高海拔地區(qū)隧洞TBM施工方案研究

王爽

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

目前，TBM法在我國(guó)隧道、隧洞施工中應(yīng)用較多[1-3]，但高海拔地區(qū)隧洞利用TBM掘進(jìn)的已建工程卻寥寥無(wú)幾，幾乎無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒，下文結(jié)合西藏某電站引水隧洞對(duì)高寒、高地應(yīng)力、低壓等惡劣環(huán)境下的TBM施工可行性進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 工程概況

該電站為一級(jí)混合式開(kāi)發(fā)水電站，引水隧洞沿河段左岸山體展布，總長(zhǎng)16.81 km，由進(jìn)水口、引水隧洞、氣墊式調(diào)壓室及壓力管道組成，進(jìn)口底板高程為3 681.50 m，發(fā)電引用流量124.4 m3/s，引水隧洞后段為高壓隧洞。尾水建筑物由尾水連接洞、尾閘室、無(wú)壓尾水隧洞、尾水渠組成，尾水洞出口底板高程為3 245.52 m。

引水隧洞開(kāi)挖及襯砌斷面均為標(biāo)準(zhǔn)平底馬蹄形，Ⅱ，Ⅲ類(lèi)圍巖洞段凈斷面頂拱半徑為3.75 m，圓心角為180°，最大凈高6.84 m；Ⅳ，Ⅴ類(lèi)圍巖洞段過(guò)水?dāng)嗝骓敼鞍霃綖?.50 m，圓心角為180°，最大凈高6.38 m。對(duì)Ⅳ，Ⅴ類(lèi)圍巖洞段頂拱120°范圍內(nèi)，采用回填灌漿和全斷面固結(jié)灌漿處理。

1.1 水文氣象

流域年平均降水量超過(guò)833 mm；年平均氣溫5.9℃，極端最高氣溫30.6℃，極端最低氣溫-22.1℃；年平均氣壓653.9 hPa。

1.2 地質(zhì)條件

引水隧洞沿線(xiàn)山體雄厚，岸坡陡峻，隧洞中后段垂直埋深大，一般在600～1 000 m，最大垂直埋深約1 500 m；隧洞從上至下依次穿越拉貢塘組砂板巖、古近紀(jì)花崗巖、來(lái)姑組砂板巖和古近紀(jì)花崗巖，除板巖為較軟巖～中硬巖外，其余巖石以中硬巖～堅(jiān)硬巖為主。

1）引0+0～引2+500 m段，洞室垂直埋深200～670 m，穿越1條支溝，過(guò)溝段上覆埋深189 m，該溝規(guī)模不大，過(guò)溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖陡壁，不存在過(guò)溝淺埋問(wèn)題。洞室圍巖總體屬中硬～堅(jiān)硬巖，在1+920 m附近可能會(huì)遭遇嘉黎-向陽(yáng)日斷裂，洞室以Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖為主，斷裂帶為Ⅴ類(lèi)圍巖。過(guò)斷裂帶洞段可能存在突涌水問(wèn)題。

2）引2+500～引5+000 m段，洞室垂直埋深150～600 m，該段穿越2條支溝，支溝切割深度約300 m，溝道狹窄，過(guò)溝段上覆埋深大于170 m，過(guò)溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖陡壁，不存在過(guò)溝淺埋問(wèn)題。洞室圍巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，洞室圍巖以Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)為主，少量Ⅳ類(lèi)。過(guò)溝段可能存在突涌水問(wèn)題。

3）引5+000～引9+570 m段，洞室垂直埋深一般600～800 m，最大埋深1 500 m，穿越1條支溝，過(guò)溝段上覆最小基巖埋深約190 m，不存在過(guò)溝淺埋問(wèn)題。圍巖巖質(zhì)堅(jiān)硬巖，在K9+400 m附近可能遭遇澤拉錯(cuò)-宗頗斷裂。地應(yīng)力以中～高量級(jí)為主，洞室圍巖以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，部分Ⅱ類(lèi)，少量Ⅳ類(lèi)。該段隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆，過(guò)溝段可能存在突涌水問(wèn)題。

