（水利工程专业论文）水工超长隧洞tbm施工方法研究.pdf

摘要 辽宁省大伙房输水工程输水隧洞全长8 5 3 l k m ，经国内外调研，属于目前全国乃至世 界连续洞长之最。所以输水线路布置的合理与否是非常关键的，为此，比较了三个调水线 路方案，从设计合理、易于施工、管理方便、保护环境、减小电力资源损失的重要作用等 诸多因素，经综合比较选定最优方案。根据隧洞沿线地质围岩状况、断裂构造发育情况 以及对水文地质和特殊地质条件的分析，重点研究了t b m 法和钻爆法两种隧洞开挖方法的 适用性及工作效率，采用钻爆法与掘进机法联合的施工方案。作为洞室永久性的支护，一 般应分两次完成，初期支护必须保证围岩进入稳定状态，最终支护( 即二次支护) 主要是 提高支护的安全度。经综合比较，本工程采用两次支护，一次支护采用喷混凝土，二次采 用模筑混凝土。 全断面掘进机( t b m ) 主要分为开敝式和护盾式两大类。掘进机型式的选择主要根据 地质条件、隧洞埋深和断面尺寸等因素，尤其洞线的地质条件是确定掘进机型式的最主要 指标。综合以上因素，为了保证工程的施工质量和施工进度，采用双护盾掘进机。隧洞支 护型式采用混凝土预制管片衬砌与喷锚支护两种对于在扩大洞室处，二次衬砌采用模筑 混凝土。 根据对输水洞线的地质勘察，钻爆法施工段从总体上来说洞室围岩条件较差，局部 洞段旋工中可能存在涌水、围岩失稳、岩爆等地质问题。为此，针对不同的地质问题，采 取不同的处理措施，确保工程顺利完成。 关键词：隧洞施工：掘进机：不良地质；钻爆法 a b s t r a c t t h et u n n e li nt h ed a h u o f a n gl i a o n i n gp r o v i n c ei s8 5 3 l k ml o n g ；i ti st h el o n g e s t c o n t i n u o u st u n n e la tp r e s e n ti no u rn a t i o n ，a n de v e ni nt h ew o r l d i ti sak e yt a s kt or e a s o n a b l y a r r a n g et h ew a t e rc o n v e y a n c el i n e ，t h e r e f o r e ，w ec o m p a r e dt h r e ek i n d so fl i n ea r r a n g e m e n t s ，a n d f i n a l l ys e l e c t e dt h eo p t i m u mm e t h o d ，c o n s i d e rm a n yf a c t o r s ，e g ，r e a s o n a b l ed e s i g n ，c o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n ，p e r f e c tm a n a g e m e n t ，e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，a n dd e c r e a s i n gt h el o s so fp o w e r r e s o u r c e s w es t u d i e dt h ea d a p ta b i l i t ya n dw o r ke f f i c i e n c yo ft b m ( y u n e lb o r i n gm a c h i n e ) m e t h o da n dd r i l la n db l a s tm e t h o d ，a c c o r d i n gt ot h eg e o l o g i cs u r r o u n d i n gr o c k ss t a t e ，t h e d e v e l o p m e n to ff i s s u r es t r u c t u r e s ，a n da n a l y s i so fh y d r og e o l o g i ca n ds p e c i a lg e o l o g i cc o n d i t i o n s w es e l e c t e dt h ej o i n tc o n s t r u c t i o no fd r i l la n db l a s tm e t h o da n dt b mm e t h o d t h ef u l l s e c t i o nt b m ( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) m a i n l yc o n s i s t so fo p e nt y p ea n ds h i e l d i n g t y p e t h es e l e c t i o no ft b mt y p ei sd e t e r m i n e db yg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t u n