榆神工業區供水工程超長隧洞TBM施工適應性研究

姜永宏 張愛玲

（陜西省水利電力勘測設計研究院 陜西 西安 710001）

1 工程概況及問題的提出

1.1 工程概況

榆林能源化工基地榆神工業區供水工程位于陜西省榆林市，橫跨府谷、神木兩縣，是一項跨區域調水工程，其取水水源為府谷東部巖溶水和第四系孔隙潛水。輸水線路全長91.83km，沿線共布置水工建筑物29座，其中隧洞共11座，隧洞總長76.4km，7#隧洞單洞最長，長度為33.99km，其次是11#隧洞長27.68km，其余均不超過3km、最短251m。隧洞圍巖類別一 般 為 Ⅲ （31.06km，33.8%）、 Ⅳ 類（42.14km，45.9% ）， 局 部 為 Ⅴ 類（3.5km，3.8%），隧洞橫斷面為圓拱直墻型，成洞尺寸2.5m×3.2m（寬×高）。

根據地質報告，7#隧洞穿越的地層圍巖主要為三疊系上統青灰色厚層狀砂巖，分類以Ⅲ、Ⅳ類為主，局部Ⅴ類，以軟巖和較軟巖石為主，巖石飽和抗壓強度從3MPa到30MPa。隧洞地下水位位于洞頂以上0～200m。Ⅲ類圍巖局部穩定性差，會產生塑性變形。Ⅳ類圍巖不穩定，自穩時間很短，規模較大的各種變形和破壞都可能發生。隧洞開挖過程中可能產生坍塌冒頂，并產生涌水現象。

11#隧洞穿越的地層圍巖主要為侏羅系中下統延安組(J1-2y)灰色中厚層狀長石砂巖夾薄層泥巖，含煤線和可采煤層，分類以Ⅳ類為主，局部Ⅴ類，以軟巖和較軟巖石為主，巖石飽和抗壓強度24MPa。隧洞地下水位位于洞頂以上0～100m。Ⅳ類圍巖不穩定，自穩時間很短，規模較大的各種變形和破壞都可能發生。隧洞施工中由于砂巖中的泥巖夾層易風化、崩解，失水干裂，易發生頂壁剝落掉塊。

1.2 問題的提出

考慮到本工程7#、11#隧洞較長，對于超長隧洞，現代理念多選用TBM施工方法，但針對本工程的具體條件，應進行掘進機施工的適用性研究。施工方案選擇的合理與否直接關系到工程的進度和投資，因此，合理地確定施工方案是工程的首要任務。

2 TBM機型選擇及應用實例

2.1 TBM分類及其適用條件

隧道掘進機(TBM)屬于專用設備，需根據具體的隧道工程進行針對性的設計和制造。不同類型的TBM有不同的適用條件。

敞開式TBM適應于較完整～完整、有較好自穩性的硬巖地層（50 MPa～150MPa），特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統為刀盤提供了足夠的推力，能充分發揮出優勢。由于開挖和支護分開進行，使敞開式TBM刀盤附近有足夠的空間用來安裝一些臨時、初期支護的設備如鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、超前鉆機、噴射混凝土設備等，并可應用新奧法及時地、有效地對不穩定圍巖進行支護，具備通過軟弱圍巖、斷層等不良地質的能力，可獨立地完成不良地質地段的掘進。永久性襯砌待隧道貫通后施工或者采用同步襯砌施工技術。

單護盾TBM主要適合在自穩能力較差的脆性圍巖或軟巖地層（5MPa～60MPa）隧道中施工，預制管片作為永久襯砌結構。拼裝好的管片為掘進提供反力，人員及設備處于封閉盾殼的保護之下，施工安全性較好。

雙護盾TBM是在單護盾機型的基礎上開發的，在具備單護盾機型功能的同時，增加了撐靴。通常情況下，依靠撐靴撐緊洞壁，為掘進提供反力，主要適用于較完整、有一定自穩性的軟巖～硬巖地層（30MPa～90MPa），適宜的地質條件下可以快速掘進，結合同步拼裝管片，綜合成洞進度快，可大大節約工期，節省勞動力。巖石抗壓強度較低時，拼裝好的管片為掘進提供反力。