4）引9+570～引12+300 m段，洞室垂直埋深一般500～900 m，最大埋深約1 400 m，穿越1條支溝，過(guò)溝段上覆最小基巖埋深約240 m，不存在過(guò)溝淺埋問(wèn)題。圍巖以堅(jiān)硬巖為主，地應(yīng)力以中～高量級(jí)為主，洞室圍巖以Ⅲ類(lèi)圍巖為主，部分Ⅱ類(lèi)，少量Ⅳ類(lèi)。該段隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆，過(guò)溝段可能存在突涌水問(wèn)題。

5）引12+300～引14+300 m段，洞室垂直埋深一般400～800 m，最大埋深約1 000 m，穿越1條支溝，過(guò)溝段上覆埋深440 m，該溝規(guī)模不大，過(guò)溝處溝床狹窄，兩側(cè)均為基巖斜坡，不存在過(guò)溝淺埋問(wèn)題。圍巖主要為粉砂質(zhì)板巖夾石英砂巖，引14+300 m附近可能遭遇澤拉錯(cuò)-宗頗斷裂。地應(yīng)力以中等地應(yīng)力量級(jí)為主，洞室圍巖以Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)為主，過(guò)斷裂帶洞段存在少量Ⅴ類(lèi)圍巖。過(guò)溝段、穿越斷裂段可能存在突涌水問(wèn)題。

6）引14+300～引16+810 m段，洞室垂直埋深一般600～900 m，最大埋深1100 m。洞室圍巖主要為堅(jiān)硬巖，地應(yīng)力可能達(dá)中～高地應(yīng)力水平，圍巖以Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)為主，少量Ⅳ類(lèi)。局部洞段可能存在巖爆問(wèn)題。

2 TBM施工方案分析

2.1 TBM適用性分析

2.1.1 長(zhǎng)距離掘進(jìn)

隧洞長(zhǎng)距離掘進(jìn)，TBM必須性能良好、壽命較長(zhǎng)、配件充足和儲(chǔ)備足夠刀具，同時(shí)運(yùn)輸設(shè)備要求高效，要求通風(fēng)系統(tǒng)能力強(qiáng)、可靠性高，供電、排水系統(tǒng)可靠。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)積累，TBM施工適用于長(zhǎng)度超過(guò)7.00 km以上的隧洞，該工程引水隧洞總長(zhǎng)16.81 km，滿(mǎn)足TBM施工的經(jīng)濟(jì)適用長(zhǎng)度。

2.1.2 地質(zhì)條件分析

不同圍巖類(lèi)別相應(yīng)的巖石硬度變化也大，TBM需針對(duì)不同的地層采用不同的掘進(jìn)參數(shù)，以提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度。

工程引水隧洞巖性主要為花崗巖、粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖和少量的石英巖組成，以Ⅱ類(lèi)和Ⅲ類(lèi)圍巖為主?；◢弾r為塊狀、次塊狀巖體，粉砂質(zhì)板巖、石英砂巖以中硬巖為主。TBM適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強(qiáng)度介于20～250 MPa，尤其以50～100 MPa為最佳；巖石中石英含量越低越好，根據(jù)工程地質(zhì)條件初步判斷TBM施工是可行的。

2.2 TBM的工作特性

2.2.1 敞開(kāi)式TBM

敞開(kāi)式TBM是采用錨噴支護(hù)的一類(lèi)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，其主機(jī)部分一般由刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)、護(hù)盾、主梁、鞍架、撐靴組成，通過(guò)撐靴支撐在開(kāi)挖的隧道巖壁上產(chǎn)生的摩擦力來(lái)提供刀盤(pán)掘進(jìn)的推進(jìn)力。主機(jī)內(nèi)輔助設(shè)備一般包括鋼拱架拼裝系統(tǒng)、L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、應(yīng)急噴混系統(tǒng)等。支撐推進(jìn)系統(tǒng)則主要由主梁、鞍架、撐靴、推進(jìn)油缸、撐靴油缸、扭矩油缸、十字銷(xiāo)機(jī)構(gòu)、后支撐及后支撐油缸等組成，可以起到推進(jìn)、換步、防扭、轉(zhuǎn)彎、糾偏等功能。支護(hù)系統(tǒng)則主要由鋼拱架拼裝系統(tǒng)、L1區(qū)錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、L2區(qū)噴混系統(tǒng)等組成，通過(guò)拼裝鋼環(huán)梁、打錨桿、噴混等工序?qū)崿F(xiàn)隧道的初期支護(hù)。

