TBM技術在輸水隧洞工程中的應用研究

■汪術偉 ■核工業井巷建設公司，浙江 湖州 313000

隨著近些年水利工程建設不斷增加，輸水隧洞工程的施工要求也在不斷提高。在這種情況下，TBM技術應運而生。TBM的技術特點十分顯著，在實踐應用中也得到了充分體現。因此，需要對其進行更加深入地研究，強化TBM技術在輸水隧洞工程中的作用。

1 輸水隧洞工程

在我國經濟水平日漸提升的背景下，水利工程建設也進入了高速發展期，2014年全年的水利工程投資總額超過了800億元。不僅如此，我國南水北調工程是世界上最大的輸水工程，水從湖北丹江口水庫一直輸送北京玉淵潭，中間跨越了多個省市，總長度達到了1245km。在南水北調工程中，穿黃隧洞是十分關鍵的輸水隧洞工程，主要包括了邙山隧洞和黃河隧洞，其總長達到了4.25km［1］。由此可見，輸水隧洞工程的施工條件不僅十分復雜，而且施工量通常較大，只有通過科學合理的施工技術，才能保證隧洞質量。

輸水隧洞工程屬于隧道工程的一個分支，由于其性質和傳統的隧道工程存在一定區別，故而其在施工工藝上也存在較大差別。在上世紀中，隧道施工主要是通過人力進行，工人使用風鎬、十字鎬等工具進行巖體挖出隧道開鑿，這種方法人力需求巨大，施工極其緩慢。到上世紀七十年代，液壓鑿巖機問世，其在隧道施工中得以迅速應用和發展，很快就衍生出了許多同類產品。在液壓鑿巖機不斷發展的同時，鉆爆施工的技術也逐步形成，通過在巖體上鉆眼爆破，可以在短時間內掘進較長距離。但是鉆爆法對巖層造成的擾動很大，所以適用范圍僅限于穩定的石質隧道。

總的來說，輸水隧洞工程具有數目多、長度大、地質環境復雜、施工條件困難等基本特點。但是，輸水隧洞又具有極其現實的社會意義，對多個行業的發展以及國民經濟進步都有積極的促進作用。所以，需要不斷研究開發新的施工技術，提升輸水隧洞工程的施工能力。

2 TBM技術基本原理

2.1 TBM 分類

TBM的類型主要有護盾式和敞開式兩類。

護盾式TBM就是掘進機有外殼保護，可以和主系統一起進行移動。護盾式TBM可以在地質條件較為復雜的工程環境下進行使用，在輸水隧洞工程施工中出現涌水、巖體膨脹、斷層等不良地質災害時，護盾式TBM可以有效削弱這些不良地質災害對工程施工帶來的影響，比如TBM施工機械出現埋機、卡機，甚至掘進方向偏離等。

敞開式TBM就是僅有頂支撐，沒有盾支撐，而且頂支撐很短。TBM機械在向前移動的過程中主要依賴千斤頂和主撐靴［2］。敞開式TBM的適用工程環境是巖層條件較好，以及掘進力需求較大的輸水隧洞掘進，所開掘的洞室巖層結構穩定，力學性能良好，不易出現變形等問題。

2.2 TBM掘進模式

護盾式TBM在掘進過程中，通常是使用圓形全周管式襯砌。使用這種方法的優點在于允許隧道巖層的承載力較低，利用千斤頂推動管片以便獲取反推進力;如果撐靴對巖面能夠形成支撐時，雙護盾TBM能夠同時進行掘進和換步，加快了掘進速度;管片安裝機在進行管片安裝時，其安全度高、速度較快。值得注意的是，襯砌管片上的作用力是護盾式TBM產生的反推進力，因此需要連續鋪設襯砌管片。不僅如此，為了達成防水目的，需要在管片之間加裝止水條，同時在洞壁間隙和管片外圓之間進行注漿或是壓砂，以增強巖層的穩定性。下圖為某雙護盾TBM作業流程示意圖。

圖1 雙護盾TBM

敞開式TBM通常是在開挖過程中，在刀盤后設置臨時支護，比如錨桿支護、拱架支護，然后再進行混凝土二次襯砌。同時，為了避免小范圍失穩情況，可以對支護設施進行柔性處理，最大程度滿足洞室巖層的穩定性條件。輔以超前地質預測技術，及時跟進建設支護措施，可以使敞開式TBM在非穩定巖層進行施工。

