長距離引水隧洞TBM施工方案設(shè)計

黃蓉蓉 杜功寶

(1.黃河萬家寨水利樞紐有限公司,山西 太原 030001; 2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222)

1 工程概況

新疆北疆某引水隧洞工程項目線路總長度43 703 m。海拔高程698 m～1 410 m，相對高差712 m，洞室最大埋深為718 m，隧道圍巖巖性為華力西期變質(zhì)黑云母斜長花崗巖，花崗斑巖，次塊狀～塊狀構(gòu)造，巖石中石英含量一般25%～30%，巖石堅硬，隧道圍巖級別為Ⅲ級～Ⅴ級。組裝洞段長80 m，斷面型式為蘑菇形，斷面尺寸13.2 m×16.9 m，設(shè)計圍巖為Ⅱ類圍巖。揭露圍巖巖性為華力西期變質(zhì)花崗巖，黃褐色，巖石呈碎塊狀、次塊狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙多以黑云母、石英充填，沿裂隙面以線狀水為主，裂隙中云母遇水軟化，整體圍巖破碎，穩(wěn)定性差。

隧道采用兩臺TBM φ7.93 m敞開式TBM施工，TBM2掘進(jìn)長15 150 m，TBM3總掘進(jìn)長23 550 m。其他洞段采用鉆爆法施工，包含TBM組裝段、檢修段、通過段等，總體工程分段平面圖見圖1。施工總體組裝方案為一洞雙機(jī)施工，兩臺TBM為中鐵工程裝備集團(tuán)生產(chǎn)的敞開式TBM，總長298 m，總重量約1 500 t，由刀盤、主機(jī)、后配套、加利福尼亞道岔等組成。考慮到一洞雙機(jī)，TBM施工的特殊性，因此有必要對施工方案開展單獨(dú)的分析設(shè)計。

2 TBM掘進(jìn)施工工藝特點

1)施工速度快：TBM可以實現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，可將掘進(jìn)、出碴、初期支護(hù)等作業(yè)同時完成，并且可一次成洞，掘進(jìn)效率高、速度快；2)施工質(zhì)量高：隧道掘進(jìn)機(jī)是一種機(jī)械破巖機(jī)，它避免了爆破作業(yè)對圍巖的干擾。洞壁完整光滑，超挖量小，減少了混凝土襯砌施工；3)經(jīng)濟(jì)效益好：超長隧道施工速度快，工期短，極大地提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，降低了運(yùn)營后的運(yùn)維費(fèi)用；4)安全施工：TBM施工改善了工人的工作條件，體力勞動顯著減少，避免了爆破施工可能造成的人員傷亡，減少了安全事故的發(fā)生；5)環(huán)保施工：減少了特長隧道中斜井等輔助設(shè)施，從而減少了對環(huán)境造成的破壞，減少了灰塵和垃圾，施工環(huán)境好；6)出碴能力強(qiáng)：TBM施工段采用連續(xù)皮帶機(jī)出碴，可最大限度地保證TBM的高效率掘進(jìn)；7)系統(tǒng)化程度高：TBM系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)應(yīng)同時運(yùn)行。任何一個環(huán)節(jié)的不協(xié)調(diào)或運(yùn)行失調(diào)都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的運(yùn)行失調(diào)；8)初支速度快：TBM施工開挖與初期支護(hù)同步進(jìn)行，減少了圍巖的暴露時間，較好地實現(xiàn)了新奧法施工原理；9)導(dǎo)向精度高：TBM導(dǎo)向采用國際先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)，可以實時監(jiān)控；掘進(jìn)方向可及時/隨時調(diào)整，保證隧道軸線在設(shè)計允許偏差范圍內(nèi)；10)信息智能化程度高：TBM主機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過可視化系統(tǒng)顯示TBM掘進(jìn)過程中的機(jī)械運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)傳輸給地面管理部門，以此實現(xiàn)對TBM運(yùn)行的實時監(jiān)控；11)施工管理人員素質(zhì)要求較高:TBM是電氣工程、機(jī)械工程、地質(zhì)工程及隧道施工等多學(xué)科綜合施工設(shè)備，這就要求施工管理人員具有較高的施工管理技能和全面的施工管理知識，才能順利完成施工任務(wù)。

