滇中引水工程香炉山深埋长隧洞TBM施工关键技术研究

徐鹏祖

(中铁隧道股份有限公司， 郑州 450001)

全断面岩石掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)是目前最先进的岩石隧道掘进装备，现已在我国铁路、水利、城市地下工程以及煤矿巷道工程等领域得到广泛应用[1-5]。相比传统钻爆法施工，TBM具有更安全的施工环境以及更加快速高效的掘进效率[2]。自TBM机引入我国以来，已先后在中天山隧道、引汉济渭工程、高黎贡山隧道等重大工程中进行应用。然而，TBM对复杂地质条件的适应性差，由于TBM选型或配置不当易导致卡机等重大事故[6-8]，严重影响了工程安全、质量、经济及社会效益。因此，对复杂地质条件下TBM的施工关键技术进行研究十分重要。

齐梦学[9]提出，地质条件是影响TBM选型的重要因素，在进行TBM选型时需要综合考虑整体地质条件、地质分布、施工区段划分和局部极恶劣地质等因素，全面考虑；琚时轩[10]提出了敞开式TBM、单护盾TBM以及双护盾TBM的适用条件及其特点分析；王梦恕[11]分析了各类TBM的特点并结合地质情况分析了其适应性。显然，针对工程难点、综合地质特点开展针对性的TBM选型极为重要。

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程建成投入运行后可以从根本上解决滇中区的水资源短缺问题，具有显著的经济、社会和生态效益。滇中引水工程以解决滇中地区的城镇生活及工业用水为主，兼顾农业和生态。受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪、红河六个州(市)的35个县(市、区)。

滇中引水工程多年平均引水量34.03亿m3，其中城镇生活7.93亿m3，工业14.38亿m3，农业灌溉5.00亿m3，补湖生态水量6.72亿m3(滇池5.62亿m3、杞麓湖0.70亿m3、异龙湖0.40亿m3)。

滇中引水工程由石鼓水源工程和输水工程组成。石鼓水源工程为无坝取水，采用提水泵站取金沙江水，设计抽水流量135 m3/s，共安装12台混流式水泵机组，其中备用机组2台。输水工程总长约664.236 km，划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段等6段，主要建筑物包括隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵等，以隧洞为主，约占总干渠全长的92%。

香炉山隧洞为滇中引水工程输水线路首个建筑物，在丽江市玉龙县石鼓镇冲江河右岸山体内与石鼓泵站相连，在鹤庆县松桂与积福村渡槽相接，隧洞全长62.596 km，圆形断面，净断面直径8.3～8.5 m，设计水深7.1 m。香炉山隧洞是滇中引水线路中最长的深埋隧洞，穿越金沙江、澜沧江分水岭，为目前在地壳活动性较强地区尚无先例的长距离深埋输水线路。

大理I段施工3标香炉山隧洞桩号DLⅠ36+800～DLⅠ62+596段，长约25.80 km。

1 大理I段施工3标香炉山隧洞工程地质条件

本标段香炉山隧洞埋深一般为400～1 400 m，最大埋深约1 450 m。隧洞围岩主要为三叠系中统北衙组上段(T2b2)灰岩、白云岩，三叠系下统青天堡组(T1q)和二叠系上统黑泥哨组(P2h)砂岩、泥岩及页岩、峨眉山组(Pβ)玄武岩夹凝灰岩等。

本标段香炉隧洞位于鹤庆-洱海台褶束(Ⅰ11)三级构造单元内，隧洞穿越断裂多，主要穿过FⅡ-35断裂、青石崖断裂组(FⅡ-9)、下马塘-黑泥哨断裂组(FⅡ-32)、FⅡ-37断裂、鹤庆-洱源断裂(F12)及芹菜塘断裂(FⅡ-10)，其中F12为全新世活动断裂，其它为早-中更新世活动断裂。

本标段场地50年超越概率10%水平向地震动峰值加速度值为299 gal(0.306 g)～312 gal(0.319 g)，地震基本烈度均为Ⅷ度，存在高地震烈度区与工程抗震问题。

本标段香炉隧洞穿越可溶岩累计长度约12.5 km，占比约48.4%，其中穿越强烈岩溶化T2b2、T2b1-2地层约10 km，占比约38.9%，岩溶强烈发育区主要位于鹤庆西山汝南哨至小马厂及鹤庆-洱源断裂(F12)以南上窝至狮子山段。另外与本标段香炉隧洞直接相关的岩溶水系统主要有鹤庆西山Ⅳ-5与清水江—剑川Ⅴ-2两个岩溶水子系统。本标段香炉隧洞穿越岩溶发育区、断裂破碎带及向斜核部等集水构造时存在涌水突泥及水环境影响风险。

