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摘要：在水利工程中，输水隧洞工程的施工始终属于一个及其重要的环节，存在地质和周围环境复杂、风险系数较高等施工难点。本文从介绍输水隧洞工程开始，分析了 TBM 掘进技术的基本原理，然后探究了 TBM 技术在输水隧洞工程中的技术应用，希望可以提高输水隧洞工程的施工质量和效率。
关键词：TBM技术；输水隧洞工；应用
近年来，水利方面的相关工程的施工建设量不断增加，也对输水隧洞工程的质量等施工要求越来越严格。TBM 掘进技术的出现，给熟睡隧洞的施工带来了福音。TBM掘进技术作为一种高效、高机械化、高自动化的隧洞掘进技术，具有安全、快速、高效等施工优点，在工程应用中也能充分印证。因此，未来更需要对输水隧洞工程中的TBM 掘进技术进行强化和升级。
1.输水隧洞工程
随着我国的综合国力和经济水平的提升，也加快了对水利工程的相关建设，其中，单单2014年投入到水利工程的资金总额就800 亿元多。我国的南水北调工程作为世界上最大的输水工程，输水线从湖北的丹江口水库向北一直延伸到北京的玉渊潭，期间穿过多个省市，中长超过1200千米。其中，穿黄隧洞是南水北调工程中及其重要的输水隧洞，其中最大的是邙山隧洞和黄河隧洞，不仅施工条件和环境复杂，而且施工过程中的工作量较大，因此，要想确保疏水隧洞的质量，就要应用科学先进的施工技术。
输水隧洞工程是隧道工程中的一种，但是其性质不同于传统的隧道工程，它们之间存在较大的区别，所以两者在施工技术上也有较大差异。以前的年代里施工都是靠人力进行，对于开凿隧道这种高强度的劳动，使用风镐等简单工具挖掘岩体十分困难，使得施工速度极为缓慢并且劳动力需求很大。后来，随着液压凿岩机的出现，迅速受到隧道施工的应用和青睐，随后产生一些类似的产品。与此同时，也钻研出钻爆施工的技术，这种在岩体上钻眼以实现爆破的新技术，能够帮助施工队伍加快掘进的速度。但是，钻爆法有一个缺点，即施工振动很大，对岩层造成很大的损害，因此不适合大范围的隧道施工，仅限较稳定的石质隧道。
以上可以得出，输水隧洞工程的施工具有工作量多、施工距离长、施工环境复杂等特点。但是，输水隧洞对多种行业的发展具有经济促进作用，又能带来长远的社会意义，以及促进国民经济的发展。所以，输水隧洞工程需要更新更科学合理的施工技术来增强施工队伍的能力。
2.敞开式TBM基本原理
2.1 TBM 类型
TBM掘进技术主要有护盾式和敞开式两类。护盾式TBM 是一种有外壳保护可以随主系统一起移动的掘进机，因此护盾式 TBM更适合在比较复杂的地质环境中使用，当施工过程中出现以下地质灾害时，譬如涌水、断层等，使用护盾式TBM能将这些地质灾害给输水隧洞工程带来的不良影响削弱甚至解决，例如施工机械出现卡机、埋机等现象时。
与之相比，敞开式 TBM 缺少盾支撑保护，仅有顶支撑，并且很短。它主要依靠主撑靴和千斤顶实现前后移动的过程。敞开式TBM 适用于地质条件较好的施工环境，并且掘进过程中需要较大的掘进力，它的优点是开掘过的隧洞岩层结构较为稳定，并且力学性能好，一般不会有岩体变形等现象出现。
2.2 敞开式TBM掘进模式
TBM主机配置的撑靴油缸伸出撑紧洞壁，后支撑油缸回收，转动刀盘，推进油缸借助撑靴的反作用力，推动盾体向前。掘进完一个循环，后支撑油缸伸出，撑靴油缸缩回，推进油缸速回。主机与后配设有牵引油缸，拖拉后配套在轨道上运动。敞开式 TBM在开挖的过程中，在刀盘后通常会做好临时支护，比如拱架支护，然后再二次衬砌混凝土。同时，将支护设施做好柔性处理，避免在较小范围内发生失稳现象，尽可能保证洞室岩层的加固稳定性。利用先进的地质预测技术，加上安全的支护措施，也有利于敞开式TBM在岩层不稳定的情况下进行施工。
