隧洞TBM集群施工关键技术探析

魏留建

(广东粤源工程咨询有限公司，广州 510635)

1 概 述

在国内外各重大隧道工程中，常采用TBM技术进行施工[1-2]。据统计，30%隧道工程均采用TBM技术[3]。1985年，中国首次将TBM技术应用于水电工程[4]。随着社会经济建设的发展，我国逐渐开始使用TBM技术。

冯欢欢等[5]对比多种TBM施工方案，分析极端地质条件下TBM隧道施工关键技术。杨佳庆[6]以特长隧道为研究对象，提出TBM施工方案。周振梁等[7]结合实际工况，分析TBM掘进参数分布规律。田世雄等[8]对比分析多种工况，提出TBM施工方案。王屹久[9]利用有限元软件，分析隧洞的变形和应力情况。倪锦初等[10]以某地区隧洞为研究对象，分析其TBM选型。吴剑疆等[11]以输水隧洞为研究对象，采用层次分析法，分析其风险性。杨刚[12]以引水隧洞为例，分析研究其通风方案。

本文以某地区供水工程为研究对象，选取其中第三段进行分析，并对其隧洞TBM集群施工关键技术进行探析。结合该地区工程地质与水文地质条件，提出以TBM为主、钻爆法为辅的施工组织方案，并对其设计施工过程进行优化。同时，分析通道型式的选择布局，提出施工方案优化设计，解决系统高效运行管理等问题。

2 工程概况

本研究以某地区供水工程为研究对象，选取其中第三段进行分析，其净扬程186 m，压力管道总长为13.08 km。工程实际情况见表1。

表1 工程规模统计表

该工程处于严寒地区，如何实现施工建设的安全性是实现长距离供水的关键。为达到上述目标，需要重点对TBM全过程管理进行探析，包括设计、制造、施工等，以保证其施工过程的安全性与高效性。

3 区域地质

该段地形起伏平稳，为戈壁荒漠区。隧洞地层主要以泥盆系为主，其次为侏罗系白垩系泥岩，再次为第四系碎石土。

4 工程地质

4.1 主要工程地质及水文地质条件

根据规范可知，该工程隧洞平均每2 km一个孔，共计布置45个钻孔。通过对工程进行实地考察，分析其工程及水文地质条件，见表2、表3。

围岩主要为Ⅱ类，为35.77%；Ⅳ类围岩占比最小，为4.3%。饱和抗压强度集中在60～120 MPa之间，占比59.3%。饱和抗压强度较小时，应注意施工过程的坍塌和变形问题。该工程饱和抗压强度小于30 MPa占比达到29%，需重点关注上述问题。

水文地质条件见表4。

表2 隧洞硐室围岩分类统计表

表3 抗压强度统计表

表4 隧洞围岩透水性及富水性评价表

由表4可知，隧洞围岩透水性较差，断层破碎带透水性一般。该工程属于贫水区，主要以岩石内部的水为主。通过一般岩体时，最大涌水量为10 m3/(h·km)，最小涌水量为8 m3/(h·km)。断层破碎带涌水量最大，一般岩体涌水量较小。在隧洞地下水中，硫酸根离子含量为539～5 052 mg/L，氯离子含量为638～5 070 mg/L。

4.2 工程地质问题分析

通过钻孔测试情况可知，该工程岩层情况较好。分析其工程地质与水文地质条件可知，易发生塌方有4处，水库、河床底部及软岩段等地段也易发生塌方。

该工程存在软岩变形问题。由上述工程地质及水文地质条件可知，工程围岩类别为Ⅲ类，易发生软岩变形和围岩鼓胀、崩解等工程地质问题，通过强支护、快衬砌可有效解决上述问题。

对该工程进行地温测试，其温值在7.1℃～21℃，未超过规范限制。隧洞东线以东5 km井下160 m温度为+12℃，深井温度为20℃。根据地温梯度值分析，此隧洞埋深770 m，最大埋深处低温为+25℃，不存在高地温情况。

对本工程进行实地考察，分析其有害气体及睡衣情况。对其核素、氡气析出率、伽玛能谱进行测量分析。分析其有害气体情况，未发现有害气体及水体。结果表明，该工程不存在核素富集、有害气体及水体现象，对环境影响较小。

5 施工组织设计

本工程以TBM施工为主，并结合钻爆法。结合上述工程地质条件，在保证安全性与效率的同时，减少施工成本，制定科学合理的施工技术方案，以确保施工组织计划高效灵活。隧洞工程地质及施工组织设计示意图见图1。

图1 隧洞工程地质及施工组织设计示意图

6 隧洞施工难点及关键技术

6.1 支洞及进入通道型式的布局

TBM施工过程受空间影响较大。在施工工程中，不仅要保证效率，还要考虑安全问题，其中通道形式是影响上述问题的主要因素。目前，我国主要采用竖井和斜井两种通道形式，相关施工技术已经非常成熟。合理选择通道形式及其布局对工程施工效率与安全尤为重要。

需考虑水文及工程地质条件及地形等因素。根据工程及水文地质条件等特征，结合实际地质情况，提出合理科学的设计方案。在设计阶段，对工程布局，隧洞断面，进行充分考量，并对其进行不断优化，在保证安全性的前提下，提出兼顾效率与经济的设计方案。

