滇中引水工程香爐山深埋長隧洞TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究

徐鵬祖

(中鐵隧道股份有限公司， 鄭州 450001)

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)TBM(Tunnel Boring Machine)是目前最先進(jìn)的巖石隧道掘進(jìn)裝備，現(xiàn)已在我國鐵路、水利、城市地下工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-5]。相比傳統(tǒng)鉆爆法施工，TBM具有更安全的施工環(huán)境以及更加快速高效的掘進(jìn)效率[2]。自TBM機(jī)引入我國以來，已先后在中天山隧道、引漢濟(jì)渭工程、高黎貢山隧道等重大工程中進(jìn)行應(yīng)用。然而，TBM對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，由于TBM選型或配置不當(dāng)易導(dǎo)致卡機(jī)等重大事故[6-8]，嚴(yán)重影響了工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)及社會效益。因此，對復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究十分重要。

齊夢學(xué)[9]提出，地質(zhì)條件是影響TBM選型的重要因素，在進(jìn)行TBM選型時需要綜合考慮整體地質(zhì)條件、地質(zhì)分布、施工區(qū)段劃分和局部極惡劣地質(zhì)等因素，全面考慮；琚時軒[10]提出了敞開式TBM、單護(hù)盾TBM以及雙護(hù)盾TBM的適用條件及其特點(diǎn)分析；王夢恕[11]分析了各類TBM的特點(diǎn)并結(jié)合地質(zhì)情況分析了其適應(yīng)性。顯然，針對工程難點(diǎn)、綜合地質(zhì)特點(diǎn)開展針對性的TBM選型極為重要。

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，工程建成投入運(yùn)行后可以從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。滇中引水工程以解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。受水區(qū)包括麗江、大理、楚雄、昆明、玉溪、紅河六個州(市)的35個縣(市、區(qū))。

滇中引水工程多年平均引水量34.03億m3，其中城鎮(zhèn)生活7.93億m3，工業(yè)14.38億m3，農(nóng)業(yè)灌溉5.00億m3，補(bǔ)湖生態(tài)水量6.72億m3(滇池5.62億m3、杞麓湖0.70億m3、異龍湖0.40億m3)。

滇中引水工程由石鼓水源工程和輸水工程組成。石鼓水源工程為無壩取水，采用提水泵站取金沙江水，設(shè)計抽水流量135 m3/s，共安裝12臺混流式水泵機(jī)組，其中備用機(jī)組2臺。輸水工程總長約664.236 km，劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段等6段，主要建筑物包括隧洞、倒虹吸、渡槽、暗涵等，以隧洞為主，約占總干渠全長的92%。

香爐山隧洞為滇中引水工程輸水線路首個建筑物，在麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)沖江河右岸山體內(nèi)與石鼓泵站相連，在鶴慶縣松桂與積福村渡槽相接，隧洞全長62.596 km，圓形斷面，凈斷面直徑8.3～8.5 m，設(shè)計水深7.1 m。香爐山隧洞是滇中引水線路中最長的深埋隧洞，穿越金沙江、瀾滄江分水嶺，為目前在地殼活動性較強(qiáng)地區(qū)尚無先例的長距離深埋輸水線路。

大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞樁號DLⅠ36+800～DLⅠ62+596段，長約25.80 km。

1 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞工程地質(zhì)條件

本標(biāo)段香爐山隧洞埋深一般為400～1 400 m，最大埋深約1 450 m。隧洞圍巖主要為三疊系中統(tǒng)北衙組上段(T2b2)灰?guī)r、白云巖，三疊系下統(tǒng)青天堡組(T1q)和二疊系上統(tǒng)黑泥哨組(P2h)砂巖、泥巖及頁巖、峨眉山組(Pβ)玄武巖夾凝灰?guī)r等。

本標(biāo)段香爐隧洞位于鶴慶-洱海臺褶束(Ⅰ11)三級構(gòu)造單元內(nèi)，隧洞穿越斷裂多，主要穿過FⅡ-35斷裂、青石崖斷裂組(FⅡ-9)、下馬塘-黑泥哨斷裂組(FⅡ-32)、FⅡ-37斷裂、鶴慶-洱源斷裂(F12)及芹菜塘斷裂(FⅡ-10)，其中F12為全新世活動斷裂，其它為早-中更新世活動斷裂。