敞開(kāi)式TBM在對(duì)付較完整、有一定自穩(wěn)性的圍巖時(shí)，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，特別是在硬巖、中硬巖掘進(jìn)中，強(qiáng)大的支撐系統(tǒng)為刀盤(pán)提供了足夠的推力；使用敞開(kāi)式TBM施工可以直接觀測(cè)到被開(kāi)挖的巖面，從而方便對(duì)已開(kāi)挖的隧道進(jìn)行地質(zhì)描述。由于開(kāi)挖和支護(hù)分開(kāi)進(jìn)行，使敞開(kāi)式TBM刀盤(pán)附近有足夠的空間用來(lái)安裝一些臨時(shí)、初期支護(hù)的設(shè)備，如鋼拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)、噴射混凝土設(shè)備等，應(yīng)用新奧法原理使這些輔助設(shè)備可及時(shí)、有效地對(duì)不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行支護(hù)。

2.2.2 雙護(hù)盾TBM

雙護(hù)盾TBM，除刀盤(pán)外全部被兩個(gè)護(hù)盾包圍[4]。雙護(hù)盾TBM適應(yīng)地層較廣，可開(kāi)挖軟巖、中硬巖、堅(jiān)硬巖等地層，巖體較完整至破碎都可適應(yīng)。圍巖較穩(wěn)定時(shí)，掘進(jìn)的同時(shí)可安裝管片，掘進(jìn)速度快。圍巖地層差時(shí)，撐靴不能支撐洞壁，可在單護(hù)盾模式下掘進(jìn)，使設(shè)備快速通過(guò)軟巖地層。

在圍巖穩(wěn)定性較好的硬巖地層中掘進(jìn)時(shí)，以撐靴緊撐洞壁為主推進(jìn)油缸提供反力，使TBM向前推進(jìn)，刀盤(pán)的反扭矩由2個(gè)位于支撐盾的反扭矩油缸提供，掘進(jìn)與管片安裝同步進(jìn)行。此時(shí)TBM作業(yè)循環(huán)：掘進(jìn)與安裝管片→撐靴收回?fù)Q步→再支撐→再掘進(jìn)與安裝管片。

2.2.3 單護(hù)盾TBM

單護(hù)盾TBM，除刀盤(pán)外機(jī)頭部分全部由一鋼制的護(hù)盾包圍。單護(hù)盾TBM比雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有伸縮盾、撐靴護(hù)盾、撐靴及撐靴油缸，其刀盤(pán)和主要驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)與雙護(hù)盾TBM及敞開(kāi)式TBM都類(lèi)似。當(dāng)軟弱圍巖所占比例很大，且撐靴無(wú)法支撐住洞壁時(shí)，可考慮采用單護(hù)盾TBM掘進(jìn)。這樣，不僅單護(hù)盾TBM的價(jià)格比雙護(hù)盾TBM的價(jià)格低，而且其護(hù)盾短不易卡機(jī)，掘進(jìn)速度也會(huì)因?yàn)闇p少巖石支護(hù)處理時(shí)間而比敞開(kāi)式TBM快。

國(guó)內(nèi)常用掘進(jìn)機(jī)[5，6]的對(duì)比分析見(jiàn)表1。

表1 各種機(jī)型掘進(jìn)機(jī)的對(duì)比分析

2.3 TBM選型

工程引水隧洞前段約5.00 km，洞段埋深150～600 m，后段洞室埋深一般600～900 m，最大埋深約1 500 m，洞室埋深較大，其中以Ⅱ，Ⅲ類(lèi)圍巖為主，巖性主要是花崗巖、砂板巖。從目前的地質(zhì)條件分析，該工程采用敞開(kāi)式TBM較為合理。但不同圍巖類(lèi)別，相應(yīng)的巖石硬度變化也大，TBM需針對(duì)不同的地層采用不同的掘進(jìn)參數(shù)，以提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度。

2.4 TBM月進(jìn)尺分析

國(guó)內(nèi)外已建、在建工程項(xiàng)目TBM施工特性對(duì)比見(jiàn)表2。

1）從工程經(jīng)驗(yàn)比較分析TBM掘進(jìn)月進(jìn)尺取值

對(duì)表2中TBM應(yīng)用工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)分析：表2中所列項(xiàng)目，掘進(jìn)機(jī)平均月進(jìn)尺約727.00 m/月；Robbins掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度最快，平均月進(jìn)尺可達(dá)779.00 m/月；表2中與該工程洞徑類(lèi)似項(xiàng)目，如西安～安康鐵路秦嶺Ⅰ線(xiàn)隧道工程，掘進(jìn)機(jī)平均月進(jìn)尺約573.00 m/月；與該工程圍巖強(qiáng)度相近項(xiàng)目，西安～安康秦嶺鐵路隧道工程月平均進(jìn)尺為528.00 m/月。

