隧道掘進機在水利工程中的應(yīng)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(shù)概述

全斷面隧洞掘進機(Tunnel Boring Machine,TMB)施工技術(shù)在20世紀(jì)50年代開始應(yīng)用于地下施工領(lǐng)域，并在20世紀(jì)70年代開始廣泛應(yīng)用。隧道掘進機施工機械和技術(shù)集機電、液、光、電氣等系統(tǒng)為一體，自動化程度高，掘進速度快，環(huán)保和綜合效益高，對于鉆爆法等傳統(tǒng)施工技術(shù)難以開展的地質(zhì)條件復(fù)雜的深埋長隧道掘進施工較為適用。隨著隧道掘進技術(shù)的發(fā)展，隧洞襯砌技術(shù)也得到相應(yīng)發(fā)展，對于穩(wěn)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(wěn)定性一般或較差的圍巖，應(yīng)采用隧道掘進開挖技術(shù)。

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(diào)水到嚴(yán)重干旱缺水的甘肅省中部干旱地區(qū)11個國家扶貧重點縣，解決該地區(qū)極其困難的城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水、農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水的大型調(diào)水工程。本標(biāo)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(biāo)段渠線長5629.22m。主要建設(shè)內(nèi)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(biāo)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(shè)計流量3.5m3/s。

2.2 地質(zhì)條件

本工程標(biāo)段不良地質(zhì)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(zhì)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(yù)測并提高對隧洞掘進機操作人員技術(shù)水平的要求，根據(jù)掘進機推力缸退推力取值的變化，隨時采取措施調(diào)整掘進機運行狀態(tài)，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(fù)雜地質(zhì)條件的超前預(yù)測與應(yīng)對。

8#-10#隧洞洞身圍巖巖性主要表現(xiàn)為新近砂質(zhì)泥巖。新近砂質(zhì)泥巖圍巖為Ⅴ類圍巖，性能相當(dāng)不穩(wěn)定，并主要呈泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，干燥時便凝結(jié)為塊狀，遇水時迅速泥化崩解，失水后又快速干裂，呈現(xiàn)出十分明顯的干濕效應(yīng)，項目取新近砂質(zhì)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(jié)理裂隙不發(fā)育，其結(jié)構(gòu)面巖層呈薄層-極薄層狀，產(chǎn)狀平緩，部分為中厚層，巖體完整。新近砂質(zhì)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(fēng)化帶等施工區(qū)域因發(fā)生滴滲水而局部潮濕。圍巖強度應(yīng)力比為0.87，在開挖施工的過程中，毛洞頂拱會因發(fā)生坍塌而掉塊、變形，因頂拱處圍巖缺乏自穩(wěn)能力，所以變形破壞較嚴(yán)重，在開挖后必須立即按設(shè)計要求支護處理，包括設(shè)置錨桿、超前管棚、掛網(wǎng)噴混凝土，局部洞段設(shè)鋼拱架支護等，為防止洞底泥化還應(yīng)及時封閉底拱，并將干硬性混凝土墊層設(shè)置在洞底。

地震所誘發(fā)的滑坡和黃土濕陷坍塌是引洮供水工程本標(biāo)段區(qū)域主要的不良物理地質(zhì)現(xiàn)象，綜合本工程地質(zhì)條件及隧洞實際情況，應(yīng)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(shù)[2]。

3 隧道掘進機施工

3.1 機械選型

引洮供水工程本標(biāo)段隧洞掘進開挖采用具有連續(xù)切割、出渣、裝載運輸、行走等綜合功能的日本三井三池生產(chǎn)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(xù)切割圍巖的最大抗壓強度在50MPa以內(nèi)。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(wěn)，并配有內(nèi)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(chǎn)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(gòu)、液壓系統(tǒng)和水系統(tǒng)、后支撐、電氣系統(tǒng)及第一運輸機等部分，三井三池MRH-S-50型掘進機構(gòu)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(wěn)定性能，鏟板部、行走部和第一運輸機的驅(qū)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(tǒng)的控制主要通過集成電路實現(xiàn)。三井三池MRH-S-50型掘進機性能參數(shù)，見表1。

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

表1 三井三池MRH- S-50型掘進機性能參數(shù)

3.2 隧洞開挖

引洮供水工程本標(biāo)段隧洞圍巖為新近粉砂質(zhì)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)按照由下至上的次序一次開挖成型，為防止開挖過程中產(chǎn)生的渣土覆蓋開挖輪廓線，應(yīng)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(cè)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(yīng)立即安排鋼拱架、錨桿、鋼筋網(wǎng)及超前管棚、支護等的施工，并采取24h輪班作業(yè)。本工程標(biāo)段隧洞圍巖開挖應(yīng)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(zhì)量。

3.3 超前管棚

根據(jù)本引水工程設(shè)計標(biāo)段隧洞圍巖情況，超前管棚長度應(yīng)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(shè)孔徑10-15mm、孔距300mm的注漿孔。為避免注漿過程中發(fā)生漏漿，最后管段尾部1.0m以內(nèi)不應(yīng)設(shè)置注漿孔，本標(biāo)段隧洞所設(shè)置的管棚中心距500mm。

為確保超前管棚鉆孔及安裝精度，還應(yīng)增設(shè)設(shè)計厚度100mm、長2m的C25混凝土套拱，拱內(nèi)按600mm的間距設(shè)12#工字鋼拱架，并在拱架上加焊長度2m的無縫鋼管為導(dǎo)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(yīng)針對導(dǎo)向管設(shè)置外插角，角度控制在2°范圍內(nèi)。

3.4 支護

本標(biāo)段隧洞邊仰坡施工主要采用錨桿鋼筋網(wǎng)+C25混凝土噴射的聯(lián)合支護，錨桿為長度3.0m的φ22螺紋鋼，鋼筋網(wǎng)為200mm*200mm的φ8盤條網(wǎng)。隧道邊仰坡應(yīng)避免大挖大刷，并邊開挖邊防護，待開挖至拱頂標(biāo)高后，應(yīng)預(yù)留處套拱位置。按設(shè)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(shè)計要求，應(yīng)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(yīng)按0.6-0.8m的間距與φ22鋼筋連接，本標(biāo)段支護套拱采用4榀20#工字鋼，應(yīng)將其鋼架垂直度偏差控制在2°范圍內(nèi)，拱架與5mm厚度的鋼板連接，并按設(shè)計要求在每塊鋼板上增設(shè)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(dǎo)致套拱沉降變形，套拱實際尺寸應(yīng)在設(shè)計尺寸的基礎(chǔ)上增大5.0cm。

4 結(jié) 論

引洮供水工程八干渠標(biāo)段隧洞掘進機開挖施工的過程中，并不會對圍巖產(chǎn)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(jié)省，也便于對超欠挖的有效控制，能保證本工程八干渠標(biāo)段Ⅴ-Ⅵ圍巖開挖施工的安全性和經(jīng)濟效益的提升。全斷面隧洞掘進機施工技術(shù)在長隧洞及隧洞群施工方面具有傳統(tǒng)鉆進技術(shù)所不具有的技術(shù)優(yōu)勢，該技術(shù)在我國水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。