本標(biāo)段場地50年超越概率10%水平向地震動峰值加速度值為299 gal(0.306 g)～312 gal(0.319 g)，地震基本烈度均為Ⅷ度，存在高地震烈度區(qū)與工程抗震問題。

本標(biāo)段香爐隧洞穿越可溶巖累計長度約12.5 km，占比約48.4%，其中穿越強(qiáng)烈?guī)r溶化T2b2、T2b1-2地層約10 km，占比約38.9%，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)主要位于鶴慶西山汝南哨至小馬廠及鶴慶-洱源斷裂(F12)以南上窩至獅子山段。另外與本標(biāo)段香爐隧洞直接相關(guān)的巖溶水系統(tǒng)主要有鶴慶西山Ⅳ-5與清水江—劍川Ⅴ-2兩個巖溶水子系統(tǒng)。本標(biāo)段香爐隧洞穿越巖溶發(fā)育區(qū)、斷裂破碎帶及向斜核部等集水構(gòu)造時存在涌水突泥及水環(huán)境影響風(fēng)險。

本標(biāo)段香爐隧洞屬深埋隧洞段，應(yīng)力量級主要為中等～高地應(yīng)力水平，局部極高地應(yīng)力水平，隧洞穿越硬質(zhì)巖主要有北衙組(T2b)、中窩組(T3z)的碳酸鹽巖，二疊系玄武巖(Pβ)等，部分地下水貧乏、巖體完整深埋洞段存在中、強(qiáng)巖爆風(fēng)險。隧洞穿越黑泥哨組(P2h)、青天堡組(T1q)、松桂組(T3sn)泥質(zhì)巖和泥頁巖等地層及斷裂破碎帶等軟巖洞段存在擠壓大變形問題。

本標(biāo)段香爐隧洞圍巖類型主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，其中對Ⅲ類圍巖細(xì)分為Ⅲ1、Ⅲ2亞類，Ⅲ2代表Ⅲ類圍巖中巖體完整性偏差、強(qiáng)度偏低或地下水活動較強(qiáng)的圍巖。其中：Ⅲ1類圍巖長約3.0 km，Ⅲ2類圍巖長約7.2 km，Ⅳ類圍巖長約10.4 km，Ⅴ類圍巖長約5.2 km。Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占隧洞長度的60%，洞室圍巖穩(wěn)定問題較為突出。

圖1 香爐山隧道縱斷面圖

2 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞總體施工方案

本標(biāo)段香爐山隧洞地形前段埋深大，大部分在1 000 m以上，往出口段逐漸降低，出口段埋深約100～200 m，出口段布置施工支洞條件較好。

綜合考慮施工支洞布置和地質(zhì)條件，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期、施工難度、地下水環(huán)境風(fēng)險等各方面綜合考慮，在隧洞樁號DLI 57+942.15布置香爐山隧洞7#施工支洞，作為TBM向上游掘進(jìn)的施工通道，對7#支洞至出口長4.65 km的隧洞采用鉆爆法施工，在DLI60+624.75布置香爐山隧洞8#施工支洞作為施工通道。

香爐山隧洞樁號在DLⅠ53+747～53+912為寬165 m的F12鶴慶-洱源斷裂及影響帶，為防止TBM掘進(jìn)的卡機(jī)風(fēng)險，通過設(shè)置旁通道采用鉆爆法處理后，TBM再步行通過。旁通道進(jìn)口設(shè)在TBM主機(jī)末端(長30 m)樁號DLI54+010，出口設(shè)置F12鶴慶-洱源斷裂及影響帶中部樁號DLI53+830處，支洞與主洞軸線相距20 m。

大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞施工支洞特性見表1。

根據(jù)大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞施工支洞布置情況，本標(biāo)段香爐山隧洞采用“TBM法+鉆爆法”的總體施工方案，具體為：在香爐山隧洞樁號DLI 57+942.15設(shè)置香爐山隧洞7#施工支洞，作為TBM向上游掘進(jìn)的施工通道，TBM在到達(dá)F12鶴慶-洱源斷裂及影響帶前，通過設(shè)置旁通洞鉆爆法處理斷裂帶后，TBM再步進(jìn)通過向上游掘進(jìn)；對7#支洞至出口4.65 km采用鉆爆法施工，通過設(shè)置香爐山隧洞8#施工支洞與香爐山隧洞出口作為施工通道。

