岩石接触区域较宽,在破碎硬岩时,不足以驱动侧向裂纹的扩展、贯通乃至成碴,使滚刀刃反复碾磨掌子面;楔刃滚刀刀刃锋锐,刀刃与岩石接触区域较窄,使刀刃易贯入岩石,同时,由于楔刃滚刀的楔形结构形式,滚刀刃一旦贯入岩石后,其楔刃面将对两侧岩石产生较大的侧向推挤力,加速刀间侧向裂纹的扩展和贯通,可有效提升滚刀破岩效率。但楔刃滚刀的刃宽较小、刃部楔角较小,致使其强度减弱,崩刃风险增大,如图4所示,试验过程中楔刃滚刀出现了崩刃现象,而平刃滚刀和复合刃滚刀使用均较完好,未出现明显破损现象。

图4 楔刃滚刀崩刃Fig.4 Tipping of wedge-shaped disc cutter

2.1.2滚刀破岩现场掘进试验

TBM1标施工段进入完整坚硬岩段后,开展不同刃形滚刀破岩现场掘进工艺性试验,采用3种刃形全盘滚刀分别掘进50m,且试验时保证刀盘转速和贯入度相同,测定3种工况条件下TBM掘进参数,现场试验结果如表3所示。

表3 不同刃形滚刀施工时掘进参数对比Table 3 TBM boring parameters with different cross-section profile of disc cutter

由表3可知,平刃刀圈在硬岩段掘进时,由于岩石强度较高,破岩过程中刀盘推力较大,造成滚刀超负荷运转而导致轴承出现破坏;楔刃刀圈破岩过程中产生巨大冲击荷载,造成多把TBM滚刀刀圈崩裂;复合刃刀圈滚刀整体表现平稳,试验段掘进过程中没有滚刀出现异常损坏。与平刃刀圈相比,在相同转速和贯入度的情况下,复合刃刀圈掘进时TBM刀盘推力下降约15%,扭矩下降约20%。滚刀破岩现场试验与室内小尺度滚刀破岩试验结论一致,表明复合刃刀圈可有效降低破岩荷载、提高TBM滚刀破岩效率。

2.1.3实际应用效果

中部引黄输水隧洞施工期间对滚刀刀圈刃形进行优化改进后,使用寿命由改进前设计寿命的40%～50%提高到设计寿命的75%。刀圈异常损坏情况基本消失,仅偶尔出现刀圈较小程度的偏磨和崩刃现象。后续洞段施工期间,TBM掘进速度由滚刀优化前的平均37.4mm/min提高至 45.2mm/min。 工程实践证明,针对TBM滚刀的优化设计有效提高了滚刀在高耐磨性硬岩段的破岩效率和TBM掘进效率,整体加快了工程进度。

2.2 小断面高压富水隧洞反坡排水

中部引黄输水隧洞全程反坡掘进26.07km,开挖断面直径为5.06m,衬砌后隧洞断面直径仅为4.30m,抽排水扬程188m。TBM穿越高压富水洞段时,存在小断面隧洞长距离、高扬程、大流量抽排水难度高的问题。鉴于此,对洞内管道系统进行优化设计,提出管道系统分流多级反坡排水系统。

根据隧洞沿线水文地质条件,设计单位预测隧洞最大涌水量为816m3/h。根据规范要求,工作水泵的排水能力应满足在20h内排出隧洞24h的正常涌水量,中部引黄输水隧洞设计总排水能力为980m3/h,隧洞内管道排水系统具体管路布置如图5所示。隧洞排水系统沿洞线可分为:TBM伸缩盾/连接桥→后配套移动污水箱→主洞洞身蓄水池→主支洞交叉扩挖洞蓄水池→隧洞洞外。

图5 洞内管道排水系统布置Fig.5 Layout of pipeline drainage system

2.2.1TBM伸缩盾/连接桥至后配套移动污水箱

在TBM伸缩盾内和连接桥处各安装2台功率28.7kW,流量468m3/h的国外进口潜水泵,分别排水至距连接桥200m处的TBM后配套中部移动污水箱,机泵额定排水能力达936m3/h。

2.2.2TBM后配套移动污水箱至洞身蓄水沉淀池

主洞段长度为21.05km,抽排水距离较长,在主洞内Z(k)93+380处设置洞身蓄水池,可储水量176m3。在蓄水池处设置主300移动泵站,将2台MD720-43×6(P)自平衡多级离心泵安装在吸水箱出口取水,通过隧洞DN300排水管道排水至隧洞Z(k)87+080处的300-2接力泵站。同时,配置1台功率315kW、流量280m3/h、扬程258m的MD280-43×6型自平衡多级离心泵进行抽排水。