n e lb u r i e dd e p t h ， a n ds e c t i o nd i m e n s i o n s ，a n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa l o n gt h et u n n e ll i n ei st h em a i ni n d e x f r o mt h ew h o l e ，b yt h eg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o no ft u n n e ll i n e ，t h es u r r o u n d i n gr o c k so f t u n n e lc h a m b e ra r ew o r s e ，a n di ti sl i k e l yt oo c c u rw a t e rs u r g i n g ，u n s t a b l es u r r o u n d i n gr o c k sa n d r o c kb l a s t ，e t c i ns o m et u n n e ls e c t i o nc o n s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，w en e e dt ot a k ed i f f e r e n t t r e a t m e n tm e a s u r e st oh a n d l ed i f f e r e n tg e o l o g i c a lp r o b l e m ss oa st oe n s u r et h ep r o j e c t i m p l e m e n t a t i o n k e y w o r d s ：t ir n n e lc o n s t r u c t i o n ：t b m ：b a d g e o l o g i c ；d ，b 河海火学工程顺上学位论文水工超长隧7 同tbm 施工方法研究 第一章绪论 第一节课题的研究背景及意义 辽宁省大伙房水库输水工程位于辽宁省东部山区，横穿本溪和抚顺两个行 政管理区域，地处桓仁县和新宾县境内，是一个从浑江流域调水至浑太流域的 大型跨流域调水工程。该项目是将浑江上桓仁水库的发电尾水，利用西江和风 鸣两座电站作为调节池，经8 5 3 l k m 输水隧洞自流引水至新宾县境内的浑河支 流苏子河汇入大伙房水库，再经大伙房水库反调节后，向辽宁中部地区的抚顺、 沈阳、本溪、辽阳、鞍山、营口等六市提供城市生活和工业用水。工程设计引 水流量7 0 m 3 s ，多年平均调水量约18 亿m 3 。 辽宁省中部地区城市群包括沈阳市、鞍山市、辽阳市、抚顺市、本溪市、 营口市、盘锦市和铁岭市等八大中型城市。该区域是以钢铁、煤炭、石油、化 工、电力、机械、建材等工业的中国重工业基地，也是中国东北地区的经济文 化中心。随着中国经济社会的不断发展、区域内人口的不断增长以及城市化进 程的加快，区域内水资源已不足以支持上述城市的可持续发展。到2 0 2 0 年，中部 地区城市群的沈阳市、鞍山市、辽阳市、抚顺市、本溪市和营口市等六个城市 工业和生活缺水量达2 1 1 7 亿n 1 3 。目前，浑太河及大辽河的地表水资源开发利 用程度已达8 1 9 ，且在充分开发利用本地区水资源，工农业用水采取节水措 施的情况下，仍不能满足2 0 2 0 年的需水要求，属于资源性缺水。然而，同属辽 宁省的浑江流域水资源丰富，人均、亩均水资源占有量相当于全国平均水平的2 倍，为辽宁省中部地区的8 倍，且水利开发利用程度仅为9 3 9 ，多年平均有 6 8 8 3 亿m 3 的水量仅用于水能开发后白白的流入鸭绿江。因此，为缓解缺水矛 盾，辽宁省政府决定实施“辽宁省大伙房水库输水工程”。目前该工程己被列入 为“十五”期间辽宁省首位重点基础设施建设项目，现在工程已按“三制”进入了实 施阶段。 辽宁省大伙房水库输水工程主体工程为8 5 3 l k m 连续隧洞工程，输水洞线 处于长白山脉的南延部分，山势连绵起伏，植被发育，山体走向n e ，北高南低， 地貌单元按其形态可划分为中低山、丘陵及河流谷地等类型。洞线穿越的山峰 第一章绪论 海拔高度一般为5 0 0 7 0 0 m ，最大达8 8 5 3 m ，本区古老的基底地层广泛出露， 以太古界变质岩系、混合岩、混合花岗岩最为发育。下元古界分布少许混合花 岗岩及辽河群里尔峪组、盖县组、大石桥组大理岩、变粒岩、浅粒岩、二云片 岩、炭质碳酸盐质泥岩等岩石组合，其中以大石桥组较为发育，岩性为白云石 大理岩、方解大理岩、白云质大理岩、夹角闪岩、变粒岩等等。成洞条件良好， 但是采用何种施工方案，是本项目成功的关键。 “钻爆法”与“掘进机法”( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e 简称t b m ) 是当今世界开 挖隧道的两个行之有效的施工方法。今天，隧道掘进机平均8 0 是有效的，6 5 在使用。钻爆法的特点是：( 1 ) 、钻爆法对多步骤施工和复杂的以及综合的隧道 设计具有较好的适用性。