開敞式全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（T B M）在長(zhǎng)大隧洞施工中的應(yīng)用

孫 千

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110166）

開敞式全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（T B M）在長(zhǎng)大隧洞施工中的應(yīng)用

孫 千

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)110166）

本文主要介紹了T B M掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)、應(yīng)用現(xiàn)狀、施工基本原理與施工工藝流程，并簡(jiǎn)要概述了開敞式T B M掘進(jìn)機(jī)在大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程中的應(yīng)用。開敞式T B M在大伙房輸水工程中成功應(yīng)用為相似地質(zhì)條件下的地下工程施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

T B M掘進(jìn)機(jī)；大伙房輸水隧洞工程；長(zhǎng)大隧洞

1 前言

隧洞施工常用的方法包括常規(guī)施工法和掘進(jìn)機(jī)施工法，目前以掘進(jìn)機(jī)施工最為常用，其中T B M在長(zhǎng)大隧洞修建中最為常用。T B M掘進(jìn)技術(shù)廣泛應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、遙控、激光制導(dǎo)等先進(jìn)的電子信息技術(shù)，體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息化、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合和密集，在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力與科技水平［］。采用T B M掘進(jìn)具有一定的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）施工速度快且高效。T B M可連續(xù)掘進(jìn)，同時(shí)完成多項(xiàng)施工作業(yè)，而且掘進(jìn)速度快，效率高。

（2）施工質(zhì)量?jī)?yōu)。施工過(guò)程中圍巖不因爆破震動(dòng)而發(fā)生破壞，洞壁完整光滑，超挖量少。

（3）安全環(huán)保。施工過(guò)程減少了工人的參與，且不會(huì)產(chǎn)生油煙或噪音污染，對(duì)環(huán)境影響小。

（4）經(jīng)濟(jì)。施工效率高，可大大縮減工期，節(jié)省費(fèi)用。

2 T B M在隧洞施工中的應(yīng)用現(xiàn)狀

我國(guó)T B M掘進(jìn)施工的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，但在掘進(jìn)速度上與國(guó)際水平相差甚遠(yuǎn)，后來(lái)引進(jìn)國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，在甘肅引大入秦工程中得以成功應(yīng)用。2000年后我國(guó)開始推動(dòng)國(guó)內(nèi)T B M產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2001年9月，在北京召開的國(guó)際T B M應(yīng)用專題研討會(huì)，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了廣泛的影響。2001年 12月成立了T B M推廣應(yīng)用小組，提出了“在中國(guó)推廣應(yīng)用隧道掘進(jìn)機(jī)及發(fā)展隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)的倡議書”。2002年3月，錢七虎院士等提出了“實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)本地化生產(chǎn)”的提案。

國(guó)外T B M的應(yīng)用較為成熟，近年來(lái)成功地在英吉利海峽工程和日本東京灣高速公路工程中應(yīng)用了掘進(jìn)機(jī)開挖隧洞。20世紀(jì)80年代以來(lái)，T B M掘進(jìn)機(jī)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到普遍應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)的類型和使用范圍也不斷擴(kuò)大。既可以在松散軟土、淤泥中應(yīng)用，又能在極堅(jiān)硬的巖石（抗壓強(qiáng)度350～450 MP a）中掘進(jìn)。由于掘進(jìn)機(jī)具有諸多的優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)際上有“移動(dòng)式掘進(jìn)工廠”之稱。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，掘進(jìn)機(jī)向斷面多樣化，多工作面方向發(fā)展，在開挖地鐵車站、鐵路隧道、水工隧洞等地下工程中發(fā)揮了重要作用［2］。

3 T B M施工原理

3.1 T B M的基本結(jié)構(gòu)

（1）主機(jī)系統(tǒng)組成

主機(jī)系統(tǒng)是T B M的核心，由刀盤、刀具、主軸承、機(jī)頭架和主大梁、支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)裝置、主機(jī)皮帶機(jī)等幾部分組成。主機(jī)系統(tǒng)的主要功能是將巖石切削成便于運(yùn)輸?shù)氖缓笸ㄟ^(guò)設(shè)備前端的收集器將石渣收集至皮帶機(jī)上，再將石渣經(jīng)由皮帶機(jī)運(yùn)出洞外。

（2）后配套系統(tǒng)組成

后配套系統(tǒng)是T B M主機(jī)連續(xù)掘進(jìn)所需配套設(shè)施的總稱，分為內(nèi)部系統(tǒng)和外部供應(yīng)。內(nèi)部系統(tǒng)包括激光制導(dǎo)、支護(hù)系統(tǒng)、超前探測(cè)、監(jiān)控中心、石渣運(yùn)輸、水電裝備、通風(fēng)除塵、通訊系統(tǒng)和安全監(jiān)控；外部供應(yīng)包括電力供應(yīng)、石渣運(yùn)輸、供風(fēng)供水和人員材料。后配套系統(tǒng)是T B M實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、出渣及初期支護(hù)一體化施工的輔助保障。

