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

(湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

鄂北水資源配置工程是國家重點推進、優先實施的172項重大水利工程之一，輸水線路上共有隧洞55座，合計長度119.43km，占線路總長的44.3%。其中寶林隧洞連續洞長13.84km，是工程沿線工期最長的節點性工程之一。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，巖性為白云鈉長片麻巖、混合片麻巖和黑云奧長混合片麻巖；進出口和斷層破碎帶為Ⅳ～Ⅴ類，成洞條件相對較差。隧洞橫斷面型式為城門洞形及圓形，過水斷面凈寬3.2～6m。

表1 寶林隧洞圍巖工程地質分類

寶林隧洞上覆中華山國家森林公園，地勢高，山體雄厚，若采用傳統爆破方式施工，對周邊生態環境將會產生較大破壞，而從自然環保、區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對生態環境的影響，最終采用采用鉆爆法與TBM法(全斷面隧道鉆掘機掘進)聯合施工。進出口合計3.24km巖石條件差，采用鉆爆法施工；中部Ⅱ～Ⅲ圍巖段長10.6km，采用1臺TBM施工。TBM工法在湖北省水利工程上投入使用尚屬首創，其施工方法對水利工程建設新技術、新設備、新工藝的探索實踐具有重要意義。本文將根據寶林隧洞的地質和施工條件，從TBM設備選型及其施工方案設置等方面初步探討施工方法。

1 TBM設備選型

1.1 地質條件

TBM是專用性很強的工程機械，對地質條件的適用程度差，這在很大程度上使得地質條件成為TBM施工最重要的限制因素[1]。

寶林隧洞圍巖分類及統計[2]見表1、2。

表2 寶林隧洞圍巖類別統計

線路地層均為不透水隔水巖層，地下水主要表現為風化裂隙中的裂隙潛水。未見到泉水出露。沿線的斷層帶多為膠結較好的糜棱巖，其透水性弱。沿斷層也未見泉水出露。

通過評價巖體完整性、圍巖強度應力比、巖石飽和單軸抗壓強度進行適宜性評價，認為寶林隧洞中部10.6km的工程地質條件適合TBM施工[3]。

1.2 TBM類型選擇

不同類型的TBM有不同的特點，適用于不同地質環境，TBM型式選擇的適當與否決定了工程進度甚至關乎工程的成敗[4]。

TBM可分為開敞式、單護盾式、雙護盾式和擴孔式，單護盾式和擴孔式TBM國內尚未被采用，一般在開敞式TBM和雙護盾TBM兩者之間選擇[1]。對TBM的選型從地質適應性、工期、工程設計、掘進性能和速度、現場條件、設備費用和施工成本等角度進行綜合分析，詳見表3。通過比較，認為開敞式TBM更適合寶林隧洞施工。

表3 開敞式TBM與雙護盾TBM的比較

2 TBM施工

2.1 開敞式TBM施工工藝

開敞式TBM可根據巖性不同選擇配置臨時支護設備，進行隧洞施工的主要作業包括TBM掘進、出渣、初期支護和軌道鋪設等，輔助作業包括隧洞通風、供電、供水、排水等，其施工關系及過程[7]如圖1所示。TBM設備的推進過程也就是施工的掘進過程。“掘進—排運—運輸”“運輸—支護—掘進”2個過程是采用開敞式TBM施工的基本作業。其施工作業程序[8]如圖2所示。

圖1 開敞式TBM施工關系及過程

圖2 開敞式TBM施工作業程序

2.2 TBM的施工

樁號247+500～258+100間10.6km采用開敞式硬巖掘進機(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，Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨+襯砌復合支護方式。隧洞出渣運輸采用有軌運輸，采用變頻電動機車牽引編組列車。

采用掘進機施工須加強地質預報工作，對開挖面前方50～100m范圍內的地質情況應有準確的預報。掘進機施工必須對各個工序、工藝實施標準化管理，操作必須實行標準化作業。

寶林隧洞出口場地比較開闊，可在隧洞出口組織TBM組裝調試，主機與后配套分別在2個場地同時進行。組裝、調試完成后，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的方式通過，待TBM主機與后配套設施滑行至始發洞段后，由撐靴支撐洞壁提供主機掘進的反作用力，使TBM向前推進。TBM掘進的過程中渣料通過后配套設施直接運至洞口，裝自卸汽車運至指定棄渣場。臨時支護和一次支護洞段可在掘進過程中在護盾的保護下與掘進同時完成，二次支護可等隧洞全面貫通后進行，亦可在不影響掘進的前提下同時進行。

在樁號247+460～247+500設置拆卸洞室對主機和后配套設施進行拆卸，拆卸洞室設計為鉚釘形，洞內安裝2×25t橋吊，斷面尺寸6m×6m×40m(寬×高×長)。TBM到達拆卸洞室后，將主機和后配套分離，邊拆邊采用無軌方式將部件從隧洞進口運輸出洞。先拆卸主機部分，再逐步將后配套推進至拆卸洞室，逐節推進逐節拆卸。

3 實際施工效果

實際用于工程的TBM是鐵建重工自主研制的“鄂北寶林號”，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機，也是國內首臺完全擁有自主知識產權的最小直徑敞開式硬巖隧道掘進機。其開挖直徑4m，長度290m，重約750t，總裝機功率約2400kW。每日可掘進25～30m，是常規鉆爆法掘進尺度的8～10倍，設備于2017年2月21日主機進洞安裝調試，4月5日正式開始掘進，目前實現月掘進進尺770m，創國內同類TBM掘進新紀錄[9]。

4 結語

寶林隧洞是鄂北地區水資源配置工期最長的節點性工程之一，本文根據寶林隧洞的地質和施工條件，初步探討了寶林隧洞的TBM施工方法。研究表明。

圖3 鄂北寶林號圖

(1)從對地質適應性、工期、工程設計、掘進性能和速度、現場條件、設備費用和施工成本等方面綜合來看，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247+500～258+100間10.6km采用開敞式硬巖掘進機(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，Ⅲ類圍巖洞段采用噴錨+襯砌復合支護方式。隧洞出渣運輸采用有軌運輸，采用變頻電動機車牽引編組列車。在隧洞出口組織TBM組裝調試，組裝、調試完成后，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的方式通過。TBM掘進的過程中渣料通過后配套設施直接運至洞口，自卸汽車運至指定棄渣場。在樁號247+460～247+500設置拆卸洞室對主機和后配套設施進行拆卸。

(3)從實際施工效果看，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”，其開挖直徑4m，每日可掘進25～30m，是常規鉆爆法掘進尺度的8～10倍，目前實現月掘進進尺770m，掘進效果良好。