优化施工方案。根据工程地质情况，分析TBM与钻爆法与实际工况的适用性。确定主洞与支洞的位置情况，并根据不同的施工方法，选择合理的通道形式。考虑环境、工况、经济等影响因素，提出科学的施工方案。

本工程主要采用TBM与钻爆法相结合的施工方案，对两种施工方式的取舍也是需考虑的问题。在保证安全性的前提下，结合施工方案，考虑工期、运输及经济等方面的影响，科学合理地选择施工位置、坡度等技术参数，保证两种施工方式的可行性，并确定坡度斜井施工技术。

安全性是本工程考虑的首要因素。为确保工程施工的安全性，需对深埋竖井进行可行性分析，合理布置其位置。考虑其位置、断面、数量等参数，结合相关施工技术及建造技术，以确保工程施工的安全性。在施工过程中加强管理，以确保工程施工的顺利进行。

6.2 TBM掘进优化设计

在选择隧洞施工支洞及TBM进入通道型式的基础上，对TBM掘进方案进行优化，以充分发挥其优势，提高其效率、经济、安全等方面的优势。TBM及钻爆法制动位置的选择较为复杂，必须对施工设计方案进行系统研究和优化，根据实际工程情况选择科学合适的施工方案。本工程以TBM为主，并辅以钻爆法进行施工。因本工程石英含量不高，所以宜采用TBM为工程的主要施工方案。

确定隧洞出渣和物料运输技术。运输方案包括无轨双向运输系统、有轨运输、连续皮带机等。通过分析运输方式与主洞之间的关系，确定与施工方案相对应的运输系统。以安全性为基础，结合经济、效率等方面对施工计划的影响，确定隧洞物料运输技术。

本工程主要依托于隧道工程，优化通风系统对提高工程施工的安全性至关重要。通过优化设计方案，根据设备及施工计划选择科学合理的通风方案，确保施工计划与通风方案的一致性。通过对优化的通风方案进行现场测试，评估其安全性及通风性能。为提高通风方案的可行性，需考虑各种通风机械的相关参数，根据相关参数对方案进行优化，提高施工与通风方案的协同性。

6.3 配套系统高效运行管理

本工程采用18台TBM进行施工，为保证施工机械的耐久性和可靠性，需结合地质条件及TBM自身结构，提出高效的施工运行管理系统。

分析TBM机械类型、结构形式等因素，对比分析其与实际工程的可适性。根据隧道的具体情况，研究TBM各项关键部件的设计参数，以便降低经济成本，同时兼顾施工效率。

对于地形和地质较为复杂的地段，应提前分析，提出解决方法。对可能出现的施工问题进行分析，并提出解决方案，找到适合TBM的施工方案。

利用BIM对工程进行全生命周期管理。在工程设计阶段、施工阶段和运营阶段，结合BIM数字化技术进行综合管理。对功能参数、施工情况进行实时监控。通过工程报表等方式，对工程全过程进行动态管理。

收集在施工过程中遇到的技术问题，整理相关施工数据，建立数据库，为今后的施工管理、监测提供数据支持。根据先前的数据情况，对比分析以后的项目施工情况，对其效率及经济相关内容进行评估。掌握TBM相关参数，充分了解其机械状态与故障修复等问题，确保工程施工的顺利进行。

在施工前，需充分考察当地地质情况。通过考察结果，对TBM施工过程中存在的问题作出预案，对风险进行评估。对风险评估后，还需设置合理的安全预案，以防危险的发生。

由于本工程存在软岩变形问题，需提前针对这一问题进行规划。可采用双层衬砌结构进行加固，以保证结构的安全性。在施工阶段，采用短台阶法，以防止施工过程中软岩变形的问题。

7 结 论

本文以某地区供水工程为研究对象，选取其中第三段进行分析，分析工程地质与水文地质情况，并对设计施工过程进行优化，结论如下：

1) 隧洞围岩透水性较差，断层破碎带透水性一般。该工程属于贫水区，主要以岩石内部的水为主。通过一般岩体时，最大涌水量为10 m3/(h·km)，最小涌水量为8 m3/(h·km)。断层破碎带涌水量最大，一般岩体涌水量较小。在隧洞地下水中，硫酸根离子含量为539～5 052 mg/L，氯离子含量为638～5 070 mg/L。

2) 本工程以TBM施工为主，并结合钻爆法，兼具TBM的高效性与钻爆法的灵活性。结合上述工程地质条件，在保证安全性与效率的同时，减少施工成本，制定科学合理的施工技术方案。在选择隧洞施工支洞及TBM进入通道型式的基础上，对TBM掘进方案进行优化，以充分发挥其优势，提高其效率、经济、安全等方面的优势。

3) 安全性是本工程考虑的首要因素。为确保工程施工的安全性，需对深埋竖井进行可行性分析，合理布置其位置。考虑其位置、断面、数量等参数，结合相关施工技术及建造技术，以确保工程施工的安全性。在施工过程中，加强管理，确保工程施工的顺利进行。同时，提出科学合理的施工组织方案，在保证安全性的前提下，提高工程效率，降低工程成本。