2.3 TBM破巖原理

在輸水隧洞施工中，TBM需要對巖層進行破壞，其主要是通過盤形滾刀完成這一施工作業。其破巖原理如下圖所示。

圖2 TBM破巖原理

從圖中不難看出，TBM進行隧洞掘進時，主要是盤形滾刀對巖體進行鉆入破碎，進而使整個巖壁破碎。影響TBM破巖速度的一個關鍵因素就是巖體軸向抗壓以及破巖指標貫入率，貫入率就是刀盤旋轉一周貫入巖體的量，如果TBM無法在足夠的貫入率下突破巖層掌子面，或者是刀盤刀具超過磨損極限，那么這類巖層就是不可掘進巖層，不適合輸水隧洞施工。

通常情況下，如果貫入率在每周3～4mm，則說明貫入率較為良好，施工較為順暢;如果貫入率在每周2～2.5mm，則說明巖層存在一定的掘進問題［3］。在實際施工中，通常會最大程度推進刀盤，以便貫入率能夠滿足施工要求。這就要求TBM每一個部分要滿足最大推力的工作條件。

3 TBM技術在輸水隧洞工程中的應用探析

3.1 TBM 選型

根據實際經驗，在輸水隧洞的長度超過5km、月掘進度超過350m的隧洞工程中，TBM可以發揮出最優效用。但是如果需要穿越涌水量大和斷層帶大的地質段，則需慎用TBM技術。在使用TBM技術時，首先要進行選型。選型工作主要包括了三個方面:TBM和鉆爆法優劣比較、護盾式TBM和敞開式TBM比較、以及同類TBM比較。

首先，TBM和鉆爆法比較，TBM具有掘進速度快、掘進質高、對環境破壞小、掘進安全可靠等優點，適用于較長隧洞施工。但是，在隧洞斷面非圓、預算資金較少、TBM設備到位時間較長、隧洞長度較短以及地質水文條件極差等情況下不宜使用TBM。

其次，護盾式TBM和敞開式TBM比較。護盾式主要以雙護盾結構為主，在地質條件多樣時能夠發揮出較大優勢，在軟巖和硬巖條件下都可以使用。而敞開式TBM適用于完整穩定的巖層，只需具備頂支撐就可以進行掘進施工;在巖層條件存在不穩定的情況時，則可以通過輔助設備對巖層進行加固處理。

最后，同類TBM比較。護盾式TBM的原理和結構基本相似，并無太明顯的區別。而敞開式TBM主要有一對水平支撐TBM、兩對X型支撐TBM等類型，在實際的輸水隧洞工程中，需要根據實際情況進行選用。

3.2 TBM施工中TSP超前地質預測技術運用

超前地質預測技術是隧道施工中的一項重要技術，可以對隧道施工前方的未知地質進行超前預測，用以指導實際施工，以對未知風險作出應對措施。超前地質預測技術的種類較多，適用范圍也各不相同，因此需要根據輸水隧洞的基本情況選用。

TSP預測技術能夠對施工面前方100～200m范圍內的未知地質進行預測，操作簡單，結果可靠，而且不會對掘進施工造成任何影響。比如TSP－203就是在已經掘進的隧洞側壁上布孔預測，探測停機時間不會大于1.5h。相對于其他預測技術而言，TSP技術比其他預測技術的時間更短，費用更少，而且適用于地質條件相對簡單的長隧洞預測。

但是，TSP預測技術也存在一定問題，比如預測結果的反饋圖形不直觀，需要專業人員進行解讀;TSP對地層含水量的預測并不精準，誤差較大;對測量值的理論修正還不完善，不能綜合考慮各方因素;對不同距離、不同影響的地質預測標準不夠明確。所以，在輸水隧洞工程中，運用TBM技術要考慮各方施工需求，結合其他技術一同運用，最大程度提升輸水隧洞施工效率和質量。

4 結束語

TBM技術的優點無須贅述，在輸水隧洞工程中，TBM技術的施工優勢明顯高于鉆爆法以及其他施工方法。因此，在輸水隧洞施工中，需要根據隧洞施工實際，加強TBM技術的應用。

［1］姚曉明.TBM在超長隧洞施工方法研究［D］.西南交通大學，2011.

［2］杜士斌.開敞式TBM在大伙房輸水隧洞工程中的應用［J］.水利水電技術，2010.

［3］袁光胤.TBM技術在輸水隧洞工程中的應用［D］.西安理工大學，2007.