深埋特長(zhǎng)隧洞TBM法掘進(jìn)同步襯砌施工

紀(jì)鵬

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)?110166）

深埋特長(zhǎng)隧洞TBM法掘進(jìn)同步襯砌施工

紀(jì)鵬

（遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)?110166）

針對(duì)特長(zhǎng)隧洞TBM法施工難題，文章以遼寧大伙房水庫(kù)輸水主體工程為例，分析了引水隧洞施工存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題，介紹了臺(tái)車現(xiàn)場(chǎng)組裝調(diào)試、隧洞支護(hù)、長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)等施工關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)不良地質(zhì)地段施工處理措施進(jìn)行了探討。

深埋特長(zhǎng)隧洞；TBM法；同步襯砌

特長(zhǎng)隧洞在掘進(jìn)施工過(guò)程中影響因素較多，如巖性變化大、地質(zhì)構(gòu)造多、地應(yīng)力大、涌水量大、通風(fēng)困難等，對(duì)深埋特長(zhǎng)隧洞施工安全與施工質(zhì)量造成較大影響。就現(xiàn)階段而言，國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)隧洞施工方式一般有2種——鉆爆法和TBM法。鉆爆法技術(shù)在隧道施工中已相對(duì)成熟，而法能夠提升隧洞施工速度，保證作業(yè)內(nèi)容的連續(xù)進(jìn)行與施工安全，具有鉆爆法無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而受到施工條件的限制，TBM法施工在洞內(nèi)組裝、連續(xù)出渣、同步襯砌、長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)等方面存在問(wèn)題，亟需通過(guò)技術(shù)引進(jìn)與創(chuàng)新以推動(dòng)技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用。

1 工程概況

大伙房水庫(kù)輸水主體工程位于遼寧省本溪市與撫順市兩市境內(nèi)，設(shè)計(jì)將鳳鳴水庫(kù)水資源經(jīng)由穆家電站引至大伙房水庫(kù)，并由大伙房水庫(kù)向遼寧省中南部城市供水[1]。工程設(shè)計(jì)引水隧洞長(zhǎng)85.32 km，其中有大約60.84 km隧洞以TBM法施工為主，輔以鉆爆法的施工方式。設(shè)計(jì)隧洞斷面為圓形，直徑為m。考慮施工空間及地質(zhì)條件因素，工程確定TBM設(shè)備型式為開(kāi)敞式TBM，并結(jié)合全環(huán)內(nèi)通式襯砌模板臺(tái)車對(duì)隧洞進(jìn)行同步襯砌。

2 工程地質(zhì)問(wèn)題

對(duì)隧洞施工標(biāo)段地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)查，得到引水隧洞施工主要面臨的工程地質(zhì)問(wèn)題有以下幾個(gè)方面[2]：

1）圍巖穩(wěn)定性較差。TBM施工標(biāo)段圍巖主要為微風(fēng)化—新鮮，巖性抗壓強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性良好。但隧洞圍巖賦存條件十分復(fù)雜，區(qū)域斷層分布較多，僅主洞線附近就有29條斷層；斷層類型以壓扭性斷層為主，對(duì)區(qū)域圍巖穩(wěn)定性影響最為嚴(yán)重。

2）巖層硬度大。隧洞圍巖巖性以石英砂巖為主，巖石中石英含量均超過(guò)67%，致密堅(jiān)硬；巖體整體結(jié)構(gòu)保存性完好，未受到地下水的侵蝕。巖層硬度大可能影響隧洞掘進(jìn)效率，并且在高地應(yīng)力作用下，圍巖破壞與失穩(wěn)類型多樣，有發(fā)生巖爆的可能。

3）隧洞涌水。隧洞施工標(biāo)段整體涌水量較小，僅部分異常地段涌水量會(huì)增加，預(yù)計(jì)最大單寬流量在3～7 m3/h。

3 TBM法掘進(jìn)同步襯砌關(guān)鍵技術(shù)

3.1 隧洞支護(hù)

TBM法施工隧洞的支護(hù)襯砌方式一般有2種：錨噴與管片。工程原設(shè)計(jì)隧洞支護(hù)方式為管片襯砌，預(yù)制管片襯砌材料精度高，能夠保證施工質(zhì)量與掘支施工的機(jī)械化。但管片襯砌方式與開(kāi)敞式TBM法施工配合程度較低，工程循環(huán)占用周期長(zhǎng)，往往造成施工工期的延誤，且由于大伙房水庫(kù)輸水洞圍巖結(jié)構(gòu)條件復(fù)雜多變，工程支護(hù)后圍巖出現(xiàn)嚴(yán)重的失穩(wěn)變形。而錨噴支護(hù)對(duì)圍巖條件具有良好的適應(yīng)性，充分發(fā)揮圍巖的自身承載能力[3]。對(duì)于Ⅳ和Ⅴ類圍巖，需要在錨噴支護(hù)外部進(jìn)行二次混凝土模筑施工，形成疊加的支護(hù)結(jié)構(gòu)，共同確保支護(hù)的穩(wěn)定性，如圖1所示。通過(guò)調(diào)整外部模筑混凝土的厚度，也能達(dá)到控制引水隧洞襯砌內(nèi)徑的作用，減少輸水過(guò)程中的水頭損失。在施工組織方面，該支護(hù)方式能將工程襯砌與開(kāi)挖施工內(nèi)容之間的相互影響降到最低，保證施工內(nèi)容的靈活性以及施工效率。

