深埋特长隧洞TBM法掘进同步衬砌施工

2017-04-28纪鹏

东北水利水电 2017年4期

关键词：主洞大伙房出渣

纪鹏

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳?110166）

深埋特长隧洞TBM法掘进同步衬砌施工

纪鹏

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁沈阳?110166）

针对特长隧洞TBM法施工难题，文章以辽宁大伙房水库输水主体工程为例，分析了引水隧洞施工存在的主要工程地质问题，介绍了台车现场组装调试、隧洞支护、长距离独头通风等施工关键技术，并对不良地质地段施工处理措施进行了探讨。

深埋特长隧洞；TBM法；同步衬砌

特长隧洞在掘进施工过程中影响因素较多，如岩性变化大、地质构造多、地应力大、涌水量大、通风困难等，对深埋特长隧洞施工安全与施工质量造成较大影响。就现阶段而言，国内特长隧洞施工方式一般有2种——钻爆法和TBM法。钻爆法技术在隧道施工中已相对成熟，而法能够提升隧洞施工速度，保证作业内容的连续进行与施工安全，具有钻爆法无法比拟的技术优势。而受到施工条件的限制，TBM法施工在洞内组装、连续出渣、同步衬砌、长距离独头通风等方面存在问题，亟需通过技术引进与创新以推动技术的大范围推广应用。

1 工程概况

大伙房水库输水主体工程位于辽宁省本溪市与抚顺市两市境内，设计将凤鸣水库水资源经由穆家电站引至大伙房水库，并由大伙房水库向辽宁省中南部城市供水[1]。工程设计引水隧洞长85.32 km，其中有大约60.84 km隧洞以TBM法施工为主，辅以钻爆法的施工方式。设计隧洞断面为圆形，直径为m。考虑施工空间及地质条件因素，工程确定TBM设备型式为开敞式TBM，并结合全环内通式衬砌模板台车对隧洞进行同步衬砌。

2 工程地质问题

对隧洞施工标段地质条件进行调查，得到引水隧洞施工主要面临的工程地质问题有以下几个方面[2]：

1）围岩稳定性较差。TBM施工标段围岩主要为微风化—新鲜，岩性抗压强度较高，稳定性良好。但隧洞围岩赋存条件十分复杂，区域断层分布较多，仅主洞线附近就有29条断层；断层类型以压扭性断层为主，对区域围岩稳定性影响最为严重。

2）岩层硬度大。隧洞围岩岩性以石英砂岩为主，岩石中石英含量均超过67%，致密坚硬；岩体整体结构保存性完好，未受到地下水的侵蚀。岩层硬度大可能影响隧洞掘进效率，并且在高地应力作用下，围岩破坏与失稳类型多样，有发生岩爆的可能。

3）隧洞涌水。隧洞施工标段整体涌水量较小，仅部分异常地段涌水量会增加，预计最大单宽流量在3～7 m3/h。

3 TBM法掘进同步衬砌关键技术

3.1 隧洞支护

TBM法施工隧洞的支护衬砌方式一般有2种：锚喷与管片。工程原设计隧洞支护方式为管片衬砌，预制管片衬砌材料精度高，能够保证施工质量与掘支施工的机械化。但管片衬砌方式与开敞式TBM法施工配合程度较低，工程循环占用周期长，往往造成施工工期的延误，且由于大伙房水库输水洞围岩结构条件复杂多变，工程支护后围岩出现严重的失稳变形。而锚喷支护对围岩条件具有良好的适应性，充分发挥围岩的自身承载能力[3]。对于Ⅳ和Ⅴ类围岩，需要在锚喷支护外部进行二次混凝土模筑施工，形成叠加的支护结构，共同确保支护的稳定性，如图1所示。通过调整外部模筑混凝土的厚度，也能达到控制引水隧洞衬砌内径的作用，减少输水过程中的水头损失。在施工组织方面，该支护方式能将工程衬砌与开挖施工内容之间的相互影响降到最低，保证施工内容的灵活性以及施工效率。