表2 國(guó)內(nèi)外部分TBM掘進(jìn)機(jī)施工特性對(duì)比表

因此，借鑒類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，西安～安康秦嶺鐵路隧道洞徑8.8 m，工程引水隧道噴錨段開(kāi)挖斷面約7.5 m，襯砌段開(kāi)挖斷面約7.0 m，洞徑越小、掘進(jìn)越快，該工程TBM掘進(jìn)機(jī)月進(jìn)尺參數(shù)取值可略大于528.00～573.00 m/月。

但考慮到工程沿線(xiàn)地質(zhì)有多條深切沖溝，規(guī)模較大，因而可能存在軟巖、斷層帶及涌水等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，埋深達(dá)150～1 500 m，更存在巖爆風(fēng)險(xiǎn)。因此，初步保守?cái)M定該工程隧洞TBM掘進(jìn)機(jī)施工月循環(huán)平均進(jìn)尺按上述參數(shù)取值范圍的下限取用，即按所列項(xiàng)目平均掘進(jìn)月進(jìn)尺528.00 m/月作為掘進(jìn)月進(jìn)尺特性參數(shù)參考。

2）從圍巖強(qiáng)度與掘進(jìn)機(jī)進(jìn)尺關(guān)系分析掘進(jìn)進(jìn)尺

根據(jù)參考文獻(xiàn)［7］，圍巖強(qiáng)度與掘進(jìn)進(jìn)尺存在相關(guān)關(guān)系，見(jiàn)圖1。

對(duì)圖1分析可知：Rc越低TBM的掘進(jìn)速度就越快，Rc越高TBM的掘進(jìn)速度就越慢；若Rc太低，掘進(jìn)后圍巖將沒(méi)有自穩(wěn)能力，工程不安全，只有當(dāng)Rc合適才能保證TBM以一定的速度掘進(jìn)，同時(shí)隧洞圍巖又能保持自穩(wěn)；工程成功經(jīng)驗(yàn)表明，Rc為30～150 MPa的中等堅(jiān)硬巖石和堅(jiān)硬巖石較為適合TBM施工。

圖1 Rc與TBM掘進(jìn)工作效率的關(guān)系曲線(xiàn)

3）TBM掘進(jìn)月進(jìn)尺的擬定

工程巖石的單軸抗壓強(qiáng)度介于20～250 MPa，巖石強(qiáng)度相對(duì)較硬，該工程TBM掘進(jìn)速度按照1.5 m/h，則工程每日3班，2班掘進(jìn)、1班維護(hù)保養(yǎng)；掘進(jìn)班每班9 h，維護(hù)班每班6 h，掘進(jìn)速度為27 m/d；每周周日檢修，每月按22 d施工，則月掘進(jìn)速度約594 m。

綜上分析，由于該工程可能存在涌水、巖爆等問(wèn)題，隧洞TBM掘進(jìn)速度可適當(dāng)保守，按月進(jìn)尺500 m/月考慮。

3 改進(jìn)措施

由于西藏特殊地理?xiàng)l件和氣候條件，以及該工程引水隧洞過(guò)溝段、穿越斷裂段可能存在突涌水問(wèn)題，隧洞埋深整體較大，局部洞段可能存在巖爆等問(wèn)題，事前應(yīng)做好地質(zhì)預(yù)判并制定應(yīng)急處理措施[8，9]，防范于未然，否則TBM機(jī)具遭損，將影響施工工期，同時(shí)建議在類(lèi)似高海拔地區(qū)對(duì)TBM掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

建議適當(dāng)提高主機(jī)與后配套設(shè)備功率，使其功率略高于正常施工情況，以便在高圍巖壓力、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)條件下保證掘進(jìn)速度。

建議開(kāi)發(fā)全自動(dòng)化TBM，減少高寒、低壓等惡劣環(huán)境下的施工人員勞動(dòng)強(qiáng)度，考慮對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)增加氧氣輸送，以解決長(zhǎng)隧洞高原缺氧問(wèn)題。