鄂北水資源配置工程寶林隧洞TBM施工方法初探

羅 嵐，沈立群

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430064)

鄂北水資源配置工程是國(guó)家重點(diǎn)推進(jìn)、優(yōu)先實(shí)施的172項(xiàng)重大水利工程之一，輸水線路上共有隧洞55座，合計(jì)長(zhǎng)度119.43km，占線路總長(zhǎng)的44.3%。其中寶林隧洞連續(xù)洞長(zhǎng)13.84km，是工程沿線工期最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)性工程之一。寶林隧洞縱坡為

1/9600，沿程輸水流量為3.5m3/s。隧洞沿線地面高程118.3～750m，相對(duì)高差630m左右，為中低山地形。隧洞最大埋深647m，平均埋深239m。圍巖多以Ⅱ～Ⅲ類為主，巖性為白云鈉長(zhǎng)片麻巖、混合片麻巖和黑云奧長(zhǎng)混合片麻巖；進(jìn)出口和斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，成洞條件相對(duì)較差。隧洞橫斷面型式為城門洞形及圓形，過(guò)水?dāng)嗝鎯魧?.2～6m。

表1 寶林隧洞圍巖工程地質(zhì)分類

寶林隧洞上覆中華山國(guó)家森林公園，地勢(shì)高，山體雄厚，若采用傳統(tǒng)爆破方式施工，對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境將會(huì)產(chǎn)生較大破壞，而從自然環(huán)保、區(qū)域地形等方面都不利于布置施工支洞。為最大限度減少工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，最終采用采用鉆爆法與TBM法(全斷面隧道鉆掘機(jī)掘進(jìn))聯(lián)合施工。進(jìn)出口合計(jì)3.24km巖石條件差，采用鉆爆法施工；中部Ⅱ～Ⅲ圍巖段長(zhǎng)10.6km，采用1臺(tái)TBM施工。TBM工法在湖北省水利工程上投入使用尚屬首創(chuàng)，其施工方法對(duì)水利工程建設(shè)新技術(shù)、新設(shè)備、新工藝的探索實(shí)踐具有重要意義。本文將根據(jù)寶林隧洞的地質(zhì)和施工條件，從TBM設(shè)備選型及其施工方案設(shè)置等方面初步探討施工方法。

1 TBM設(shè)備選型

1.1 地質(zhì)條件

TBM是專用性很強(qiáng)的工程機(jī)械，對(duì)地質(zhì)條件的適用程度差，這在很大程度上使得地質(zhì)條件成為TBM施工最重要的限制因素[1]。

寶林隧洞圍巖分類及統(tǒng)計(jì)[2]見(jiàn)表1、2。

表2 寶林隧洞圍巖類別統(tǒng)計(jì)

線路地層均為不透水隔水巖層，地下水主要表現(xiàn)為風(fēng)化裂隙中的裂隙潛水。未見(jiàn)到泉水出露。沿線的斷層帶多為膠結(jié)較好的糜棱巖，其透水性弱。沿?cái)鄬右参匆?jiàn)泉水出露。

通過(guò)評(píng)價(jià)巖體完整性、圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行適宜性評(píng)價(jià)，認(rèn)為寶林隧洞中部10.6km的工程地質(zhì)條件適合TBM施工[3]。

1.2 TBM類型選擇

不同類型的TBM有不同的特點(diǎn)，適用于不同地質(zhì)環(huán)境，TBM型式選擇的適當(dāng)與否決定了工程進(jìn)度甚至關(guān)乎工程的成敗[4]。

TBM可分為開敞式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和擴(kuò)孔式，單護(hù)盾式和擴(kuò)孔式TBM國(guó)內(nèi)尚未被采用，一般在開敞式TBM和雙護(hù)盾TBM兩者之間選擇[1]。對(duì)TBM的選型從地質(zhì)適應(yīng)性、工期、工程設(shè)計(jì)、掘進(jìn)性能和速度、現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備費(fèi)用和施工成本等角度進(jìn)行綜合分析，詳見(jiàn)表3。通過(guò)比較，認(rèn)為開敞式TBM更適合寶林隧洞施工。

表3 開敞式TBM與雙護(hù)盾TBM的比較

2 TBM施工

2.1 開敞式TBM施工工藝

開敞式TBM可根據(jù)巖性不同選擇配置臨時(shí)支護(hù)設(shè)備，進(jìn)行隧洞施工的主要作業(yè)包括TBM掘進(jìn)、出渣、初期支護(hù)和軌道鋪設(shè)等，輔助作業(yè)包括隧洞通風(fēng)、供電、供水、排水等，其施工關(guān)系及過(guò)程[7]如圖1所示。TBM設(shè)備的推進(jìn)過(guò)程也就是施工的掘進(jìn)過(guò)程?！熬蜻M(jìn)—排運(yùn)—運(yùn)輸”“運(yùn)輸—支護(hù)—掘進(jìn)”2個(gè)過(guò)程是采用開敞式TBM施工的基本作業(yè)。其施工作業(yè)程序[8]如圖2所示。

