乐滩水库引水灌区窑瓦——六浪隧洞TBM施工关键技术_王松茂.pdf

广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）0引言近年来，随着国家多项重大引水工程的兴建，长距离输水隧洞工程修建日益增多，在施工方法的选择上，TBM有较大优势，其机械化程度高，掘进速度为钻爆法的36倍，独头掘进距离可达20 km以上，但TBM对地质的适应性相对较差，对于复杂地质长隧洞采用TBM施工，需根据隧洞地质条件和结构特点，对TBM设备选型以及排水、出渣、不良地质处理等关键技术问题进行研究，提出解决方案，达到安全施工、工期缩短和节省成本的目的。对于TBM施工关键技术问题，国内有专家、学者开展了相关研究，杜立杰1总结了TBM穿越断层破碎带、软弱变形、涌水等不良地质洞段取得的施工新技术；刘飞香等2总结了针对不良地质进行TBM研制和采用超前注浆、管棚支护等处置措施。但不同工程因隧洞结构、功能和地质条件的差异，施工技术措施也有所不同。本文以桂中治旱乐滩水库引水灌区窑瓦六浪隧洞TBM施工段为工程背景，针对高地下水位、岩溶发育洞段、大断层破碎带等复杂地质条件，对长距离出渣运输、大流量施工排水、超前地质预报方法、岩溶涌水处理和断层破碎带掘进等关键技术问题进行分析研究，提出应对措施，确保TBM高效安全掘进。1工程概况1.1隧洞设计方案桂中治旱乐滩水库引水灌区一期工程北干渠标段窑瓦六浪输水隧洞总长23.746 km，为无压隧洞，采用TBM和钻爆法联合施工，TBM施工段长11.898 km，隧洞开挖直径5.94 m，纵坡i=0.025%，锚喷支护作为隧洞永久支护结构，局部不良地质洞段增加二次混凝土衬砌。TBM采用上坡掘进，从六浪隧洞出口（B26+194.283）组装始发，首先空推步进通过1.038 km钻爆法导洞，然后掘进11.898 km（B13+264.5B25+155.55），最后空推步进通过北泗钻爆法洞段1.545 km（B11+720B13+264.5），到达北泗拆卸竖井吊出。TBM施工段布置示意图见图1。图1TBM施工段布置示意图1.2工程地质条件TBM施工段地形地貌为峰丛洼地山区，横穿1乐滩水库引水灌区窑瓦六浪隧洞TBM施工关键技术王松茂，甘宇程（广东水电二局股份有限公司，广州511340）摘要以乐滩水库引水灌区窑瓦-六浪隧洞TBM施工为例，根据工程特点和复杂地质条件，着重阐述了施工关键技术：TBM施工排水系统布置；长距离连续皮带机出渣技术；采用TST、三维电阻率法、水平取芯钻探相结合的综合超前地质预报方法；针对溶洞、涌水、大断层破碎带等不良地质采取的施工措施。实践表明所采取的施工技术效果良好，确保了TBM施工顺利贯通。关键词TBM施工；关键技术；排水；连续皮带机；超前地质预报；不良地质；乐滩水库引水灌区中图分类号TV554.2文献标识码A文章编号1003-1510（2023）02-0063-05收稿日期2022-07-26作者简介王松茂（1972-），男，湖南双峰人，广东水电二局股份有限公司高级工程师，学士，主要从事水利水电工程施工管理工作。施工技术 63DOI:10.16014/ki.1003-1510.2023.02.006王松茂，甘宇程:乐滩水库引水灌区窑瓦六浪隧洞TBM施工关键技术条宽度近14 km的南北走向的山梁，距红水河1520 km，地面高程160470 m之间，地面岩溶洼地较发育，并在洼地内发育有较多的落水洞，隧洞埋深为150400 m。沿线主要地层有石炭系、二迭系、三迭系及第四系，基岩以灰岩、泥质条带灰岩、含燧石灰岩、白云质灰岩等可溶岩层为主（占 80%90），其余为砂岩、硅质岩、泥岩类地层，在合山组（P2 h）地层中夹多层煤；岩层受构造影响强烈，褶皱、断裂及节理裂隙比较发育；岩层走向以N2040E为主，以倾向北西或南东为主，倾角以2030为主，构造挤压强烈处可达6080。弱微风化岩石平均单轴饱和抗压强度在5080 MPa之间，、类围岩约占 81%，、类围岩分别约占18.0%、1.0%。沿线部分岩溶发育，溶洞涌水（泥）可能出现洞段主要在下丹洼地段（桩号18+30019+100和桩号24+00024+200洞段）。主要不良地质条件为岩溶涌水、断层破碎带等。