TBM在水工隧洞中的应用.doc

水利水电工程施工组织设计规范修订专题报告TBM在水工隧洞施工中应用全断面掘进机又称隧洞掘进机（Tunnel Boring Machine,简称TBM），是一种靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚动刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成型的隧洞工程施工机械。TBM依靠机械的强大推力和剪切力破碎岩石，使隧洞掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序平行作业，实现一次成洞。TBM具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，广泛应用于水利、水电、城建、交通等行业。TBM施工采用激光导向、滚刀切削、自动出碴、衬砌和灌浆，各工序可同时作业，掘进速度就是成洞速度。在长隧洞工程施工中使用掘进机有以下优点：作业人员少，掘进速度快（现最高日进尺已达128m）；无需考虑施工支洞，对深埋隧洞尤其有利；成洞质量好，无超欠挖现象，可减少衬砌工程量；施工安全，由于掘进机施工时对围岩扰动小，与钻爆法相比可使围岩类别相对提高1类，从而减少了塌方事故的发生；掌子面附近粉尘少，有害气体含量低，改善了作业环境；操作容易实现集中控制、远程控制、自动控制和无线电控制。从20世纪60年代开始，我国掘进机开挖隧洞，经历了科研、实验、工程应用等几个阶段，先后在西洱河一级、引滦工程中的新王庄隧洞、天生桥二级引水隧洞、引大入秦30A隧洞、山西引黄入晋输水隧洞等工程中应用。但是目前使用较成功的还是进口掘进机，国产掘进机使用尚较少。1表 我国掘进机开挖隧洞工程情况表工程名称施工时间（年）洞径（m）断面面积（m2）用掘进机掘进长度（m）岩石及抗压强度（MPa）掘进机状况平均进尺（m）日最大进尺（m）月最大进尺（m）型号机器作业率（%）日月新王庄隧洞198119835.826.21444.5白云质、硅质灰岩：80160SJ58A11.83.039319.85201.53古人庄隧洞5.826.21247砂页岩：40120SJ58A20.73.299.7521.35213.4天生桥二级引水隧洞1985198710.892隧洞长9520石灰岩、白云岩砂页岩：100罗宾斯3.27022.36242引大入秦盘道岭隧洞19861992圆拱直墙宽4.8m，高5.15m隧洞长15723砂岩，砂砾岩夹砂质黏土岩，粉砂岩、类180型双护盾101214引大入秦30A隧洞199019924.818.111649结晶灰岩，板岩夹千枚岩，砂砾岩，泥质粉砂岩，砂岩，黄土：2.79133.7罗宾斯4097065.61300.8秦岭线199819998.860.83685片麻岩，花岗岩：78325TB880E11.3228340.6山西引黄199720014.918.986865砂岩，白云质灰岩，页岩：30100罗宾斯45.2113099.4水利水电工程施工组织设计规范修订专题报告山西引黄入晋工程是一项大型跨流域引水工程，输水线路总长452.6km。工程分为二期施工。由万家寨水库、总干线、南干线和联接段等几部分组成。输水线路总长451.91km，其中输水隧洞总长约213km（深埋长隧洞125km），大部分采用TBM开挖。表6中列出了进口掘进机在引黄工程中的应用情况，其中总干线#6、#7、#8隧洞长约20km。在万家寨引黄工程长隧洞施工中使用了6台进口TBM进行掘进，总进尺约115km。