( 2 ) 、灵活性，与隧道掘进机相比钻爆法的设备能够容 易撤离掌子面，因此，钻爆法获得很高的设备使用率，很低的停工期以及均衡 的产出。( 3 ) 、设备的完善和简化意味着它在当地条件下培训工人和判断技术水 平都是比较容易的。( 4 ) 、对于各种地质和几何形状的适应性，尤其是在交叉点、 横通道、渡线和洞室等处。( 5 ) 、多掌子面的操作和设备高效率的使用。( 6 ) 、较 低投资和较短竣工期。( 7 ) 、对于棘手的、困难的隧道，钻爆法有其用武之地， 但是在超长隧道上隧道掘进机也是一种可供选择的方法。掘进机法的特点：( 1 ) 、 隧道掘进机仅适用于爆破开挖领域中非常有限的部分地区，该领域包括各种横 断面、类型，从小的到很大的，以及最坚硬的岩层地质条件。( 2 ) 、隧道掘进机 相比钻爆法的设备比较笨拙。( 3 ) 、隧道掘进机有较高的进度，低超挖的光面轮 廓，无地表扰动并需用劳力较少。( 4 ) 、隧道掘进机刀具既不适用于马蹄形也不 适用于椭圆形隧道断面。甚至在使用隧道掘进机时，在洞门区域经常要求使用 钻爆法以便能进行掘进机安装。( 5 ) 、岩石的硬度和耐磨性，使隧道掘进机刀具 造成难以承受的磨损。( 6 ) 、隧道掘进机的交货周期长、设计、制造和组装掘进 机，需要交货周期1 8 个月。( 7 ) 、涉及到环保问题：虽然最大的颗粒速度会比爆 破时小，但从掘进机发出的连续噪音和地层震动将会对居民生活产生影响和危 害，尤其是夜间的反复不断向外发射噪音。 因此二者在不同的范围内，不同的条件下表现出各自的优势。评价某一隧 道或某一工程中一群隧道采用何种方法开挖这是一件复杂而又细致的工作，必 须对目前国内外钻爆法和掘进机法的现有水平及各自的利弊有充分的了解，才 【】j 海大学工程硕学位论文水工超长隧嗣tb m 施工方法研究 能根据现有的实际情况，作出妥善的选择。随着我国国防、能源，交通运输和 公用事业的发展以及环境保护、农田保护、城市引水的要求，地下隧道开挖的 总量在逐年增加。理论计算和实践经验均表明，研究钻爆法和掘进机法的方案 比较，对于节省工程造价、缩短施工时间、保证工程的安全具有重要意义。从 上所述本工程的关键在于8 5 3 1 k m 的超长隧洞如何完成，是采用钻爆法还是采 用t b m ( 掘进机) 法，这就是本文将要论述的课题。 第二节隧洞设计与旌工方法的发展历史 建国5 0 多年来，我国水利水电建设中的地下工程施工有很大进展。据不完 整统计，截至2 0 0 0 年止，已建成水工隧洞约8 6 0 余条，总长约7 8 0 k m ，其中已 成的引滦入津滦河隧洞( 包括明洞) 长1 1 3 9 5 k m ，引大入秦水磨沟隧洞长 1 1 6 4 5 k m 、盘道岭隧洞长1 5 7 2 8 k m ，龙羊峡水电站导流洞，最大断面1 5 m 1 6 m 。 己建成地下厂房1 3 7 座，其中自山水电站地下厂房，长x 宽x 高为 1 2 1 5 m 2 5 m 5 4 2 5 m 。均属我国大型地下工程行列。我国地下工程施工，规模 由小到大，施工设备由土到洋，施工组织设计和施工技术也e t 趋完善。建国初 期，我国水工隧洞直径一般为5 - 6 m ，施工方法以人力为主。6 0 年代后，隧洞直 径已有超过1 0 m 。一般大型工程均采用钻架台车，机械装运出渣，并开始应用 锚栓支护。8 0 年代后期我国大于15 m 跨径的隧洞已属常见，旌工设备也发展到 多臂钻、装载机与自卸汽车联合作业，光面爆破和锚喷技术全面展开。在隧洞 衬砌方面，6 0 年代我国己逐步推行钢模台车浇筑混凝土，但由于跳仓分块浇筑 支模工效不高，直到8 0 年代鲁布革水电站引水隧洞施工才采用针粱式模板台车 全断面不跳仓浇筑，接近国际水平。我国地下工程施工虽已有一定进展，但与 国外先进水平相比还有差距，如采用国际招标承建的引大入秦引水隧洞，承包 商大都采用隧洞掘进机开挖，而国内对隧洞掘进机施工尚缺少经验。其他如通 风排水缺乏研究，遭遇不良地质地段缺少预防措施，对新奥法施工还不够普及， 在高地应力塑性地层施工缺少经验，而施工管理落后，技术骨干不足，施工组 织设计粗糙，更成为我国地下工程施工的弱点，因此，加强施工组织设计，提 高旌工管理水平已成为我国地下工程旖工进一步发展的关键。我国地下工程的 施工组织设计也是逐年发展的。建国初期水利水电工程设计中没有专门的旋工 1 第j 章绪论 组织设计，以后虽然编制但涉及地下工程的施工组织设计也很简单，8 0 年代以 后，随着我国体制改革和对施工规划报告的要求，编制工作逐步深入，但往往 所编施工规划难以指导工程实践，尤其是国内承包体制尚不健全，不少工程的 机械设备还不配套，在施工中习惯上重开挖浇筑不注意出渣和通风排水，与国 外对比，施工规划篇幅冗长，编制时间赶不上招标要求，对反映地下工程中难 以预见的事故的灵活性不足。我国目前隧洞开挖方法，主要为钻爆法，也有少 量工程使用隧洞掘进机法开挖，特殊施工条件尚有盾构法、顶管法、冻结法等， 但目前国内外隧洞开挖绝大多数仍采用传统的钻孔爆破法，由于施工机械的不 断发展，开挖技术的不断提高，隧洞开挖规模也在不断扩大，掘进机的应用也 在日益推广。在早期掘进机开挖隧洞的实践中，岩石强度是提高掘进机开挖速 度的主要限制因素，开发出适当配置盘式滚刀的隧洞掘进机也许是隧洞开挖实 践取得的最重要的进步。