1.3TBM设备选型TBM施工段主要位于地下分水岭以下非岩溶化或弱岩溶化地带，根据隧洞衬砌设计，选用一台敞开主梁式TBM施工，敞开式TBM护盾短，刀盘附近有足够的空间来实施临时支护，可应用新奥法原理对不稳定围岩及时有效地支护，具有较强的地质适应性。TBM主机长25 m，整机长190 m，主机重300 t，整机重750 t，后配套台车共10节，关键技术参数如表1所示。表1TBM设备主要技术参数参数名称开挖直径/mm滚刀尺寸/cm滚刀数量/把主机功率/kW刀盘转速/（r/min）刀盘转矩/（kNm）脱困扭矩/（kNm）刀盘最大推力/kN掘进行程/mm最大推进速度（mm/min）油缸总推力/kN撑靴最大支撑力/kN参数值5970/5940（新刀/磨损后）43.1848.26（1719英寸）4（17英寸）+34（19英寸）198005.4410.835011200（4300）11 837180015017 34036 4842TBM施工排水系统布置2.1隧洞涌水量分析根据设计地勘资料，TBM施工段涌水或渗水以滴水、渗水以及线状流水为主，可能发生较大涌水为断层破碎带、褶皱轴部、裂隙密集带以及岩溶发育部位，预测洞内常规涌水量为0.030.05 m3/（skm），单点涌水量为0.20.5 m3/s，洞内最大可能涌水量约为1.0 m3/s。2.2排水系统布置按照“确保出现1.0 m3/s涌水量时设备安全和尽可能增加正常掘进排水能力”的原则布置：（1）TBM后配套电气设备布置高度不低于1.5m，当洞内涌水量达到1.0 m3/s（对应水位高1.2 m）时，TBM电气系统不会被淹受损。（2）充分利用TBM上坡掘进的有利条件，以自流排水为主，抬高洞内运输轨道，增加隧洞底部过流断面，当洞内水位达到轨面时，隧洞过流断面为1.68 m2，经计算自流排水量为0.29 m3/s。洞内排水断面示意图见图2。图2洞内排水断面示意图（3）强制排水辅助措施。布置2台76 kW离心泵（16.3 m3/min）接力往外排水，排水钢管300 mm，一台安装在TBM后配套台车上，另一台布置在隧洞中间，经计算强制排水量为0.06 m3/s。按以上排水措施，当洞内涌水量不大于 0.35m3/s时，TBM能正常掘进；当洞内涌水量在0.351.0 m3/s范围内仍能确保TBM设备安全，但须停机对涌水进行封堵处理，达到正常掘进条件后再恢复掘进。2.3应用效果TBM掘进至桩号B22+671处突遇地下暗河支管涌水，单点最大涌水量为0.13 m3/s，洞内总涌水量为0.21 m3/s，洞内水位高度0.9 m，TBM掘进没有受到水淹的影响，在其他洞段掘进时，轨枕以下过流断面能满足正常排水。3长距离连续皮带机出渣技术64广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）3.1出渣方式选择目前工程上TBM施工出渣方式主要有内燃机车有轨列车运输和连续皮带机运输两种，本工程利用隧洞出口明渠基坑扩挖作为TBM装组、掘进施工场地，基坑深13.1 m，坡比1 1.5，原设计方案采用窄轨内燃机车、出渣车及液压翻车机联合出渣方式，缺点有：隧洞距离长、洞径较小，列车编组运输强度大、效率低、故障率高，TBM掘进慢；出口明渠基坑地势低，不适合布置卸料平台，渣料需二次转运，运输成本高；隧洞内高频使用大功率内燃机车废气排放污染大。经比较，选择连续皮带机出渣方式，优势更加明显：出渣连续，运输距离远，TBM利用率高，掘进快；维护管理简单，故障率低，维护人员少，劳动强度低；没有大功率内燃机车尾气对隧洞空气的污染；渣料直接通过洞口转接皮带运至弃渣场，无须二次转运。3.2连续皮带机主要参数TBM施工出渣距离为12.929 km，按TBM最大掘进速度150 mm/min、开挖洞径5.94 m、岩石密度2600 kg/m3计算，TBM最大出渣量为648 t/h，参考类似工程施工经验，选用的连续皮带机主要技术参数如表2所示。表2连续皮带机主要技术参数参数名称输送能力/（t/h）岩渣粒径/mm带速/（m/s）装机功率/kW皮带宽度/mm皮带储存仓/层储存能力/m数值65503503.05 m/s1200（4300）76286203.3连续皮带机布置连续皮带机由主驱动、首尾驱动、皮带储存仓、机架、皮带机移动尾部、胶带、控制装置、张紧装置、硫化台等组成，连续皮带机机架安装在隧洞左侧腰部，采用方钢三角架4.5 m支撑在洞壁上，皮带安装高度距离洞底1.86 m，保证列车运行和洞内排水（见图3）。