敞開式TBM在吉林省中部城市引松供水工程的應用

高乃東，陳中竹，寧鵬飛

(吉林省水利水電勘測設計研究院，長春130021)

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程輸水總干線采用自流輸水，從豐滿水庫取水口向西南經過永吉縣城南側，穿過溫德河、岔路河，從星星哨水庫上游通過，至飲馬河處設置分水口，分水入飲馬河，自流入石頭口門水庫，經水庫調節后向長春市東部城區、九臺市、德惠市供水。輸水總干線隧洞豐滿水庫取水口～飲馬河自然段長近72 km，隧洞比降1/4300，采用圓形斷面設計，平均成洞洞徑6.8 m，主要采用3臺敞開式TBM施工，分別為TBM1段、TBM2段TBM3段。TBM開挖洞徑7.97 m，在豐滿水庫進口、溫德河、岔路河和末端采用鉆爆法施工。

1 TBM選型分析

1.1 TBM選型原則

中部城市引松供水工程設計對TBM的選型主要考慮如下原則，見圖1。

TBM的選型原則有10點:①工程地質和水文地質條件;②斷面形狀和大小;③環境因素;④支護襯砌類型;⑤洞線走向及坡度;⑥工期、造價;⑦安全施工要求;⑧輔助工法和其它動力設備條件;⑨工人技術素質;⑩其它。

圖1 TBM選型原則圖

1.2 TBM主機選擇分析

隧洞工程主要應用開敞式、單護盾和雙護盾式TBM，它們的特點見表1，而適用于硬巖條件下的是開敞式和雙護盾式TBM。

表1 3種TBM特點比較

工程上采用雙護盾TBM還是采用開敞式TBM，是設計論證的一個關鍵問題。TBM選型諸多因素中，地質條件、襯砌型式、隧洞用途和造價是重點，但更為為關鍵的是地質條件。

研究國內外資料和經驗，分析相關數據圖表，依據巖體RMR數值判斷，是掘進機選型的一種經驗方法。其主要理論觀點是開敞式TBM適合較好的巖石，護盾式TBM更適合破碎軟弱巖石;開敞式TBM在破碎巖石條件下撐靴難以工作，護盾式TBM可利用管片向前推進，并有管片保護。TBM性能與圍巖類別關系見圖2。

圖2 不同型式的TBM性能與圍巖類別關系圖

而本工程的圍巖分類見表2。

表2 本工程圍巖類別與RMR分值對照表

經分析，TBM1段Ⅱ、Ⅲ圍巖占89.2%，TBM2段Ⅱ、Ⅲ圍巖占84.8%，TBM3段Ⅱ、Ⅲ圍巖占73.6%，本工程3臺TBM按不同類別的圍巖長度加權計算RMR分值，均在70以上。從國外的TBM選型經驗來看(圖2)，本工程TBM1、TBM2和TBM3段采用敞開式TBM是比較合適的。

3 施工布置

總干線豐滿水庫取水口～飲馬河分水口段71 992 m主要采用開敞式TBM法施工，分3臺TBM施工段，共設8條施工平支洞和1處施工豎井，分別為 1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#施工平支洞和小河沿豎井，其中3#、6#支洞為永久檢修支洞，其他均為臨時施工交通洞。

3.1 TBM分段

總干線豐滿水庫取水口～飲馬河段總長約72 km，1臺性能優良的全斷面巖石掘進機主機大軸承的使用壽命一般為1.5萬～2.0萬h，其他大型結構件一般使用的壽命可掘進40～50 km，大修期限一般為13～20 km。

根據地質地形條件，溫德河位于樁號23+448-24+304m，平均埋深在20m左右，Ⅳ、Ⅴ類圍巖為連續860 m，比重較大，且有斷層Fw17-2。岔路河位于樁號48+534-50+222，平均埋深為40 m左右，Ⅳ、Ⅴ類圍巖共220 m，且有斷層Fw24-1、斷層Fw24-2和斷層Fw3。飲馬河隧洞出口以前其他洞段埋深相對較深，圍巖類別相對較好。

針對工程具體情況，掘進機大軸承和大齒圈的壽命需保證完全掘通一條隧洞。由總干線豐滿水庫取水口～飲馬河段工程的具體情況及目前掘進機的主要構件的使用壽命，豐滿水庫取水口到溫德河段以TBM1為主，鉆爆輔助開挖;溫德河到岔路河段以TBM2為主，鉆爆輔助開挖;岔路河到飲馬河段以TBM3為主，鉆爆輔助開挖。

3.2 支洞布置原則及方案

TBM中間輔助支洞布置主要考慮了以下5個原則:①便于在施工段中間對TBM全面進行檢修、維護與保養;②縮短供電距離，減少電壓降，確保供電的可靠性;③縮短出渣皮帶長度和料物運輸距離，降低工程造價;④縮短通風距離，減少風量損失，保證通風效果;⑤完成掘進段可先行二次模筑混凝土襯砌。

基于以上5項原則，總干線豐滿水庫取水口～飲馬河段TBM施工共設置8條平支洞和一處施工豎井，分別為:TBM1段3#支洞、2#支洞、1#支洞;TBM2段 6#支洞、5#支洞、4#支洞;TBM3 段 8#支洞、7#支洞和小河沿豎井。

豐滿水庫取水口～飲馬河隧洞TMB施工支洞見表3。

表3 豐滿水庫取水口～飲馬河隧洞TBM施工支洞表

4 結論

在土地退化、資源短缺、環境脆弱的今天，當隧洞長度過長時，應優先采用隧洞掘進機法施工。掘進機的選型則主要考慮地質情況，在對地質條件進行深入分析后，對Ⅱ、Ⅲ圍巖占掘進機開挖長度70%以上，或巖體RMR數值評價在70分以上，要優先考慮敞開式掘進機。

長大隧洞掘進機法施工相對于鉆爆法可以減少施工支洞的布置數量，但要充分了解工程的地質、地形條件，充分認識掘進機性能。在掘進機效率充分發揮的同時，利用鉆爆法處理淺埋、破碎帶等不良地質地段。

［1］王夢恕，等.巖石隧道掘進機(TBM)施工及工程實例［M］.北京:中國鐵道出版社，2004.

［2］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2006.

［3］中國水利水電勘測設計協會.調水工程應用技術研究與實踐［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.

［4］袁光裕.水利工程施工:第三版［M］.北京:中國水利水電出版社，2004.

［5］水利電力部水利水電建設總局.水利水電工程施工組織設計手冊:第二版.第二卷(施工技術)［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.