将刀具装在隧洞掘进机上进行岩石开挖是1 9 世纪向达 到隧洞连续开挖前进的重要一步，但直到1 9 世纪8 0 年代，第一台成功的隧洞 掘进机才由科洛内博蒙特研制出来。默西河底的第一条隧洞采用了一台审2 1 3 m 的博蒙特掘进机，周进尺达3 5 m ，该掘进机还用于开挖1 8 8 2 年修建的英法海峡 隧洞的部分导洞。这些早期尝试清楚地说明隧洞掘进机开挖具有很大潜力。但 直到2 0 世纪5 0 年代中期西雅图的詹姆斯- 罗宾斯才研制出结构尺寸和强度得到 改进的隧洞掘进机，它可以处理的岩石硬度及地质难度范围更大。早期，由于 在地层条件不适宜的工程中盲目使用掘进机开挖，因而大大阻碍了它的发展进 程。这也许是2 0 世纪前叶向全断面开挖隧洞发展受到限制的原因。1 9 世纪5 0 年代詹姆斯在设计能有效开挖硬岩的掘进机上取得的重大突破，标志着掘进机 新时代的开始。詹姆斯罗宾斯1 9 5 7 年成功地研制出坚固性显著增强，功率明显 增大的第一台硬岩掘进机，但其成功在很大程度上应归功于运行过程的改进。 近3 0 4 0 年，隧洞掘进机的实践有了重大变化，无疑地唯一最重要的变化是采 用了能够开挖坚硬岩石的隧洞掘进机，这些掘进机使隧洞开挖在扩大隧洞的直 径、长度上，以及减少施工时间上取得了重大进展。采用隧洞掘进机开挖隧洞 是一种可靠性很高的隧洞开挖方法。隧洞掘进机类型、推力及刀盘型式的选择， 需要结合有关的岩石类型和地层条件加以衡量。大多数地方的地质条件是可以 在设计和选择隧洞掘进机时充分地加以考虑，只要对那罩的岩石和隧洞开挖作 河海大学工程硕士学位论文水工超长隧洞tbm 施r 方法研究 业的性质有充分的了解就可以做到。 第三节隧洞设计与施工方法的简介 根据目前国内外隧洞工程的资料，从以下几个方面进行研究：在岩体里开 凿的水工隧洞的坑道，其周边常用混凝土等材料建造一个保护层，叫做衬砌。 设置衬砌的目的是：( 1 ) 、阻止坑道周边岩体变形的发展，使岩块保持稳定，松 动的岩块不致脱落。( 2 ) 、阻止水或空气与坑道周边的岩石接触，以防被它们冲 刷或风化。( 3 ) 、使隧洞内表面形成一个平整和光滑的湿周，降低表面的糙率， 改进水流条件，以使通过一定流量的隧洞能采用较小的断面积，从而降低隧洞 的造价。( 4 ) 、在坑道周边形成一个比较有效的隔水层，以减少从岩体渗入隧洞 的地下水量或减少从隧洞渗入岩体的水量。( 5 ) 、承受山岩压力、内水压力和其 它荷载。采用何种施工设计方法，使工程即安全，造价以节省，施工速度又快， 是研究的主要内容。 3 1 钻爆法 3 1 1 普氏地压理论的模筑法 设计水工隧洞的衬砌应该使它的断面里的材料有足够的强度，以抵抗在最 不利的条件下由于作用于它上面的荷载所引起的内力。作用于隧洞衬砌上的荷 载，有垂直山岩压力，侧向山岩压力，衬砌自重，内水压力，地下水压力，满 洞水压力( 在洞底即水重) ，灌浆压力，施工荷载，地震力，温度应力，以及 由衬砌受荷载作用后产生的被动压力( 如地层弹性抗力、摩控力、基础反力等) 。 其中施工荷载、地震荷载、灌浆压力、湿度应力及校核水位下的内外水压力为 特殊荷载，其余为基本荷载。各种荷载的数量，出现的时期和作用的区域随各 隧洞的环境情况而异，进行隧洞衬砌的设计和计算以前，应对各种荷载分别进 行具体的调查和试验研究，才能定出最合理的数据。各个水工隧洞在施工期、 完建期、投产运用期、放空修理期、发生地震期可能受到不同荷载组合的作用。 各断面因每种荷载组合而产生的内力，包括弯矩和轴向力，不仅数量上有差异， 而且有时正负符号相反。哪种组合可引起最不利的内力，只有对其中危险的荷 第一章绍论 载组合做好内力计算，才能确定。 3 1 2 “新奥法” 新奥地利隧洞施工法( 简称新奥法) 是奥地利l v r a b e c e w i c z 教授于1 9 6 4 年提出的。新奥法的发展过程是沿着先有经验，后用理论对实际经验进行解释， 并用理论指导实践的过程。新奥法通过永久的和施工的量测手段，获得洞室内 空变位、围岩内变形、喷层的应力、锚杆应力等资料，根据这些资料修正支护 结构的设计与施工，使之更符合实际。新奥法把岩体视为连续介质，根据岩体 具有粘弹、塑性性质，利用岩体开挖洞室之后产生变形到破坏有一个时间过程， 适时的采用柔性的、薄的与围岩紧贴的喷锚支护结构保护围岩，支护与围岩一 起形成承载拱，承担围岩压力，变围岩为支护结构的一部分，发挥了围岩的天 然承载力。新奥法的理论是建立在岩石的单向压缩强度、三向压缩强度以及莫 尔一库伦理论的基础上，同时考虑了洞室掘进时的空间效应和时间效应。它正 确地指导着地下洞室的掘进和喷锚支护的设计与施工。应用新奥法在地质条件 很差的地层中成功地建造了隧道。 3 2 掘进机法 全断面掘进机t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ( t b m ) 主要分为开敞式和护盾式两 大类。 3 2 1 开敞式掘进机 开敝式t b m 只有一个短的顶支撑，没有外部的盾支撑，向前移动时主要靠 主撑靴和千斤顶，这种t b m 主要用于岩石较好和所需掘进力比较大的情况。使 用开敞式掘进机，般是随开挖在刀盘后部施作临时支护，如锚杆、喷射混凝 土、架设钢拱架等，然后再施作二次混凝土衬砌。 