3 TBM掘進(jìn)方案設(shè)計

考慮到一洞雙機(jī)，TBM施工的特殊性，在各系統(tǒng)正確操作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行TBM的掘進(jìn)和相應(yīng)的支護(hù)工作，掘進(jìn)機(jī)施工流程如圖2所示。

1)TBM掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)施工過程中，應(yīng)依據(jù)工程地質(zhì)圖紙、石碴情況、上一循環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)和附近的超前隧洞的工程地質(zhì)條件，準(zhǔn)確判斷掌子面圍巖狀態(tài)，選擇合理的掘進(jìn)方式和參數(shù)。如有必要，可采用超前地質(zhì)探測，進(jìn)一步確定前方圍巖狀態(tài)。2)選擇掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)確定的掌子面的圍巖狀態(tài)，選擇推力、刀盤轉(zhuǎn)速、撐靴壓力等掘進(jìn)參數(shù)。在掘進(jìn)過程中，根據(jù)實際的掘進(jìn)參數(shù)的變化來判斷圍巖的變化，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。同時結(jié)合我單位TBM施工經(jīng)驗，使掘進(jìn)參數(shù)與圍巖條件達(dá)到最佳匹配。3)啟動掘進(jìn)機(jī)各部件的聲、電報警系統(tǒng)，指示已進(jìn)入工作狀態(tài)。依次啟動洞內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)、皮帶連接橋皮帶機(jī)、主機(jī)皮帶機(jī)，并確定其運(yùn)轉(zhuǎn)正常；啟動主軸承的油潤滑系統(tǒng)、各個相對移動部位的潤滑系統(tǒng)。4)水平支撐撐緊，收起后支撐，空載啟動刀盤。5)將刀盤慢慢推近掌子面。確認(rèn)刀頭接近掌子面后，選擇合適的刀盤推進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行掘進(jìn)施工。啟動葉片灑水系統(tǒng)，在葉片接觸巖石表面之前將水噴到巖石上。6)控制室里的工作人員應(yīng)時刻監(jiān)控TBM掘進(jìn)過程中各參數(shù)及石碴狀態(tài)的變化。根據(jù)TBM設(shè)備的掘進(jìn)參數(shù)和前方圍巖的預(yù)測情況，選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，包括刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力、變頻電機(jī)頻率、掘進(jìn)速度、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速等，并根據(jù)圍巖情況變化及時調(diào)整。專職安全員進(jìn)行各設(shè)備的運(yùn)行檢查，保證設(shè)備運(yùn)行安全。7)換步、調(diào)向。掘進(jìn)開挖完成后,停止前進(jìn)，將刀盤后退約3 cm～5 cm、停止刀盤旋轉(zhuǎn),伸出后支撐撐緊洞壁，撤回水平撐靴油缸使支撐靴板離開洞壁,收縮推進(jìn)油缸推動水平支撐向前移動一個行程。用支撐靴再次撐緊洞壁，用連接橋和后配套連接油缸拖拉后配套到位，換步，重復(fù)開挖準(zhǔn)備，開始下一個開挖行程。

該敞開式TBM的調(diào)向過程可以在換步完成后利用水平撐靴支撐洞壁進(jìn)行調(diào)整，也可以在掘進(jìn)過程中進(jìn)行微小的調(diào)整。TBM主司機(jī)可在換步過程中，根據(jù)測量導(dǎo)向系統(tǒng)上顯示的上一循環(huán)結(jié)束時TBM的方位和本掘進(jìn)循環(huán)的調(diào)向參考值調(diào)整TBM的姿態(tài)，確保行駛方向控制在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

本文以新疆北疆某引水隧道為研究對象，針對一洞雙機(jī)的施工特點，首先分析了TBM施工的工藝特點，包括施工速度、施工質(zhì)量、綜合經(jīng)濟(jì)效益及系統(tǒng)化程度等；然后根據(jù)工程地質(zhì)條件、上一循環(huán)掘進(jìn)參數(shù)及隧道超前地質(zhì)預(yù)報情況，對掌子面圍巖狀態(tài)做出判斷，選擇相應(yīng)的掘進(jìn)模式及掘進(jìn)參數(shù)，對隧洞的施工方案進(jìn)行設(shè)計。工程開挖實際表明，該工程2臺TBM在后續(xù)的掘進(jìn)過程中，均表現(xiàn)出安全、高效、快速的開挖狀態(tài)，可為國內(nèi)同類工程提供了參考。