全断面隧洞掘进机在引水隧洞施工中应用探讨

时间：2024-09-03

李军（湖南益众水利建设有限公司）

李军（湖南益众水利建设有限公司）

近年来，我国全断面隧洞掘进机（TBM）制造技术得到了较快的发展，TBM施工的应用技术也逐渐成熟。对于具有复杂地质条件的水电工程而言，引水隧洞施工方案的合理选择具有十分重要的意义。基于此，本文以某工程为例，详细的阐述了TBM施工在引水隧洞的应用，以供参考。

全断面隧洞掘进机；引水隧洞施工；应用

1 引言

全断面岩石掘进机可简称为掘进机或是TBM。近年来，我国隧洞掘进施工技术发展较快，并已在铁路、水利水电等工程中得到了较为广泛的应用。但引水隧道施工中，全断面岩石掘进机的应用还不是很成熟，必须加以深入研究。

2 工程概况

某水电站枢纽工程建筑物由碾压混凝土重力坝、左岸长饮水系统等构成，总装机容量达2575MW。该水电站枢纽工程左岸饮水系统共布设了3条引水隧洞，隧洞主要采用圆形断面，衬砌之后的直径为12.50m，其中，1#、2#、3#引水隧洞处的洞长分别为14353.48m、14115.90m、14128.07m，该项目引水隧洞全线施工均采用钢筋混凝土衬砌工艺进行。

此外，该工程项目引水隧洞的最大埋深将近千米，最小埋深不足百米，其洞室围岩由中厚-厚层变质砂岩、花岗伟晶岩脉共同工程，主体为变质砂岩。通过对工程地质进行宏观分析发现，项目左岸引水方案地下洞室围岩总体主要为Ⅲ类，其中，Ⅱ类围岩9%、Ⅲ类围岩46%、Ⅳ类围岩35%、Ⅴ类围岩10%，由此可知，其总体具备成洞条件，但是少数部位可能存在承压水涌水问题与高地应力情况。

3 断面引水隧洞施工难点分析

在该工程项目整体施工中，断面隧洞爆破施工具有较大的难度，主要因为在于隧洞所在区域的地质条件。爆破施工直接决定了隧洞掘进施工，如果无法对其进行有效的控制，必定直接影响到工程项目后续施工工作的顺利进行。同时，如果爆破作业没有达到预期目标或是爆破的效果不理想，硬质围岩极容易发生坍塌故障，进而对工程后续施工工作的顺利开展造成直接影响，并且还要严重威胁到施工人员的人身安全。因此，在进行工程隧洞爆破施工工作时，必须选用适宜的爆破工艺，以确保爆破作业质量，提升整体施工经济效益。

此外，隧洞出渣也是断面引水隧洞施工难点之一，并且也是爆破作业之后的一道工作程度，如果隧洞出渣工作无法满足项目相关要求，极有可能影响到工程后期施工的顺利进行。在工程隧洞施工过程中，如果渣堆堆放的过多，就会占用过多的隧洞空间，进而对其他项目的顺利进行造成一定的影响。在隧洞施工过程中，如果外部环境条件相对不稳定，特别是地质方面的条件，再加上隧洞工程所占据的区域相对较小，大型挖装机几乎无法进入，大大增加了出渣工作的难度，如果仅仅依靠小型机械或人力方式进行出渣清理，很难在短期内完成相应施工工作。隧洞出渣操作所用时间相对较长，所以，如果在出渣工作完成之后再进行其他施工，就会增加施工时间，进而对整体工程项目工期造成影响。如果在洞身开挖过程中就进行混凝土的堆砌操作，必定严重影响到隧洞开挖的稳定性。通过上述分析可知，应当在开挖洞身的同时进行混凝土的堆砌工作，但必须对洞身进行有效的支撑，以确保隧洞开挖施工的安全性。为了节省时间、缩短工期，施工人员可开挖两条运输路线，避免由于交通堵塞造成工期的延误。

