隧洞TBM集群施工關(guān)鍵技術(shù)探析

魏留建

(廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510635)

1 概 述

在國內(nèi)外各重大隧道工程中，常采用TBM技術(shù)進行施工[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，30%隧道工程均采用TBM技術(shù)[3]。1985年，中國首次將TBM技術(shù)應(yīng)用于水電工程[4]。隨著社會經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，我國逐漸開始使用TBM技術(shù)。

馮歡歡等[5]對比多種TBM施工方案，分析極端地質(zhì)條件下TBM隧道施工關(guān)鍵技術(shù)。楊佳慶[6]以特長隧道為研究對象，提出TBM施工方案。周振梁等[7]結(jié)合實際工況，分析TBM掘進參數(shù)分布規(guī)律。田世雄等[8]對比分析多種工況，提出TBM施工方案。王屹久[9]利用有限元軟件，分析隧洞的變形和應(yīng)力情況。倪錦初等[10]以某地區(qū)隧洞為研究對象，分析其TBM選型。吳劍疆等[11]以輸水隧洞為研究對象，采用層次分析法，分析其風(fēng)險性。楊剛[12]以引水隧洞為例，分析研究其通風(fēng)方案。

本文以某地區(qū)供水工程為研究對象，選取其中第三段進行分析，并對其隧洞TBM集群施工關(guān)鍵技術(shù)進行探析。結(jié)合該地區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，提出以TBM為主、鉆爆法為輔的施工組織方案，并對其設(shè)計施工過程進行優(yōu)化。同時，分析通道型式的選擇布局，提出施工方案優(yōu)化設(shè)計，解決系統(tǒng)高效運行管理等問題。

2 工程概況

本研究以某地區(qū)供水工程為研究對象，選取其中第三段進行分析，其凈揚程186 m，壓力管道總長為13.08 km。工程實際情況見表1。

表1 工程規(guī)模統(tǒng)計表

該工程處于嚴寒地區(qū)，如何實現(xiàn)施工建設(shè)的安全性是實現(xiàn)長距離供水的關(guān)鍵。為達到上述目標(biāo)，需要重點對TBM全過程管理進行探析，包括設(shè)計、制造、施工等，以保證其施工過程的安全性與高效性。

3 區(qū)域地質(zhì)

該段地形起伏平穩(wěn)，為戈壁荒漠區(qū)。隧洞地層主要以泥盆系為主，其次為侏羅系白堊系泥巖，再次為第四系碎石土。

4 工程地質(zhì)

4.1 主要工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)規(guī)范可知，該工程隧洞平均每2 km一個孔，共計布置45個鉆孔。通過對工程進行實地考察，分析其工程及水文地質(zhì)條件，見表2、表3。

圍巖主要為Ⅱ類，為35.77%；Ⅳ類圍巖占比最小，為4.3%。飽和抗壓強度集中在60～120 MPa之間，占比59.3%。飽和抗壓強度較小時，應(yīng)注意施工過程的坍塌和變形問題。該工程飽和抗壓強度小于30 MPa占比達到29%，需重點關(guān)注上述問題。

水文地質(zhì)條件見表4。

表2 隧洞硐室圍巖分類統(tǒng)計表

表3 抗壓強度統(tǒng)計表

表4 隧洞圍巖透水性及富水性評價表

由表4可知，隧洞圍巖透水性較差，斷層破碎帶透水性一般。該工程屬于貧水區(qū)，主要以巖石內(nèi)部的水為主。通過一般巖體時，最大涌水量為10 m3/(h·km)，最小涌水量為8 m3/(h·km)。斷層破碎帶涌水量最大，一般巖體涌水量較小。在隧洞地下水中，硫酸根離子含量為539～5 052 mg/L，氯離子含量為638～5 070 mg/L。

4.2 工程地質(zhì)問題分析

通過鉆孔測試情況可知，該工程巖層情況較好。分析其工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件可知，易發(fā)生塌方有4處，水庫、河床底部及軟巖段等地段也易發(fā)生塌方。

該工程存在軟巖變形問題。由上述工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件可知，工程圍巖類別為Ⅲ類，易發(fā)生軟巖變形和圍巖鼓脹、崩解等工程地質(zhì)問題，通過強支護、快襯砌可有效解決上述問題。