盾構機適用于土質隧道施工，主要應用于城市地鐵、軌道交通、過江過河隧道等工程。

復合式掘進主要適用復合地層，如上硬下軟，即上部為土層、下部為巖層的地層。在軟土地段還可以利用封閉系統對掌子面進行封閉處理，以穩定掌子面。

2.2 機型選擇

本工程擬采用TBM施工段隧洞地層以軟巖為主，飽和抗壓強度從3MPa～30MPa，由于巖石抗壓強度較低，巖體不能夠提供足夠的TBM支撐反力，不宜選用敞開式掘進機。

由于巖石抗壓強度較低，巖體不能夠提供足夠的TBM支撐反力，且在通過松散地層時，鉸接的伸縮護盾也很容易使楔狀巖體松動、坍塌并堵塞到護盾上，使掘進機有被卡往的危險，故本工程不宜選用雙護盾掘進機。

雖然復合式掘進機可以在本工程地層中施工，但復合式掘進機造價更為昂貴，且在該地層中不能發揮最好的作用，不建議本工程采用復合式盾構機。

本隧洞巖石飽和抗壓強度從3MPa～30MPa，單護盾掘進機較適合這種地層，本工程建議采用單護盾掘進機施工。

2.3 單護盾TBM施工實例

甘肅引洮供水一期工程總干渠7＃隧洞工程隧洞全長17286m，在國內首次采用單護盾TBM施工。

引洮供水一期工程7#隧洞地表地貌溝壑交錯，洞身圍巖主要為白堊系泥質粉砂巖、粉細砂巖、泥質頁巖，局部為上第三系砂巖、砂礫巖，圍巖類別Ⅳ～Ⅴ類，巖體單軸飽和抗壓強度第三系地層小于12MPa；白堊系地層為45 MPa～60MPa；采用圓形斷面，隧洞凈斷面D＝4.96m，縱坡1/1650。由中鐵隧洞股份有限公司承建，合同價為38598萬元，合同工期58個月，原計劃采用一臺單護盾TBM完成洞身施工。TBM由法國設計，中國組裝制造。

2009年12月29日TBM開始掘進，在隧洞出口朝進口方向掘進，順利掘進2549m后，進入飽水疏松砂巖地層，TBM三次卡機，掌子面多次發生大范圍涌沙，TBM設備被埋達4/5，TBM被困并栽頭663mm，導致施工中斷，無法繼續掘進。從2010年4月至10月份，7個月艱難掘進504m。經廣泛咨詢專家意見，認為TBM設備不適應7#隧洞含水粉細疏松砂巖施工。在這一形勢下，調整了施工方案，在7#隧洞中段新增開4個斜井、1個豎井，共5個工作面，采用常規施工方法穿越含水粉細疏松砂巖地層，將原7#隧洞出口被困的TBM解體，并重新加工盾體和刀盤，搬運至隧洞進口組裝，從進口掘進除含水粉細疏松砂巖地層以外的隧洞。承擔TBM刀盤加工和盾體加工的公司，經過半年完成了刀盤和盾體的制造，于2011年8月17日TBM重新啟動，從7號隧洞進口方向向下游的出口方向掘進。9月份TBM掘進創下月掘進1515m、單日最高進尺80.8m的單護盾TBM掘進國內紀錄；10月份，TBM掘進達到1718.6m，再次刷新單護盾掘進紀錄；11月30日，單護盾TBM掘進再創月進尺1868m的國內新紀錄，打破了國內TBM雙護盾掘進1855m的歷史紀錄。2012年01月05日，進口段TBM掘進主洞工作面與新增豎井上游主洞工作面掘進達到6816m后，與豎井貫通。