3 2 2 护盾式掘进机 护盾式t b m 有一个外壳，它与主撑靴系统和千斤顶系统一起向前移动，它 适用于地质条件复杂和采用管片树砌的情况。使用护盾掘进机时，一般采用圆 形全周管片式衬砌。其优点是：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低， 6 河海大学t 程顶士学位论文水工超长隧洞tb m 施工方法副f 究 撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反 力；当撑靴可以支撑岩面时，双护盾掘进机可以使掘进和换步同时进行，提高 了循环速度；利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好，安全性强。为了 防水的需要，每块管片之间要安装止水条，并需在管片外圆和洞壁间隙压入豆 砾石和注浆。 3 2 3 开敞式和护盾式掘进机的区别 二者区别就在于开敞式掘进机在开挖中依靠支撑于岩壁上的水平支撑提供 设备推力和扭矩的支撑反力，开挖后的围岩暴露于机器四周。而护盾式掘进机 则可在掘进中利用尾部已安装的衬砌管片作为推进的支撑，围岩由于有护盾的 防护，在护盾长度的范围内不暴露，因此护盾式掘进机更适用于岩性复杂的围 岩。 4 1 拟解决的关键问题： 4 1 1t b m 洞线的选择 第四节本文的主要工作 合理的洞线选择是调水的关键，通过对三个调水线路的比选，推荐最佳调 水线路。 4 1 _ 2t b m 断面设计及施工方案的选择 对于地下工程，常规钻爆法和掘进机法均能实现其目的，通过定性、定量 的分析选择适合本工程特点的旌工方案，从而确定适合施工方案的断面尺寸及 支护形式。 4 1 _ 3 t b m 掘进机技术参数分析 对掘进机主机构成的分析，解决t b m 在掘进过程中技术参数的选择。 第一章绪论 4 1 4 t b m 循环进尺的分析与研究 从影响t b m 循环进尺的因素着手，确定不同围岩的循环进尺率。 4 1 5t b m 围岩稳定问题 输水隧洞通过的三道河子向斜及1 3 条断层均形成于远古代，并经过后期多 次改造，具有一定规模和复杂的地质特征，节理裂隙发育，岩体较破碎，对洞 室围岩的稳定影响较大，表现为、v 类围岩在本段所占的比例较大，表1 1 列出了沿线不同区间的围岩长度及所占的比例。 从表1 一l 可以看出，除了t b m 2 施工段中桩号5 8 + 6 7 6 8 6 6 0 + 6 7 6 8 6 m 为f 4 1 断层处理段，采用钻爆法施工外，0 + 0 0 0 - 2 4 + 5 8 1 2 2 m 段、v 类围岩所占的比 例较大，且i l l n 类围岩段也较长，本段洞线地质条件最差。 表1 1各施工段地质围岩分类表( 单位：m ) 围岩分类 施工v 类围 区间 i i i 方法i i 1 l i b v岩所占 a 比例 钻爆 0 + o o o 2 4 + 5 8 1 2 27 8 8 04 1 5 07 8 1 1 2 24 2 5 04 9 01 9 3 0 t b m l2 4 + 5 81 2 2 - 4 4 + 2 2 7 177 9 6 57 7 0 2 1 73 3 3 8 7 85 8 0 6 03 _ 3 0 t b m 24 4 + 2 2 7 17 6 6 + 6 31 4 28 7 0 04 1 5 7 _ 8 36 9 13 2 86 0 8 1 42 53 1 0 其中 5 8 + 6 7 6 8 6 6 0 + 6 7 6 8 61 0 0 03 ，1 48 9 6 8 6l o o4 9 8 0 钻爆 t b m 36 6 + 6 31 4 2 - 8 5 + 3 0 8 9 118 0 02 9 4 01 1 7 8 8 5 82 0 9 8 9 15 01 1 5 0 合计2 6 3 4 5 1 9 9 5 02 9 8 5 59 4 3 3 9 17 2 5 4 1 6 涌水问题 本段通过的三道河子向斜为一蓄水构造，其核部受f 1 3 、f 1 2 1 、f 1 3 2 断层的 切割，岩体破碎，根据钻探及物探成果，断层低阻带宽可达3 0 0 m 岩体透水性 较强，且地表有常年流水的六河通过，因此洞室开挖时会有涌水现象发生。据 地勘压水试验成果，推测其每1o m 洞段的涌水量为3 0 - - 7 0 m 3 h 。 河海大学丁程坝十学位论文水工超长隧涮tbm 施丁方法研究 4 1 7 岩爆问题 本段通过的石英砂岩地层埋深较大， 中现象。由于石英砂岩强度与脆性较大， 4 1 8 石英砂岩的可掘进性问题 最大埋深可达6 0 0 m ，局部有地应力集 推测可能会有轻微中等岩爆发生。 根据磨片鉴定资料，分布于本段的石英砂岩石英含量在7 0 以上，韧性较 大。从现场钻探的情况来看，在其它岩性段钻探可采用2 5 2 8 目金刚石钻头， 而在石英砂岩段钻探则要采用3 5 目以上钻头，且其钻探进尺为在其它岩性洞段 钻探进尺的5 0 左右。石英砂岩洞段可掘进性较差。 4 2 拟采取的研究方法： 水工隧洞是水利枢纽中的一个重要组成部分，它的路线必须与水利枢纽的 建设任务协调一致，同时还必须和周围环境及自然条件( 如地形、地质、水文、 水文地质、施工条件等) 相适应，最后通过几个可能方案的技术经济比较来选 定。( 1 ) 、研究掌握所有隧洞施工设计规范、规程，并同时对相关的规程、规 范进行了解。