王爽

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

目前，TBM法在我国隧道、隧洞施工中应用较多[1-3]，但高海拔地区隧洞利用TBM掘进的已建工程却寥寥无几，几乎无经验借鉴，下文结合西藏某电站引水隧洞对高寒、高地应力、低压等恶劣环境下的TBM施工可行性进行分析，并提出相应的改进措施。

该电站为一级混合式开发水电站，引水隧洞沿河段左岸山体展布，总长16.81 km，由进水口、引水隧洞、气垫式调压室及压力管道组成，进口底板高程为3 681.50 m，发电引用流量124.4 m3/s，引水隧洞后段为高压隧洞。尾水建筑物由尾水连接洞、尾闸室、无压尾水隧洞、尾水渠组成，尾水洞出口底板高程为3 245.52 m。

引水隧洞开挖及衬砌断面均为标准平底马蹄形，Ⅱ，Ⅲ类围岩洞段净断面顶拱半径为3.75 m，圆心角为180°，最大净高6.84 m；
Ⅳ，Ⅴ类围岩洞段过水断面顶拱半径为3.50 m，圆心角为180°，最大净高6.38 m。对Ⅳ，Ⅴ类围岩洞段顶拱120°范围内，采用回填灌浆和全断面固结灌浆处理。

1.1 水文气象

流域年平均降水量超过833 mm；
年平均气温5.9℃，极端最高气温30.6℃，极端最低气温-22.1℃；
年平均气压653.9 hPa。

1.2 地质条件

引水隧洞沿线山体雄厚，岸坡陡峻，隧洞中后段垂直埋深大，一般在600～1 000 m，最大垂直埋深约1 500 m；
隧洞从上至下依次穿越拉贡塘组砂板岩、古近纪花岗岩、来姑组砂板岩和古近纪花岗岩，除板岩为较软岩～中硬岩外，其余岩石以中硬岩～坚硬岩为主。

1）引0+0～引2+500 m段，洞室垂直埋深200～670 m，穿越1条支沟，过沟段上覆埋深189 m，该沟规模不大，过沟处沟床狭窄，两侧均为基岩陡壁，不存在过沟浅埋问题。洞室围岩总体属中硬～坚硬岩，在1+920 m附近可能会遭遇嘉黎-向阳日断裂，洞室以Ⅲ类、Ⅳ类围岩为主，断裂带为Ⅴ类围岩。过断裂带洞段可能存在突涌水问题。

2）引2+500～引5+000 m段，洞室垂直埋深150～600 m，该段穿越2条支沟，支沟切割深度约300 m，沟道狭窄，过沟段上覆埋深大于170 m，过沟处沟床狭窄，两侧均为基岩陡壁，不存在过沟浅埋问题。洞室围岩岩质坚硬，洞室围岩以Ⅱ类和Ⅲ类为主，少量Ⅳ类。过沟段可能存在突涌水问题。

3）引5+000～引9+570 m段，洞室垂直埋深一般600～800 m，最大埋深1 500 m，穿越1条支沟，过沟段上覆最小基岩埋深约190 m，不存在过沟浅埋问题。围岩岩质坚硬岩，在K9+400 m附近可能遭遇泽拉错-宗颇断裂。地应力以中～高量级为主，洞室围岩以Ⅲ类围岩为主，部分Ⅱ类，少量Ⅳ类。该段隧洞埋深整体较大，局部洞段可能存在岩爆，过沟段可能存在突涌水问题。

4）引9+570～引12+300 m段，洞室垂直埋深一般500～900 m，最大埋深约1 400 m，穿越1条支沟，过沟段上覆最小基岩埋深约240 m，不存在过沟浅埋问题。围岩以坚硬岩为主，地应力以中～高量级为主，洞室围岩以Ⅲ类围岩为主，部分Ⅱ类，少量Ⅳ类。该段隧洞埋深整体较大，局部洞段可能存在岩爆，过沟段可能存在突涌水问题。

5）引12+300～引14+300 m段，洞室垂直埋深一般400～800 m，最大埋深约1 000 m，穿越1条支沟，过沟段上覆埋深440 m，该沟规模不大，过沟处沟床狭窄，两侧均为基岩斜坡，不存在过沟浅埋问题。围岩主要为粉砂质板岩夹石英砂岩，引14+300 m附近可能遭遇泽拉错-宗颇断裂。地应力以中等地应力量级为主，洞室围岩以Ⅲ类和Ⅳ类为主，过断裂带洞段存在少量Ⅴ类围岩。过沟段、穿越断裂段可能存在突涌水问题。

