長距離輸水隧洞施工中TBM的應(yīng)用分析

孫宇航

(遼寧省潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

TBM(Tunnel Boring Machine)即全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在隧道施工中，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)、出碴以及支護(hù)等工序并行連續(xù)作業(yè)，是隧道施工的重要設(shè)備。在長距離輸水隧洞施工中，應(yīng)用TBM能夠有效提高工程施工的掘進(jìn)速度，并且采用TBM施工對(duì)生態(tài)環(huán)境起到很好的保護(hù)作用，有著良好的綜合效應(yīng)。同時(shí)，采用TBM可以有效實(shí)現(xiàn)在長距離輸水隧洞中的復(fù)雜地形地貌深埋隧道進(jìn)行施工。

1 我國TBM應(yīng)用現(xiàn)狀

由于我國在TBM的研究上起步較晚，并且經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件還不夠成熟，導(dǎo)致 TBM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用還較為落后[1]。與國外TBM相比，我國的TBM在可靠性和技術(shù)性能上還存在很大的差距。許多TBM研發(fā)人員并不是特別了解隧道掘進(jìn)施工工作，而且對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵部件的引進(jìn)環(huán)境也存在一定的缺陷。這就使得我國TBM的整體系統(tǒng)功能落后，對(duì)地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)能力較差，許多關(guān)鍵部件的耐久性存在問題，影響TBM的使用壽命。隨著我國科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展和進(jìn)步，并通過對(duì)先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)，我國TBM也得到迅速地發(fā)展，TBM施工已開始廣泛應(yīng)用到我國的水利水電隧道工程施工當(dāng)中，為我國南水北調(diào)、西氣東輸?shù)戎卮蠊こ烫峁┝己玫募夹g(shù)保障。

2 TBM在長距離輸水隧洞施工中所存在的問題

2.1 工程技術(shù)人員的TBM施工經(jīng)驗(yàn)缺乏

在長距離輸水隧洞工程中，采用 TBM進(jìn)行施工，這對(duì)技術(shù)人員的技術(shù)能力和經(jīng)驗(yàn)有著很高的要求[2]。工程技術(shù)人員不僅熟練地掌握TBM施工技術(shù)，還需要根據(jù)對(duì)可能遇到的環(huán)境條件選擇恰當(dāng)?shù)腡BM以及相關(guān)的配套系統(tǒng)。除此之外，還必須要對(duì)TBM在各種環(huán)境條件下的工作性能做到詳細(xì)的了解和掌握。當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，要懂得及時(shí)對(duì)TBM進(jìn)行改造。然而，在實(shí)際的施工過程中，許多技術(shù)人員以及TBM管理人員對(duì)TBM的掘進(jìn)方法還缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)能力也存在一定的缺陷，不能夠正確使用TBM進(jìn)行施工。有的施工單位對(duì)TBM的施工應(yīng)用設(shè)計(jì)了解還存在嚴(yán)重的不足，施工隊(duì)伍也沒有接受相關(guān)知識(shí)的培訓(xùn)，最終導(dǎo)致TBM施工經(jīng)驗(yàn)不足。

2.2 TBM對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差

在長距離輸水隧洞工程施工中，地質(zhì)勘查人員不可能對(duì)長距離的地質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)地勘測，做到完全的了解，所以在實(shí)際輸水隧洞施工過程中，經(jīng)常會(huì)遇到一些不可預(yù)知的地質(zhì)災(zāi)害，比如斷層、圍巖變形、巖溶瓦斯、涌水等。TBM在具體的施工過程中，TBM的貫入速度和換刀引起的停機(jī)時(shí)間與TBM施工的經(jīng)濟(jì)效益有著最直接的影響。不同的巖石條件，TBM的掘進(jìn)速度要受到開挖時(shí)間、地層條件以及TBM性能的影響。而對(duì)于一些嚴(yán)重破碎的地層不良地質(zhì)條件，若沒有采取相應(yīng)的預(yù)防性措施，這會(huì)嚴(yán)重影響TBM的掘進(jìn)速度。

