大伙房水庫輸水隧洞工程施工方法探析

孟慶玲

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

大伙房水庫輸水隧洞工程施工方法探析

孟慶玲

（遼寧省水文局，遼寧沈陽110003）

針對大伙房水庫輸水隧洞工程施工所采用的TBM技術，探尋該方法在隧洞施工中的選型適用性分析、支洞布設參數(shù)、單機掘進深度參數(shù)設定等方面應遵循的原則，同時有針對性地提出采取TBM法施工的組織管理對策，可為同類型水庫輸水隧洞工程的施工與管理提供決策依據(jù)。

大伙房水庫；輸水隧洞工程；TBM法施工；應用探析

1工程概況

大伙房水庫輸水隧洞工程采用TBM（Tunne1BoringMachine）掘進技術開展施工，該施工方法采用全斷面隧洞掘進機械，完成掘進、出渣以及襯砌等聯(lián)合工序的連續(xù)掘進施工方式，是融合了現(xiàn)代計算機控制、激光定位導向、電子傳感測量、超前地質勘探以及遠程通訊工程等多種高自動化功能的隧洞施工技術，具備施工數(shù)據(jù)采集、管理、姿態(tài)調控以及數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)刃畔⒒┕ぬ卣?，同時較傳統(tǒng)鉆爆法具有快速、高效、安全、低成本以及環(huán)保等優(yōu)點。因此，TBM法被廣泛應用于交通、鐵路、水利以及電力等隧洞的掘進施工中。通過探析TBM法在大伙房水庫輸水隧洞工程施工中應用的若干技術要點，以期為類似工程的施工與管理提供有益借鑒。

大伙房水庫輸水隧洞工程旨在解決遼寧省中部以及南部區(qū)域水資源短缺的問題，該工程橫跨遼寧省本溪與撫順2市，輸水隧洞一期工程為長85.32km、洞徑8.03m的特長水工隧洞，該隧洞將鳳鳴與西江水電站尾水輸送至大伙房水庫，設計引水流量70m3/s，擔負著向遼寧省南部以及中部地區(qū)7城鎮(zhèn)輸運生活與生產用水的重任。輸水二期工

程隧洞段全長29.1km，洞徑6m，設計流量60m3/s，擔負著由大伙房水庫往目標城市輸水的任務。該隧洞施工須穿越數(shù)十條巖石斷裂帶以及多個地質單元與向斜構造，隧洞掘進時遭受透水、滲流以及圍巖塌落等因素的威脅，地質條件十分復雜［1］。大伙房水庫輸水工程特長隧洞采取TBM法施工技術，隧洞斷面主要采取馬蹄形與圓形，在工程III～V類圍巖普遍采用模筑30cm厚混凝土，同時噴錨支護噴涂12～16cm混凝土襯砌，每隔16m布設環(huán)向施工縫并設止水。TBM法施工技術具有經濟合理、安全可靠且施工迅速等優(yōu)點，通過優(yōu)化TBM選型、選定合理的施工參數(shù)，從而在工程實踐中有效避免該區(qū)域特殊地質條件可能引發(fā)的施工風險。

2TBM法在輸水隧洞施工中的選型適用性分析

由于TBM法施工具有連續(xù)掘進、機械型號選型固定且施工受區(qū)域地質條件約束較大等特征，常設計采用開敞式TBM與護盾式TBM2種施工機型，且需要根據(jù)前期的地質勘探資料來確定TBM設備配置與具體施工方法，因此，施工區(qū)域地質外因與機械設備內因的配置選型條件優(yōu)劣將直接影響到TBM法施工的造價成本甚至施工安全。有必要針對TBM法在大伙房水庫輸水隧洞施工的雙護盾式、開敞式等多種選型進行探討，具體選型應綜合考量如下條件確定。