圖1 隧洞錨噴復(fù)合襯砌支護(hù)方案

3.2 隧洞出碴

大伙房水庫(kù)輸水隧洞斷面大、距離長(zhǎng)，施工出渣量大，預(yù)計(jì)僅TBM施工段出渣量在5×104m3/km以上。施工掘進(jìn)中，需要及時(shí)將石渣運(yùn)輸出來(lái)，以保障施工掘進(jìn)速度。工程通過(guò)比選分析，確定出渣方案為連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸方式，主洞和支洞分別采用連續(xù)皮帶機(jī)和固定皮帶機(jī)，出渣運(yùn)輸線路為：主機(jī)皮帶機(jī)→后配套號(hào)皮帶機(jī)→后配套號(hào)皮帶→斜置皮帶→主洞連續(xù)皮帶→支洞連續(xù)皮帶。

主洞和16號(hào)支洞出口位置均安裝轉(zhuǎn)載機(jī)，皮帶裝載機(jī)上裝有溜渣槽，可向兩側(cè)進(jìn)行卸渣。運(yùn)渣皮帶機(jī)機(jī)架安裝在洞內(nèi)左側(cè)，用三腳架進(jìn)行支撐固定，洞內(nèi)位置如圖2所示。為保證皮帶運(yùn)輸機(jī)的正常運(yùn)行，其配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有變頻變速功能，啟動(dòng)方式為軟啟動(dòng)，運(yùn)行管理中通過(guò)PLC進(jìn)行控制。

3.3 TBM掘進(jìn)獨(dú)頭長(zhǎng)距離施工通風(fēng)方案

1）風(fēng)量計(jì)算與設(shè)備選型

TBM法同步襯砌施工標(biāo)段的總長(zhǎng)度為10 420 m，其中TBM3-1、TBM3-2和16號(hào)支洞的標(biāo)段長(zhǎng)度分別為8 913，9 777，643 m。開(kāi)挖隧洞斷面面積為50.27 m2，如按照隧洞內(nèi)施工所需最適宜風(fēng)速（0.5 m/s）計(jì)算，并考慮大伙房輸水洞施工所在地區(qū)氣候條件，計(jì)算得到隧洞施工新鮮風(fēng)供應(yīng)量應(yīng)在1 500 m3/min以上。根據(jù)此計(jì)算選取通風(fēng)設(shè)備，通風(fēng)機(jī)選擇變頻軸流式壓入式隧洞風(fēng)機(jī)，額定功率需要超過(guò)150 kW/h。通風(fēng)管道需要具備一定的柔性，以保證其對(duì)通風(fēng)線路的適應(yīng)性，工程選擇柔性風(fēng)管，并在風(fēng)機(jī)與軟管接口位置用長(zhǎng)度在30～50 m的鋼風(fēng)管進(jìn)行線路的過(guò)渡，避免瞬時(shí)風(fēng)壓過(guò)大損壞軟管；通風(fēng)管道直徑為2.2 m，摩擦系數(shù)應(yīng)小于0.002 4。

2）通風(fēng)系統(tǒng)布置

TBM3-1標(biāo)段通風(fēng)機(jī)安裝在洞口外部，距離洞口位置約30 m。TBM施工準(zhǔn)備就緒再安裝洞內(nèi)風(fēng)機(jī)與風(fēng)筒等設(shè)施，工作面排出的污風(fēng)直接從斷面排出。工程主通風(fēng)機(jī)及其附屬配套設(shè)備僅有1套，在施工完TBM3-1標(biāo)段后，需拆卸與組裝用于主洞施工通風(fēng)。而在主洞TBM3-2施工過(guò)程中，由于其線路過(guò)長(zhǎng)，需要在16號(hào)支洞增加輔助的出渣與通風(fēng)系統(tǒng)。在支洞設(shè)備安裝與施工時(shí)，主洞由于掘進(jìn)距離較短，可采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)結(jié)合的方式，保證主洞施工初期階段的供風(fēng)需求。