护盾式 TBM 一般采用圆形全周管式衬砌。它可以在岩层承载力较低的隧洞中，利用千斤顶的便利，通过推动管片运动，来得到机械的反推进力；若是撑靴能够支撑岩面，那么双护盾TBM将掘进和换步同时进行，这样能明显加快输水隧洞的掘进速度；当管片安装机安装管片时，其速度较快并且安全度较高。但是要注意，护盾式TBM获得的反推进力来源于衬砌管片的运动，因此要注意需要连续铺设衬砌管片。而且，在管片中间添加止水条，就能达到防水的目的；针对洞壁和与外圆之间的间隙，要注浆或压来做好岩层的加固处理。
2.3 TBM破岩原理
在输水隧洞施工中，首先需要TBM掘进技术对岩层进行破坏，原理主要是通过盘形滚刀的转动来实现，盘形滚刀钻入破碎岩体进，然后使整个岩壁开始破碎。TBM掘进技术的破岩原理如图1所示。
3.TBM 技术在输水隧洞工程中的应用探析
3.1 TBM 选型
根据以往积累的施工经验，当隧洞的长度超过5千米，工程的掘进度超过 每月350米，这时TBM能将最佳功效发挥出来。但是TBM 技术不太适合在有大量涌水和断层的地质段使用。因此，应用TBM掘进技术时，首先要根据隧洞的实际情况进行选型。主要针对三个方面来进行选择：TBM和钻爆法优劣比较、护盾式 TBM 和敞开式 TBM 比较。
（1）比较TBM 和钻爆法。TBM 具有掘进速度快、破坏力小、安全等优点，在较长的隧洞内适合应用。以下情况下不宜使用：隧洞断面非圆、隧洞长度较短、水文地质条件极差等。
（2）比较护盾式 TBM 和敞开式 TBM 。他们都有一定的护盾，因此在交较差的地质条件下应用有较大优势。敞开式 TBM 较适合具有稳定岩层的隧洞，只需要具备顶支撑；当岩层条件不稳定时，可以做加固岩层的处理。
3.2 本工程采用的TSP超前地质预报技术
在隧道施工过程中，超前地质预测技术其中一种及其重要的技术，施工前对前方地质不明确的情况下，容易发生危险，因此用来预测前方地质情况，指导施工的进行，便于对前方潜在的危险提前应对。因为这种技术的种类繁多，并且有各自对应的试用范围，因此在选用时要按照输水隧洞的实际情况。其中，TSP 预测技术能预测前100至200米内的地质情况，不会对施工造成影响，并且这项技术的操作简单，结果真实可靠。对比其它预测技术，TSP 技术所用的时间更短，并且花费更低，长隧洞预测中要求地质条件要较为简单。TSP 预测技术也存在如下的问题：反馈的图形要通过专业人员的解读，并不直观；预测地层含水量时存在较大误差，并不精准；没有完善好测量值理论等。因此，在选用输水隧洞工程中应用的TBM技术时，要充分考虑好各个方面的施工要求，将各种技术融合在一起运用，尽可能地提高输水隧洞施工的工作效率和施工质量。
3.3 TBM设备支护条件
TBM设备用于硬岩掘进，应关注软弱、破碎地带的岩石情况，主要支护形式是锚杆、挂钢筋网片、立刚拱架喷射湿混泥土。其中，锚杆支护适用于围岩条件好，开挖边界围岩自稳能力强，基本无须支护的类型，只对围岩中夹层或密闭节理周围加设几根短锚杆，防止岩爆出现片状剥落时，为补网做准备。此外，网片支护适用于条件较好的围岩，采用拱部或拱部圆节理处进行锚、网支护，主要是防止喷混凝土前落石。还有条件一般的围岩，主要为类围岩的发育段及局部岩爆段，采用拱部锚、网支护，辅助增加格栅钢架，对局部软弱结构面处易出现较大块剥落部位，增加12槽钢钢架。
4.结束语
在输水隧洞工程中，TBM掘进技术以绝对的优势战胜钻爆法和其他施工方法而广受追捧，但是它本身还是存在一定的缺陷的，为了提高施工速度，保证输水隧洞施工的质量，要根据施工隧洞的具体施工情况，灵活运用多种TBM 技术。
参考文献：
[1] 姚晓明． TBM 在超长隧洞施工方法研究［D］． 西南交通大学，2011．
[2] 杜士斌． 开敞式 TBM 在大伙房输水隧洞工程中的应用［J］． 水利水电技术，2010．
论文作者:张华
论文发表刊物:《基层建设》2016年30期
论文发表时间:2017/2/22
标签：隧洞论文; 技术论文; 工程论文; 岩层论文; 地质论文; 围岩论文; 管片论文; 《基层建设》2016年30期论文;