图1 隧洞锚喷复合衬砌支护方案

3.2 隧洞出碴

大伙房水库输水隧洞断面大、距离长，施工出渣量大，预计仅TBM施工段出渣量在5×104m3/km以上。施工掘进中，需要及时将石渣运输出来，以保障施工掘进速度。工程通过比选分析，确定出渣方案为连续皮带机运输方式，主洞和支洞分别采用连续皮带机和固定皮带机，出渣运输线路为：主机皮带机→后配套号皮带机→后配套号皮带→斜置皮带→主洞连续皮带→支洞连续皮带。

主洞和16号支洞出口位置均安装转载机，皮带装载机上装有溜渣槽，可向两侧进行卸渣。运渣皮带机机架安装在洞内左侧，用三脚架进行支撑固定，洞内位置如图2所示。为保证皮带运输机的正常运行，其配套驱动电机应具有变频变速功能，启动方式为软启动，运行管理中通过PLC进行控制。

3.3 TBM掘进独头长距离施工通风方案

1）风量计算与设备选型

TBM法同步衬砌施工标段的总长度为10 420 m，其中TBM3-1、TBM3-2和16号支洞的标段长度分别为8 913，9 777，643 m。开挖隧洞断面面积为50.27 m2，如按照隧洞内施工所需最适宜风速（0.5 m/s）计算，并考虑大伙房输水洞施工所在地区气候条件，计算得到隧洞施工新鲜风供应量应在1 500 m3/min以上。根据此计算选取通风设备，通风机选择变频轴流式压入式隧洞风机，额定功率需要超过150 kW/h。通风管道需要具备一定的柔性，以保证其对通风线路的适应性，工程选择柔性风管，并在风机与软管接口位置用长度在30～50 m的钢风管进行线路的过渡，避免瞬时风压过大损坏软管；通风管道直径为2.2 m，摩擦系数应小于0.002 4。

2）通风系统布置

TBM3-1标段通风机安装在洞口外部，距离洞口位置约30 m。TBM施工准备就绪再安装洞内风机与风筒等设施，工作面排出的污风直接从断面排出。工程主通风机及其附属配套设备仅有1套，在施工完TBM3-1标段后，需拆卸与组装用于主洞施工通风。而在主洞TBM3-2施工过程中，由于其线路过长，需要在16号支洞增加辅助的出渣与通风系统。在支洞设备安装与施工时，主洞由于掘进距离较短，可采用自然通风和机械通风结合的方式，保证主洞施工初期阶段的供风需求。

3.4 全环台车组装与调试

全圆衬砌台车在主洞TBM通过段内安装，安装位置位于TBM始发洞桩号74+934-74+989范围内，由于洞内安装空间有限（顶模板距离开挖轮廓线685 mm，两侧距开挖轮廓线705 mm），大型吊装设备无法使用，必须在洞壁固定好起吊锚杆，利用电动滑轨小车、电动葫芦起吊台车部件。根据全环内衬式模板台车的结构特点及洞内安装条件，台车安装流程为：底模→框架梁→前后底座→车架→运输机架→工作平台（液压泵站、电气控制柜）→供、排水管→侧模（含大、小侧模）→顶模→前、后抗浮平台→前、后坡轨→前、后移动坡轨（前移动坡轨和前坡轨部件需提前吊装安放在台车前端的洞内运输轨面上）[4-5]。

图2 皮带机布置

结构件安装完毕后，需对安装质量进行检查与调试，检查内容包括拼装模板平整度、板面高差、部件尺寸等，表1为大伙房水库台车主要部件尺寸检测结果，可作为台车安装偏差参考依据。台车调试应包括各运动部件与液压执行元件的连接及位置控制调整、整体联动的操作与控制和台车的功能是否达到设计要求。如：顶侧模油缸需进行同步调试、其余油缸的动作（伸出、收回）调试、框架梁与车架（模板）间的相互移动等。