( 2 ) 、搜集有关隧洞设计的书籍和参考文献，掌握工程设计理论 和设计方法；( 3 ) 搜集水工隧洞施工设计的各种模型试验的有关资料，掌握相 关的一批试验数据。( 4 ) 到已建成水工隧洞的地方去了解工程中应用的实例， 总结施工中的经验和不足，并对其进行类比分析，来完善工程设计。( 5 ) 、对 于课题的超长隧洞，提出实验方案，研究实验结果，完善设计。( 6 ) 、搞好工 程中的变位及原形观测，积累设计经验，为相关工程提供设计依据。 4 3 技术路线： 本课题的研究应以水工隧洞设计规范和和规程为基础。科学客观地评价钻 爆法和掘进机的优缺点，以理论计算辅以数值分析结合同类工程的实践经验， 不断的优化设计。最后根据研究和分析的成果，通过技术可行性、经济效益性 综合比较，提出切实可行的设计施工方案。 第一章绪论 4 4 可行性分析： 近几年在辽宁水利中程中有几处采用了引水式隧洞，其中富尔江引水工程隧 洞单洞全长8 8 2 5 m ，大连引碧供水工程九条隧洞全长1 5 8 6 1 m ，单洞最长的邱店 隧洞为4 5 9 4 m ，在此方面积累了丰富的设计施工经验，特别是根据现场施工中 出现的特殊问题，一一得以解决。在具体工作实践中，针对一些问题，通过查 阅大量相关资料，了解国内外隧洞的发展动态，使自己的理论与实践很好地结 合起来，目前，又收集到引滦入津、引大入秦、万家寨引水工程关于隧洞设计 及旌工的资料，通过对相关资料进行整理、借鉴，对本课的研究有相当大的帮 助，这也说明本课题的研究是可行的。 4 5 本课题的特点 辽宁省中部地区城市群集中，人口稠密，经济发达，是我省重要的工业及 商品粮生产基地，也是全国重要的以钢铁、煤炭、石油、化工、电力、机械、 建材为主体的重工业区，但该地区水资源贫乏，是我国资源性严重缺水地区之 一。在强化工农业和城镇节水措施的情况下，该地区的水资源仍不能满足当地 的需水要求，缺水己成为社会经济发展的主要制约因素。为解决浑太地区水资 源的严重不足，保证地区经济持续稳定的发展，积极采取跨流域调水措施是十 分必要的。辽宁省东水西调输水工程系自辽宁省桓仁县的桓仁水库坝f 凤呜电 站库区自流引水，经过8 5 3 1 k m 的输水隧洞，将水引至新宾县浑河支流苏子河 的穆家电站下游，流入浑河上的大伙房水库，并经大伙房水库反调节后向浑河、 太子河及大辽河地区的抚顺、沈阳、本溪、辽阳、鞍山、营口等六座城市提供 工业和生活用水的一项大型跨流域引水工程。因此，开展本课题的研究，能够 节省工程造价、缩短工期，取得较大的经济效益和社会效益。 本课题内容全面、资料详实：“钻爆法”又分传统的模筑混凝土法和“新奥法”； 掘进机法又分开敞式掘进机法和护盾式掘进机法。同时又广泛收集了国内外关 于隧洞设计与施工的资料，并对现场进行了查勘，掌握了详细的第一手资料， 又到已建或正建的相关水工隧洞工程进行调研，系统分析了钻爆法和掘进机法 的原理和存在的问题，为本课题的研究奠定的坚实的基础。 本课题实用性强：本课题紧紧围绕辽宁省东水西调输水工程这个项目。辽 河海大学工程硕j 学位论支水工超长隧洞tbm 施工方法研究 宁省东水西调输水工程输水单洞长达8 5 3 1 k m ，埋深较大，最大埋深达6 5 0 m ， 最浅埋深达5 0 m ，经国内外调研，属于目前全国乃至世界连续洞长之最。随着 科技的不断进步，研究解决工程中存在的问题，为本工程的设计与施工提供了 科学依据。 绝一章t b m 技术的进胜 第二章t b m 技术的进展 第一节t b m 的发展过程 1 8 世纪发明蒸汽机，实现了第一次工业革命，交通工具得到迅速发展。但交通设施如 公路、铁路的发展速度却受到了当时的隧洞掘进技术条件的约束。1 8 4 6 年出现了硝化甘油， 1 8 6 2 年制成了第一台风动凿岩机，1 8 6 6 年发明了黄色炸药，世界各国掀起了修筑隧道的 高潮，施工方法一律采用钻爆法。钻爆法技术经过1 0 0 多年的发展，有了喷锚支护、控制 爆破、新奥法等技术，使隧洞施工向着全面、大断面、机械化、高效率方向发展。 钻爆法在围岩自稳条件较好的情况下，一个开挖循环的程序一般是：测量放线一布孔 一钻孔钻孔检查合格一装药联网一孔网检查合格一起爆一通风排烟一安全检查一松动 围岩或掉块处理一出渣。在围岩自稳条件较差的情况下，一个开挖循环的程序一般是：测 量放线一布孔一钻孔一钻孑l 检查合格一装药联网一孔网检查合格起爆一通风排烟一安 全检查松动围岩或掉块处理一出渣挂网( 视情况而定) 一安装钢筋( 视情况而定) 一 喷混凝土一安装锚杆( 视情况而定) 。在需要二次支护的情况下，其施工程序：清仓一放 线一钢筋安装一埋件安装( 若有的话) 一仓号验收一浇混凝土一拆模养护。 钻爆法施工，其施工程序决定了每一个开挖循环所需的最少时间，在一般情况下，从 “放线”到“钻孔”完毕，一般需3 4 小时；在掌子面距最近的通风口不超过8 0 0 米的 情况下，从“装药”至“出渣”完毕，一般需3 4 小时。凶此，在较理想的情况下，一 天可掘进3 个循环，按钻孔深度3 米，每个开挖循环可进尺2 5 米，每天进尺7 5 米。而 实际一般只能掘进两个循环，进尺5 米。在隧洞长度超过一公里后，通风排烟成为关键， 若寻求不到最近的通风排烟口，排烟所需时间将大大加长，严重影响隧洞掘进速度。 