4 TBM选型

就当前情况来看，在我国隧洞工程施工过程中，主要包括开敞式与双护盾式两种用于岩石隧洞开挖的掘进机。其中，对于开敞式掘进机，其在各种类型的围岩环境下，都可以依靠支撑靴板顶在围岩岩壁上提供的前进过程中所需要的反作用力。对于双护盾式掘进机，其在围岩条件较为良好时，与开敞式掘进机相同，通常依赖支撑靴板顶在围岩岩壁上提供前进所需的反作用力，但是，如果围岩条件相对较差，还需要依赖支撑系统在预制混凝土管片上提供前进所需的反作用力。

通过对该水电站引水隧洞地质条件进行全面的分析可知，如果采用开敞式TBM施工工艺，能够在开挖之后的较短期限内，直接观测到内开挖的岩面，促进已开挖隧道地质描述工作的顺利进行。在局部洞段施工过程中，如果遇到了高压地下水或是破碎带等不良地质情况，还需采用钻爆法施工进行支援。

5 TBM施工

5.1 TBM的施工方案

5.1.1 TBM施工范围的确定

（1）工程地质分析

通过对该水电站引水隧洞工程地质条件进行综合分析发现，应采用TBM工艺进行施工，但由于不同施工段条件的差异，适应程度存在较大的差异，这就需要在充分考虑工程施工段实际情况的基础上，选用合理的施工技术与工艺。其中，A河段采用浅埋倒虹吸布置型式跨越某河流，不宜采用TBM施工；B沟段属于宋玉断层及其影响带，由于收到了较强的构造挤压作用，导致岩体出现破碎现象，属于碎裂—散体结构，以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，围岩稳定性、成洞条件均相对较差，沿断层及其破碎带地下水活动较为强烈，极有可能发生突发性涌水现象，再加上宋玉断层的影响带宽度较大，此处不适宜采用TBM施工。

（2）施工组织分析

通过分析该水电站项目引水隧洞布置状况，决定采用钻爆法和TBM法混合的施工方法进行引水隧洞施工，其中，1#、2#引水隧洞采用TBM法施工，3#引水隧洞采用钻爆法施工。该水电站引水隧洞采用TBM洞段为（引2）1+740～（引2）9+ 230m，其他洞段均采用钻爆法施工。

5.1.2 TBM施工

该水电站引水隧洞TBM施工范围为（引2）1+740～（引2）9+230m，所以，在采用TBM工艺进行相应施工时，应以5#支洞作为TBM设备运输通道，但需要将TBM组装洞安装在5#支洞与1#、2#引水隧洞交汇处，在组装完成相应的工作设备之后，需要自上而下挖掘，当掘进至1+740m桩号，即为2#支洞周围时，应进行TBM拆卸洞的设置，为TBM设备拆卸操作的顺利进行提供便利，完成拆卸之后从2#支洞运出。除此之外，施工通道可在预可行研究阶段布置7条支洞，然后进行引水隧洞的局部扩挖操作，形成TBM组装洞、TBM拆卸洞。

5.2 出渣方案

隧洞开挖过程中平洞开挖料的运输可分为有轨运输、无轨运输与皮带机运输三种类型。其中，有轨运输适应于各种开挖断面、洞内运输距离较长、无污染，但施工成本相对较高，灵活度也较低；对于无轨运输，其运输线路可以灵活选择布置，但存在长隧洞施工通风困难、附加洞室工程量较大、洞内污染较为严重的缺陷；皮带机运输结构简单、工作平稳可靠、输送能力大、功耗小、无污染，但施工成本较高。

除此之外，长皮带运输能够高效连续工作，从而促进TBM快速掘进目标的实现，受高压大流量地下水的影响相对驾校，所以还可采用洞群施工条件，为隧洞混凝土衬砌、回填灌浆、固结灌浆等后续工作的快速进行提供便利。通过上述分析，决定该水电站引水隧洞TBM施工洞段采用连续皮带机出渣方案进行出渣作业。