隧道掘進機在水利工程中的應用探討

張漢祥

(福建省汀江水電工程有限公司，福建 龍巖 364000)

1 隧道掘進施工技術概述

全斷面隧洞掘進機(Tunnel Boring Machine,TMB)施工技術在20世紀50年代開始應用于地下施工領域，并在20世紀70年代開始廣泛應用。隧道掘進機施工機械和技術集機電、液、光、電氣等系統為一體，自動化程度高，掘進速度快，環保和綜合效益高，對于鉆爆法等傳統施工技術難以開展的地質條件復雜的深埋長隧道掘進施工較為適用。隨著隧道掘進技術的發展，隧洞襯砌技術也得到相應發展，對于穩定性較好的圍巖，可不進行支護或僅采取噴錨支護措施，對于穩定性一般或較差的圍巖，應采用隧道掘進開挖技術。

2 工程背景

2.1 工程概況

引洮供水工程是以已建成的九甸峽水利樞紐為水源，從洮河流域調水到嚴重干旱缺水的甘肅省中部干旱地區11個國家扶貧重點縣，解決該地區極其困難的城鎮生活和工業用水、農村人畜飲水、農業灌溉和生態用水的大型調水工程。本標段包含八干渠8#隧洞后半段(出口控制段)-10#隧洞前半段(進口控制段)，標段渠線長5629.22m。主要建設內容為：8#隧洞后半段長度1020.55m；2#倒虹吸長度1389.99m，2#倒虹吸退水渠長度1019.75m；9#隧洞樁號長度1431.75m；第7段暗渠長度358.93m；10#隧洞前半段(進口控制段)長度1413m。本標合同造價4096.84萬元，合同工期為2016年10月1日—2019年6月30日。隧洞開挖主要斷面為城門形2.977m×2.8m斷面；隧洞縱坡1/1250，建筑物設計流量3.5m3/s。

2.2 地質條件

本工程標段不良地質段較多，但對全斷面隧洞掘進機施工有直接影響的不良地質段主要有2種：①Ⅴ-Ⅳ類軟弱圍巖層；②斷層斷，可能造成塌方與卡機，必須加強預測并提高對隧洞掘進機操作人員技術水平的要求，根據掘進機推力缸退推力取值的變化，隨時采取措施調整掘進機運行狀態，若存在溶洞跡象，石渣中包含溶巖[1]的可能性較大，則必須加強復雜地質條件的超前預測與應對。

8#-10#隧洞洞身圍巖巖性主要表現為新近砂質泥巖。新近砂質泥巖圍巖為Ⅴ類圍巖，性能相當不穩定，并主要呈泥質結構，干燥時便凝結為塊狀，遇水時迅速泥化崩解，失水后又快速干裂，呈現出十分明顯的干濕效應，項目取新近砂質泥巖飽和抗壓強度為0.1MPa，為強度小的軟弱圍巖，膨脹率在0.8-1.5之間，膨脹力為25-37.5kPa。隧洞洞身段節理裂隙不發育，其結構面巖層呈薄層-極薄層狀，產狀平緩，部分為中厚層，巖體完整。新近砂質泥巖中無地下水分布，所以，隧道掘進開挖施工過程中巖壁始終干燥，僅有局部裂隙密集帶、強風化帶等施工區域因發生滴滲水而局部潮濕。圍巖強度應力比為0.87，在開挖施工的過程中，毛洞頂拱會因發生坍塌而掉塊、變形，因頂拱處圍巖缺乏自穩能力，所以變形破壞較嚴重，在開挖后必須立即按設計要求支護處理，包括設置錨桿、超前管棚、掛網噴混凝土，局部洞段設鋼拱架支護等，為防止洞底泥化還應及時封閉底拱，并將干硬性混凝土墊層設置在洞底。

地震所誘發的滑坡和黃土濕陷坍塌是引洮供水工程本標段區域主要的不良物理地質現象，綜合本工程地質條件及隧洞實際情況，應排除爆破開挖法后采用對圍巖擾動較小的掘進機開挖技術[2]。

3 隧道掘進機施工

3.1 機械選型

引洮供水工程本標段隧洞掘進開挖采用具有連續切割、出渣、裝載運輸、行走等綜合功能的日本三井三池生產的MRH-S-50型掘進機械，且該機械對于圍巖硬度在Ⅳ類及以下的軟弱圍巖掘進較為適用，掘進和連續切割圍巖的最大抗壓強度在50MPa以內。該機械傳動方式采用電氣和液壓的混合方式，操作簡便，性能可靠，運行平穩，并配有內外噴霧裝置，在掘進施工時開啟噴霧裝置后能有效抑制粉塵產生。

