淺談某輸水隧洞工程施工TBM機型選型應用

朱方劍

【摘 要】根據開敞式TBM、單護盾TBM、雙護盾TBM作業特性，參照以往工程實例和經驗，結合本工程地形地質條件等因素，通過施工風險、施工靈活性、掘進效率、經濟性等綜合比較分析，最后建議選用開敞式TBM作為本工程輸水隧洞的主要施工設備。

【關鍵詞】輸水隧洞;TBM;開敞式

中圖分類號： TV672 文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）21-0164-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.21.075

Talking About TBM Type Selection and Application in Construction of a Water Conveyance Tunnel Project

ZHU Fang-jian

（The water conservancy and hydropower project quality supervision station in Tai Zhou，

Zhejiang Taizhou， 318000，China）

【Abstract】According to the operating characteristics of open TBM，single shield TBM and double shield TBM， referring to past engineering examples and experience，combining the factors of topography and geology of the project and so on，through comprehensive comparative analysis of construction risk，construction flexibility，excavation efficiency and economy，etc.Finally，it is suggested to select open TBM as the main construction equipment of the water conveyance tunnel of this project.

【Key words】Water conveyance tunnel;TBM;Open type

TBM（Tunnel Boring Machine 全斷面隧道掘進機）是集機、電、液、光技術于一體的高度機械自動化的地下工程施工設備，具有安全、優質、高效、快速、環保等特點，在深埋地下超長隧洞工程施工領域具有廣泛的應用前景[1]。其原理是利用掘進機旋轉刀盤上的圓形滾刀擠壓剪切破碎巖體，通過旋轉刀盤上的鏟斗齒拾起石渣，落入主機皮帶機上向后輸送，再通過牽引礦渣車或隧洞連續皮帶機運渣到洞外[2]。目前TBM按護盾形式主要分為開敞式TBM、單護盾TBM、雙護盾TBM三種形式。開敞式TBM[3]適用于圍巖整體較完整，有較好的自穩能力中硬～堅硬地層（單軸抗壓強度50～350 MPa），采取有效支護手段后，也可適用于軟巖隧道。單護盾TBM[4]主要適用于圍巖不能保持自然穩定的軟巖（單軸抗壓強度小于50MPa）隧洞。雙護盾TBM[5]在具備單護盾機型功能的同時，增加了以后方洞壁為支撐的掘進推進模式，從而可以在堅硬圍巖中快速掘進;與單護盾比較，雙護盾TBM增加了撐靴系統和伸縮護盾，盾體較長。

1 工程概況

某輸水系統由輸水堰壩、進口事故檢修閘、輸水隧洞（管道）等建筑物組成，全段采用有壓輸水方式，設計輸水流量10.5m3/s。輸水隧洞進口位于進口事故檢修閘后，末端接入供水工程管線，線路全長28.27km，采用TBM+鉆爆法施工，其中隧洞長25.65km（鉆爆法施工11.07km、TBM施工14.58km），管道長2.62km，管徑1.8m。

（1）鉆爆法施工段。從隧洞進口到來巖支洞接入點處輸水主洞，共長3.72km。鉆爆法隧洞采用平底圓形斷面，開挖斷面洞徑3.6m，底寬2.8m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

（2）TBM+鉆爆法施工段。從來巖支洞接入點至長潭水庫庫尾山岸村TBM施工進口處，共長18.79km，其中TBM段14.58km、鉆爆法步進段4.21km。考慮到出渣和排水方便，TBM施工從下游掘進，中部在甘頭設施工支洞。步進段分別位于來巖支洞下游（長2km）和甘頭支洞接入點上下游（各1km），采用鉆爆法施工。TBM設備從山岸經210m長始發洞進洞，通過甘頭步進段后，掘進至來巖支洞下游步進洞，再經來巖支洞出洞。TBM掘進采用圓形斷面，開挖斷面洞徑4.0m，隧洞混凝土襯砌段約占總長的25%;步進洞采用平底圓形斷面，鉆爆法施工，開挖斷面洞徑5m，底寬4m。

