拟采用TBM工法施工引水隧洞的关键环节

刘建春

（陕西引红济石工程建设有限公司 陕西 太白 721600）

1 TBM及TBM施工概况

随着国民经济高速发展和我国城市化进程的加快，城市规模不断扩大，城市人口暴涨，城市供水能力成了制约城市发展的瓶颈，因而就出现了大如南水北调、山西引黄、辽宁大伙房，小如陕西的引红济石、甘肃的引洮工程、青海的引大济湟等跨流域调水工程，这些工程有个共同的特点，就是都采用了TBM工法，仅是在TBM的形式上有所区别而已。

TBM是全断面岩石隧道掘进机（Tunnel BoringMachine）的简称，是一种在持续推力作用下，推进主动旋转的刀盘，通过刀盘上被动旋转的滚刀挤压破碎岩石，使隧道全断面一次开挖成型的全机械化岩石隧道工程机械。TBM技术目前被认为最先进、最快速的隧道施工机具。目前西方发达国家只要超过3km的隧道基本上都优先选用采用TBM法施工，我国也有学者提出超过10km的隧道应优先考虑TBM工法。

2 拟采用TBM工法的引水隧洞应重视的关键环节

TBM虽然已成为隧道施工中一种全新的工法，但由于TBM技术是上世纪90年代末才引进我国，虽然经过了近30年的应用和尝试，但目前还处在摸索阶段，国内也没有针对硬岩掘进机的施工标准，因此，结合近十年来TBM施工管理经验，我们认为拟采用TBM工法的水利工程在其实施的过程中应当在地质勘探、洞室设计、设备选型、穿越不良地质段施工预案等关键环节上多重视，多研究，否则即使TBM设备再先进，施工中可能会遇到很多困难，甚至导致TBM工法的失败。

2.1 前期地质勘探

TBM设备本身要求依据建设单位提供的地勘资料和一些具体的要求而量身定制，因此，世界上几乎没有完全相同的TBM。正是因为TBM对围岩的挑剔和敏感性，因此计划用TBM施工的水利工程，首先必须加强前期地质勘探工作，弄清洞线范围内岩石类别、产状、走向，各类岩石的单轴抗压强度等基本的围岩物理指标，根据占隧洞轴线80%～90%的围岩性状来确定TBM的基本型式。特别是地勘时发现断层、破碎带等不良地质段，更应该加密勘探，尽可能地深入钻探，弄清断层、破碎带的走向、规模、断层物质、地下水以及各地质年代围岩在轴线上的垂直分布情况等。只有提供相对详实准确的地质资料，设备制造商才能根据已知地质状况有针对性地对TBM进行设计，如超前加固设计、导向设计、抽排水能力设计，转弯半径，设备驱动的总推力以及根据地理位置选择电能驱动或液压驱动等。有条件的工程我们建议做1km～2km的试验段来确定围岩的物理特性和整体围岩的地质参数，从而给设备制造商提供更具代表性的地质资料。

由于TBM设备是针对相对较好的硬岩设计的，虽然有一定能力穿越断层等不良地质洞段的能力，但笔者认为不是所有的不良地质段都必须用TBM掘进。对于地质勘查时已经发现的埋深不大，但规模较大的断层等，设计时可采用人工的方法提前处理，待TBM掘进至该段时可滑行经过，这样既可以保证工期，还可以相对节省资金。因为实践证明TBM在大的断层破碎带中作业容易卡机、停机，脱困相当的困难。就国内水利工程TBM脱困的情况来看，每延米的化学灌溉材料的用量已经超过了10万元人民币，再加上其它一些直接费，处理脱困的直接成本超过13万元人民币，几乎是正常洞段成本的3倍～6倍。因此，提供尽可能准确的地质资料就目前的施工水平说是TBM工法成败的最关键因素。目前，国内正在施工的青海引大济湟工程、甘肃的引洮工程、陕西引红济石工程都是由于地质问题而制约了TBM掘进，远远地超出了预期的工期和投资。

图1 进口段设计示意图

2.2 洞室设计

在洞室设计上建议尽可能地将洞室设计的大一些，笔者认为直径4.5 m～6.5 m的洞室较适合TBM施工。因为洞室空间大时，TBM设备自身的配套设备摆布空间就可以相对集中，液压、电路、皮带系统相对就会减少，设备故障的几率也相对减小。同时大的洞室可以使得TBM主机上许多元件在设备上并列布置，这样可以缩短设备本身的长度，减少设置的长细比（主机长度与洞室直径的比值），从而尽可能减少TBM主机段受到的围岩压力和水平方向摩擦力，保证TBM掘进速度，减小卡机几率。洞室空间大时可尽可能地在设备上合理布置超前加固等辅助设备，如超前钻机、锚杆钻机、喷射砼的作业平台等，这些设备有利于设备正常掘进和应对突发的地质灾害等。