表1 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞施工支洞特性見表

大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞施工方法分段見表2、施工平面布置如圖2。

表2 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞施工方法分段表

3 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞TBM施工關(guān)鍵問題

3.1 TBM選型研究

1)TBM段工程地質(zhì)條件。TBM段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一帶，沿線地面高程2 500～3 418 m，隧洞埋深一般600～1 300 m，最大埋深約1 450 m，最小埋深約454 m。

TBM段主要穿越二疊系玄武巖組(Pβ)、黑泥哨組(P2h)砂泥巖、三疊系中統(tǒng)北衙組(T2b)、上統(tǒng)中窩組(T3z)灰?guī)r及白云巖、下統(tǒng)青天堡組(T1q)砂泥巖等地層。

圖2 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞平面布置圖(單位：m)

TBM施工段穿越FⅡ-35斷裂、青石崖斷裂組(FⅡ-9)、下馬塘-黑泥哨斷裂組(FⅡ-32)、FⅡ-37斷裂等。

TBM施工段穿越的三疊系北衙組上段(T2b2)及下段上部(T2b1-2)灰?guī)r、白云巖為強(qiáng)烈?guī)r溶化地層；三疊系上統(tǒng)中窩組(T3z)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r為中等巖溶化地層；二疊系玄武巖(Pβ)及各時代的侵入巖為裂隙性中等透水地層。斷裂破碎帶賦存一定規(guī)模的斷層脈狀水。

TBM施工洞段應(yīng)力量級大部為高至極高應(yīng)力水平。

TBM施工段III類圍巖長9.98 km，占比47.90%；IV類圍巖長7.66 km，占比36.75%；V類圍巖長3.20 km，占比15.35%。

2)TBM施工段圍巖適宜性評價?！兑{(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范(SL629-2014)》[12]附錄C中提出了隧洞TBM施工適宜性判定標(biāo)準(zhǔn)。隧洞TBM施工的適宜性主要考慮兩方面地質(zhì)因素：一是巖體所處的地質(zhì)環(huán)境是否適宜于采用TBM進(jìn)行施工，二是巖體性狀對TBM掘進(jìn)效率的影響。

TBM施工段多布置在地質(zhì)條件相對較好洞段，地質(zhì)環(huán)境條件總體基本適宜，但隧洞埋深大，除TBM前段長約416 m埋深小于600 m外，其他段埋深都在600 m以上，局部洞段仍存在高地應(yīng)力環(huán)境下的硬巖巖爆、軟巖大變形以及沿斷裂帶的高外水壓力和可能的涌水突泥等不利于TBM施工的地質(zhì)條件。

TBM施工段巖石的強(qiáng)度總體適宜，有利于TBM高效快速施工，局部軟巖及斷層破碎帶、極堅硬巖段對TBM施工有一定影響，絕大部分巖石適宜TBM快速高效掘進(jìn)。

對TBM施工段代表性巖石進(jìn)行指數(shù)測試，巖石具中等至低摩擦性，適宜TBM快速掘進(jìn)。

大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞TBM施工段地質(zhì)條件適宜性分級見表3。

表3 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞TBM施工段地質(zhì)條件適宜分析表

TBM施工段的TBM地質(zhì)條件適宜性總體情況較好，但局部洞段的滲涌水、硬巖巖爆、斷裂帶及軟巖大變形等不利地質(zhì)條件危害很大，需對適宜性差及不適宜洞段進(jìn)行研究，并采取針對性工程應(yīng)對措施。

3)TBM選型研究。TBM選型應(yīng)從設(shè)計要求、地質(zhì)條件、造價、工期、施工環(huán)境和安全等方面進(jìn)行綜合比選，其中首要的因素則是地質(zhì)條件的適應(yīng)性。

在TBM選型時，除了要充分研究占洞長大部分起主導(dǎo)作用的洞段圍巖外，還要對那些雖然所占比例不大，但施工難度很大的特殊地質(zhì)洞段進(jìn)行研究，這些洞段不但影響工期、投資和工程質(zhì)量，在某些情況甚至決定掘進(jìn)機(jī)能否順利通過。

由于護(hù)盾式TBM機(jī)頭與圍巖之間處于封閉狀態(tài)，沒有施工處理空間，在碰到不良地質(zhì)洞段，TBM無法掘進(jìn)通過時，往往只能從刀盤進(jìn)人、進(jìn)料，嚴(yán)重時則從機(jī)頭后邊拆除管片，開挖旁通洞繞行到機(jī)頭前進(jìn)行處理，存在施工難度大、安全風(fēng)險高和延誤工期問題。而敞開式TBM護(hù)盾不長，碰到不良地質(zhì)洞段時，可從刀盤后進(jìn)行臨時支護(hù)或超前支護(hù)，直至洞壁穩(wěn)定后在繼續(xù)掘進(jìn)。與護(hù)盾式TBM相比，敞開式TBM在碰到不良地質(zhì)洞段時，顯得相對靈活。

