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    鄂北水资源配置工程宝林隧洞TBM施工方法初探

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    鄂北水资源配置工程宝林隧洞TBM施工方法初探

    设计施工 水利规划与设计 2018年第7期 DOI10.3969/j.issn.16722469.2018.07.045 鄂北水资源配置工程宝林隧洞TBM施工方法初探 罗 岚,沈立群 湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北武汉430064 摘要宝林隧洞是鄂北地区水资源配置工期最长的节点性工程之一,为最大限度减少工程建设对生态环境的影 响,采用TBM施工。文章根据宝林隧洞的地质和施工条件,对开敞式TBM和双护盾式TBM进行了比较,发现宝 林隧洞适合采用开敞式TBM施工;结合开敞式TBM的施工工艺,初步探讨了宝林隧洞开敞式TBM施工方法。 关键词宝林隧洞;TBN;开敞式;施工方法 中图分类号TV672.1 文献标识码B 文章编号167224692018070161.04 鄂北水资源配置工程是国家重点推进、优先实 施的172项重大水利工程之一,输水线路上共有隧 洞55座,合计长度119.43km,占线路总长的 44.3%。其中宝林隧洞连续洞长13.84km,是工程 沿线工期最长的节点性工程之一。宝林隧洞纵坡为 1/9600,沿程输水流量为3.5m3/s。隧洞沿线地面 高程118.3750m,相对高差630m左右,为中低 山地形。隧洞最大埋深647m,平均埋深239m。围 岩多以Ⅱ~Ⅲ类为主,岩性为白云钠长片麻岩、混 合片麻岩和黑云奥长混合片麻岩;进出VI和断层破 表1宝林隧洞围岩工程地质分类 桩号 长度/m 围岩分类 工程地质条件 围岩为下元古界红安群七角山组Pt.q白云钠长片麻岩,呈强风化状,上覆岩体厚lO一 244650245350 700 V 15m,围岩极不稳定。 围岩为白云钠长片麻岩,呈弱风化一新鲜状,地下水活动轻微,上覆岩体厚30~130m,岩 245350~246150 800 III 体较完整,围岩局部稳定性差。 围岩为混合片麻岩,呈新鲜状,上覆岩体厚127205m,洞身有断层F30、F31通过,围246150247500 1350 IV 岩不稳定。 围岩为混合片麻岩,呈新鲜状,地下水活动轻微,上覆岩体厚100600m,岩体较完整,围 247500253450 5950 II 岩基本稳定。 围岩为黑云奥长混合片麻岩,呈新鲜状,上覆岩体厚30一80m,洞身有断层F32通过,围 253450254350 900 III 岩局部稳定性差。 围岩为太古界桐柏山群黄土寨组Arh黑云奥长混合片麻岩,呈新鲜状,上覆岩体厚60一 254350257600 3250 II 270m,岩体较完整,围岩基本稳定。 围岩为太古界桐柏山群黄土寨组Arh黑云奥长混合片麻岩,呈新鲜状,上覆岩体厚20~257600258100 500 III 70m,围岩局部稳定性差。 围岩为太古界桐柏山群黄土寨组Arh黑云奥长混合片麻岩,呈强风化状,上覆岩体厚10~258100258220 120 V 15m,围岩极不稳定。 围岩为黑云奥长混合片麻岩,呈新鲜状,地下水活动轻微,上覆岩体厚20~70m,岩体较完258220258450 230 III 整,围岩局部稳定性差。 围岩为太古界桐柏山群黄土寨组Arh黑云奥长混合片麻岩,呈弱风化状,上覆岩体厚5258450~258490 40 V 15,围岩极不稳定。 收稿日期2018-05.10 作者简介罗岚1981年一,女,工程师。 161 万方数据 2018年第7期 水利规划与设计 设计施工 碎带为Ⅳ~V类,成洞条件相对较差。隧洞横断 面型式为城门洞形及圆形,过水断面净宽3.2 6m。 宝林隧洞上覆中华山国家森林公园,地势高, 山体雄厚,若采用传统爆破方式施工,对周边生态 环境将会产生较大破坏,而从自然环保、区域地形 等方面都不利于布置施工支洞。为最大限度减少工 程建设对生态环境的影响,最终采用采用钻爆法与 TBM法全断面隧道钻掘机掘进联合施工。