主驱动、皮带储存仓、张紧装置、硫化台布置在隧洞出口组装场地内，皮带出洞后按2.5%的坡度逐渐抬升，尾端卸料斗高度不少于3.5 m，在其下方安装转接皮带往基坑顶弃渣场运输渣料，转接皮带安装坡度为12%（见图4）。图3主洞皮带机图4隧洞出口转接皮带机3.4连续皮带机运行效果连续皮带机的启动和停机由TBM操作手控制，掘进时可延伸安装皮带架，TBM掘进约250 m续接一次皮带，采用双头硫化快速连接技术，每次硫化仅需TBM停机10 h。设置专门班组负责皮带机来回巡视，严格按照操作规程每天与TBM同步维护保养，掘进期间除在桩号B21+892因围岩掉块损坏皮带架停机1 d外，没有因皮带机设备故障影响TBM掘进，极大地保证了TBM掘进效率。4超前地质预报方法4.1超前地质预报必要性TBM施工段沿线地形地貌为峰丛洼地山区，埋深较大，由于前期地质勘察钻孔仅布置在重点部位，钻孔间距较大，存在地质资料精度不足的问题，而岩溶地层复杂多变，不可预见的不良地质对TBM掘进构成较大安全风险，要求通过超前地质预报准确掌握前方围岩条件，针对不良地质提前采取处理措施，避免或降低地质灾害风险。4.2综合超前地质预报方法重点探测岩溶水、断层破碎带等不良地质，采65王松茂，甘宇程:乐滩水库引水灌区窑瓦六浪隧洞TBM施工关键技术用物探、钻探相结合的综合超前地质预报方法，实施步骤如下：（1）采用对含水地层较为敏感的TST技术3作长距离宏观控制性预报，探测距离100 m，同时结合已开挖洞段地质素描、TBM掘进参数、渣土性状预报前方地质情况，作为TBM掘进的主要依据。（2）根据（1）项判断疑似前方有溶洞、地下暗河、断层破碎带等不良地质时，从掌子面采用对含水构造更为敏感的三维电阻率法探测不良地质赋水情况，探测距离约为30 m。（3）当TBM掘进临近不良地质体时，拆除刀盘中心滚刀，采用电动潜孔钻机从刀盘中心位置水平钻孔取芯探测（76 mm），通过对岩芯、钻进速度、岩渣岩粉特征、冲洗液颜色、含泥量、涌水量大小、钻杆是否突进等情况分析判断，探测距离2030m；通过钻孔直观判断不良地质体位置及规模，为TBM掘进和超前处置提供准确依据。4.3应用效果应用上述综合超前地质预报技术，发现两处未探明的大型不良地质：桩号B22+671地下暗河支管和桩号B17+841处长103.2 m的断层破碎带，经提前采取措施确保TBM顺利通过。5溶洞段掘进和涌水处理5.1溶洞段掘进TBM掘进揭露溶洞段有11处，规模不大，溶洞宽度1.05.0 m，充填物为含碎石土，对于未出现大涌水的溶洞采取加强支护直接掘进通过。5.2涌水处理岩溶涌水主要为岩溶管道涌水，对不影响掘进的较小涌水点（0.1 m3/s），待TBM掘进后采取注浆封堵处理；当掌子面突涌水导致TBM不能正常掘进或超前地质预报前方可能有大涌水时，根据围岩情况采用不同的超前注浆方法封堵：围岩稳定性好，在距离涌水部位约5 m处停止掘进，整机后退510 m，施工人员进入刀盘前方，对掌子面采取全断面超前钻孔注浆4；围岩稳定性较差，在护盾尾部对前方涌水部位钻孔注浆（见图5）。浆液根据涌水情况选用水泥浆、砂浆、双液浆和聚氨脂化学浆液。6长距离断层破碎带掘进技术TBM掘进至桩号B17+841时，遇103.2 m长的断层破碎带，以土夹石地层为主，自稳性非常差，少量渗水，围岩承载力低，TBM掘进过程中发生顶拱和侧墙围岩坍塌、护盾被压缩不能顶升、撑靴挤压侧墙围岩变形严重，撑靴侧滑无法掘进，仰拱遇水软化导致钢拱架下沉等问题，采取以下掘进措施：（1）拱顶135范围打入32 mm自进式注浆锚杆超前支护（见图6），防止拱顶土体坍塌；盾尾钢筋排采用2250 mm，长4.0 m，H15钢拱架间距分为300、450、900 mm 3种规格，视地层稳定情况选用。图6超前自进式锚杆布置示意图（2）TBM掘进时，在拱顶两侧（拱顶110位置）径向打入双排22插筋（100 mm，L=1 000 mm），梅花型布置，排距100 mm，防止拱顶围岩从钢筋排与洞壁的空隙处掉落引起坍塌，清理洞壁撑靴范围松散渣土厚 300 mm，挂钢筋网 8150 mm150mm，喷射C25混凝土回填，提高侧壁围岩承载力，分上、中、下清理与喷射混凝土，以减少围岩暴露时间，快速封闭。侧壁换填完成后，在仰拱90范围泡水软化的基础（厚300500 mm），铺设钢筋网8150 mm150 mm，喷射C25混凝土回填，防止拱架下沉。