大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞TBM選型相關(guān)邊界條件見表4。

表4 大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞TBM選型相關(guān)邊界條件表

從圍巖飽和抗壓強(qiáng)度和巖石完整性方面比較，敞開式和護(hù)盾式基本相當(dāng)，敞開式略好。從襯護(hù)要求、圍巖類別等方面比較，護(hù)盾式更合適。

面對斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)問題，敞開式和護(hù)盾式的適應(yīng)性都不好，對特別不良段可能還需超前處理才能通過。對軟巖(含斷層)大變形洞段，護(hù)盾式比敞開式更容易卡機(jī)；對涌水突泥等的超前處理或事后處理，敞開式更方便。在超前地質(zhì)預(yù)報和不良地質(zhì)處理方面，敞開式更方便。在作業(yè)環(huán)境和安全方面，護(hù)盾式更有利。在工期方面，兩者相當(dāng)。

由于不良地質(zhì)洞段的施工是TBM施工的關(guān)鍵，綜合而言，從偏于方便不良地質(zhì)預(yù)報與處理方面考慮，選用敞開式TBM。

3.2 TBM主要功能配置

針對本標(biāo)段香爐山隧洞TBM施工段的地質(zhì)條件， TBM相應(yīng)的功能配置如下：

1)主機(jī)系統(tǒng)配置。刀盤具有足夠的剛度和強(qiáng)度，設(shè)置人孔和霧化噴水裝置。刀盤的開挖直徑為9 830 mm，盤體材質(zhì)為Q345D，刀盤總重約260T，分為5塊(一個中心塊加四個邊塊)，共布置10個進(jìn)渣口、65個刀刃。

刀盤刀具的布置及選型充分考慮了工程地質(zhì)條件和施工要求。刀具布置為類雙螺旋形，確保刀盤在掘進(jìn)過程中受力均勻，無較大應(yīng)力集中，產(chǎn)生的振動相對較小，從而提高刀盤的工作壽命，降低刀具消耗。中心刀刀座毛坯件采用整體鍛件，避免拼焊刀座對中心刀刀座質(zhì)量的影響。中心滾刀設(shè)計為17寸雙聯(lián)滾刀，通過三個壓腳楔塊及軸向鎖緊機(jī)構(gòu)將滾刀鎖緊到中心刀座上；正滾刀設(shè)計為19寸單刃滾刀，滾刀安裝在刀座的卡塊上，通過軸兩端的楔形鎖緊結(jié)構(gòu)將滾刀鎖緊。

為適應(yīng)地質(zhì)收斂性，刀盤設(shè)計有擴(kuò)挖功能。刀盤設(shè)計有三個擴(kuò)挖刀箱，通過安裝擴(kuò)挖刀及邊滾刀卡塊增加墊片的組合方式實(shí)現(xiàn)刀盤的擴(kuò)挖，同時需要更換擴(kuò)挖時用的刮刀。刀盤設(shè)計的擴(kuò)挖能力為單邊擴(kuò)挖50 mm、100 mm和150 mm三種。

主軸承為徑向和軸向組合的三排滾子軸承，直徑5 880 mm，設(shè)計壽命不小于15 000 h，單機(jī)掘進(jìn)長度不小于25 km。采用14組400 kW變頻電機(jī)驅(qū)動，軸承與齒圈分離式設(shè)計，額定扭矩15 719 kNm、脫困扭矩23 579 kNm、功率因數(shù)16.5。

電機(jī)設(shè)計為變頻異步電機(jī)，焊接箱體、定子水冷卻，用于變頻驅(qū)動模式。

撐靴油缸是經(jīng)過特殊設(shè)計的液壓油缸，撐靴油缸有4個，推力為 31 526 kN@ 320bar(額定)，推進(jìn)行程為2 000 mm，支撐力為84 167 kN@320bar(額定)。