进出 II合计3.24km岩石条件差,采用钻爆法施工;中 部Ⅱ~Ⅲ围岩段长10.6km,采用1台TBM施工。 TBM工法在湖北省水利工程上投入使用尚属首创, 其施工方法对水利工程建设新技术、新设备、新工 艺的探索实践具有重要意义。本文将根据宝林隧洞 的地质和施工条件,从TBM设备选型及其施工方 案设置等方面初步探讨施工方法。 1 TBM设备选型 1.1地质条件 TBM是专用性很强的工程机械,对地质条件 的适用程度差,这在很大程度上使得地质条件成为 TBM施工最重要的限制因素。 宝林隧洞围岩分类及统计∞1见表1、2。 表2宝林隧洞围岩类别统计 围岩类别 长度/m 所占比例/% II 9200 66.5 III 2430 17.6 IV 1350 9.8 V 860 6.2 线路地层均为不透水隔水岩层,地下水主要表 现为风化裂隙中的裂隙潜水。未见到泉水出露。沿 线的断层带多为胶结较好的糜棱岩,其透水性弱。 沿断层也未见泉水出露。 通过评价岩体完整性、围岩强度应力比、岩石 饱和单轴抗压强度进行适宜性评价,认为宝林隧洞 中部10.6km的工程地质条件适合TBM施工“1。 1.2 TBM类型选择 不同类型的TBM有不同的特点,适用于不同 地质环境,TBM型式选择的适当与否决定了工程 进度甚至关乎工程的成败H。 TBM可分为开敞式、单护盾式、双护盾式和 扩孔式,单护盾式和扩孔式TBM国内尚未被采用, 一般在开敞式TBM和双护盾TBM两者之间选 择。对TBM的选型从地质适应性、工期、工程 设计、掘进性能和速度、现场条件、设备费用和施 表3开敞式TBM与双护盾TBM的比较 项目 开敞式TBM 双护盾式TBM 宝林隧洞特点 要求围岩相对完整,自稳能力强。其盾壳短,且可 地质 中、 使得掘进面尽早暴露的,可有的放矢地简化对 对围岩条件的适应性较好。但换步行程 Ⅱ类围岩占TBM施工长 适应性 硬地层 围岩的支护。换步行程长,在中、硬岩中可不支护 短,管片安装时间长、辅助工序复杂。 度的86.8%,Ⅲ类围岩 占13.2%。或少支护。 一般是掘进贯通后再进行二次衬砌。在不良地质情 掘进的同时完成预制管片衬砌。双护盾 工期 况下,影响开敞式TBM施工进程的主要因素是支 TBM护盾长,易被卡机,在不良地质 情况下,掘进进程取决于可能卡机次数 护时间增加。 及卡机总时间。 Ⅱ类围岩基本稳定,Ⅲ开敞式TBM初期支护完全遵循“新奥法”来确定, 双护盾TBM没有初期支护,采用管片 类围岩局部稳定性差。 工程设计 初期支护更加及时、有效、简单、灵活。根据情 支护。 可根据地质条件有选择 况,可进行二次混凝土衬砌。 的进行衬砌支护。 可根据不同地质情况,采用不同的掘进参数,随时 调整。掘进性能和速度 与开敞式相同。 根据地质情况调整掘进速度。受地质和设备性能 影响。 采用预制混凝土管片衬砌、需要占用大 隧洞下穿中华山森林公 现场条件 无需预制管片,施工临时占地小 片的土地来建设生产厂房、存放管片、 园,进出口没有大片的场地可供预制管片生产 储存水泥钢筋材料等 和存放。 设备费用 低 高 施工成本 低 高 162 万方数据 设计施工 水利规划与设计 2018年第7期 工成本等角度进行综合分析,详见表3。通过比 较,认为开敞式TBM更适合宝林隧洞施工。 2 TBM施工 2.1 开敞式TBM施工工艺 开敞式TBM可根据岩性不同选择配置临时支 护设备,进行隧洞施工的主要作业包括TBM掘进、 出渣、初期支护和轨道铺设等,辅助作业包括隧洞 通风、供电、供水、排水等,其施工关系及过程1 如图1所示。TBM设备的推进过程也就是施工的掘 进过程。“掘进一排运一运输”“运输一支护一掘 进”2个过程是采用开敞式TBM施工的基本作业。 其施工作业程序1如图2所示。 图1开敞式TBM施工关系及过程 超前加固卜.-Y N TBM掘进 ≤浮挂网架钢拱架l 由1熹 二[工 [ 图2开敞式TBM施工作业程序 2.2 TBM的施工 桩号247500258100间10.6kin采用开敞 式硬岩掘进机TBM施工,最小开挖直径4m;开 挖后Ⅱ类围岩段采用一次喷锚支护,Ⅲ类围岩洞段 采用喷锚衬砌复合支护方式。隧洞出渣运输采用 有轨运输,采用变频电动机车牵引编组列车。 