TBM技术在输水隧洞工程中的应用研究

2015-08-18汪术伟核工业井巷建设公司浙江湖州313000

江西建材 2015年17期

■汪术伟 ■核工业井巷建设公司，浙江湖州 313000

随着近些年水利工程建设不断增加，输水隧洞工程的施工要求也在不断提高。在这种情况下，TBM技术应运而生。TBM的技术特点十分显著，在实践应用中也得到了充分体现。因此，需要对其进行更加深入地研究，强化TBM技术在输水隧洞工程中的作用。

1 输水隧洞工程

在我国经济水平日渐提升的背景下，水利工程建设也进入了高速发展期，2014年全年的水利工程投资总额超过了800亿元。不仅如此，我国南水北调工程是世界上最大的输水工程，水从湖北丹江口水库一直输送北京玉渊潭，中间跨越了多个省市，总长度达到了1245km。在南水北调工程中，穿黄隧洞是十分关键的输水隧洞工程，主要包括了邙山隧洞和黄河隧洞，其总长达到了4.25km［1］。由此可见，输水隧洞工程的施工条件不仅十分复杂，而且施工量通常较大，只有通过科学合理的施工技术，才能保证隧洞质量。

输水隧洞工程属于隧道工程的一个分支，由于其性质和传统的隧道工程存在一定区别，故而其在施工工艺上也存在较大差别。在上世纪中，隧道施工主要是通过人力进行，工人使用风镐、十字镐等工具进行岩体挖出隧道开凿，这种方法人力需求巨大，施工极其缓慢。到上世纪七十年代，液压凿岩机问世，其在隧道施工中得以迅速应用和发展，很快就衍生出了许多同类产品。在液压凿岩机不断发展的同时，钻爆施工的技术也逐步形成，通过在岩体上钻眼爆破，可以在短时间内掘进较长距离。但是钻爆法对岩层造成的扰动很大，所以适用范围仅限于稳定的石质隧道。

总的来说，输水隧洞工程具有数目多、长度大、地质环境复杂、施工条件困难等基本特点。但是，输水隧洞又具有极其现实的社会意义，对多个行业的发展以及国民经济进步都有积极的促进作用。所以，需要不断研究开发新的施工技术，提升输水隧洞工程的施工能力。

2 TBM技术基本原理

2.1 TBM 分类

TBM的类型主要有护盾式和敞开式两类。

护盾式TBM就是掘进机有外壳保护，可以和主系统一起进行移动。护盾式TBM可以在地质条件较为复杂的工程环境下进行使用，在输水隧洞工程施工中出现涌水、岩体膨胀、断层等不良地质灾害时，护盾式TBM可以有效削弱这些不良地质灾害对工程施工带来的影响，比如TBM施工机械出现埋机、卡机，甚至掘进方向偏离等。

敞开式TBM就是仅有顶支撑，没有盾支撑，而且顶支撑很短。TBM机械在向前移动的过程中主要依赖千斤顶和主撑靴［2］。敞开式TBM的适用工程环境是岩层条件较好，以及掘进力需求较大的输水隧洞掘进，所开掘的洞室岩层结构稳定，力学性能良好，不易出现变形等问题。

2.2 TBM掘进模式

护盾式TBM在掘进过程中，通常是使用圆形全周管式衬砌。使用这种方法的优点在于允许隧道岩层的承载力较低，利用千斤顶推动管片以便获取反推进力;如果撑靴对岩面能够形成支撑时，双护盾TBM能够同时进行掘进和换步，加快了掘进速度;管片安装机在进行管片安装时，其安全度高、速度较快。值得注意的是，衬砌管片上的作用力是护盾式TBM产生的反推进力，因此需要连续铺设衬砌管片。不仅如此，为了达成防水目的，需要在管片之间加装止水条，同时在洞壁间隙和管片外圆之间进行注浆或是压砂，以增强岩层的稳定性。下图为某双护盾TBM作业流程示意图。