對該工程進行地溫測試，其溫值在7.1℃～21℃，未超過規(guī)范限制。隧洞東線以東5 km井下160 m溫度為+12℃，深井溫度為20℃。根據(jù)地溫梯度值分析，此隧洞埋深770 m，最大埋深處低溫為+25℃，不存在高地溫情況。

對本工程進行實地考察，分析其有害氣體及睡衣情況。對其核素、氡氣析出率、伽瑪能譜進行測量分析。分析其有害氣體情況，未發(fā)現(xiàn)有害氣體及水體。結(jié)果表明，該工程不存在核素富集、有害氣體及水體現(xiàn)象，對環(huán)境影響較小。

5 施工組織設(shè)計

本工程以TBM施工為主，并結(jié)合鉆爆法。結(jié)合上述工程地質(zhì)條件，在保證安全性與效率的同時，減少施工成本，制定科學(xué)合理的施工技術(shù)方案，以確保施工組織計劃高效靈活。隧洞工程地質(zhì)及施工組織設(shè)計示意圖見圖1。

圖1 隧洞工程地質(zhì)及施工組織設(shè)計示意圖

6 隧洞施工難點及關(guān)鍵技術(shù)

6.1 支洞及進入通道型式的布局

TBM施工過程受空間影響較大。在施工工程中，不僅要保證效率，還要考慮安全問題，其中通道形式是影響上述問題的主要因素。目前，我國主要采用豎井和斜井兩種通道形式，相關(guān)施工技術(shù)已經(jīng)非常成熟。合理選擇通道形式及其布局對工程施工效率與安全尤為重要。

需考慮水文及工程地質(zhì)條件及地形等因素。根據(jù)工程及水文地質(zhì)條件等特征，結(jié)合實際地質(zhì)情況，提出合理科學(xué)的設(shè)計方案。在設(shè)計階段，對工程布局，隧洞斷面，進行充分考量，并對其進行不斷優(yōu)化，在保證安全性的前提下，提出兼顧效率與經(jīng)濟的設(shè)計方案。

優(yōu)化施工方案。根據(jù)工程地質(zhì)情況，分析TBM與鉆爆法與實際工況的適用性。確定主洞與支洞的位置情況，并根據(jù)不同的施工方法，選擇合理的通道形式?？紤]環(huán)境、工況、經(jīng)濟等影響因素，提出科學(xué)的施工方案。

本工程主要采用TBM與鉆爆法相結(jié)合的施工方案，對兩種施工方式的取舍也是需考慮的問題。在保證安全性的前提下，結(jié)合施工方案，考慮工期、運輸及經(jīng)濟等方面的影響，科學(xué)合理地選擇施工位置、坡度等技術(shù)參數(shù)，保證兩種施工方式的可行性，并確定坡度斜井施工技術(shù)。

安全性是本工程考慮的首要因素。為確保工程施工的安全性，需對深埋豎井進行可行性分析，合理布置其位置?？紤]其位置、斷面、數(shù)量等參數(shù)，結(jié)合相關(guān)施工技術(shù)及建造技術(shù)，以確保工程施工的安全性。在施工過程中加強管理，以確保工程施工的順利進行。

6.2 TBM掘進優(yōu)化設(shè)計

在選擇隧洞施工支洞及TBM進入通道型式的基礎(chǔ)上，對TBM掘進方案進行優(yōu)化，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高其效率、經(jīng)濟、安全等方面的優(yōu)勢。TBM及鉆爆法制動位置的選擇較為復(fù)雜，必須對施工設(shè)計方案進行系統(tǒng)研究和優(yōu)化，根據(jù)實際工程情況選擇科學(xué)合適的施工方案。本工程以TBM為主，并輔以鉆爆法進行施工。因本工程石英含量不高，所以宜采用TBM為工程的主要施工方案。

確定隧洞出渣和物料運輸技術(shù)。運輸方案包括無軌雙向運輸系統(tǒng)、有軌運輸、連續(xù)皮帶機等。通過分析運輸方式與主洞之間的關(guān)系，確定與施工方案相對應(yīng)的運輸系統(tǒng)。以安全性為基礎(chǔ)，結(jié)合經(jīng)濟、效率等方面對施工計劃的影響，確定隧洞物料運輸技術(shù)。