6）引14+300～引16+810 m段，洞室垂直埋深一般600～900 m，最大埋深1100 m。洞室围岩主要为坚硬岩，地应力可能达中～高地应力水平，围岩以Ⅱ类和Ⅲ类为主，少量Ⅳ类。局部洞段可能存在岩爆问题。

2.1 TBM适用性分析

2.1.1 长距离掘进

隧洞长距离掘进，TBM必须性能良好、寿命较长、配件充足和储备足够刀具，同时运输设备要求高效，要求通风系统能力强、可靠性高，供电、排水系统可靠。根据工程经验积累，TBM施工适用于长度超过7.00 km以上的隧洞，该工程引水隧洞总长16.81 km，满足TBM施工的经济适用长度。

2.1.2 地质条件分析

不同围岩类别相应的岩石硬度变化也大，TBM需针对不同的地层采用不同的掘进参数，以提高掘进机的掘进速度。

工程引水隧洞岩性主要为花岗岩、粉砂质板岩、石英砂岩和少量的石英岩组成，以Ⅱ类和Ⅲ类围岩为主。花岗岩为块状、次块状岩体，粉砂质板岩、石英砂岩以中硬岩为主。TBM适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20～250 MPa，尤其以50～100 MPa为最佳；
岩石中石英含量越低越好，根据工程地质条件初步判断TBM施工是可行的。

2.2 TBM的工作特性

2.2.1 敞开式TBM

敞开式TBM是采用锚喷支护的一类全断面隧道掘进机，其主机部分一般由刀盘、主驱动、护盾、主梁、鞍架、撑靴组成，通过撑靴支撑在开挖的隧道岩壁上产生的摩擦力来提供刀盘掘进的推进力。主机内辅助设备一般包括钢拱架拼装系统、L1区锚杆钻机系统、应急喷混系统等。支撑推进系统则主要由主梁、鞍架、撑靴、推进油缸、撑靴油缸、扭矩油缸、十字销机构、后支撑及后支撑油缸等组成，可以起到推进、换步、防扭、转弯、纠偏等功能。支护系统则主要由钢拱架拼装系统、L1区锚杆钻机系统、L2区喷混系统等组成，通过拼装钢环梁、打锚杆、喷混等工序实现隧道的初期支护。

敞开式TBM在对付较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力；
使用敞开式TBM施工可以直接观测到被开挖的岩面，从而方便对已开挖的隧道进行地质描述。由于开挖和支护分开进行，使敞开式TBM刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备，如钢拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土设备等，应用新奥法原理使这些辅助设备可及时、有效地对不稳定围岩进行支护。

2.2.2 双护盾TBM

双护盾TBM，除刀盘外全部被两个护盾包围[4]。双护盾TBM适应地层较广，可开挖软岩、中硬岩、坚硬岩等地层，岩体较完整至破碎都可适应。围岩较稳定时，掘进的同时可安装管片，掘进速度快。围岩地层差时，撑靴不能支撑洞壁，可在单护盾模式下掘进，使设备快速通过软岩地层。

在围岩稳定性较好的硬岩地层中掘进时，以撑靴紧撑洞壁为主推进油缸提供反力，使TBM向前推进，刀盘的反扭矩由2个位于支撑盾的反扭矩油缸提供，掘进与管片安装同步进行。此时TBM作业循环：掘进与安装管片→撑靴收回换步→再支撑→再掘进与安装管片。

2.2.3 单护盾TBM

单护盾TBM，除刀盘外机头部分全部由一钢制的护盾包围。单护盾TBM比双护盾TBM结构简单，没有伸缩盾、撑靴护盾、撑靴及撑靴油缸，其刀盘和主要驱动结构与双护盾TBM及敞开式TBM都类似。当软弱围岩所占比例很大，且撑靴无法支撑住洞壁时，可考虑采用单护盾TBM掘进。这样，不仅单护盾TBM的价格比双护盾TBM的价格低，而且其护盾短不易卡机，掘进速度也会因为减少岩石支护处理时间而比敞开式TBM快。

国内常用掘进机[5，6]的对比分析见表1。

表1 各种机型掘进机的对比分析

2.3 TBM选型

工程引水隧洞前段约5.00 km，洞段埋深150～600 m，后段洞室埋深一般600～900 m，最大埋深约1 500 m，洞室埋深较大，其中以Ⅱ，Ⅲ类围岩为主，岩性主要是花岗岩、砂板岩。从目前的地质条件分析，该工程采用敞开式TBM较为合理。但不同围岩类别，相应的岩石硬度变化也大，TBM需针对不同的地层采用不同的掘进参数，以提高掘进机的掘进速度。