图1 双护盾TBM

敞开式TBM通常是在开挖过程中，在刀盘后设置临时支护，比如锚杆支护、拱架支护，然后再进行混凝土二次衬砌。同时，为了避免小范围失稳情况，可以对支护设施进行柔性处理，最大程度满足洞室岩层的稳定性条件。辅以超前地质预测技术，及时跟进建设支护措施，可以使敞开式TBM在非稳定岩层进行施工。

2.3 TBM破岩原理

在输水隧洞施工中，TBM需要对岩层进行破坏，其主要是通过盘形滚刀完成这一施工作业。其破岩原理如下图所示。

图2 TBM破岩原理

从图中不难看出，TBM进行隧洞掘进时，主要是盘形滚刀对岩体进行钻入破碎，进而使整个岩壁破碎。影响TBM破岩速度的一个关键因素就是岩体轴向抗压以及破岩指标贯入率，贯入率就是刀盘旋转一周贯入岩体的量，如果TBM无法在足够的贯入率下突破岩层掌子面，或者是刀盘刀具超过磨损极限，那么这类岩层就是不可掘进岩层，不适合输水隧洞施工。

通常情况下，如果贯入率在每周3～4mm，则说明贯入率较为良好，施工较为顺畅;如果贯入率在每周2～2.5mm，则说明岩层存在一定的掘进问题［3］。在实际施工中，通常会最大程度推进刀盘，以便贯入率能够满足施工要求。这就要求TBM每一个部分要满足最大推力的工作条件。

3 TBM技术在输水隧洞工程中的应用探析

3.1 TBM 选型

根据实际经验，在输水隧洞的长度超过5km、月掘进度超过350m的隧洞工程中，TBM可以发挥出最优效用。但是如果需要穿越涌水量大和断层带大的地质段，则需慎用TBM技术。在使用TBM技术时，首先要进行选型。选型工作主要包括了三个方面:TBM和钻爆法优劣比较、护盾式TBM和敞开式TBM比较、以及同类TBM比较。

首先，TBM和钻爆法比较，TBM具有掘进速度快、掘进质高、对环境破坏小、掘进安全可靠等优点，适用于较长隧洞施工。但是，在隧洞断面非圆、预算资金较少、TBM设备到位时间较长、隧洞长度较短以及地质水文条件极差等情况下不宜使用TBM。

其次，护盾式TBM和敞开式TBM比较。护盾式主要以双护盾结构为主，在地质条件多样时能够发挥出较大优势，在软岩和硬岩条件下都可以使用。而敞开式TBM适用于完整稳定的岩层，只需具备顶支撑就可以进行掘进施工;在岩层条件存在不稳定的情况时，则可以通过辅助设备对岩层进行加固处理。

最后，同类TBM比较。护盾式TBM的原理和结构基本相似，并无太明显的区别。而敞开式TBM主要有一对水平支撑TBM、两对X型支撑TBM等类型，在实际的输水隧洞工程中，需要根据实际情况进行选用。

3.2 TBM施工中TSP超前地质预测技术运用

超前地质预测技术是隧道施工中的一项重要技术，可以对隧道施工前方的未知地质进行超前预测，用以指导实际施工，以对未知风险作出应对措施。超前地质预测技术的种类较多，适用范围也各不相同，因此需要根据输水隧洞的基本情况选用。

TSP预测技术能够对施工面前方100～200m范围内的未知地质进行预测，操作简单，结果可靠，而且不会对掘进施工造成任何影响。比如TSP－203就是在已经掘进的隧洞侧壁上布孔预测，探测停机时间不会大于1.5h。相对于其他预测技术而言，TSP技术比其他预测技术的时间更短，费用更少，而且适用于地质条件相对简单的长隧洞预测。

但是，TSP预测技术也存在一定问题，比如预测结果的反馈图形不直观，需要专业人员进行解读;TSP对地层含水量的预测并不精准，误差较大;对测量值的理论修正还不完善，不能综合考虑各方因素;对不同距离、不同影响的地质预测标准不够明确。所以，在输水隧洞工程中，运用TBM技术要考虑各方施工需求，结合其他技术一同运用，最大程度提升输水隧洞施工效率和质量。