黄蓉蓉 杜功宝

(1.黄河万家寨水利枢纽有限公司,山西 太原 030001; 2.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

1 工程概况

新疆北疆某引水隧洞工程项目线路总长度43 703 m。海拔高程698 m～1 410 m，相对高差712 m，洞室最大埋深为718 m，隧道围岩岩性为华力西期变质黑云母斜长花岗岩，花岗斑岩，次块状～块状构造，岩石中石英含量一般25%～30%，岩石坚硬，隧道围岩级别为Ⅲ级～Ⅴ级。组装洞段长80 m，断面型式为蘑菇形，断面尺寸13.2 m×16.9 m，设计围岩为Ⅱ类围岩。揭露围岩岩性为华力西期变质花岗岩，黄褐色，岩石呈碎块状、次块状结构，节理裂隙发育，裂隙多以黑云母、石英充填，沿裂隙面以线状水为主，裂隙中云母遇水软化，整体围岩破碎，稳定性差。

隧道采用两台TBM φ7.93 m敞开式TBM施工，TBM2掘进长15 150 m，TBM3总掘进长23 550 m。其他洞段采用钻爆法施工，包含TBM组装段、检修段、通过段等，总体工程分段平面图见图1。施工总体组装方案为一洞双机施工，两台TBM为中铁工程装备集团生产的敞开式TBM，总长298 m，总重量约1 500 t，由刀盘、主机、后配套、加利福尼亚道岔等组成。考虑到一洞双机，TBM施工的特殊性，因此有必要对施工方案开展单独的分析设计。

2 TBM掘进施工工艺特点

1)施工速度快：TBM可以实现连续掘进，可将掘进、出碴、初期支护等作业同时完成，并且可一次成洞，掘进效率高、速度快；2)施工质量高：隧道掘进机是一种机械破岩机，它避免了爆破作业对围岩的干扰。洞壁完整光滑，超挖量小，减少了混凝土衬砌施工；3)经济效益好：超长隧道施工速度快，工期短，极大地提高了经济效益和社会效益，降低了运营后的运维费用；4)安全施工：TBM施工改善了工人的工作条件，体力劳动显著减少，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，减少了安全事故的发生；5)环保施工：减少了特长隧道中斜井等辅助设施，从而减少了对环境造成的破坏，减少了灰尘和垃圾，施工环境好；6)出碴能力强：TBM施工段采用连续皮带机出碴，可最大限度地保证TBM的高效率掘进；7)系统化程度高：TBM系统的所有子系统应同时运行。任何一个环节的不协调或运行失调都会导致整个系统的运行失调；8)初支速度快：TBM施工开挖与初期支护同步进行，减少了围岩的暴露时间，较好地实现了新奥法施工原理；9)导向精度高：TBM导向采用国际先进的导向系统，可以实时监控；掘进方向可及时/随时调整，保证隧道轴线在设计允许偏差范围内；10)信息智能化程度高：TBM主机监控系统通过可视化系统显示TBM掘进过程中的机械运行参数和运行状态，并将数据传输给地面管理部门，以此实现对TBM运行的实时监控；11)施工管理人员素质要求较高:TBM是电气工程、机械工程、地质工程及隧道施工等多学科综合施工设备，这就要求施工管理人员具有较高的施工管理技能和全面的施工管理知识，才能顺利完成施工任务。

3 TBM掘进方案设计

考虑到一洞双机，TBM施工的特殊性，在各系统正确操作的基础上，进行TBM的掘进和相应的支护工作，掘进机施工流程如图2所示。

1)TBM掘进机在掘进施工过程中，应依据工程地质图纸、石碴情况、上一循环的掘进参数和附近的超前隧洞的工程地质条件，准确判断掌子面围岩状态，选择合理的掘进方式和参数。如有必要，可采用超前地质探测，进一步确定前方围岩状态。2)选择掘进参数。根据确定的掌子面的围岩状态，选择推力、刀盘转速、撑靴压力等掘进参数。在掘进过程中，根据实际的掘进参数的变化来判断围岩的变化，并进行相应的调整。同时结合我单位TBM施工经验，使掘进参数与围岩条件达到最佳匹配。3)启动掘进机各部件的声、电报警系统，指示已进入工作状态。依次启动洞内连续皮带机、皮带连接桥皮带机、主机皮带机，并确定其运转正常；启动主轴承的油润滑系统、各个相对移动部位的润滑系统。4)水平支撑撑紧，收起后支撑，空载启动刀盘。5)将刀盘慢慢推近掌子面。确认刀头接近掌子面后，选择合适的刀盘推进速度和转速进行掘进施工。启动叶片洒水系统，在叶片接触岩石表面之前将水喷到岩石上。6)控制室里的工作人员应时刻监控TBM掘进过程中各参数及石碴状态的变化。根据TBM设备的掘进参数和前方围岩的预测情况，选择合适的掘进参数，包括刀盘转速、推进力、变频电机频率、掘进速度、皮带机转速等，并根据围岩情况变化及时调整。专职安全员进行各设备的运行检查，保证设备运行安全。7)换步、调向。掘进开挖完成后,停止前进，将刀盘后退约3 cm～5 cm、停止刀盘旋转,伸出后支撑撑紧洞壁，撤回水平撑靴油缸使支撑靴板离开洞壁,收缩推进油缸推动水平支撑向前移动一个行程。用支撑靴再次撑紧洞壁，用连接桥和后配套连接油缸拖拉后配套到位，换步，重复开挖准备，开始下一个开挖行程。

该敞开式TBM的调向过程可以在换步完成后利用水平撑靴支撑洞壁进行调整，也可以在掘进过程中进行微小的调整。TBM主司机可在换步过程中，根据测量导向系统上显示的上一循环结束时TBM的方位和本掘进循环的调向参考值调整TBM的姿态，确保行驶方向控制在允许范围内。

4 结语

本文以新疆北疆某引水隧道为研究对象，针对一洞双机的施工特点，首先分析了TBM施工的工艺特点，包括施工速度、施工质量、综合经济效益及系统化程度等；然后根据工程地质条件、上一循环掘进参数及隧道超前地质预报情况，对掌子面围岩状态做出判断，选择相应的掘进模式及掘进参数，对隧洞的施工方案进行设计。工程开挖实际表明，该工程2台TBM在后续的掘进过程中，均表现出安全、高效、快速的开挖状态，可为国内同类工程提供了参考。