2.2.3主洞洞身蓄水池至交叉扩挖洞蓄水池

主洞沉淀池至主洞与进洞支洞交叉扩挖洞蓄水池总长度为17km,在主洞两侧分别配置1条DN300和2条DN150排水管路,其中主洞左侧DN300管路通过1台MD720-43×6(P)自平衡多级离心泵水泵并联运行排水,中途在Z(k)87+080处设置300-2接力泵站;主洞右侧2条DN150管路通过3台(2用1备)功率132kW的YDⅡ150-70×3型离心泵接力排水至交叉扩挖洞蓄水池。

2.2.4进洞支洞至洞外

进洞支洞左侧为DN150排水管路和机泵排水,在掘进洞段无水时,由主洞1条DN150排水管路排水至主支洞交叉扩挖洞的连通管,再由连通管经进洞支洞左侧排水管路分4级排水至洞外,每级安装2台流量为60m3/h、扬程90m、功率30kV的YDⅡ60-30×3型离心泵。

基于施工控制经济合理性分析,实际掘进期间无需始终保持系统最大排水能力运行,可根据排水管路布置和实际排水需要进行分流量控制。根据设计排水流量对设备参数进行验算。排水沿程水头h1损失计算如下:

v=4q/(πD2)

(1)

Re=ρv/μ

(2)

(3)

式中:v为管道设计流速;q为排水流量;D为管道直径;ρ为流体密度;μ为流体黏度系数,取1.308;λ为沿程阻力系数,取0.017;L为管道长度;g为9.80m2/s。

鉴于TBM1标排水管线基本为直线布置,排水局部水头损失h2按沿程水头损失的10%计算,排水高差h3为管道长度与隧道纵坡的乘积,取0.04%L。则水泵扬程需满足:

H≥h1+h2+h3

(4)

对水泵功率进行验算:

N=KρgqH/η

(5)

式中:N为水泵功率;K为安全系数,取1.2;η为设备效率,取0.60～0.85。

经验算,1台MD280-43×6型自平衡多级离心泵可满足排水系统通过最长距离3 900m的1条DN200管道,满足排水流量300m3/h的要求;2台自平衡多级离心泵并联运行,可达到排水流量 680m3/h 的要求。

根据中部引黄输水隧洞管道排水系统的布置情况,设计排水方案为:当掌子面涌水量≤300m3/h时,通过主洞左侧排水管路排出;当涌水量为300 ～ 680m3/h时,选择启用主洞右侧排水管路进行排水;当涌水量>680m3/h时,开启排水管路机泵中的1条或2条排水管路进行联合变频排水。

考虑到TBM1标穿越变质石英砂岩段,涌水中混有大量泥砂等杂物,可能导致水泵故障,故在水泵吸水口处安装过滤装置,并在洞外配置专用抢险移动泵车用以应急排出隧洞积水。

TBM1标段掘进期间,前期遭遇多次掌子面突涌水,通过及时启动管道排水系统,控制TBM主机部位水深≤45cm,说明该排水系统配置合理。当TBM掘进至Z(k)94+563处发生大型突涌水,现场测定涌水量达26 448m3/d,远超设计涌水量。根据前期钻孔及揭示围岩情况推测,掘进前方为高压富水段,存在裂隙出水的可能性非常大,且涌水量可能超过隧洞排水能力,继续掘进存在较大淹机风险和施工安全风险。结合以往工程经验,现场停机对该高压富水段进行超前注浆堵水后恢复掘进。

2.3 超长距离连续皮带机高效出碴

2.3.1超长距离出碴技术难点分析

TBM1标采用1台双护盾TBM施工,TBM直径为5.06m,最大出碴量约为225t/h。考虑可行性、安全性、出碴效率及施工成本等因素,设计采用全洞段无转碴连续皮带机出碴,实现TBM独头掘进26km至拆机洞室,掘进期间产生的碴料经过主机皮带机、后配套皮带机、再经过隧洞出碴系统运输到支洞与主洞交叉段,再由进洞支洞出碴运输系统运输到洞外。

根据以往工程经验,国内外TBM工程施工中采用连续皮带机的输送长度通常小于18km,长度超过18km的隧道连续皮带机技术相对不够成熟。超长隧洞连续皮带机系统出碴困难的原因主要为:①由于连续皮带机系统运行阻力和碴料分力的累积作用,运量越大,运距越长,到达连续皮带机头部时,输送带的张力就越大;②连续皮带机输送带的强度越大,其成槽性就会越差,甚至可能无法满足隧洞出碴需求;③连续皮带机输送距离的增加意味着故障点的增多,当出碴距离达到一定长度后,前期使用的皮带因工作时间较长可能会老化变质,导致皮带跑偏,大大增加故障发生概率,将严重影响连续皮带机出碴系统正常运行。

