长距离输水隧洞施工中TBM的应用分析

2015-12-15孙宇航

地下水 2015年3期

孙宇航

(辽宁省润中供水有限责任公司，辽宁沈阳 110166)

TBM(Tunnel Boring Machine)即全断面隧道掘进机在隧道施工中，能够将掘进、出碴以及支护等工序并行连续作业，是隧道施工的重要设备。在长距离输水隧洞施工中，应用TBM能够有效提高工程施工的掘进速度，并且采用TBM施工对生态环境起到很好的保护作用，有着良好的综合效应。同时，采用TBM可以有效实现在长距离输水隧洞中的复杂地形地貌深埋隧道进行施工。

1 我国TBM应用现状

由于我国在TBM的研究上起步较晚，并且经济和技术条件还不够成熟，导致 TBM技术的发展和应用还较为落后[1]。与国外TBM相比，我国的TBM在可靠性和技术性能上还存在很大的差距。许多TBM研发人员并不是特别了解隧道掘进施工工作，而且对国外先进技术和关键部件的引进环境也存在一定的缺陷。这就使得我国TBM的整体系统功能落后，对地质环境的适应能力较差，许多关键部件的耐久性存在问题，影响TBM的使用寿命。随着我国科学技术地不断发展和进步，并通过对先进技术与设备的引进，我国TBM也得到迅速地发展，TBM施工已开始广泛应用到我国的水利水电隧道工程施工当中，为我国南水北调、西气东输等重大工程提供良好的技术保障。

2 TBM在长距离输水隧洞施工中所存在的问题

2.1 工程技术人员的TBM施工经验缺乏

在长距离输水隧洞工程中，采用 TBM进行施工，这对技术人员的技术能力和经验有着很高的要求[2]。工程技术人员不仅熟练地掌握TBM施工技术，还需要根据对可能遇到的环境条件选择恰当的TBM以及相关的配套系统。除此之外，还必须要对TBM在各种环境条件下的工作性能做到详细的了解和掌握。当环境条件发生变化时，要懂得及时对TBM进行改造。然而，在实际的施工过程中，许多技术人员以及TBM管理人员对TBM的掘进方法还缺乏足够的经验，技术能力也存在一定的缺陷，不能够正确使用TBM进行施工。有的施工单位对TBM的施工应用设计了解还存在严重的不足，施工队伍也没有接受相关知识的培训，最终导致TBM施工经验不足。

2.2 TBM对地质条件的适应性较差

在长距离输水隧洞工程施工中，地质勘查人员不可能对长距离的地质进行详细地勘测，做到完全的了解，所以在实际输水隧洞施工过程中，经常会遇到一些不可预知的地质灾害，比如断层、围岩变形、岩溶瓦斯、涌水等。TBM在具体的施工过程中，TBM的贯入速度和换刀引起的停机时间与TBM施工的经济效益有着最直接的影响。不同的岩石条件，TBM的掘进速度要受到开挖时间、地层条件以及TBM性能的影响。而对于一些严重破碎的地层不良地质条件，若没有采取相应的预防性措施，这会严重影响TBM的掘进速度。

与此同时，由于地质勘查并不能够对长距离输水隧洞的路线进行完全地掌握，对地质结构的了解也就会存在一定的局限性。在长距离输水隧洞施工中，经常会出现实际施工地质与勘探地质情况不符的现象。在输水隧洞选线的过程中，一旦选择到了不良的地质地貌，这会给TBM施工带来很大的困扰，有的甚至导致TBM施工受阻或者停工。例如，在万家寨引黄工程南干线7号隧洞施工中，隧洞线路遭遇摩天岭大断层，影响带达到300 m左右，严重影响TBM施工掘进的速度，进而造成长达3个月之久的工期延误。

3 TBM掘进技术的适用条件

3.1 隧洞进出口的TBM施工场地条件

在隧洞的进出口场地选择过程中，要尽量选择地势较为平坦开阔的地方，以便 TBM设备的运输、安装、拆卸、出碴。除此之外，隧洞进出口施工场地还要必须能够布置生产生活营地以及混凝土预制管片厂等条件。

3.2 隧洞纵坡和施工排水条件

当长距离输水隧洞的纵坡较大时，采用TBM进行掘进施工，如果隧洞在那一段的水量较多，那么可以选择把TBM进行逆坡布置，逆着纵坡进行施工掘进，以便于施工排水能够自流出隧洞，防止BTM发生断电或者被隧洞中的水淹没，给施工作业人员带来安全威胁。