3.2 T B M破巖機(jī)理

掘進(jìn)機(jī)主要用盤形滾刀進(jìn)行破巖，滾刀貫入巖石邊緣下部，產(chǎn)生較高的應(yīng)力場(chǎng)和綜合裂隙，在巖石與滾刀接觸處產(chǎn)生一個(gè)半圓形擠壓帶，由于滾刀的壓力作用擠壓帶內(nèi)巖石產(chǎn)生拉張裂隙，向擠壓帶外圍擴(kuò)張，巖石受壓力作用發(fā)生破壞。因此巖石的單軸抗壓強(qiáng)度是反映T B M破巖的一個(gè)重要指標(biāo)。

3.3 影響T B M掘進(jìn)的因素

影響T B M掘進(jìn)的主要因素包括隧道地質(zhì)條件的優(yōu)劣、巖石的強(qiáng)度和耐磨性及巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度等幾個(gè)方面。

（1）地質(zhì)條件

影響T B M施工的地質(zhì)條件包括隧道地壓和涌水狀態(tài)。很大的地壓作用T B M的掌子面難于自穩(wěn)，掘進(jìn)變得困難；在涌水地段，極端情況下T B M機(jī)體會(huì)產(chǎn)生下沉，導(dǎo)致施工無(wú)法進(jìn)行。

（2）巖石單軸抗壓強(qiáng)度

巖石類型是影響掘進(jìn)速度的一個(gè)重要因素，而單軸抗壓強(qiáng)度就是反映T B M破巖的一個(gè)重要指標(biāo)。T B M適用于單軸抗壓強(qiáng)度為30～150MP a的巖石［3］，極限承受值為350MP a。

（3）巖石的強(qiáng)度和耐磨性

巖石的硬度和耐磨性與巖石的礦物成分密切相關(guān)，影響耐磨性的主要是石英、長(zhǎng)石等磨粒性強(qiáng)的礦物，這些礦物的含量越高則巖石硬度越高，耐磨性也越大。巖石的硬度及耐磨性越高，對(duì)整個(gè)刀盤的磨損越快，導(dǎo)致刀具推力不足，掘進(jìn)速度下降，工期延長(zhǎng)。

（4）巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度

巖石的節(jié)理、裂隙等發(fā)育程度在一定程度上會(huì)影響掘進(jìn)效率。節(jié)理間距對(duì)T B M破巖有一定影響，適當(dāng)?shù)拈g距能夠有效提高破巖效率，而間距太大或太小都不利。因此節(jié)理發(fā)育而又不至坍塌的圍巖，是T B M掘進(jìn)的最佳施工條件。

4 T B M掘進(jìn)機(jī)在大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程中的應(yīng)用

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水隧洞是目前世界上同洞徑最長(zhǎng)的跨流域工程，隧洞的地質(zhì)情況復(fù)雜多變，最大埋深為600m，巖石以正長(zhǎng)斑巖、混合花崗巖、混合巖及安山巖等中硬巖石為主，抗壓強(qiáng)度可達(dá)55MP a。由于施工中可能會(huì)遇到巖爆、地?zé)?、涌水或圍巖失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)過(guò)多次專家論證和調(diào)研，對(duì)比其他方法后，決定采用全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。

4.1 開敞式T B M施工過(guò)程

（1）T B M選型及其參數(shù)的選擇

T B M分為開敞式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾等，根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，隧道設(shè)計(jì)要求等綜合分析后決定采用開敞式T B M進(jìn)行施工。型式確定后，計(jì)算確定合理的掘進(jìn)機(jī)參數(shù)，包括刀具型式、數(shù)量和布置方式，支撐方式，刀盤轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)功率，出渣方式以及排水、供電、通風(fēng)措施等。

（2）T B M監(jiān)造與驗(yàn)收

T B M監(jiān)造主要是控制設(shè)備制造過(guò)程中的質(zhì)量、進(jìn)度和投資。當(dāng)工廠組裝調(diào)試完成后，進(jìn)行出廠驗(yàn)收，這是十分重要而且必要的。驗(yàn)收要對(duì)整機(jī)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)系統(tǒng)、每個(gè)項(xiàng)目都必須經(jīng)過(guò)細(xì)致認(rèn)真地測(cè)試。

（3）T B M運(yùn)輸與安裝

對(duì)T B M整機(jī)進(jìn)行適當(dāng)解體后，選擇合適的運(yùn)輸方式與承運(yùn)單位，仔細(xì)勘察運(yùn)輸?shù)缆罚_定合理的運(yùn)輸方案。對(duì)于T B M這樣龐大復(fù)雜的系統(tǒng)，要有充足的場(chǎng)地進(jìn)行組裝，根據(jù)組裝工藝與工序做好組裝方案等一系列準(zhǔn)備工作，再對(duì)T B M進(jìn)行組裝調(diào)試。

（4）T B M掘進(jìn)

在組裝調(diào)試完成之后要先進(jìn)行試掘進(jìn)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)作良好，人員操作熟練后進(jìn)行正式的掘進(jìn)施工。在掘進(jìn)施工過(guò)程中要選擇合適的掘進(jìn)方式和掘進(jìn)參數(shù)，掘進(jìn)完成后要對(duì)掘進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整，將偏差控制在允許的范圍內(nèi)。