2.3.2磁力摩擦式辅助驱动

超长隧道出碴时一般需在连续皮带机中间部位增加辅助驱动,以降低输送带运行张力,保证连续皮带机的正常运行。目前,国内外各类工程中应用最成功的连续皮带机辅助驱动可分为滚筒转载式和直线摩擦式两种,以往TBM工程中均使用滚筒转载式辅助驱动。但由于TBM1标需穿越长距离完整坚硬岩段,围岩石英含量较高,碴料含水量大,若采用滚筒转载式辅助驱动,则碴料须经过二次转载,对皮带造成冲击损伤,进一步增加皮带故障发生的概率。

针对滚筒转载式辅助驱动方式适应性不足的问题,根据铁磁性物质在磁场中受力的性质,研发了磁力摩擦式辅助驱动系统。利用主机皮带的带芯材料为钢丝绳这一特性,在辅助驱动皮带下方设置磁钢装置,通过磁钢的强大吸引力使主机承载皮带与辅助皮带紧密贴合,从而突破了少量物料工况下不可使用摩擦式驱动的常规惯例,如图6所示。

图6 磁力摩擦式辅助驱动设计Fig.6 Design of the magnetic friction typed auxiliary driving

2.3.3连续皮带机参数

中部引黄输水隧洞TBM1标施工段连续皮带机系统设计时按照最高掘进速度72mm/min、岩石密度2 600m3/kg、开挖洞泾5.06m计算,最大出碴量约为225t/h,设计连续皮带机的运输能力为250t/h。根据皮带机的运输能力和运行速度及TBM1标皮带提升高度,设计采用头部驱动+中部辅助驱动式的连续皮带机出碴,电机功率为2×315kW,带速为2.80m/s,带宽为650mm,带强为ST1600,输送量为250t/h。

隧洞设计皮带机输送长度为26.07km,提升高度190m,输送量250t/h。根据GB/T 36698—2018《带式输送机设计计算方法》,由于连续皮带机输送线路很长,线路倾角相对较小,则驱动滚筒的圆周驱动力近似为:

FU=CNLfg(q1+q2+2qB+qG)+qGgH

(6)

式中:FU为连续皮带机输送滚筒总圆周驱动力,计算得350 406N;CN为附加阻力系数,取1.02;L为区段长度;f为阻力系数,取0.023;g为重力加速度,取9.81m/s2;q1为上托辊的单位长度质量,取 5kg/m;q2为下托辊的单位长度质量,取2.14kg/m;qB为皮带的单位长度质量,取12.7kg/m;qG为物料的单位长度质量,取19.84kg/m;H为提升高度。

连续皮带机所需电机总功率为:

P=10-3FUvK/η

(7)

式中:v为设计带速;K为备用系数,取1.05;η为电机传动效率,取0.85。计算得P=1 212kW。

考虑连续皮带机驱动装置的小型化和通用化,一般取连续皮带机中间位置各辅助驱动装置的功率相等,主驱动装置的功率为单个辅助驱动装置功率的整数倍,故设计隧洞连续皮带机系统采用两级辅助驱动,其装机功率为2×315kW+315kW+315kW,即连续皮带机总功率为1 260kW>1 212kW。

考虑头部驱动及辅助驱动均衡负载,在连续皮带机中间安装两级磁力摩擦式辅助驱动,其中第1辅助驱动距头部10km,第2辅助驱动距头部18km。连续皮带机辅助驱动布置如图7所示。

图7 连续皮带机辅助驱动布置示意Fig.7 Layout of the magnetic friction typed auxiliary driving

2.3.4连续皮带机运行情况

中部引黄输水隧洞TBM1标施工段采用磁力摩擦式辅助驱动,成功实现了26km超长距离连续皮带机出碴,统计施工期间连续皮带机月平均故障率为3.12%,不考虑地质因素影响正常施工的月份,月平均故障率为4.23%。连续皮带机系统月平均故障率随隧洞出碴距离的变化规律如图8所示。由图8可知,随着出碴距离的增加,连续皮带机系统故障率逐渐增大,且出碴距离超过20km后,故障率明显增大。结合现场施工情况,自2019年11月后,TBM已连续掘进超过22km,皮带老化较严重,导致皮带跑偏、打滑及托辊故障等频繁发生。针对此情况,项目部采取降低TBM掘进贯入度,将出碴强度由 225t/h 降至150t/h,同时加强对连续皮带日常的巡检和保养,有效保证了TBM1标掘进至近终点时段时连续皮带的最佳运行状态。

