敞开式TBM在吉林省中部城市引松供水工程的应用

高乃东，陈中竹，宁鹏飞

(吉林省水利水电勘测设计研究院，长春130021)

0 引言

吉林省中部城市引松供水工程输水总干线采用自流输水，从丰满水库取水口向西南经过永吉县城南侧，穿过温德河、岔路河，从星星哨水库上游通过，至饮马河处设置分水口，分水入饮马河，自流入石头口门水库，经水库调节后向长春市东部城区、九台市、德惠市供水。输水总干线隧洞丰满水库取水口～饮马河自然段长近72 km，隧洞比降1/4300，采用圆形断面设计，平均成洞洞径6.8 m，主要采用3台敞开式TBM施工，分别为TBM1段、TBM2段TBM3段。TBM开挖洞径7.97 m，在丰满水库进口、温德河、岔路河和末端采用钻爆法施工。

1 TBM选型分析

1.1 TBM选型原则

中部城市引松供水工程设计对TBM的选型主要考虑如下原则，见图1。

TBM的选型原则有10点:①工程地质和水文地质条件;②断面形状和大小;③环境因素;④支护衬砌类型;⑤洞线走向及坡度;⑥工期、造价;⑦安全施工要求;⑧辅助工法和其它动力设备条件;⑨工人技术素质;⑩其它。

图1 TBM选型原则图

1.2 TBM主机选择分析

隧洞工程主要应用开敞式、单护盾和双护盾式TBM，它们的特点见表1，而适用于硬岩条件下的是开敞式和双护盾式TBM。

表1 3种TBM特点比较

工程上采用双护盾TBM还是采用开敞式TBM，是设计论证的一个关键问题。TBM选型诸多因素中，地质条件、衬砌型式、隧洞用途和造价是重点，但更为为关键的是地质条件。

研究国内外资料和经验，分析相关数据图表，依据岩体RMR数值判断，是掘进机选型的一种经验方法。其主要理论观点是开敞式TBM适合较好的岩石，护盾式TBM更适合破碎软弱岩石;开敞式TBM在破碎岩石条件下撑靴难以工作，护盾式TBM可利用管片向前推进，并有管片保护。TBM性能与围岩类别关系见图2。

图2 不同型式的TBM性能与围岩类别关系图

而本工程的围岩分类见表2。

表2 本工程围岩类别与RMR分值对照表

经分析，TBM1段Ⅱ、Ⅲ围岩占89.2%，TBM2段Ⅱ、Ⅲ围岩占84.8%，TBM3段Ⅱ、Ⅲ围岩占73.6%，本工程3台TBM按不同类别的围岩长度加权计算RMR分值，均在70以上。从国外的TBM选型经验来看(图2)，本工程TBM1、TBM2和TBM3段采用敞开式TBM是比较合适的。

3 施工布置

总干线丰满水库取水口～饮马河分水口段71 992 m主要采用开敞式TBM法施工，分3台TBM施工段，共设8条施工平支洞和1处施工竖井，分别为 1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#施工平支洞和小河沿竖井，其中3#、6#支洞为永久检修支洞，其他均为临时施工交通洞。

3.1 TBM分段

总干线丰满水库取水口～饮马河段总长约72 km，1台性能优良的全断面岩石掘进机主机大轴承的使用寿命一般为1.5万～2.0万h，其他大型结构件一般使用的寿命可掘进40～50 km，大修期限一般为13～20 km。

根据地质地形条件，温德河位于桩号23+448-24+304m，平均埋深在20m左右，Ⅳ、Ⅴ类围岩为连续860 m，比重较大，且有断层Fw17-2。岔路河位于桩号48+534-50+222，平均埋深为40 m左右，Ⅳ、Ⅴ类围岩共220 m，且有断层Fw24-1、断层Fw24-2和断层Fw3。饮马河隧洞出口以前其他洞段埋深相对较深，围岩类别相对较好。

针对工程具体情况，掘进机大轴承和大齿圈的寿命需保证完全掘通一条隧洞。由总干线丰满水库取水口～饮马河段工程的具体情况及目前掘进机的主要构件的使用寿命，丰满水库取水口到温德河段以TBM1为主，钻爆辅助开挖;温德河到岔路河段以TBM2为主，钻爆辅助开挖;岔路河到饮马河段以TBM3为主，钻爆辅助开挖。

3.2 支洞布置原则及方案

TBM中间辅助支洞布置主要考虑了以下5个原则:①便于在施工段中间对TBM全面进行检修、维护与保养;②缩短供电距离，减少电压降，确保供电的可靠性;③缩短出渣皮带长度和料物运输距离，降低工程造价;④缩短通风距离，减少风量损失，保证通风效果;⑤完成掘进段可先行二次模筑混凝土衬砌。

基于以上5项原则，总干线丰满水库取水口～饮马河段TBM施工共设置8条平支洞和一处施工竖井，分别为:TBM1段3#支洞、2#支洞、1#支洞;TBM2段 6#支洞、5#支洞、4#支洞;TBM3 段 8#支洞、7#支洞和小河沿竖井。

丰满水库取水口～饮马河隧洞TMB施工支洞见表3。

表3 丰满水库取水口～饮马河隧洞TBM施工支洞表

4 结论

在土地退化、资源短缺、环境脆弱的今天，当隧洞长度过长时，应优先采用隧洞掘进机法施工。掘进机的选型则主要考虑地质情况，在对地质条件进行深入分析后，对Ⅱ、Ⅲ围岩占掘进机开挖长度70%以上，或岩体RMR数值评价在70分以上，要优先考虑敞开式掘进机。

长大隧洞掘进机法施工相对于钻爆法可以减少施工支洞的布置数量，但要充分了解工程的地质、地形条件，充分认识掘进机性能。在掘进机效率充分发挥的同时，利用钻爆法处理浅埋、破碎带等不良地质地段。

［1］王梦恕，等.岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例［M］.北京:中国铁道出版社，2004.

［2］张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术［M］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［3］中国水利水电勘测设计协会.调水工程应用技术研究与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2009.

［4］袁光裕.水利工程施工:第三版［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.

［5］水利电力部水利水电建设总局.水利水电工程施工组织设计手册:第二版.第二卷(施工技术)［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.