與此同時(shí)，由于地質(zhì)勘查并不能夠?qū)﹂L距離輸水隧洞的路線進(jìn)行完全地掌握，對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解也就會(huì)存在一定的局限性。在長距離輸水隧洞施工中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)實(shí)際施工地質(zhì)與勘探地質(zhì)情況不符的現(xiàn)象。在輸水隧洞選線的過程中，一旦選擇到了不良的地質(zhì)地貌，這會(huì)給TBM施工帶來很大的困擾，有的甚至導(dǎo)致TBM施工受阻或者停工。例如，在萬家寨引黃工程南干線7號(hào)隧洞施工中，隧洞線路遭遇摩天嶺大斷層，影響帶達(dá)到300 m左右，嚴(yán)重影響TBM施工掘進(jìn)的速度，進(jìn)而造成長達(dá)3個(gè)月之久的工期延誤。

3 TBM掘進(jìn)技術(shù)的適用條件

3.1 隧洞進(jìn)出口的TBM施工場地條件

在隧洞的進(jìn)出口場地選擇過程中，要盡量選擇地勢較為平坦開闊的地方，以便 TBM設(shè)備的運(yùn)輸、安裝、拆卸、出碴。除此之外，隧洞進(jìn)出口施工場地還要必須能夠布置生產(chǎn)生活營地以及混凝土預(yù)制管片廠等條件。

3.2 隧洞縱坡和施工排水條件

當(dāng)長距離輸水隧洞的縱坡較大時(shí)，采用TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工，如果隧洞在那一段的水量較多，那么可以選擇把TBM進(jìn)行逆坡布置，逆著縱坡進(jìn)行施工掘進(jìn)，以便于施工排水能夠自流出隧洞，防止BTM發(fā)生斷電或者被隧洞中的水淹沒，給施工作業(yè)人員帶來安全威脅。

3.3 TBM在長距離輸水隧洞的圍巖適用條件

由于受TBM機(jī)型的限制，以及TBM 對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差，硬巖TBM并不適合應(yīng)用在軟土隧洞中的施工掘進(jìn)[3]。而在長距離輸水隧洞的選線過程中，地質(zhì)勘查并不能夠完全準(zhǔn)確了解全不隧洞路線的地質(zhì)情況，在遇到特殊圍巖隧洞端，例如斷層、圍巖變形以及具有軟土填充的巖溶洞穴發(fā)育段，TBM施工就很難進(jìn)行掘進(jìn)。因此，在長距離輸水隧洞實(shí)際的施工過程中，遇到地質(zhì)條件不適合采用TBM施工的隧洞段時(shí)，要采取相應(yīng)的針對(duì)性措施，制定科學(xué)合理的施工預(yù)案和施工措施。

4 長距離輸水隧洞工程中TBM施工的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 斷層帶TBM施工技術(shù)

在長距離輸水隧洞工程施工中，斷層破碎的洞段會(huì)嚴(yán)重影響TBM施工技術(shù)的應(yīng)用，給TBM施工帶來很大的安全隱患[4]。斷層帶的圍巖穩(wěn)定性特別差，特別容易產(chǎn)生巖層斷裂、塌方、掉塊等現(xiàn)象，體積較大的巖塊很容易 TBM的出料孔，造成卡機(jī)問題。一旦斷層附近的地下水活躍，那么就更加容易發(fā)生塌方甚至冒頂問題。因此，在長距離輸水隧洞的斷層帶施工的TBM應(yīng)用中，要充分考慮隧洞斷層帶的斷層情況，了解斷層的特點(diǎn)和規(guī)模。施工技術(shù)人員可以在TBM施工的間隙，結(jié)合施工前的地質(zhì)勘探資料，安排適量的超前探測，進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。而對(duì)那些延伸范圍較小并且與施工隧洞相交的規(guī)模較小的斷層，只需把涌水洞段的水排泄出去。但是對(duì)于寬度較大并且斷層走向與隧洞的洞線平行的斷層帶，TBM施工技術(shù)人員在實(shí)際的施工過程中，不僅要減少TBM單位時(shí)間的出碴量和刀具的噴水量，還要降低TBM的推力以及刀盤的轉(zhuǎn)速，同時(shí)要積極采取不停機(jī)快速通過的方式，以防止隧洞塌方壓住TBM機(jī)頭。如果這些方法還不能夠解決問題，那么還可以選擇超前灌漿，加固斷層洞段的圍巖，進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，并且還可以使用加強(qiáng)配筋的重型管片襯砌，如圖1所示。

圖1 TBM在斷層帶施工中的超前固結(jié)灌漿示意圖

4.2 巖溶帶TBM施工技術(shù)