由于钻爆法自身的局限性和诸多无法克服的缺点，如：工序复杂、进度慢、工作条件 差、工人劳动强度大、超欠挖严重、独头开挖长度受限、对围岩扰动大、安全性差等，难 以实现高速、高效、安全、文明施工。 近个世纪以来，隧洞建设者们在努力发展并完善钻爆法技术的同时，为了从根本上 克服钻爆法的上述缺点，也在不断探索新的隧洞掘进方法，快速、安全、文明施工是隧洞 建设者们的理想，为了实现这一理想，他们曾进行了许多尝试。 隧洞掘进机tbm 的问世实现了隧洞建设者们的理想 l i 海大学t 程硕士学位论文水丁超k 隧洞tbm 臆i 方法研究 18 4 6 年，在意大利与法国之间的m o n c e n i s 隧洞施工中，为加速隧洞施工， h e n r i - j o s e p h m a u s 开始将一组机械岩钻安装在钻架台车上掘进。 1 8 5 1 年，美国工程师c h a r l e s w i l s o n 设计了世界上第一台可连续的掘进机tbm 。但 由于设计存在难以克服的滚刀问题和其他各种困难，使其难以与当时刚诞生的钻爆法技术 相媲美，无用武之地。 直到7 0 年间( 1 8 5 1 1 9 2 0 ) ，虽在美国和欧洲也曾做过tbm 掘进机的尝试，但均未 达到发展此项技术的积极效果。这以后的3 0 年中t b m 掘进机渐渐从人们的脑海中消失了， 也未曾有过更多的尝试。 直到1 9 5 2 年，美国的j a m e s r o b b i n s 开始将索镐与滚刀相结合，试图克服第一台掘进 机tbm 中存在的刀具问题。但初期的试验均失败了。4 年后，即1 9 5 6 年, j a m e s r o b b i n s 再次仿照1 0 0 年前c h a r l e s w i l s o n 的设计，即只采用滚刀，此次成功了。 此后3 0 年间，t b m 掘进机的应用得到了很大的推广，共生产了2 0 0 多台掘进机，从 软岩到中硬岩，均取得了成功。在刀具和其他机械系统方面，也作了许多改进和发展，使 tbm 在硬岩中的掘进速度超过了钻爆法的掘进速度。 tbm 的诞生实现了隧洞建设者们的理想。它为隧洞施工走向机械化、标准化创造了 条件，使施工程序大大简化，基本实现了流水线作业，隧洞开挖、出渣、支护可同时进行 并连续作业，独头掘进可达1 5 - 2 0 k m 。在硬岩中tbm 的有效进尺率可达3 - 5 m h ，为钻爆 法一个掘进循环( 6 l o h ) 的1 2 倍，平均日进尺率为钻爆法的5 8 倍。tbm 掘进技术 除了有较钻爆法快速掘进的优势外，还为隧洞工作者提供了更为安全、文明的施工条件， 为工程的规划与设计者们提供了更多的选择，他们不再为长隧洞的施工发愁而感到困扰， 过去不可避免的“z ”字形隧洞，现在可以做成“一”字形了，从而缩短了洞线长度，取 消了不必要的支洞和相应的临建设施，减少施工对围岩的扰动，由此带来的经济效益、时 间效益和社会效益是巨大的。 第二节tbm 掘进技术的进展及应用 t b m 掘进技术经过近半个世纪的发展，已相当成熟，以围岩地质条件划分，有硬岩掘 进机( 如开敞式t b m ) ，软硬岩兼容掘进机( 如双护盾伸缩式t b m ) ，软土掘进机( 如 e p b 掘进机) ；以护盾形式划分，有开敞式( 单护盾) t b m ，双护盾或多护盾t b m ，盾构 t b m ( 如h y d r o s h i e l d ，e a r t h p r e s s u r e b a l a n c e d s h i e l d 等) ，硬岩和软土兼容的混合盾 i3 第一章t b m 技术的进展 构t b m ：以t b m 直径大小划分，有小型t b m ( 1 0 m 3 5 m ) ，中型t b m ( 3 5 m 7 o m ) ， 大型t b m ( 7 0 m ) ：以开挖断面形状划分，有单一的圆形断面t b m ，双园或多园t b m ，不规 则断面t b m ；以隧洞的水平一垂直度划分，有水平t b m ，竖井t b m 和斜井t b m 。 t b m 开挖，避免了钻爆法所不可避免的造尘麻烦，开挖所产生的粉尘量得到了大大降 低，加上t b m 刀头面上自各的喷水除吸尘系统，及从洞外送入隧洞工作面的供风系统， 使隧洞工作面的环境有了很大的改善。限制钻爆法独头掘进长度的排烟问题，在t b m 隧 洞施工中已不再是问题。在1 5 - 2 0 k i n 的隧洞中采用t b m 施工掘进，从洞口处供风仍可保 证隧洞工作面的空气条件达到要求。 目前，限制t b m 独头掘进长度的主要因素是生产效率和人身安全；1 ) 单条隧洞长度 超过2 0 k m 且无开窗口或竖井的条件时，隧洞的风、水、电供应系统加长，沿线损失也加 大；运渣距离增加，需增加运渣设备，设备故障频率也增加：隧洞运距加长，为隧洞施工 输送的人力、物力的时间也增加其结果必将降低隧洞生产效率；2 ) 单条隧洞长度超过2 0 k i n 且无开窗口或竖井的条件时，洞内工作人员的危险性增加因为一旦洞内发生任何危及人身 安全的情况并需要将人员立即送出洞外时，由于洞内运距太长，需要较长时间才能出洞。 由此，在单条隧洞长度超过1 5 k m 的情况下，需考虑约每1 0 k i n 设置一紧急出口，在条件 允许的情况下还可作为风、水、电二级输送口和二级出渣口。 