（3）下游段隧洞（鉆爆法）+管道。TBM下游接輸水隧洞管道，末端接入供水工程管線，全長5.76km，沿線采用隧洞和管道結合。其中隧洞長約3.14km，管道長約2.62m（跨庫管橋長0.64km），管道管徑1.8m。隧洞斷面采用平底圓形斷面結構，開挖洞徑2.8m，開挖底寬2.2m，底板采用厚20cm的C25砼抹底。

2 工程地質條件

隧洞沿線為硬質巖地層，隧洞圍巖以角礫熔結凝灰巖為主，晶屑玻屑含量一般小于10%，晶屑以石英、長石及少量暗色礦物組成，熔巖結構，塊狀構造，膠結物為熔巖膠結，新鮮巖石致密堅硬。根據抗壓強度試驗，新鮮巖塊抗壓強度110MPa～200MPa（見表1）。有壓洞線通過地段山體上覆巖體厚度一般為150m～600m，溝谷等處厚度較薄一般為60m～90m，長灘淺埋段上覆巖體厚度僅40m左右。沿線圍巖以Ⅱ類～Ⅲ類為主，穩定～基本穩定，f=3～5，k0=30MPa.cm-1～50MPa.cm-1，需進行襯砌或噴錨處理。斷層通過段圍巖以Ⅳ類～Ⅴ類圍巖為主，為不穩定巖體，易發生坍塌，局部可能有涌水、突水現象，施工時應做好安全預防措施，f=1～2，k0=5MPa.cm-1～10MPa.cm-1，需加強臨時支護措施并進行襯砌加固處理。

3 TBM機型適應性分析

3.1 單護盾TBM

本工程巖石單軸抗壓強度主要介于110～200MPa之間。而單護盾TBM主要適用于巖石單軸抗壓強度低于50Mpa的軟巖隧洞，對本工程圍巖條件適應性不足。單護盾TBM設備造價略低于雙護盾TBM，但與雙護盾TBM推進方式相比，單護盾TBM推進方式單一，僅能通過拼裝好的管片提供推進支撐力，掘進與管片拼裝不能同時進行，掘進效率比雙護盾TBM低。因此，從施工風險、施工速度、施工成本方面綜合考慮，單護盾TBM不適合在本工程中應用。

3.2 開敞式TBM與雙護盾TBM的適應性對比

開敞式TBM和雙護盾TBM的設計方案已經處于成熟階段，在國內外有大量的工程實例，對施工中可能出現的問題具有豐富的應對措施及方案，施工風險較低。

（1）施工風險對比。選擇開敞式TBM：在Ⅳ、Ⅴ類圍巖段，新成洞室需要大量施做初期支護，支護作業時間顯著超過掘進時間，掘進系統經常處于等待狀態。當洞壁不能承受撐靴壓力，需要進行特殊處理時，支護、清渣所占用的時間會更長。如出現這種情況，TBM的掘進效率將受到影響，嚴重時會增加工期壓力。選擇雙護盾TBM：在高地應力軟巖地段，或嚴重的斷層破碎帶，新開挖洞室出現較大收斂變形時，可能導致盾殼被卡死，人工干預輔助解困的難度極大;當遭遇刀盤前方坍塌、掘進方向控制困難，需要進行預加固時，作業環境會受到嚴重限制;可能會造成多次較長時間停機，將大大拖延工期。

（2）施工靈活性對比。開敞式TBM操作空間較大，可以隨時直觀地對圍巖情況作出判斷;在設備配置上可以根據工程具體需要增加或加強某些功能。在TBM靠自身能力無法推進，需要人工用鉆爆法輔助時，能夠使用多種方式對圍巖進行處理。雙護盾TBM管片襯砌緊貼護盾進行，前方作業空間封閉，這使得增加錨桿鉆機、超前注漿等設備后缺少必要的作業空間。同時由于較長的護盾，導致超前支護難度較大，在需要人工用鉆爆法輔助時，缺少靈活的處理措施，耗時較長。