当然，水工隧洞设计时受流量Q、纵坡比i、有压或无压形式等条件的约束较大，很难设计到适合TBM施工的合理断面。笔者认为水工隧洞的设计应跳出现有设计模式，由于TBM施工大都采用顺坡排水，因此，可以在隧洞的进口设计一段断面较小的洞段作为束水段满足规划要求，中间设置过渡渐变段与适合TBM掘进的断面连接，各断面平顺连续即可，这样既能保证引水量又能保证TBM顺利施工。至于资金投入方面，通过近几年的TBM施工情况看，目前国内外很多专家认为小的断面由于对设备的要求较多，一次性设备投入较大，再加之不能平行作业，工期较长，带来的管理费等有可能成倍增加，因此小断面施工的综合经济效益必须经过对工期等科学测算后才能确定，不一定节省投资，但笔者结合自己的工作经验认为采用TBM法施工4.5 m～6.5 m的断面较为经济和科学。

2.3 设备选型

由于受岩土成分、生成的环境（沉积、熔融、侵入、变质），地质变动，构造力、风化侵蚀等综合作用，现实中任何一条隧道的地质结构都不可能是均匀连续的。比较现实可行的方法是根据工程地质勘察资料对隧洞岩石进行分析，确定某一种（类）占比重大或对隧洞的工期和造价起控制和主导作用的围岩类型做为“主体围岩”，这样以主体围岩为主、兼顾其它围岩条件提供给厂家，以便厂家对TBM进行有针对性的专门设计。

在确定了主体围岩后，就可以进行设备选型，也就是开敞式TBM与护盾式TBM的比较了，结合国外及近年来我国使用TBM的经验，我们认为：

（1）开敞式TBM主要适用岩石强度较高（坚硬或中硬岩），能提供支撑轴足够的推力，且岩体相对完整，围岩有一定自稳定能力的岩体。

（2）双护盾TBM也设有与开敞式TBM相同的支撑靴，同样可以在坚硬与中硬岩中使用，同时还可以利用辅助推进油缸，由已安装好的管片提供反力，在软岩中使用。双护盾TBM施工作业在护盾内和已安装好的管片衬砌中进行，对于规模不大的断层、塌方等有较好的适应能力，施工作业相对安全。

（3）在选择TBM机型时，除了充分研究占洞室长度80%～90%的起主导作用的洞段围岩以外，还要对那些虽然占的比例不大，但施工难度很大的特殊地质洞段进行研究，这些洞段不但影响工期、投资和工程质量，在某些情况下甚至决定掘进机能否顺利通过。在应对特殊地质洞段时，双护盾TBM存在较大的局限性。主要表现在：一是施工作业在护盾和安装好的管片中进行，施工相对封闭，无法随时掌握隧洞出现的地质状况。有时TBM主机段可能已经进入了断层破碎带，但设备显示还是正常数值，地质编录人员仅从尾盾下部的开口处判断围岩类别，指导管片安装，这时安装管片或者处理偶发机械故障所用的时间超过了主机段的围岩自稳时间，就有可能引起主机段围岩的塌方、掉块或大的收敛变形，从而导致停机、卡机，严重时可能导致设备埋没，TBM被迫退出等严重事故。双护盾TBM虽然都配备超前钻探系统，但实际应用中基本用来超前注浆，超前地质钻探功能基本不具备，这就决定了双护盾TBM整个掘进过程实际是个摸索前进的状态，一旦出现不良和复杂地质只能先停机再处理，物力、财力都受到较大影响，有时可能还会出现恶性循环。

二是处理条件困难，工期延误较大。双护盾TBM遇到不能通过的不良地质洞段被迫停机后，一般只能采用人工开挖小导洞的方式来给TBM解困，或人工开挖绕洞去处理设备周围及刀盘前方不良地质以实现再次掘进。无论是开挖设备顶部小导洞还是绕洞，处理起来都有一定的施工难度、安全风险和工期延误，一般少则几周、几月，多的几年。陕西的引红济石工程每次处理卡机都在一个月以上，青海某工程几年来一直都在采用设备顶部开挖导洞的方式艰难掘进。

3 结语

TBM作为一种全新的隧道施工工法在我国还处在摸索阶段，特别是水工隧道由于受调水量等规划因素的影响，没有完全一样的水利工程，再加之TBM本身不是通用设备，因此，拟采用TBM施工的水利工程，必须重视前期勘探、设计和设备选型这三个重点环节，综合考虑围岩状况、工期、投资等关键因素，科学分析，不可盲目上马，否则可能引起工期延误和投资加大等决策性失误。