圖1 開敞式TBM施工關(guān)系及過(guò)程

圖2 開敞式TBM施工作業(yè)程序

2.2 TBM的施工

樁號(hào)247+500～258+100間10.6km采用開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工，最小開挖直徑4m；開挖后Ⅱ類圍巖段采用一次噴錨支護(hù)，Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨+襯砌復(fù)合支護(hù)方式。隧洞出渣運(yùn)輸采用有軌運(yùn)輸，采用變頻電動(dòng)機(jī)車牽引編組列車。

采用掘進(jìn)機(jī)施工須加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，對(duì)開挖面前方50～100m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況應(yīng)有準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。掘進(jìn)機(jī)施工必須對(duì)各個(gè)工序、工藝實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管理，操作必須實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。

寶林隧洞出口場(chǎng)地比較開闊，可在隧洞出口組織TBM組裝調(diào)試，主機(jī)與后配套分別在2個(gè)場(chǎng)地同時(shí)進(jìn)行。組裝、調(diào)試完成后，TBM由組裝位置到洞口、以及在隧洞出口390m鉆爆法施工段將采取步進(jìn)的方式通過(guò)，待TBM主機(jī)與后配套設(shè)施滑行至始發(fā)洞段后，由撐靴支撐洞壁提供主機(jī)掘進(jìn)的反作用力，使TBM向前推進(jìn)。TBM掘進(jìn)的過(guò)程中渣料通過(guò)后配套設(shè)施直接運(yùn)至洞口，裝自卸汽車運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。臨時(shí)支護(hù)和一次支護(hù)洞段可在掘進(jìn)過(guò)程中在護(hù)盾的保護(hù)下與掘進(jìn)同時(shí)完成，二次支護(hù)可等隧洞全面貫通后進(jìn)行，亦可在不影響掘進(jìn)的前提下同時(shí)進(jìn)行。

在樁號(hào)247+460～247+500設(shè)置拆卸洞室對(duì)主機(jī)和后配套設(shè)施進(jìn)行拆卸，拆卸洞室設(shè)計(jì)為鉚釘形，洞內(nèi)安裝2×25t橋吊，斷面尺寸6m×6m×40m(寬×高×長(zhǎng))。TBM到達(dá)拆卸洞室后，將主機(jī)和后配套分離，邊拆邊采用無(wú)軌方式將部件從隧洞進(jìn)口運(yùn)輸出洞。先拆卸主機(jī)部分，再逐步將后配套推進(jìn)至拆卸洞室，逐節(jié)推進(jìn)逐節(jié)拆卸。

3 實(shí)際施工效果

實(shí)際用于工程的TBM是鐵建重工自主研制的“鄂北寶林號(hào)”，如圖3所示，是專門為鄂北工程量身定制的敞開式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)，也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的最小直徑敞開式硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)。其開挖直徑4m，長(zhǎng)度290m，重約750t，總裝機(jī)功率約2400kW。每日可掘進(jìn)25～30m，是常規(guī)鉆爆法掘進(jìn)尺度的8～10倍，設(shè)備于2017年2月21日主機(jī)進(jìn)洞安裝調(diào)試，4月5日正式開始掘進(jìn)，目前實(shí)現(xiàn)月掘進(jìn)進(jìn)尺770m，創(chuàng)國(guó)內(nèi)同類TBM掘進(jìn)新紀(jì)錄[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

寶林隧洞是鄂北地區(qū)水資源配置工期最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)性工程之一，本文根據(jù)寶林隧洞的地質(zhì)和施工條件，初步探討了寶林隧洞的TBM施工方法。研究表明。

圖3 鄂北寶林號(hào)圖

(1)從對(duì)地質(zhì)適應(yīng)性、工期、工程設(shè)計(jì)、掘進(jìn)性能和速度、現(xiàn)場(chǎng)條件、設(shè)備費(fèi)用和施工成本等方面綜合來(lái)看，寶林隧洞適宜于采用開敞式TBM施工方案。

(2)寶林隧洞開敞式TBM施工方法為，在樁號(hào)247+500～258+100間10.6km采用開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工，最小開挖直徑4m；開挖后Ⅱ類圍巖段采用一次噴錨支護(hù)，Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨+襯砌復(fù)合支護(hù)方式。隧洞出渣運(yùn)輸采用有軌運(yùn)輸，采用變頻電動(dòng)機(jī)車牽引編組列車。在隧洞出口組織TBM組裝調(diào)試，組裝、調(diào)試完成后，TBM由組裝位置到洞口、以及在隧洞出口390m鉆爆法施工段將采取步進(jìn)的方式通過(guò)。TBM掘進(jìn)的過(guò)程中渣料通過(guò)后配套設(shè)施直接運(yùn)至洞口，自卸汽車運(yùn)至指定棄渣場(chǎng)。在樁號(hào)247+460～247+500設(shè)置拆卸洞室對(duì)主機(jī)和后配套設(shè)施進(jìn)行拆卸。

(3)從實(shí)際施工效果看，用于寶林隧洞工程的TBM是鐵建重工自主研制的“鄂北寶林號(hào)”，其開挖直徑4m，每日可掘進(jìn)25～30m，是常規(guī)鉆爆法掘進(jìn)尺度的8～10倍，目前實(shí)現(xiàn)月掘進(jìn)進(jìn)尺770m，掘進(jìn)效果良好。