（1）破碎、軟弱巖層中的選型適用性。大伙房水庫輸水工程特長隧洞在實施涉及破碎、軟弱地層當中的掘進施工，因開挖面巖石粘合性較差，易造成圍巖破碎等問題。開敞式TBM設備在掘進此類地層過程中須花費較長時間進行圍巖支護，同時軟弱圍巖也未能給撐靴提供足夠的反支撐力，因此不適于此類地層的掘進施工［2］。與開敞式TBM設備不同，雙護盾式TBM設備可依托安裝的管片支撐機械完成掘進開挖，適用于破碎、軟弱巖層中的施工，且該選型下的施工作業(yè)人員處于管片與盾殼的的封閉保護空間中，作業(yè)環(huán)境更加安全。

（2）中、硬巖層中的選型適用性。大伙房水庫輸水特長隧洞的開挖涉及中、硬巖層中的掘進施工，該類巖層圍巖自穩(wěn)性強，巖體完整度高。作為配置了支撐靴的雙護盾式TBM設備，雖具備在中、硬巖層中掘進的能力，但其須依靠掘進參數(shù)與巖渣特征方可進行配筋率管片的安置，且該選型設備輔助工序復雜、管片安置耗時長，施工掘進中隨意性很大，因此不適合中、硬巖層的掘進施工［3］。鑒于此，開敞式TBM設備所具有的盾殼短且可使得掘進面盡早暴露的掘進特點便顯現(xiàn)優(yōu)勢。開敞式TBM設備可簡化對暴露巖面的支護，同時堅固的圍巖也可為該類選型設備提供足夠的反支撐力，從而推動刀盤順利掘進。

（3）涌水巖層中的選型適用性。在大伙房水庫輸水隧洞施工地質勘探明顯具有大規(guī)模涌水，且涌水量不大于0.5m3/min的巖層施工時，可采取少量鉆孔并在刀盤前方進行全封閉式預灌漿處理。此時，開敞式TBM設備可通過加長主梁與頂、側護盾，同時配置2臺鑿巖鉆機進行預灌漿，即可正常掘進施工［4］。然而，雙護盾式TBM設備因其盾殼與鉆孔距離較長、鉆孔角度大，造成掘進機械內部無法布設鉆孔設施且鉆孔成本較高，從而無法實現(xiàn)全封閉預灌漿處理，無法適用于涌水段的掘進開挖施工。

（4）環(huán)境與占地影響選型適用性。雙護盾式TBM設備采取預制混凝土襯砌管片，相較于開敞式TBM設備普遍須占有大量的堆料場、預制廠房、蒸養(yǎng)設備與料源開采地。據(jù)測算，單臺雙護盾式TBM設備每個施工標段需預制混凝土管片13.2×104m3，單獨布設混凝土襯砌管片預制廠與存放處需占地1.1×104m2，在對施工周邊地表建筑物產生潛在威脅的同時，將加劇區(qū)域土壤侵蝕、水土流失以及地下水入滲［5］。因此，綜合大伙房水庫輸水工程特長隧洞施工的地質與環(huán)境條件，開敞式TBM設備則更適用于該工程的掘進施工。

3TBM法施工參數(shù)探析

3.1TBM法施工支洞布設參數(shù)設定

采用TBM法施工大伙房水庫特長輸水隧洞工程，為最大限度滿足施工通風、設備檢修、出渣運輸以及電壓穩(wěn)定等基本施工條件參數(shù)，宜依據(jù)如下措施設置施工支洞：①盡量縮短作業(yè)面通風距離，保證通風效果，降低風量損失，且可將通風支洞保留為永久支洞以滿足后期隧洞輸水對補齊的需求。②支洞設置應便于對TBM設備的檢修與保養(yǎng)，保證單機掘進深度的基本要求，同時可對鉆爆法施工提供作業(yè)面，以彌補TBM法施工因地質、設備條件制約所帶來的風險［6］。③支洞應以縮短出渣輸運帶的運輸距離降低設備造價，縮短供電距離降低電壓損失為重要考量對象，從而在降低工程造價的同時為掘進施工提供可靠的電力保障。

3.2TBM單機掘進深度參數(shù)設定

針對大伙房水庫輸水工程深埋隧洞的掘進施工，須在確定TBM法施工洞軸線長度之后，采取綜合經濟技術指標對比論證，設定TBM設備單機的掘進深度參數(shù)，從而確定TBM設備所需臺數(shù)［7］。TBM設備單機掘進深度可由下式計算：