3.3 TBM在长距离输水隧洞的围岩适用条件

由于受TBM机型的限制，以及TBM 对地质条件的适应性较差，硬岩TBM并不适合应用在软土隧洞中的施工掘进[3]。而在长距离输水隧洞的选线过程中，地质勘查并不能够完全准确了解全不隧洞路线的地质情况，在遇到特殊围岩隧洞端，例如断层、围岩变形以及具有软土填充的岩溶洞穴发育段，TBM施工就很难进行掘进。因此，在长距离输水隧洞实际的施工过程中，遇到地质条件不适合采用TBM施工的隧洞段时，要采取相应的针对性措施，制定科学合理的施工预案和施工措施。

4 长距离输水隧洞工程中TBM施工的关键技术

4.1 断层带TBM施工技术

在长距离输水隧洞工程施工中，断层破碎的洞段会严重影响TBM施工技术的应用，给TBM施工带来很大的安全隐患[4]。断层带的围岩稳定性特别差，特别容易产生岩层断裂、塌方、掉块等现象，体积较大的岩块很容易 TBM的出料孔，造成卡机问题。一旦断层附近的地下水活跃，那么就更加容易发生塌方甚至冒顶问题。因此，在长距离输水隧洞的断层带施工的TBM应用中，要充分考虑隧洞断层带的断层情况，了解断层的特点和规模。施工技术人员可以在TBM施工的间隙，结合施工前的地质勘探资料，安排适量的超前探测，进行超前预报。而对那些延伸范围较小并且与施工隧洞相交的规模较小的断层，只需把涌水洞段的水排泄出去。但是对于宽度较大并且断层走向与隧洞的洞线平行的断层带，TBM施工技术人员在实际的施工过程中，不仅要减少TBM单位时间的出碴量和刀具的喷水量，还要降低TBM的推力以及刀盘的转速，同时要积极采取不停机快速通过的方式，以防止隧洞塌方压住TBM机头。如果这些方法还不能够解决问题，那么还可以选择超前灌浆，加固断层洞段的围岩，进行固结灌浆处理，并且还可以使用加强配筋的重型管片衬砌，如图1所示。

图1 TBM在断层带施工中的超前固结灌浆示意图

4.2 岩溶带TBM施工技术

在长距离输水隧洞TBM施工中，溶洞段也是工程施工中的一大重要难题。隧洞的位置的选择要积极溶洞的规模大小、溶洞的分布位置以及填充物的性质来决定，TBM隧洞与充填型溶洞接触关系主要有包容型、底拱型、顶拱型以及边墙型这四种关系，如图2所示。TBM在有充填物溶洞的掘进过程中，由于TBM机头重量过大，极易产生机头下沉造成不均匀的沉陷，衬砌关联产生接缝过宽、洞底起伏变化等问题。而TBM在没有充填物溶洞掘进时，很难正常通过，这就需要进行预前处理，通过回填、架设桥梁、绕避以及打支洞等措施进行处理。TBM在长距离输水隧道的溶洞发育地段施工掘进，还可以进行适当的超前探测，依据前方探测的结果，采取相应的施工方案。首先，在没有或者只有少量充填物的溶洞，可以进行基础回填和支顶处理。其次，对于那些比较大的已充填溶洞或者充填物水量较多支撑力度较差的溶洞，可以合理地对溶洞采取超前注浆固结的方式，与此同时，还需要紧跟施工作业面进行回填灌浆，减少TBN通过时间，预防机头下沉。除此之外，还可以利用纵向槽钢把TBM的部分环管片连接起来，以防止洞底沉陷。再次，如果溶洞太大并且很难进行回填，那么可以在TBM的后盾附近开挖旁洞等方式进行跨越，通向隧洞前方。最后，如果长距离输水隧洞 TBM施工实在是遇到难以穿越的情况，那就只能进行TBM局部改线施工。

图2 TBM隧洞与充填溶洞接触关系图

4.3 高外水段TBM施工技术

TBM在高外水洞段施工时，由于高水洞段的用水量较大，砾石主要都是沉积在TBM管片的两侧，这就使得TBM出现空腔现象，回填灌浆的水泥记忆被高外水段的水冲走，造成隧洞止水质量得不到保证。一旦隧洞施工过程中的排水设施不足，那么就很容易出现淹洞问题，隧洞开挖也会对当地的水文生态产生严重的影响，破坏水文条件。因此，在高外水端的长距离输水隧洞施工前，要积极采取有效的措施，保证TBM施工的质量。首先，可以通过产前探测，了解隧洞地下水的情况，在特殊情况下可以进行超前预注灌浆，堵塞涌水的冒出。其次，在施工期间，要认真检查排水设施，对隧洞进行排水减压，降低底下水位。同时，在排水的过程中，要尽量避免因大量排水造成对当地水文条件的改变，影响当地的生态环境。最后，在TBM运行的过程中，要积极对TBM以及隧洞周边空隙实施动态的检测，以保障TBM的施工安全。