3 TBM施工方案

根據TBM的機型特點及適應范圍經分析，本工程較宜選用的TBM為單護盾TBM。

掘進機能施工的最大長度主要在于掘進機大軸承的使用壽命。大軸承是掘進機的最關鍵部位，它的重要性在于制造周期長（半年左右），更換時間超過6周以上，其壽命等同于掘進機壽命。目前大軸承的使用壽命一般為15000h～20000h，保守計算可以使用10000h～12000h，也就是說一般掘進機在不更換大軸承的情況下可以完成20km～25km隧道（洞）的掘進任務，而其它大型結構件一般使用40km～60km也是完全可能的。本工程7#和11#隧洞埋深較大，擬在兩隧洞進出口各設一臺（共4臺）單護盾TBM相向施工，每臺TBM施工長度分別約為17.00km和13.84km，在施工工期和經濟上較合理。

TBM施工過程中，在隧洞中部設供兩臺TBM共用的拆卸洞，并在掘進機施工段中部位置設施工通風支洞。

TBM采購運輸按12個月考慮，安裝調試按2個月考慮，TBM拆卸按1個月考慮，月均綜合成洞進尺按350米/月考慮，則7#和11#隧洞主洞施工時間為49個月和40個月，施工總工期分別為52個月和43個月（不含TBM采購運輸）。

4 鉆爆法施工方案

7#、11#隧洞施工支洞間距按不超過3km布設，盡量考慮平支洞，其次考慮斜井支洞，斜井支洞的傾角不大于17°。支洞橫斷面為城門洞型，斜井內布置雙車道，一個車道進行出碴運輸，一個進行人和材料運輸，設計凈斷面寬×高=4.5m×4.5m。7#隧洞共布置施工支洞11個，支洞總長5991m，11#隧洞共布置施工支洞9個，支洞總長3511m。

結合本工程實際情況，Ⅲ類圍巖平均循環進尺取2m，斜井控制段單頭每天2個循環，月開挖進尺為100m；Ⅳ類圍巖平均循環進尺取1.4m，月開挖進尺為70m；Ⅴ類圍巖平均循環進尺取1.0m，月開挖進尺為50m。斜井擔負正洞襯砌綜合施工進度指標125米/月。

工程籌建期9個月，工程準備期1個月時間，工程收尾期1個月。7#和11#隧洞主洞施工時間為41個月和43個月，施工總工期分別為43個月和45個月（不含籌建期）。

5 判斷和決策

鉆爆法和全斷面掘進機法（TBM法）是目前隧洞開挖中兩個行之有效的施工方法。這兩個施工方法在不同的施工條件下具有各自不同的優勢。在適宜的條件下，掘進機法具有掘進效率高、對圍巖擾動小、開挖壁面光滑、施工人員的勞動保護條件好等優點，20世紀90年代以來，使用掘進機開挖隧洞在我國得到較大范圍推廣和應用，甘肅引大入秦工程、甘肅引洮供水一期工程、山西萬家寨引黃工程和遼寧大伙房輸水工程均采用掘進機法開挖，但由于掘進機的購置費用高，安裝和施工準備時間長及對圍巖地質條件的適應性不如鉆爆法等弱點，影響和限制了掘進機的適用范圍。

引洮供水一期7＃隧洞工程單護盾TBM施工經驗表明，單護盾TBM掘進施工在不良地質段,特別是在無自穩能力、地基承載力較差的軟弱含水砂巖地層時,極易出現刀盤及盾體被卡、栽頭等事故,影響TBM的正常掘進。

由地質報告可知，本工程地下水較高，巖石較軟，可能遇到與引洮供水一期7＃隧洞工程相同風險，可靠性較差；而且本工程隧洞斷面較小、巖石較軟，TBM節省人力、施工效率高的優勢發揮不明顯。鉆爆法對圍巖地質條件的適應性強，施工條件尚可，開挖斷面小、巖石較軟正是其優勢所在，無疑為本工程可行、可靠的施工方案。

經綜合分析，本工程圍巖巖石較軟，若采用TBM施工，較宜選用的TBM為單護盾TBM；TBM存在安裝和施工準備時間長及對圍巖地質條件的適應性不如鉆爆法等弱點；另外，TBM的購置費用高。故本工程采用TBM施工在技術、經濟上存在一定風險，不推薦采用TBM施工，推薦采用鉆爆法施工。陜西水利