采用掘进机施工须加强地质预报工作,对开挖 面前方50100m范围内的地质情况应有准确的预 报。掘进机施工必须对各个工序、工艺实施标准化 管理,操作必须实行标准化作业。 宝林隧洞出口场地比较开阔,可在隧洞出口组 织TBM组装调试,主机与后配套分别在2个场地 同时进行。组装、调试完成后,TBM由组装位置 到洞口、以及在隧洞出口390m钻爆法施工段将采 取步进的方式通过,待TBM主机与后配套设施滑 行至始发洞段后,由撑靴支撑洞壁提供主机掘进的 反作用力,使TBM向前推进。TBM掘进的过程中 渣料通过后配套设施直接运至洞口,装自卸汽车运 至指定弃渣场。l临时支护和一次支护洞段可在掘进 过程中在护盾的保护下与掘进同时完成,二次支护 可等隧洞全面贯通后进行,亦可在不影响掘进的前 提下同时进行。 在桩号247460~247500设置拆卸洞室对 主机和后配套设施进行拆卸,拆卸洞室设计为铆钉 形,洞内安装225t桥吊,断面尺寸6m6m 40m宽高长。TBM到达拆卸洞室后,将主机 和后配套分离,边拆边采用无轨方式将部件从隧洞 进口运输出洞。先拆卸主机部分,再逐步将后配套 推进至拆卸洞室,逐节推进逐节拆卸。 3实际施工效果 实际用于工程的TBM是铁建重工自主研制的 “鄂北宝林号”,如图3所示,是专门为鄂北工程量 身定制的敞开式硬岩隧道掘进机,也是国内首台完 全拥有自主知识产权的最小直径敞开式硬岩隧道掘 进机。其开挖直径4m,长度290m,重约750t,总 装机功率约2400kW。每日可掘进25~30m,是常 规钻爆法掘进尺度的8~lo倍,设备于2017年2 月21日主机进洞安装调试,4月5日正式开始掘 进,目前实现月掘进进尺770m,创国内同类TBM 掘进新纪录p o。 4 结语 宝林隧洞是鄂北地区水资源配置工期最长的节 点性工程之一,本文根据宝林隧洞的地质和施工条 件,初步探讨了宝林隧洞的TBM施工方法。研究 表明。 .】63. 万方数据 2018年第7期 水利规划与设计 设计施工 图3鄂北宝林号图 1从对地质适应性、工期、工程设计、掘进 性能和速度、现场条件、设备费用和施工成本等方 面综合来看,宝林隧洞适宜于采用开敞式TBM施 工方案。 2宝林隧洞开敞式TBM施工方法为,在桩号 247500~258100间10.6km采用开敞式硬岩掘 进机TBM施工,最小开挖直径4m;开挖后Ⅱ类 围岩段采用一次喷锚支护,Ⅲ类围岩洞段采用喷锚 衬砌复合支护方式。隧洞出渣运输采用有轨运 输,采用变频电动机车牵引编组列车。在隧洞出口 组织TBM组装调试,组装、调试完成后,TBM由 组装位置到洞口、以及在隧洞出口390m钻爆法施 工段将采取步进的方式通过。TBM掘进的过程中 渣料通过后配套设施直接运至洞口,自卸汽车运至 指定弃渣场。在桩号247460~247500设置拆 卸洞室对主机和后配套设施进行拆卸。 3从实际施工效果看,用于宝林隧洞工程的 TBM是铁建重工自主研制的“鄂北宝林号”,其开 挖直径4m,每日可掘进25~30m,是常规钻爆法 掘进尺度的8~10倍,目前实现月掘进进尺770m, 掘进效果良好。 参考文献 [1]吴波,阳军生.岩石隧道全断面掘进机施工技术[M].合肥安 徽科学技术出版社,2008. [2]湖北省水利水电规划勘测设计院.湖北省鄂北地区水资源配置 工程初步设计[R].2015. [3]袁振平,李琦,黄定强,等.宝林隧洞TBM应用及施工地质工 作方法[J].水电与新能源,2017,1621226.30. [4]李晓晗,王心.复杂地质环境TBM施工研究方向及方法浅谈 [J].水利规划与设计,20150561.64. [5]姜天宇.TBM法在大伙房输水工程施工中的应用探析[J].水 利规划与设计,201612139.141. [6]杜彦良,杜立杰.全断面岩石隧道掘进机系统原理与集成设计 [M].武汉华中科技大学出版社,2011. [7]马岚.大伙房水库输水工程特长水工隧洞修建技术【M].北京 中国水利水电出版社,2013. [8]杜士斌,揣连成.开敞式TBM的应用[M].北京中国水利水 电出版社,2011. 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