在長距離輸水隧洞TBM施工中，溶洞段也是工程施工中的一大重要難題。隧洞的位置的選擇要積極溶洞的規(guī)模大小、溶洞的分布位置以及填充物的性質(zhì)來決定，TBM隧洞與充填型溶洞接觸關(guān)系主要有包容型、底拱型、頂拱型以及邊墻型這四種關(guān)系，如圖2所示。TBM在有充填物溶洞的掘進(jìn)過程中，由于TBM機(jī)頭重量過大，極易產(chǎn)生機(jī)頭下沉造成不均勻的沉陷，襯砌關(guān)聯(lián)產(chǎn)生接縫過寬、洞底起伏變化等問題。而TBM在沒有充填物溶洞掘進(jìn)時(shí)，很難正常通過，這就需要進(jìn)行預(yù)前處理，通過回填、架設(shè)橋梁、繞避以及打支洞等措施進(jìn)行處理。TBM在長距離輸水隧道的溶洞發(fā)育地段施工掘進(jìn)，還可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)某疤綔y，依據(jù)前方探測的結(jié)果，采取相應(yīng)的施工方案。首先，在沒有或者只有少量充填物的溶洞，可以進(jìn)行基礎(chǔ)回填和支頂處理。其次，對(duì)于那些比較大的已充填溶洞或者充填物水量較多支撐力度較差的溶洞，可以合理地對(duì)溶洞采取超前注漿固結(jié)的方式，與此同時(shí)，還需要緊跟施工作業(yè)面進(jìn)行回填灌漿，減少TBN通過時(shí)間，預(yù)防機(jī)頭下沉。除此之外，還可以利用縱向槽鋼把TBM的部分環(huán)管片連接起來，以防止洞底沉陷。再次，如果溶洞太大并且很難進(jìn)行回填，那么可以在TBM的后盾附近開挖旁洞等方式進(jìn)行跨越，通向隧洞前方。最后，如果長距離輸水隧洞 TBM施工實(shí)在是遇到難以穿越的情況，那就只能進(jìn)行TBM局部改線施工。

圖2 TBM隧洞與充填溶洞接觸關(guān)系圖

4.3 高外水段TBM施工技術(shù)

TBM在高外水洞段施工時(shí)，由于高水洞段的用水量較大，礫石主要都是沉積在TBM管片的兩側(cè)，這就使得TBM出現(xiàn)空腔現(xiàn)象，回填灌漿的水泥記憶被高外水段的水沖走，造成隧洞止水質(zhì)量得不到保證。一旦隧洞施工過程中的排水設(shè)施不足，那么就很容易出現(xiàn)淹洞問題，隧洞開挖也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐乃纳鷳B(tài)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，破壞水文條件。因此，在高外水端的長距離輸水隧洞施工前，要積極采取有效的措施，保證TBM施工的質(zhì)量。首先，可以通過產(chǎn)前探測，了解隧洞地下水的情況，在特殊情況下可以進(jìn)行超前預(yù)注灌漿，堵塞涌水的冒出。其次，在施工期間，要認(rèn)真檢查排水設(shè)施，對(duì)隧洞進(jìn)行排水減壓，降低底下水位。同時(shí)，在排水的過程中，要盡量避免因大量排水造成對(duì)當(dāng)?shù)厮臈l件的改變，影響當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境。最后，在TBM運(yùn)行的過程中，要積極對(duì)TBM以及隧洞周邊空隙實(shí)施動(dòng)態(tài)的檢測，以保障TBM的施工安全。

5 結(jié)語

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水利水電工程的發(fā)展也得到長足的進(jìn)步。長距離輸水隧洞施工中TBM的應(yīng)用，不僅可以有效保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，可能夠有效提高隧洞的施工效率，節(jié)省施工過程當(dāng)中的勞動(dòng)力，提高工程施工的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]張鏡劍.長隧洞中掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào).2012，20(13):40 －49.

[2]樊安順.淺談 TBM施工輸水長隧洞的關(guān)鍵技術(shù)[J].水利水電技術(shù).2013，37(08):37 －39.

[3]肖曉春，陳光存.全斷面掘進(jìn)機(jī)在引黃工程南干線國際Ⅱ、Ⅲ標(biāo)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2012，12(15):46－50.

[4]王軍興.雙護(hù)盾 TBM全斷面掘進(jìn)不良地質(zhì)洞段固結(jié)灌漿[J].山西建筑.2012，15(06):121 －122.