本标段香炉隧洞属深埋隧洞段，应力量级主要为中等～高地应力水平，局部极高地应力水平，隧洞穿越硬质岩主要有北衙组(T2b)、中窝组(T3z)的碳酸盐岩，二叠系玄武岩(Pβ)等，部分地下水贫乏、岩体完整深埋洞段存在中、强岩爆风险。隧洞穿越黑泥哨组(P2h)、青天堡组(T1q)、松桂组(T3sn)泥质岩和泥页岩等地层及断裂破碎带等软岩洞段存在挤压大变形问题。

本标段香炉隧洞围岩类型主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，其中对Ⅲ类围岩细分为Ⅲ1、Ⅲ2亚类，Ⅲ2代表Ⅲ类围岩中岩体完整性偏差、强度偏低或地下水活动较强的围岩。其中：Ⅲ1类围岩长约3.0 km，Ⅲ2类围岩长约7.2 km，Ⅳ类围岩长约10.4 km，Ⅴ类围岩长约5.2 km。Ⅳ、Ⅴ类围岩约占隧洞长度的60%，洞室围岩稳定问题较为突出。

图1 香炉山隧道纵断面图

2 大理I段施工3标香炉山隧洞总体施工方案

本标段香炉山隧洞地形前段埋深大，大部分在1 000 m以上，往出口段逐渐降低，出口段埋深约100～200 m，出口段布置施工支洞条件较好。

综合考虑施工支洞布置和地质条件，从技术、经济、工期、施工难度、地下水环境风险等各方面综合考虑，在隧洞桩号DLI 57+942.15布置香炉山隧洞7#施工支洞，作为TBM向上游掘进的施工通道，对7#支洞至出口长4.65 km的隧洞采用钻爆法施工，在DLI60+624.75布置香炉山隧洞8#施工支洞作为施工通道。

香炉山隧洞桩号在DLⅠ53+747～53+912为宽165 m的F12鹤庆-洱源断裂及影响带，为防止TBM掘进的卡机风险，通过设置旁通道采用钻爆法处理后，TBM再步行通过。旁通道进口设在TBM主机末端(长30 m)桩号DLI54+010，出口设置F12鹤庆-洱源断裂及影响带中部桩号DLI53+830处，支洞与主洞轴线相距20 m。

大理I段施工3标香炉山隧洞施工支洞特性见表1。

根据大理I段施工3标香炉山隧洞施工支洞布置情况，本标段香炉山隧洞采用“TBM法+钻爆法”的总体施工方案，具体为：在香炉山隧洞桩号DLI 57+942.15设置香炉山隧洞7#施工支洞，作为TBM向上游掘进的施工通道，TBM在到达F12鹤庆-洱源断裂及影响带前，通过设置旁通洞钻爆法处理断裂带后，TBM再步进通过向上游掘进；对7#支洞至出口4.65 km采用钻爆法施工，通过设置香炉山隧洞8#施工支洞与香炉山隧洞出口作为施工通道。

表1 大理I段施工3标香炉山隧洞施工支洞特性见表

大理I段施工3标香炉山隧洞施工方法分段见表2、施工平面布置如图2。

表2 大理I段施工3标香炉山隧洞施工方法分段表

3 大理I段施工3标香炉山隧洞TBM施工关键问题

3.1 TBM选型研究

1)TBM段工程地质条件。TBM段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一带，沿线地面高程2 500～3 418 m，隧洞埋深一般600～1 300 m，最大埋深约1 450 m，最小埋深约454 m。

TBM段主要穿越二叠系玄武岩组(Pβ)、黑泥哨组(P2h)砂泥岩、三叠系中统北衙组(T2b)、上统中窝组(T3z)灰岩及白云岩、下统青天堡组(T1q)砂泥岩等地层。

图2 大理I段施工3标香炉山隧洞平面布置图(单位：m)

TBM施工段穿越FⅡ-35断裂、青石崖断裂组(FⅡ-9)、下马塘-黑泥哨断裂组(FⅡ-32)、FⅡ-37断裂等。

TBM施工段穿越的三叠系北衙组上段(T2b2)及下段上部(T2b1-2)灰岩、白云岩为强烈岩溶化地层；三叠系上统中窝组(T3z)灰岩夹泥质灰岩为中等岩溶化地层；二叠系玄武岩(Pβ)及各时代的侵入岩为裂隙性中等透水地层。断裂破碎带赋存一定规模的断层脉状水。