（5）初期支護(hù)

T B M施工時(shí)難免會(huì)遇到斷層破碎帶、軟弱圍巖等不良地段，因此必須及時(shí)施作初期支護(hù)，確保施工的順利、安全。初期支護(hù)的方式包括噴射混凝土、錨桿支護(hù)、加掛鋼筋網(wǎng)、鋼拱架或鋼格柵支護(hù)等措施。

（6）出渣與施工材料運(yùn)輸

T B M效率的發(fā)揮很大程度上受到出渣運(yùn)輸與施工材料運(yùn)輸?shù)挠绊?。大伙房水?kù)中輸水隧洞工程采用的是連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式。這種出渣方式方便石渣的二次倒運(yùn)，根據(jù)工程布置情況，可以采用自卸車或皮帶機(jī)將石渣二次倒運(yùn)到棄渣場(chǎng)。

（7）施工過(guò)程給排水和通風(fēng)除塵

T B M施工過(guò)程中刀盤、液壓泵站與刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)都需要用水冷卻，而且掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生的廢水或山體滲水都需要及時(shí)排除，這就需要一條輸水管道完成給排水。T B M施工時(shí)需要嚴(yán)格控制空氣中粉塵含量和環(huán)境溫度，設(shè)備本身配備了先進(jìn)的除塵系統(tǒng)，可以達(dá)到除塵、降溫的作用。一旦除塵風(fēng)機(jī)發(fā)生故障，會(huì)使洞內(nèi)能見度降低，影響激光的穿透能力，延誤工期，同時(shí)危害工人的身體健康。因此需定期檢查、維修。

4.2 T B M在大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程的應(yīng)用

大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程采用3臺(tái)開敞式T B M掘進(jìn)，經(jīng)歷了“組裝—調(diào)試—試掘進(jìn)—正式掘進(jìn)—轉(zhuǎn)場(chǎng)再掘進(jìn)—拆機(jī)”［4］的完整循環(huán)，經(jīng)受了不良地質(zhì)情況、掘進(jìn)洞段、機(jī)器故障等考驗(yàn)，成功完成了大伙房水庫(kù)輸水隧洞的掘進(jìn)工程。

5 結(jié)語(yǔ)

開敞式T B M掘進(jìn)機(jī)在大伙房水庫(kù)輸水隧洞中成功應(yīng)用的實(shí)例，標(biāo)志著我國(guó)開敞式T B M掘進(jìn)技術(shù)已日趨成熟，同時(shí)為深埋長(zhǎng)大的隧洞工程施工奠定了基礎(chǔ)，提供了經(jīng)驗(yàn)，向我們展示了未來(lái)地下工程施工的美好前景。

［1］尹俊濤，尚彥軍，傅冰駿等.T B M掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展及有關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題分析和對(duì)策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005，13（03）：389-397.

［2］李衛(wèi)兵.T B M在超長(zhǎng)隧道施工中的應(yīng)用研究［D］.吉林大學(xué).2005.

［3］王石春.隧道掘進(jìn)機(jī)與地質(zhì)因素關(guān)系綜述［J］.世界隧道，1998（02）：39-43.

［4］杜士斌.開敞式T B M在大伙房輸水隧洞工程中的應(yīng)用［J］.水利水電技術(shù)，2010（01）：48-53.

表8 各段輸水隧洞經(jīng)濟(jì)洞徑計(jì)算成果表

在示例輸調(diào)水工程上運(yùn)用上述方法進(jìn)行分析計(jì)算，不僅合理的確定了管徑和洞徑，也為控制工程投資做出了較大的貢獻(xiàn)。該分析計(jì)算方法對(duì)于類似系統(tǒng)復(fù)雜、距離長(zhǎng)、管徑大的輸調(diào)水工程，具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

［1］李家星，趙振興.水力學(xué)（下）［M］.南京：河海大學(xué)出版社，2001.

［2］王文芬，程吉林，龔懿.長(zhǎng)距離輸水管道線路與管徑綜合優(yōu)化方法研究［J］.灌溉排水學(xué)報(bào)，2014，33（01）：22-25.

［3］楊福記，馮慶昌.重力流輸水在陸川縣西山供水工程中的應(yīng)用［J］.廣西水利水電，2009（01）：76-79.

［4］武燕.水利工程設(shè)計(jì)階段造價(jià)控制措施探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014（08）.

［5］騰國(guó)慶，張曉燕.長(zhǎng)距離揚(yáng)水工程輸水管材的探討［J］.中國(guó)水運(yùn)，2012（10）：161-162.

［6］劉永林、陳永彰、李曉明.特長(zhǎng)輸水隧洞工程設(shè)計(jì)研究［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［7］鄭連第.中國(guó)歷史上的跨流域調(diào)水工程［J］.南水北調(diào)與水利科技，2003，1（z 1）：5-8.

［8］鄭連第.世界上的跨流域調(diào)水工程［J］.南水北調(diào)與水利科技，2003，1（z 1）：8-9.

T V 554 T U 94

A

1672-2469（2015）06-0104-03

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.035

孫 千（1982年—），男，工程師。