單機掘進深度=設計運轉時間·凈掘進速

率/安全系數(shù)（1）

凈掘進速率=Ib·Kd·Ks·轉速·60/1000（2）式中：凈掘進速率—額定功率下TBM所有刀盤掘進1h的進尺，m/h；Ib—每轉基本掘進量，mm/r；Kd—巖體節(jié)理類型與間距修正系數(shù)；Ks—刀盤直徑修正系數(shù)。

由式（1）與式（2）可知，影響大伙房水庫輸水工程隧洞TBM法施工單機掘進深度的制約因素包括巖石強度指標、巖體裂隙密度、圍巖特征、TBM推力強弱、刀盤尺寸與形狀以及相應的轉矩與轉速等指標。據(jù)此，大伙房水庫輸水隧洞工程TBM法實際施工中的單機掘進深度按20km控制為宜，相關主軸承的設計與配件供應亦按此要求。

4TBM法施工組織管理對策

在大伙房水庫輸水工程隧洞TBM法施工過程中，施工組織管理水平將直接影響施工掘進的質量、進度、造價以及安全，TBM法施工宜遵循如下施工組織管理措施。

（1）信息反饋管理措施。應現(xiàn)場搜集地質情況、圍巖類型等多種施工進度影響信息，據(jù)此及時調整掘進參數(shù)。另外，TBM法施工現(xiàn)場工程師應對設備制定周、月工作計劃以及配件購買計劃，保障備件供給，同時開發(fā)適用于TBM備件儲存與管理的信息庫，構建常用易損備件合理庫存量預警制度。

（2）設備維護管理措施。在TBM法施工過程中，應強化針對TBM主機設備以及關鍵配套部件的檢修、保養(yǎng)力度，嚴格控制掘進作業(yè)每日工作量在18h之內，實行每日4～6h的強制性保養(yǎng)制度。同時設立TBM工地檢測室，結合光譜、鐵譜分析，對相關系統(tǒng)、部件的動態(tài)運行狀態(tài)進行監(jiān)控與診斷，從而確保TBM施工機械的良好工作狀態(tài)。

（3）技術應用管理措施。為充分發(fā)揮TBM法施工快速掘進的優(yōu)勢，現(xiàn)場技術人員應選定合理的連續(xù)皮帶機出渣形式，單臺TBM掘進機出渣強度宜設置在900t/h以上，最長距離宜設置在10km以上［8］。同時，掘進施工中宜采取變頻電動機來驅動達19in的大直徑刀盤，從而提升工程施工的質量與進度。

4結語

大伙房水庫輸水隧洞工程采取TBM法掘進施工，實現(xiàn)了隧洞全線高精度貫通的目標，表明采用TBM法施工可滿足特長隧洞掘進過程中遇到的隧洞涌水、圍巖支護穩(wěn)定要求，擁有較強的中、硬巖體施工適用性，同時掘進采取錨噴支護、模筑混凝土襯砌結構等措施既科學合理，又符合工程實際。大伙房水庫輸水隧洞工程的順利實施為類似工程的實施積累了寶貴經驗，為相關施工規(guī)范的修改與編制提供了實踐依據(jù)。

［1］劉國華，李玉芹，曲長海.大伙房水庫輸水工程TBM施工方法研究［J］.東北水利水電，2008（03）：47-49.

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［3］孫千.開敞式全斷面硬巖掘進機（TBM）在長大隧洞施工中的應用［J］.水利規(guī)劃與設計，2015（06）：1.

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［5］李文富，伊長友，狄鑫卓.大伙房水庫水庫輸水工程TBM施工管理方法［J］.華北水利水電學院學報，2011，32（04）：61-64.

［6］蔡文華，劉長喜.引洮總干渠9#隧洞TBM設備施工應用及技術探討［J］.水利規(guī)劃與設計，2012（02）：61-64.

［7］賀紅效.TBM長隧洞施工質量控制的關鍵技術［J］.水利技術監(jiān)督，2008（01）：10-11+19.

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TV672+.1

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1008-1305（2016）03-0086-02

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.033

2016-04-02

孟慶玲（1967年—），女，高級工程師。