三井三池MRH-S-50型掘進機屬于懸臂式縱向截割斷面掘進機械，主要包括截割部、鏟板部、本體部、行走機構、液壓系統和水系統、后支撐、電氣系統及第一運輸機等部分，三井三池MRH-S-50型掘進機構造簡圖，見圖1。掘進機所自帶的支撐裝置能有效提升機械穩定性能，鏟板部、行走部和第一運輸機的驅動均通過大扭矩液壓馬達直接完成，刮板鏈為絲杠和彈簧的漲緊裝置，電氣系統的控制主要通過集成電路實現。三井三池MRH-S-50型掘進機性能參數，見表1。

1-截割部；2-鏟板部；3-本體部；4-行走系統；5-液壓系統；6-水系統；7-后支撐；8-電氣系統；9-第一運輸機

表1 三井三池MRH- S-50型掘進機性能參數

3.2 隧洞開挖

引洮供水工程本標段隧洞圍巖為新近粉砂質泥巖，配備380v電源后采用三井三池S-50型掘進機并利用其旋轉刀頭進行圍巖切割，考慮到施工工期要求，單次掘進開挖深度應控制在0.8m/h，按照每班3h的安排，可掘進開挖約2.4m。隧洞斷面開挖應按照由下至上的次序一次開挖成型，為防止開挖過程中產生的渣土覆蓋開挖輪廓線，應通過掘進機自帶的刮盤將渣土刮入傳送帶后運輸至掘進機后側所停放的自卸汽車，由該汽車定期出渣。

完成供水隧洞開挖后還應立即安排鋼拱架、錨桿、鋼筋網及超前管棚、支護等的施工，并采取24h輪班作業。本工程標段隧洞圍巖開挖應遵循“短進尺、強支護”的全斷面開挖模式[3]，并保證噴錨和支護等同時進行，通過邊開挖邊支護保證施工進度和施工質量。

3.3 超前管棚

根據本引水工程設計標段隧洞圍巖情況，超前管棚長度應確定為3m，短進尺、強支護每次掘進2.4m，并以直徑42mm的Q-235無縫鋼管為管棚鋼管，在管壁按梅花形增設孔徑10-15mm、孔距300mm的注漿孔。為避免注漿過程中發生漏漿，最后管段尾部1.0m以內不應設置注漿孔，本標段隧洞所設置的管棚中心距500mm。

為確保超前管棚鉆孔及安裝精度，還應增設設計厚度100mm、長2m的C25混凝土套拱，拱內按600mm的間距設12#工字鋼拱架，并在拱架上加焊長度2m的無縫鋼管為導向管。由于本隧洞超前管棚長度較長，為防止其干擾開挖界限，應針對導向管設置外插角，角度控制在2°范圍內。

3.4 支護

本標段隧洞邊仰坡施工主要采用錨桿鋼筋網+C25混凝土噴射的聯合支護，錨桿為長度3.0m的φ22螺紋鋼，鋼筋網為200mm*200mm的φ8盤條網。隧道邊仰坡應避免大挖大刷，并邊開挖邊防護，待開挖至拱頂標高后，應預留處套拱位置。按設計要求整平套拱拱腳軟弱土壤基底并進行其承載力檢測，若達不到設計要求，應采用漿砌片石按不低于50cm的厚度加固處理。

套拱鋼拱架安裝時應按0.6-0.8m的間距與φ22鋼筋連接，本標段支護套拱采用4榀20#工字鋼，應將其鋼架垂直度偏差控制在2°范圍內，拱架與5mm厚度的鋼板連接，并按設計要求在每塊鋼板上增設6個螺栓。為避免因外界荷載和隧洞開挖施工荷載影響而導致套拱沉降變形，套拱實際尺寸應在設計尺寸的基礎上增大5.0cm。

4 結 論

引洮供水工程八干渠標段隧洞掘進機開挖施工的過程中，并不會對圍巖產生沖擊，能有效控制對圍巖的擾動，使隧洞圍巖支護工程量大大節省，也便于對超欠挖的有效控制，能保證本工程八干渠標段Ⅴ-Ⅵ圍巖開挖施工的安全性和經濟效益的提升。全斷面隧洞掘進機施工技術在長隧洞及隧洞群施工方面具有傳統鉆進技術所不具有的技術優勢，該技術在我國水利等基礎設施建設方面也具有廣闊的應用前景。