图8 月平均故障率随出碴距离的变化规律Fig.8 Change of monthly failure rate with mucking distance

中部引黄输水隧洞连续皮带机系统故障占时为1 751min/km,相对于其他TBM工程属于较低水平。与水文地质条件相近的引汉济渭秦岭隧洞相比,TBM1标施工段连续皮带机系统每公里故障占时减少约75%,说明采用磁力摩擦式辅助驱动可有效延长皮带使用寿命,保证连续皮带机出碴系统平稳高效运行。

2.4 深埋隧洞超长距离独头通风

TBM1标施工段独头掘进距离长达26km,其通风问题成为制约工程安全、进度及经济效益的重要因素。超长隧洞通风的主要难点在于防止长距离通风出现因漏气、沿程阻力大造成供风效率低下、供风量不足等问题及尽量消除转弯段局部风阻急剧增大的影响。

鉴于TBM1标施工段通风距离长、主支洞坡度差异较大等特点,根据截弯取直和因地制宜的设计理念,创建了巷道式通风与接力通风相结合的复合通风方式:①第1阶段采用独头压入式通风完成进洞支洞通风,施工进入主洞后将风机从进洞支洞外移至主支洞交叉扩挖洞内,设计最大通风距离预计达19.78km(进洞支洞5.28km+设计风机独头通风最大距离14.5km)。新鲜空气通过进洞支洞吸入风机,经隧洞流向TBM施工区,脏污回风利用已完成的隧洞主洞和上游完工隧洞排放至洞外;②第2阶段在距现风机2.6,5.2km处分别串联安装接力风机,满足预期通风目的;为防止隧洞回风返回进洞支洞造成污风与清新风混合,采取在进洞支洞末端安装一道屏闭风门封闭隧洞,如图9所示。其中靠近交叉洞内风机的风门上方留有空间,用于安装硬质风管。风门尺寸与进洞支洞断面相同,下方为可供机车通过的活动门。屏蔽风门在不通车时段保持全封闭状态,当有机车需要进出时,打开活动风门,待机车通过后关闭活动风门,从而形成进洞支洞进风、上游贯通隧洞回风的全风压通风系统。洞内测试数据表明,施工期间各断面检测含氧量均大于20%,回风风速大于0.5m/s,各项指标均满足规范及设备运行要求。

图9 第2阶段复合通风方案Fig.9 Combined ventilation in phase Ⅱ

3 结语

中部引黄输水隧洞TBM1标施工段工程地质条件复杂,施工中存在完整坚硬岩段破岩能耗高、高压富水洞段反坡施工风险突出、超长隧洞独头掘进出碴及通风困难等关键技术问题。针对以上问题,通过科研试验、现场应用及优化调整,提出了复杂地质条件下双护盾TBM超长距离掘进施工的创新技术,具体结论与建议如下。

1)TBM在完整坚硬岩段掘进时,存在明显的破岩能耗高、刀具损耗大等问题,施工前应采用试验先行的原则对TBM滚刀进行针对性设计。研发了与实际TBM滚压破岩模式和机制相同的小尺度滚刀破岩试验平台,对不同刃形的滚刀破岩情况进行分析,从岩碴情况、滚刀法向力及破岩比能等方面优选了完整坚硬岩段TBM滚刀的最佳刃形,有效提升了破岩效能。

2)TBM反坡掘进时,一旦揭露大规模突涌水,极易导致长时间停机,严重影响工程的经济和社会效益,因此在高压富水洞段,TBM应重点保障洞内排水能力,并采取有效的超前堵水措施。建议TBM洞内排水系统布置时,结合工程地质条件及设计情况,尽量配置足够的应急排水设备,以保证隧洞特殊情况下的排水能力。

3)TBM超长距离掘进存在出碴难题,严重制约施工工期和工程成本。基于现有连续皮带机辅助驱动系统的局限性,研发了磁力摩擦式辅助驱动技术、工艺与设备,实现了世界最长输送距离26km连续皮带机安全高效出碴。

4)针对中部引黄TBM输水隧道通风距离长、主支洞坡度差异较大等特点,根据截弯取直和因地制宜的设计理念,创建了巷道式通风与接力通风相结合的复合通风方式,解决了隧洞超长距离通风的难题。