表 进口掘进机在万家寨引黄工程中的应用工程名称掘进机型号地层岩性开挖直径（m）长度（m）最高日进尺（m）最高月进尺（m）说明总干线#6隧洞美国Robbins灰岩白云岩5.4606.6065.501024双护盾掘进机总干线#7隧洞美国Robbins灰岩白云岩5.4602.6865.501024双护盾掘进机总干线#8隧洞美国Robbins灰岩白云岩5.46012.1765.501024双护盾掘进机南干线#4#6隧洞美国Robbins灰岩白云岩4.9204.8206.8826.4014.5572.8067.791189双护盾掘进机南干线#7隧洞美国Robbins和法国NFM灰岩砂页岩4.8804.89542.3848.2751.04995866双护盾掘进机联接段#7隧洞美国Robbins灰岩白云岩4.81913.5272.00双护盾掘进机在引黄入晋工程建设中，TBM施工的工期、质量、投资基本达到预期目标，充分显示了TBM施工快速、优质、经济、安全的优点。特别是TBM在南干线5号洞创造日进尺99.37m，并创造了月成洞18251.51m的同断面TBM世界新记录。在引黄工程中曾遇到土洞、溶洞、膨胀岩、红粘土及断层破碎带各种不良地质洞段，导致TBM停工和进尺受限，但都较好地解决了，取得了一定的经验与教训。 目前世界上已有30多个国家使用掘进机开挖隧洞。从理论上讲，岩石掘进机可以适用各种水平和倾斜隧洞的施工，但从经济和技术的综合角度考虑，其使用范围受到一定的限制。探讨如下：隧洞洞径和洞长问题1)据不完全统计目前国内外已生产岩石掘进机，其适用洞径为1.9811.25m，且国外经验认为隧洞直径以510m为最佳，其直径在24m时隧洞长度应大于0.8km；直径大于4m时隧洞长度宜2km以上，或认为开挖长度大于600倍洞径是较经济合理的。单机掘进最佳长度为10km左右。 2)从国外4个主要制造公司生产101种不同规格的掘进机分析，掘进洞径小于6.7m的机种占85%；洞径9m以上的机种仅占5%左右。 3)从采用掘进机施工的工程实例资料分析，使用9m以上直径掘进机的工程比例很小，且直径9m以上掘进机的平均自重高达160t/m，较之36.7m直径的掘进机的平均自重高出很多，增长了1.53倍，从而制造和运输都很困难。 4)大直径掘进机购置费用高，经济风险大。 5)若隧洞长度太短，掘进机的制造或购置费用占施工总费用的比例大，且掘进机的安装准备时间占掘进机总工期的比例也必然较大，远不如钻爆法经济合理。从美国35条隧洞的施工成本曲线（钻爆法12条，掘进机法23条）分析。当隧洞长度3km6km时，掘进机施工成本下降最快。另据国外有关资料介绍，当隧洞长度超过洞径600倍且岩性在中硬范围内，掘进机施工比钻爆法施工更为经济。隧洞断面型式更适用于圆形隧洞，亦可施工城门洞形隧洞。围岩地质条件1)国内外多年的施工实践证明，掘进机对复杂地层的适应性差，尤其是在塌陷、涌水、暗河地段掘进易发生事故，掘进速度及变换施工方法的适应性等方面远不如钻爆法。2)掘进机虽可在抗压强度达250MPa的硬岩中掘进，但耗刀率及费用较在抗压强度为100MPa的中等硬岩中掘进高约5倍。实践证明，TBM适用于中硬岩层的开挖，掘进机在岩石抗压强度30150MPa范围内使用的经济效果最佳。当岩石的抗压强度超过150MPa时，将导致掘进机刀具磨损加剧，掘进速度降低，从而使掘进机施工成本提高。而当掘进机通过自承能力较差围岩时，如土层、断层破碎带、溶洞等不良地质条件时，会发生机头下沉，拱顶坍塌，甚至会埋没TBM等严重后果。 综上所述，在地下工程施工中，符合下列情况，可研究掘进机施工的合理性：洞径3m12m，独头掘进长度超过3km或大于600倍洞径；圆形或城门洞形断面，洞线比较顺直无较大弯道； 围岩类别宜为类；岩溶不发育，断层破碎带较少；岩石平均抗压强度宜在30MPa200MPa之间；地下水涌水量小于30L/s。全断面掘进机（TBM）是近几十年来国外发展起来的一种高效、先进的隧洞开挖设备。适用于中硬岩石的长隧洞开挖。盾构掘进机适用于软弱地层的掘进（即盾构法），可应用于穿河、地下引水、排水和蓄水等水工隧洞施工。盾构掘进机可以开挖标准断面，也能开挖异型断面，可开挖平洞，也可开挖20%30%的斜洞。目前开挖直径已达14.14m，最大埋深130m，承受最大外水压力1MPa，单机掘进长度已达20km。引大入秦工程，直径4.8m，月进尺达1225m，使用效果很好。南水北调中线穿黄工程也计划采用盾构掘进机。在地下水位