TBM施工洞段应力量级大部为高至极高应力水平。

TBM施工段III类围岩长9.98 km，占比47.90%；IV类围岩长7.66 km，占比36.75%；V类围岩长3.20 km，占比15.35%。

2)TBM施工段围岩适宜性评价。《引调水线路工程地质勘察规范(SL629-2014)》[12]附录C中提出了隧洞TBM施工适宜性判定标准。隧洞TBM施工的适宜性主要考虑两方面地质因素：一是岩体所处的地质环境是否适宜于采用TBM进行施工，二是岩体性状对TBM掘进效率的影响。

TBM施工段多布置在地质条件相对较好洞段，地质环境条件总体基本适宜，但隧洞埋深大，除TBM前段长约416 m埋深小于600 m外，其他段埋深都在600 m以上，局部洞段仍存在高地应力环境下的硬岩岩爆、软岩大变形以及沿断裂带的高外水压力和可能的涌水突泥等不利于TBM施工的地质条件。

TBM施工段岩石的强度总体适宜，有利于TBM高效快速施工，局部软岩及断层破碎带、极坚硬岩段对TBM施工有一定影响，绝大部分岩石适宜TBM快速高效掘进。

对TBM施工段代表性岩石进行指数测试，岩石具中等至低摩擦性，适宜TBM快速掘进。

大理I段施工3标香炉山隧洞TBM施工段地质条件适宜性分级见表3。

表3 大理I段施工3标香炉山隧洞TBM施工段地质条件适宜分析表

TBM施工段的TBM地质条件适宜性总体情况较好，但局部洞段的渗涌水、硬岩岩爆、断裂带及软岩大变形等不利地质条件危害很大，需对适宜性差及不适宜洞段进行研究，并采取针对性工程应对措施。

3)TBM选型研究。TBM选型应从设计要求、地质条件、造价、工期、施工环境和安全等方面进行综合比选，其中首要的因素则是地质条件的适应性。

在TBM选型时，除了要充分研究占洞长大部分起主导作用的洞段围岩外，还要对那些虽然所占比例不大，但施工难度很大的特殊地质洞段进行研究，这些洞段不但影响工期、投资和工程质量，在某些情况甚至决定掘进机能否顺利通过。

由于护盾式TBM机头与围岩之间处于封闭状态，没有施工处理空间，在碰到不良地质洞段，TBM无法掘进通过时，往往只能从刀盘进人、进料，严重时则从机头后边拆除管片，开挖旁通洞绕行到机头前进行处理，存在施工难度大、安全风险高和延误工期问题。而敞开式TBM护盾不长，碰到不良地质洞段时，可从刀盘后进行临时支护或超前支护，直至洞壁稳定后在继续掘进。与护盾式TBM相比，敞开式TBM在碰到不良地质洞段时，显得相对灵活。

大理I段施工3标香炉山隧洞TBM选型相关边界条件见表4。

表4 大理I段施工3标香炉山隧洞TBM选型相关边界条件表

从围岩饱和抗压强度和岩石完整性方面比较，敞开式和护盾式基本相当，敞开式略好。从衬护要求、围岩类别等方面比较，护盾式更合适。

面对断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质问题，敞开式和护盾式的适应性都不好，对特别不良段可能还需超前处理才能通过。对软岩(含断层)大变形洞段，护盾式比敞开式更容易卡机；对涌水突泥等的超前处理或事后处理，敞开式更方便。在超前地质预报和不良地质处理方面，敞开式更方便。在作业环境和安全方面，护盾式更有利。在工期方面，两者相当。

由于不良地质洞段的施工是TBM施工的关键，综合而言，从偏于方便不良地质预报与处理方面考虑，选用敞开式TBM。

3.2 TBM主要功能配置

针对本标段香炉山隧洞TBM施工段的地质条件， TBM相应的功能配置如下：

1)主机系统配置。刀盘具有足够的刚度和强度，设置人孔和雾化喷水装置。刀盘的开挖直径为9 830 mm，盘体材质为Q345D，刀盘总重约260T，分为5块(一个中心块加四个边块)，共布置10个进渣口、65个刀刃。

刀盘刀具的布置及选型充分考虑了工程地质条件和施工要求。刀具布置为类双螺旋形，确保刀盘在掘进过程中受力均匀，无较大应力集中，产生的振动相对较小，从而提高刀盘的工作寿命，降低刀具消耗。中心刀刀座毛坯件采用整体锻件，避免拼焊刀座对中心刀刀座质量的影响。中心滚刀设计为17寸双联滚刀，通过三个压脚楔块及轴向锁紧机构将滚刀锁紧到中心刀座上；正滚刀设计为19寸单刃滚刀，滚刀安装在刀座的卡块上，通过轴两端的楔形锁紧结构将滚刀锁紧。