本工程主要依托于隧道工程，優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)對提高工程施工的安全性至關(guān)重要。通過優(yōu)化設(shè)計方案，根據(jù)設(shè)備及施工計劃選擇科學(xué)合理的通風(fēng)方案，確保施工計劃與通風(fēng)方案的一致性。通過對優(yōu)化的通風(fēng)方案進行現(xiàn)場測試，評估其安全性及通風(fēng)性能。為提高通風(fēng)方案的可行性，需考慮各種通風(fēng)機械的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)對方案進行優(yōu)化，提高施工與通風(fēng)方案的協(xié)同性。

6.3 配套系統(tǒng)高效運行管理

本工程采用18臺TBM進行施工，為保證施工機械的耐久性和可靠性，需結(jié)合地質(zhì)條件及TBM自身結(jié)構(gòu)，提出高效的施工運行管理系統(tǒng)。

分析TBM機械類型、結(jié)構(gòu)形式等因素，對比分析其與實際工程的可適性。根據(jù)隧道的具體情況，研究TBM各項關(guān)鍵部件的設(shè)計參數(shù)，以便降低經(jīng)濟成本，同時兼顧施工效率。

對于地形和地質(zhì)較為復(fù)雜的地段，應(yīng)提前分析，提出解決方法。對可能出現(xiàn)的施工問題進行分析，并提出解決方案，找到適合TBM的施工方案。

利用BIM對工程進行全生命周期管理。在工程設(shè)計階段、施工階段和運營階段，結(jié)合BIM數(shù)字化技術(shù)進行綜合管理。對功能參數(shù)、施工情況進行實時監(jiān)控。通過工程報表等方式，對工程全過程進行動態(tài)管理。

收集在施工過程中遇到的技術(shù)問題，整理相關(guān)施工數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，為今后的施工管理、監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)先前的數(shù)據(jù)情況，對比分析以后的項目施工情況，對其效率及經(jīng)濟相關(guān)內(nèi)容進行評估。掌握TBM相關(guān)參數(shù)，充分了解其機械狀態(tài)與故障修復(fù)等問題，確保工程施工的順利進行。

在施工前，需充分考察當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)情況。通過考察結(jié)果，對TBM施工過程中存在的問題作出預(yù)案，對風(fēng)險進行評估。對風(fēng)險評估后，還需設(shè)置合理的安全預(yù)案，以防危險的發(fā)生。

由于本工程存在軟巖變形問題，需提前針對這一問題進行規(guī)劃?？刹捎秒p層襯砌結(jié)構(gòu)進行加固，以保證結(jié)構(gòu)的安全性。在施工階段，采用短臺階法，以防止施工過程中軟巖變形的問題。

7 結(jié) 論

本文以某地區(qū)供水工程為研究對象，選取其中第三段進行分析，分析工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況，并對設(shè)計施工過程進行優(yōu)化，結(jié)論如下：

1) 隧洞圍巖透水性較差，斷層破碎帶透水性一般。該工程屬于貧水區(qū)，主要以巖石內(nèi)部的水為主。通過一般巖體時，最大涌水量為10 m3/(h·km)，最小涌水量為8 m3/(h·km)。斷層破碎帶涌水量最大，一般巖體涌水量較小。在隧洞地下水中，硫酸根離子含量為539～5 052 mg/L，氯離子含量為638～5 070 mg/L。

2) 本工程以TBM施工為主，并結(jié)合鉆爆法，兼具TBM的高效性與鉆爆法的靈活性。結(jié)合上述工程地質(zhì)條件，在保證安全性與效率的同時，減少施工成本，制定科學(xué)合理的施工技術(shù)方案。在選擇隧洞施工支洞及TBM進入通道型式的基礎(chǔ)上，對TBM掘進方案進行優(yōu)化，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高其效率、經(jīng)濟、安全等方面的優(yōu)勢。

3) 安全性是本工程考慮的首要因素。為確保工程施工的安全性，需對深埋豎井進行可行性分析，合理布置其位置?？紤]其位置、斷面、數(shù)量等參數(shù)，結(jié)合相關(guān)施工技術(shù)及建造技術(shù)，以確保工程施工的安全性。在施工過程中，加強管理，確保工程施工的順利進行。同時，提出科學(xué)合理的施工組織方案，在保證安全性的前提下，提高工程效率，降低工程成本。