（3）掘進效率對比。開敞式TBM掘進與襯砌分開進行，隧洞貫通時間為開挖時間和襯砌時間之和。在圍巖良好地段，支護、清渣工作量較小，開敞式TBM的掘進速度較高，基本上與雙護盾TBM持平。在圍巖狀況較差時，開敞式TBM極少出現卡機的現象，但是掘進速度會由于大量的清渣支護工作大幅度下降。Ⅱ、Ⅲ類圍巖條件下，開敞式TBM能夠發揮很好的掘進效果，破巖效率高且初期支護與棄渣清理工作量很小，如果設備狀態良好、施工組織合理，平均月進尺可達到600～800m甚至更高。IV、Ⅴ類圍巖條件下，采用開敞式TBM施工，初期支護與棄渣清理工作量較大，參照蘭渝鐵路西秦嶺隧道2臺開敞式TBM在IV類圍巖中連續長距離掘進的經驗，如果合理配置初期支護與主機底部清渣設備，加強施工組織與管理，在設備維護良好的情況下開敞式TBM在IV、Ⅴ類圍巖中掘進平均月進尺可達400～800m。雙護盾TBM使用管片襯砌，掘進與襯砌是同步進行的，隧洞貫通即意味著隧洞完工，整體工期比開敞式TBM短。同時管片襯砌使得前方支護量大幅度減少，雙護盾TBM的掘進效率比開敞式要高。另一方面，雙護盾TBM在圍巖破碎段容易出現盾體被卡死，TBM無法掘進，處理極為耗時，嚴重時可能導致數周甚至數月的停機，嚴重影響整體掘進效率。

（4）經濟性對比。開敞式TBM設備造價比雙護盾TBM低30%左右，初期支護的費用較鉆爆法隧洞相當。同時開敞式TBM開挖的隧洞二次襯砌為現澆混凝土，較雙護盾TBM采用高標號預制鋼筋混凝土管片成本低。總體上開敞式TBM的施工成本顯著低于雙護盾TBM。

4 結語

（1）國內外大量工程實例的證明，開敞式TBM的設計理念、設計方案和施工方式處于成熟階段，針對隧洞開挖中可能遇到的問題有著大量可行的經驗和措施，施工風險較小。

（2）針對斷層破碎帶較多以及軟巖大變形等不良地質情況，開敞式TBM的處理方式比其他類型TBM更為靈活，超前支護的實施更容易。最為重要的開敞式TBM發生卡機的概率很小，而雙護盾TBM在同等條件下，極有可能頻繁出現卡機，造成TBM停機數天甚至數月之久。

（3）開敞式TBM能相對其他類型TBM實現后退的功能，雙護盾TBM的后退必須拆除襯砌管片，工作量巨大，而且在拆除管片后，洞室由于缺少必要的支護導致大范圍坍塌的可能性較大。

（4）開敞式TBM的開挖效率低于雙護盾TBM，其開挖效率受巖石狀況影響較大，在不良地質段月進尺會有較大幅度下滑。但是通過加強TBM超前支護和初期支護的能力，配置高效的清渣設備，能夠最大程度減小圍巖狀況對TBM掘進的影響，保證月進尺保持在理想范圍內，滿足工期的要求。

（5）本工程地質情況總體上較好，隧洞沿線巖石單軸抗壓強度介于90～200MPa之間，從地質條件上看更適合采用開敞式TBM。

（6）開敞式TBM設備造價以及隧洞開挖支護單價都低于雙護盾TBM。

綜上所述，本工程TBM施工段建議選用開敞式TBM施工是相對最為穩妥、施工風險最小、性價比最高的施工方法，后期再結合場地、通風、排水、供電等施工布置以及TBM組裝、調試、掘進、步進、支護、出渣、維修養護、拆卸、運輸等要求，進一步優化。

【參考文獻】

[1]陳曉東，陳居乾.我國20世紀TBM設備研制及其工程應用[J].水利規劃與設計，2019（1）：68-73.

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[3]劉吉安，馬小龍.開敞式TBM淺埋段施工方法[J].東北水利水電，2017（12）：19-21.

[4]汪晨光.單護盾TBM在Ⅳ和Ⅴ類砂巖地質結構中的適用性研究[J].施工技術，2017（44-7）：52-53.

[5]羅小剛.雙護盾TBM選型設計與施工[J].四川建材，2018（44-12）：213-214，216.