为适应地质收敛性，刀盘设计有扩挖功能。刀盘设计有三个扩挖刀箱，通过安装扩挖刀及边滚刀卡块增加垫片的组合方式实现刀盘的扩挖，同时需要更换扩挖时用的刮刀。刀盘设计的扩挖能力为单边扩挖50 mm、100 mm和150 mm三种。

主轴承为径向和轴向组合的三排滚子轴承，直径5 880 mm，设计寿命不小于15 000 h，单机掘进长度不小于25 km。采用14组400 kW变频电机驱动，轴承与齿圈分离式设计，额定扭矩15 719 kNm、脱困扭矩23 579 kNm、功率因数16.5。

电机设计为变频异步电机，焊接箱体、定子水冷却，用于变频驱动模式。

撑靴油缸是经过特殊设计的液压油缸，撑靴油缸有4个，推力为 31 526 kN@ 320bar(额定)，推进行程为2 000 mm，支撑力为84 167 kN@320bar(额定)。

护盾的主体为钢结构焊接件，分成底护盾、侧护盾和顶护盾三个部分。底护盾与机头架通过键和螺栓栓接，侧护盾和顶护盾通过液压缸与机头架相连，之间有较大的空隙，需要护盾隔尘板，防止灰尘从空隙中进入到主机后面。

2)支护功能配置。钢拱架安装器采用液压驱动，轴向行程不小于推进液压缸的最大行程，具有可靠制动及自锁功能；锚杆钻机轴向行程不应小于掘进机推进液压缸的最大行程、并具有反向同步功能，具有可靠制动及自锁功能；装备有钢筋排支护系统和钢网片支护系统；混凝土喷射装置喷射范围360°，轴向行程不应小于3个掘进循环长度，配置混凝土喷射防护罩。

3)超前钻探及地质预报功能配置。超前钻机为水动力潜孔式管棚钻机，配置两台，同时具备超前支护和超前管棚功能，配置独立注浆泵站，可以完成超前加固作业。

TBM上配备激发极化超前和探测系统(电法)和三维地震波超前探测系统(声法)两种超期地质预报系统。

香炉山隧洞敞开式TBM主要技术参数需求初拟见表5。

表5 香炉山隧洞TBM选型相关边界条件表

3.3 TBM针对不良地质条件施工配置

本标段TBM掘进距离长，不良地质种类多、距离长，在TBM的设计中尤其重点考虑钢结构件的可靠性设计，考虑震动对钢结构的影响，刀盘、驱动、主梁、设备桥和喷浆桥的主结构件均经过受力分析并留有安全余量。

为了及时探明TBM前方水体的分布情况，TBM搭载了探测水源的激发极化超前地质预报系统。通过建立掘进机的前向探测模式，利用多同性源阵列激发极化法，三维反演成像方法，实现掌子面前方30 m内不良地质三维成像定位和水量估算。利用配置超前管棚钻机，对超前地质预报结果进行验证，并根据水体的性质，采用超前灌浆预封，堵、排等措施。

针对岩爆，采用超前钻孔释放应力、喷射冷却水、降低掘进速度等措施。刀盘面板布置有21个喷水孔，覆盖掌子面周边和前方。

针对软岩大变形，采用大功率的变频电机驱动，并可满足最大直径方向30 cm的三阶段扩挖功能。

针对断层破碎带，配置了两台超前管棚钻机，能够在掌子面正前方及斜上方施作超前管棚对围岩进行加固支护。

TBM最大独头通风长22.76 km，受同步衬砌台车约束下风管直径的限制，采用隧洞中部风机接力通风的方案。洞口风机与接力风机的风管直径均为2.6 m，功率分别为2×315 kW、2×200 kW。

4 结论

针对大理I段施工3标香炉山隧洞深埋、超长的特点，结合其需穿越的断层破碎带、高地应力、软岩大变形及岩爆、突水突泥的不良地质，综合其穿越两江分水岭的水文地质条件，通过资料查询、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨对TBM施工关键技术进行了研究。提出 “TBM法+钻爆法”的组合方案，结合TBM的施工适宜性分析，选用开敞式TBM，并对主机系统开展专门设计，配备激发极化超前和探测系统(电法)和三维地震波超前探测系统(声法)两种超期地质预报系统，同时针对各类不良地质开展针对性配置设计。