敞开式TBM功效提升新技术及其在大直径输水隧洞中的应用

倪自荣

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

隧洞工程具有地质条件复杂、隧洞洞线长、隧洞开挖直径大、高工压、全程自流等特点。TBM是一种依靠刀具旋转掘进的一种方式，广泛应用于隧道开挖等工程，是一种大型的隧洞施工技术，是大型工厂化施工的高新技术装备。目前已经有许多学者对TBM掘进输水隧洞进行了研究，并取得了一定的成果。张红耀等[1]学者对TBM刀盘刀具、轴承、支护等系统进行了针对性的设计，通过在重庆轨道交通六号线的应用，此种设计可以提高敞开式TBM的适用性。孙振川等[2]调研国内外相关案例，提出了新的TBM连续施工方案和措施，并研究出了一系列理论及参数，为岩溶及软弱地层等工程提供一定的借鉴和参考。孔祥政[3]通过调整TBM的掘进参数，对于不良地质洞段进行了一定的改进，为类似的工程提供了一些经验。莫耀升[4]对敞开式TBM在长大输水隧洞的施工技术进行了研究，取得了一些基本的经验，对类似工程的施工具有一定的借鉴作用。杜士斌[5]论述了对大伙房输水隧洞工程中应用的开敞式TBM技术进行了介绍。孙千[6]通过对大伙房水库输水隧洞工程的施工现状进行了研究，对相似的工程具有一定指导作用。

1 TBM在隧洞施工中的应用现状

自20世纪90年代开始，我国开始应用TBM掘进技术，但与国际水平还有较大的差距。1985年广西隆林天生桥水电站第一次采用大断面岩石掘进技术；1991年甘肃省引大入秦大型跨流域灌溉工程是国内第一条成功应用TBM施工的隧洞工程；之后山西省万家寨引黄工程、西康铁路秦岭隧道工程等多个隧洞工程均采用TBM施工。TBM施工在国内水利水电、铁路、矿业等行业得到了越来越广泛的应用。

国外TBM技术发展较早，也较为成熟，19世纪中叶开始，TBM施工法第一次发展出来。20世纪50年代美国罗宾斯公司研制出第一台现代意义的TBM，TBM在世界范围内得到了长足发展。20世纪80年代以来，TBM施工技术有了长足的发展。

2 敞开式TBM功效提升技术

敞开式TBM使用了20″新结构盘形滚刀，同时应用了新型刀盘耐磨板，有效地保护了刀盘本体。

另外，当掘进段遭遇不良地质时，围岩在护盾内易发生大块岩石或小块大量岩石的坍塌如图1所示，塌落体出露护盾后有直接掉落的趋势，常规的TBM护盾后面为了施工的安全加装了指形护盾。通过对围岩坍塌情况进行分析，开发了新型的支护系统。新型支护系统由钢筋排安装系统(罗宾斯称之为McNally系统)、高效钢拱架及钢筋网片安装机构、锚杆钻机以及喷混系统组成。新型围岩系统作为TBM工法隧洞施工的新型施工工艺，可以保证及时、快速进行顶拱部位支护。

图1 初露护盾后围岩坍塌情况

3 敞开式TBM在大直径输水隧洞中组装、步进、始发洞室的设计优化

3.1 TBM扩大洞室设计

根据本工程的实际特点，本着满足最基本施工要求、降低施工难度、缩短施工工期、节省施工成本支出的原则，立足于统一6台洞内组装的TBM扩大洞室设计为出发点，提出了一整套TBM扩大洞室设计优化的方案。扩大洞室布置示意图如图2所示，该方案主要特点有以下两点：①TBM组装洞由140m缩短为80m；②始发洞长度由20m加长至25m。

图2 TBM扩大洞室布置示意图

3.2 TBM组装区洞室设计

TBM组装的最长部件为2#连接桥，长度约13～15m、宽度3～4m、高度2m。TBM组装区为圆顶直墙型洞室设计，洞室底板为平底板设计。洞室净宽最小为12.5m，至圆顶顶点净高16.5m，在TBM主机组装区配置两台起重能力100t的桥式起重机，桥吊的轨道预埋在岩锚梁的岩台混凝土内，行走轨道长80m、桥吊跨度14.1m，主勾最大起吊高度11.0m。另外安装一台25t桥式起重机，配合主桥吊完成TBM主机及后配套大部件的吊装工作。TBM主机组装区洞室结构图如图3所示。TBM超大部件在洞内的摆放布置如图4所示。

图3 TBM主机组装区洞室结构图

3.3 TBM步进通过洞室设计

TBM通过段洞室设计较为简单，主要是满足TBM主机及后配套步进的净空要求，保证TBM主机及后配套系统能够顺利步进通过。TBM通过段洞室设计为马蹄形断面，TBM步进通过段洞室结构如图5所示。

3.4 TBM始发段洞室设计及优化

为简化设计、减少工序、降低工程量，设计人员对TBM始发洞做了较大的设计优化：①始发洞长度由20m延长至25m；②始发洞断面形式由圆形平底板变更为马蹄型洞室，与步进通过洞室保持相同的断面尺寸，以减少钻爆开挖的难度和工程量，加快施工进度；③由于采用滑板式步进方式，平底板混凝土上部的步进导向槽，要一直延伸至掘进断面掌子面附近10m距离以内；④取消始发洞的全圆衬砌混凝土施工，仅提前铺设混凝土底板，边顶拱区域根据地质情况的不同，分别采取不同的支护方式。

图4 TBM超大部件摆放布置图

图5 TBM步进通过段洞室结构图

4 结语

(1)以长大隧洞TBM设备为研究基础，从影响TBM施工工效提升的细节入手，研究、应用了一系列保证TBM施工工效提升的技术措施和技术手段。

(2)研究、采用新型TBM刀盘面板耐磨材料，保证了长距离掘进刀盘寿命，减少了掘进过程中刀盘维修量、缩短了刀盘维修时间，提高了设备掘进效率。

(3)从工程施工实际出发，本着功能不变、施工方便、经济适用、降低成本的原则，结合施工实际，对后配套系统结构进行的全面、系统化的优化，有效降低了设备采购资金、提高了设备的实用性和作业效率，并且及时消除了设备隐患，保证了施工生产的正常进行，创造了较大的经济效益。