3.4 全環(huán)臺(tái)車組裝與調(diào)試

全圓襯砌臺(tái)車在主洞TBM通過(guò)段內(nèi)安裝，安裝位置位于TBM始發(fā)洞樁號(hào)74+934-74+989范圍內(nèi)，由于洞內(nèi)安裝空間有限（頂模板距離開(kāi)挖輪廓線685 mm，兩側(cè)距開(kāi)挖輪廓線705 mm），大型吊裝設(shè)備無(wú)法使用，必須在洞壁固定好起吊錨桿，利用電動(dòng)滑軌小車、電動(dòng)葫蘆起吊臺(tái)車部件。根據(jù)全環(huán)內(nèi)襯式模板臺(tái)車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及洞內(nèi)安裝條件，臺(tái)車安裝流程為：底模→框架梁→前后底座→車架→運(yùn)輸機(jī)架→工作平臺(tái)（液壓泵站、電氣控制柜）→供、排水管→側(cè)模（含大、小側(cè)模）→頂模→前、后抗浮平臺(tái)→前、后坡軌→前、后移動(dòng)坡軌（前移動(dòng)坡軌和前坡軌部件需提前吊裝安放在臺(tái)車前端的洞內(nèi)運(yùn)輸軌面上）[4-5]。

圖2 皮帶機(jī)布置

結(jié)構(gòu)件安裝完畢后，需對(duì)安裝質(zhì)量進(jìn)行檢查與調(diào)試，檢查內(nèi)容包括拼裝模板平整度、板面高差、部件尺寸等，表1為大伙房水庫(kù)臺(tái)車主要部件尺寸檢測(cè)結(jié)果，可作為臺(tái)車安裝偏差參考依據(jù)。臺(tái)車調(diào)試應(yīng)包括各運(yùn)動(dòng)部件與液壓執(zhí)行元件的連接及位置控制調(diào)整、整體聯(lián)動(dòng)的操作與控制和臺(tái)車的功能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。如：頂側(cè)模油缸需進(jìn)行同步調(diào)試、其余油缸的動(dòng)作（伸出、收回）調(diào)試、框架梁與車架（模板）間的相互移動(dòng)等。

表1 臺(tái)車安裝偏差控制標(biāo)準(zhǔn)mm

4 不良地質(zhì)段施工技術(shù)

1）過(guò)斷層破碎帶。隧洞掘進(jìn)斷層破碎帶時(shí)，可能產(chǎn)生拱頂坍塌、埋沒(méi)刀盤、刀盤工作異常、涌水等問(wèn)題，影響隧洞掘進(jìn)與襯砌的順利進(jìn)行。針對(duì)不同斷層影響情況，工程需采取相應(yīng)的解決措施，可通過(guò)調(diào)整支護(hù)參數(shù)與支護(hù)方式，如改變錨桿支護(hù)密度與長(zhǎng)度、調(diào)整支護(hù)施工時(shí)機(jī)、注漿加固破碎區(qū)、改善掘進(jìn)參數(shù)、超前導(dǎo)洞等方式。

2）隧洞變形過(guò)大也是施工中常見(jiàn)問(wèn)題，對(duì)于此可采用“兩封一灌”方式，兩封即底板鋼拱架與隧洞表面澆筑的混凝土，在圍巖外部形成一封閉的支撐骨架，提供徑向應(yīng)力，增加圍巖結(jié)構(gòu)的承載能力；一灌即對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，改善圍巖承載結(jié)構(gòu)，通過(guò)內(nèi)外支護(hù)結(jié)構(gòu)共同確保圍巖的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

大伙房水庫(kù)輸水工程采用開(kāi)敞式TBM與全環(huán)內(nèi)通式襯砌模板臺(tái)車相結(jié)合的聯(lián)合施工方案，實(shí)現(xiàn)了隧洞掘進(jìn)與襯砌的聯(lián)合作業(yè)，在保證施工質(zhì)量基礎(chǔ)上大大提升了施工速率與安全系數(shù)。工程應(yīng)用中，解決了開(kāi)挖與掘進(jìn)聯(lián)合高效作業(yè)、長(zhǎng)距離獨(dú)頭通風(fēng)、連續(xù)出渣穿越臺(tái)車等難題，可為其他類似工程施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

［1］梅志榮，高菊茹，唐與，等.大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.成都：中鐵西南科學(xué)研究院，2009.

［2］尹俊濤，尚彥軍，傅冰駿，等.TBM掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展及有關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題分析和對(duì)策［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2005，13（3）：389—397.

［3］張軍偉，梅志榮，高菊茹，唐與，章元愛(ài).大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞TBM選型及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（05）：1—10.

［4］施建軍.大伙房輸水工程TBM法施工同步襯砌技術(shù)的應(yīng)用［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2013（06）：141—144.

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2016-05-15