2.4 TBM月进尺分析

国内外已建、在建工程项目TBM施工特性对比见表2。

1）从工程经验比较分析TBM掘进月进尺取值

对表2中TBM应用工程经验参数分析：表2中所列项目，掘进机平均月进尺约727.00 m/月；
Robbins掘进机掘进速度最快，平均月进尺可达779.00 m/月；
表2中与该工程洞径类似项目，如西安～安康铁路秦岭Ⅰ线隧道工程，掘进机平均月进尺约573.00 m/月；
与该工程围岩强度相近项目，西安～安康秦岭铁路隧道工程月平均进尺为528.00 m/月。

表2 国内外部分TBM掘进机施工特性对比表

因此，借鉴类似工程经验，西安～安康秦岭铁路隧道洞径8.8 m，工程引水隧道喷锚段开挖断面约7.5 m，衬砌段开挖断面约7.0 m，洞径越小、掘进越快，该工程TBM掘进机月进尺参数取值可略大于528.00～573.00 m/月。

但考虑到工程沿线地质有多条深切冲沟，规模较大，因而可能存在软岩、断层带及涌水等地质风险，埋深达150～1 500 m，更存在岩爆风险。因此，初步保守拟定该工程隧洞TBM掘进机施工月循环平均进尺按上述参数取值范围的下限取用，即按所列项目平均掘进月进尺528.00 m/月作为掘进月进尺特性参数参考。

2）从围岩强度与掘进机进尺关系分析掘进进尺

根据参考文献［7］，围岩强度与掘进进尺存在相关关系，见图1。

对图1分析可知：Rc越低TBM的掘进速度就越快，Rc越高TBM的掘进速度就越慢；
若Rc太低，掘进后围岩将没有自稳能力，工程不安全，只有当Rc合适才能保证TBM以一定的速度掘进，同时隧洞围岩又能保持自稳；
工程成功经验表明，Rc为30～150 MPa的中等坚硬岩石和坚硬岩石较为适合TBM施工。

图1 Rc与TBM掘进工作效率的关系曲线

3）TBM掘进月进尺的拟定

工程岩石的单轴抗压强度介于20～250 MPa，岩石强度相对较硬，该工程TBM掘进速度按照1.5 m/h，则工程每日3班，2班掘进、1班维护保养；
掘进班每班9 h，维护班每班6 h，掘进速度为27 m/d；
每周周日检修，每月按22 d施工，则月掘进速度约594 m。

综上分析，由于该工程可能存在涌水、岩爆等问题，隧洞TBM掘进速度可适当保守，按月进尺500 m/月考虑。

由于西藏特殊地理条件和气候条件，以及该工程引水隧洞过沟段、穿越断裂段可能存在突涌水问题，隧洞埋深整体较大，局部洞段可能存在岩爆等问题，事前应做好地质预判并制定应急处理措施[8，9]，防范于未然，否则TBM机具遭损，将影响施工工期，同时建议在类似高海拔地区对TBM掘进机进行改进。

建议适当提高主机与后配套设备功率，使其功率略高于正常施工情况，以便在高围岩压力、高地应力等不良地质条件下保证掘进速度。

建议开发全自动化TBM，减少高寒、低压等恶劣环境下的施工人员劳动强度，考虑对送风系统增加氧气输送，以解决长隧洞高原缺氧问题。

猜你喜欢 进尺洞室掘进机 钢筋砼管片选型与管廊应变关系研究陕西水利(2022年9期)2022-11-29矿用悬臂式掘进机的轻量化设计研究西部探矿工程(2022年8期)2022-08-08基于爆破等效荷载的大型地下洞室群合理间距分析中南大学学报（自然科学版）(2022年6期)2022-08-01掘进机用截止阀开度对管路流动性能的影响科学与财富(2021年33期)2021-05-10大断面岩巷快速掘进技术研究视界观·上半月(2020年3期)2020-10-21谦比希铜矿大断面掘进爆破技术优化改进工程实践黄金(2020年6期)2020-09-10小修液压转盘在高升油田的应用及认识中国化工贸易·中旬刊(2018年10期)2018-10-21对悬臂式掘进机开发设计方向的分析中国新技术新产品(2016年20期)2016-12-08关于掘进机截割头的改进设计探讨山东工业技术(2015年21期)2015-11-04大规模压气储能洞室稳定性和洞周应变分析岩土力学(2014年5期)2014-05-18