護(hù)盾的主體為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，分成底護(hù)盾、側(cè)護(hù)盾和頂護(hù)盾三個部分。底護(hù)盾與機(jī)頭架通過鍵和螺栓栓接，側(cè)護(hù)盾和頂護(hù)盾通過液壓缸與機(jī)頭架相連，之間有較大的空隙，需要護(hù)盾隔塵板，防止灰塵從空隙中進(jìn)入到主機(jī)后面。

2)支護(hù)功能配置。鋼拱架安裝器采用液壓驅(qū)動，軸向行程不小于推進(jìn)液壓缸的最大行程，具有可靠制動及自鎖功能；錨桿鉆機(jī)軸向行程不應(yīng)小于掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)液壓缸的最大行程、并具有反向同步功能，具有可靠制動及自鎖功能；裝備有鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)和鋼網(wǎng)片支護(hù)系統(tǒng)；混凝土噴射裝置噴射范圍360°，軸向行程不應(yīng)小于3個掘進(jìn)循環(huán)長度，配置混凝土噴射防護(hù)罩。

3)超前鉆探及地質(zhì)預(yù)報功能配置。超前鉆機(jī)為水動力潛孔式管棚鉆機(jī)，配置兩臺，同時具備超前支護(hù)和超前管棚功能，配置獨(dú)立注漿泵站，可以完成超前加固作業(yè)。

TBM上配備激發(fā)極化超前和探測系統(tǒng)(電法)和三維地震波超前探測系統(tǒng)(聲法)兩種超期地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)。

香爐山隧洞敞開式TBM主要技術(shù)參數(shù)需求初擬見表5。

表5 香爐山隧洞TBM選型相關(guān)邊界條件表

3.3 TBM針對不良地質(zhì)條件施工配置

本標(biāo)段TBM掘進(jìn)距離長，不良地質(zhì)種類多、距離長，在TBM的設(shè)計中尤其重點(diǎn)考慮鋼結(jié)構(gòu)件的可靠性設(shè)計，考慮震動對鋼結(jié)構(gòu)的影響，刀盤、驅(qū)動、主梁、設(shè)備橋和噴漿橋的主結(jié)構(gòu)件均經(jīng)過受力分析并留有安全余量。

為了及時探明TBM前方水體的分布情況，TBM搭載了探測水源的激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)。通過建立掘進(jìn)機(jī)的前向探測模式，利用多同性源陣列激發(fā)極化法，三維反演成像方法，實(shí)現(xiàn)掌子面前方30 m內(nèi)不良地質(zhì)三維成像定位和水量估算。利用配置超前管棚鉆機(jī)，對超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)水體的性質(zhì)，采用超前灌漿預(yù)封，堵、排等措施。

針對巖爆，采用超前鉆孔釋放應(yīng)力、噴射冷卻水、降低掘進(jìn)速度等措施。刀盤面板布置有21個噴水孔，覆蓋掌子面周邊和前方。

針對軟巖大變形，采用大功率的變頻電機(jī)驅(qū)動，并可滿足最大直徑方向30 cm的三階段擴(kuò)挖功能。

針對斷層破碎帶，配置了兩臺超前管棚鉆機(jī)，能夠在掌子面正前方及斜上方施作超前管棚對圍巖進(jìn)行加固支護(hù)。

TBM最大獨(dú)頭通風(fēng)長22.76 km，受同步襯砌臺車約束下風(fēng)管直徑的限制，采用隧洞中部風(fēng)機(jī)接力通風(fēng)的方案。洞口風(fēng)機(jī)與接力風(fēng)機(jī)的風(fēng)管直徑均為2.6 m，功率分別為2×315 kW、2×200 kW。

4 結(jié)論

針對大理I段施工3標(biāo)香爐山隧洞深埋、超長的特點(diǎn)，結(jié)合其需穿越的斷層破碎帶、高地應(yīng)力、軟巖大變形及巖爆、突水突泥的不良地質(zhì)，綜合其穿越兩江分水嶺的水文地質(zhì)條件，通過資料查詢、調(diào)研國內(nèi)外現(xiàn)有的TBM施工案例、專家咨詢研討對TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。提出 “TBM法+鉆爆法”的組合方案，結(jié)合TBM的施工適宜性分析，選用開敞式TBM，并對主機(jī)系統(tǒng)開展專門設(shè)計，配備激發(fā)極化超前和探測系統(tǒng)(電法)和三維地震波超前探測系統(tǒng)(聲法)兩種超期地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，同時針對各類不良地質(zhì)開展針對性配置設(shè)計。