t b m 施工对围岩的扰动较小，在隧洞埋深很浅的情况下，采用t b m 施工可避免或减 少地面沉陷，保证地面建筑物不受影响。因此，目前城市隧洞施工中大多采用t b m 。 采用t b m 施工，隧洞工作面的工作人员基本上是在护盾和衬砌的保护下工作，基本 不与围岩接触，甚至见不着围岩。因此，工作条件非常安全在遵守般安全规程的条件下， 基本不会出现人员伤亡事故。 在t b m 施工中，除t b m 掘进机外，一般都配有1 0 0 3 5 0 m 的后配套，为t b m 掘进 的服务系统，主要有：变配电系统，液压系统，风、水、电的延伸系统，压缩空气系统， 出渣系统及出渣平台等。根据围岩地质条件和设计要求，若需设置喷锚设备，可设在t b m 机的前护盾或后护盾或后配套上；如采用预制管片支护加豆砾石回填灌浆，管片安装机械 手设在t b m 的后护盾内，灌浆系统设在后配套尾部。因此，采用t b m 施工，从开挖、出 渣到支护基本上是流水作业，互不干扰，连续作业。 随着t b m 掘进技术的发展，隧洞衬砌技术也得到了发展，在围岩稳定条件较好的情 况下，根据设计要求，可不支护或仅喷锚支护：在围岩稳定条件较差的情况f ，根据设计 要求，可作顸制管片支护加豆砾石回填灌浆。t b m 掘进技术与现浇混凝土技术相结合，有 1 4 l j 沟人学t 程烦十学位论文水t 趟k 隧洞tb m 施工方法州究 了挤压混凝土钢纤维衬砌技术，目的是从根本上克服管片衬砌中的接缝问题，但这项技术 尚未完全成熟，有待发展。 tbm 掘进技术的应用与推广发生在本世纪5 0 年代至8 0 年代间。我国60 年代在周 总理的关怀下，成立了攻关小组，研究并发展掘进机技术，但因种种原因，国产掘进机的 可靠性与技术性能与国外掘进机有相当大的差距，掘进机的应用未能在国内得到推广。7 0 年代至80 年代是国外tb m 技术突飞猛进的发展时期，而这期间tb m 技术国内基本 处于低潮阶段。 1 9 8 8 年意大利公司采用t b m 技术在“引大( 大通河) 入秦( 秦王j 1 1 ) ”3 8 # ( 4 9 4 7 6 0 m ) 和3 0 a # ( 1 1 6 4 9 m ) 隧洞工程国际招标中夺标。经过一年多的现场准备，tbm 与1 9 9 1 年 1 月正式开始掘进3 0 a # 隧洞的掘进，并于1 9 9 2 年1 月贯通，平均月进尺11 0 0 m ，最高月进 尺1 4 0 8 m ，最高日进尺7 5 2 0 m 。这一事件震撼了国内隧洞建设者们。 同期，来自大西洋彼岸的消息也使国内隧洞建设者们彻夜难眠，浮想联翩，1 l 台t b m 在仅三年半的时间里完成了穿越英吉利海峡的三条平行的英法海峡隧道，全长约1 4 8 k m ， 其中两条交通隧道，分别为4 9 3 3 k m 和4 9 3 6 k r n ，成洞直径7 6 m ；一条服务隧洞，长4 9 3 2 k m ， 成洞直径4 8 m 。 同一时期，山西省万家寨引黄工程正在积极准备。该工程从黄河万家寨水利枢纽取水 将水东调，经总干线、南干线和北干线分别为太原、大同、平朔三个能源工业基地供水， 引水线路总长约3 1 4 k m ，其中地下泵站、调蓄水库、渡槽、埋涵、发电站、分水闸、倒虹 吸等1 0 0 多座建筑。意大利cmc 公司于1 9 9 2 年8 月完成了“引大入秦”3 8 # 隧洞施工后， 应邀来到了万家寨引黄工程，参与总干线6 4 、7 4 、8 4 隧洞旋工( 总长约2 1 k m ，开挖直径 6 1 2 5 m ，成洞直径5 4 6 m ) ，双方与1 9 9 3 年3 月2 6 日正式签订施工合同。经过一年多的 准备，tbm 于1 9 9 4 年7 月1 7 日开始8 “隧洞掘进( 长1 2 1 9 5 m ) ，1 9 9 6 年1 月1 0 目贯通； 1 9 9 6 年6 月8 日开始7 “隧洞掘进( 长2 6 8 5 m ) ，1 9 9 6 年1 0 月5 日贯通；1 9 9 6 年1 1 月1 5 日开始6 # 隧洞掘进( 长6 6 6 7 3 6 m ) ，1 9 9 7 年9 月6 日贯通，隧洞平均日进尺3 1 5 m 。1 9 9 7 年8 月2 9 日，意大利公司、英普基诺公司与水电四局组成的万龙联合体在引黄南干线4 。、 5 4 、6 4 、7 “隧洞( 总长约9 0 k i n ) 工程国际招标中夺魁中标。该工程采用四台双护盾tb m ，两台为r o b b i n s 公司生产的新tbm ，一台为s e l l 公司二手tbm ，一台为n f m 公 司生产的新tb m 。四台tb m 的分布情况是，4 。洞进口一台r o b b i n s tb m 沿下游方向 掘进( 该隧洞已于1 9 9 9 年1 0 月1 4 日贯通) ：6 。洞出口一台s e l l tbm 沿上游方向掘进， 第二章t b m 技术的址腱 并在5 4 隧洞( 2 6 4 2 9 m ) 约1 0 3 5 k i n 处与从上游方向来的r o b b i n s tbm 汇合。7 4 隧洞长 4 0 9 7 5 m ，一台r o b b i n s tbm 从进口沿下游方向掘进，n f m t1 3 m 从7 4 隧洞出口沿上游方 向