围岩加固示意图见图7。（3）仰拱基础喷射混凝土换填后，按设计要求安装钢拱架、施打系统锚杆、挂网，全环喷射C25混凝土封闭，TBM撑靴支撑在喷射混凝土洞壁上，以小推力、大扭矩的模式连续匀速掘进，尽量控制图5盾尾超前注浆孔布置示意图66广西水利水电 GUANGXI WATER RESOURCES&HYDROPOWER ENGINEERING 2023（2）TBM每次停机时间不超24 h。通过以上技术措施，TBM安全掘进通过了桩号B17+841处长103.2 m的断层破碎带此，耗时150 d，平均日掘进0.6 m以上，未发生TBM卡机、下沉、围岩严重坍塌等事故，相比原设计采用旁洞法处理断层方案节省工期6个月和施工成本约300万元。7结语桂中治旱乐滩水库引水灌区窑瓦六浪隧洞TBM掘进历时38个月，于2020年1月顺利贯通，针对工程特点及岩溶发育、断层破碎带等不良地质条件，所采用的长距离连续皮带机出渣、大流量施工排水布置、综合超前地质预报方法、溶洞及涌水处理、断层破碎带掘进等关键技术措施在施工中发挥了重要作用，实用性强，效果显著，可以为类似工程提供参考。参考文献1杜立杰.中国TBM施工技术进展、挑战及对策J.隧道建设，2017（9）：1063-1075.2刘飞香，于洋.某隧洞工程TBM不良地质处置探究J.隧道建设，2019（9）：1515-1522.3冯兴龙，陈方明，谢冕，等.TST超前地质预报技术在N-J工程中的应用J.人民长江，2014（1）：66-68.4王松茂，甘宇程.TBM隧洞岩溶涌水超前处置施工技术研究J.广西水利水电，2019（6）：40-42，46.（责任编辑：刘征湛）图7围岩加固示意图Key techniques for TBM construction of Yaowa-Liulang tunnel inLetan Reservoir Irrigation ZoneWANG Song-mao,GAN Yu-chen(Guangdong No.2 Hydropower Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 511340,China)Abstract:Taking the TBM construction of Yaowa-Liulang tunnel in Letan Reservoir Irrigation Zone as example,according to the features and complex geological conditions of the project,the key construction techniques were presented including the arrangement of TBM construction drainage system,the slagging technique of long-distancecontinuous belt conveyor,the synthetic advanced geological forecast methods combining TST,3D resistivity methodand horizontal coring drill,and the construction measures in view of the adverse geological conditions such as cavern,gushing water in tunnel and large fault fracture zone.Practice show these construction techniques render goodeffects and ensure smooth TBM construction.Key words：TBM(Tunnel Boring Machine)construction;key technique;drainage;continuous belt conveyor;advanced geological forecast;adverse geology;Letan Reservoir Irrigation Zone67