青神县水务局 四川青神 620460
摘要：随着世界水电开发机遇的不断扩大，各种规模水电站在不断的建设或扩建，因此，对于水电站开挖技术的创新和开发的需求日益迫切。本文中，主要论述了水电站隧洞施工技术要点，同时通过对TBM掘进机进行研究，突出TBM在水电站隧洞开挖进行过程中所面临的人机安全的问题，解决TBM在不良地质地段掘进时出现的问题。
关键词：小型水电站；隧洞开挖；隧洞机械化；施工技术
引言
现在，由于中小型水电站的迅速建设且满足分布式能源供给得需求，不必建设大量的基础设施，因此变得越来越受欢迎。小型水电站往往需要挖掘小型隧洞，由于预算有限，小型隧洞的开挖和衬砌方案应考虑经济和适用性。初始投资高和研制时间长是小型水电站不采取隧道掘进机（TBM）施工的主要因素。然而，详细的研究表明，中小型水电站隧隧洞机械化施工可以实现更高的成本效率。本文中，对TBM在水电站隧洞施工过程中，展开介绍。
1水电站隧洞概述
按照输水水流状态的不同，把水电站隧洞分成无压隧洞与有压隧洞。无压隧洞的特征为：在隧洞输水时，水流具有自由的表面，没有充满隧洞。而有压隧洞在输水时，水流并不具备自由的表面，且彻底充满在隧洞中。进口段、洞身及出口段是水电站隧洞的重要构成部分。洞身在水电站隧洞中极为关键，施工环境不同，会使洞身的样式也有一定的差别，为了最大限度地保障洞身和施工区水文环境相符合，设计人员在进行洞身设计前应彻底查看水文地质勘查数据，掌握施工区的水流及地质状况，确保洞身设计质量。
2 TBM概述
TBM掘进机以其高效率、高质量的施工及其施工安全性能高而见长，因此TBM一直在深埋地下超长隧道工程中大力提倡。即使TBM掘进机优点非常鲜明，却也需要强有力的技术支持，合理安排施工进度，防止施工过程中出现安全隐患。如地层坍塌、地下水土流失、岩爆等某些不良地质条件导致整体施工进度缓慢，在整个施工过程中，不仅要提高技术水平与施工进度，还要注重保证工程的质量问题。
2.1 TBM工作原理
TBM通过借助刀盘的推动作用将盘形滚刀围绕刀盘和滚刀自身的中心旋转，但由于滚刀会贴合掌子面所固定的位置进行作业，所以当滚刀的作用力大于岩石的压力时，岩石当即破碎，滚刀就会沿着同心圆的切面，而形状如同同心圆的岩石便会成片落下。单护盾TBM一般只能对相对破碎的岩石进行掘进，主要原因是破碎的岩体不像完好无损的岩石一样有较强的抗压能力。要利用盾壳和围岩间的摩擦力将刀盘破岩时的反作用力消化掉，顺势将油给进，但是要先完成管片拼装，掘进机不能与其一同进行。
2.2影响TBM掘进的主要因素
不成熟的施工技术、人机工作不安全、不良地质地段、隧洞的设计不同都会影响TBM施工，但其中的重中之重是施工位置的地质地貌以及TBM设计的是否合理。
2.3 TBM的优势
TBM的施工优势：①TBM具有高度的灵活性，不仅可以在任何岩石和变化的土体中工作，还可以在水下和“液化土”任何深度下工作，并对环境产生较小的影响。②TBM非常适合长隧洞施工，可以降低成本，缩短工期，提高施工方案的可靠性，确保现场施工的安全。
TBM的成本优势包括：①初期投资较高，但总体运营成本较低，操作和维护人员才少，成本较低；②开挖断面精度高，避免过度挖掘和浪费材料。
TBM的工期优势包括：①可连续施工，掘进速度快；②当地质条件发生变化时，可以通过机械设计和支护来降低风险，提高施工方案的可靠性。
3工程案例
某小型水电站位于四川省境内，工程区地处川西北高原的南缘，隧洞施工过程中使用TBM施工技术，开挖方式为掘进机开挖。主要隧洞的TBM段总长为9452m，其中，14#支洞为TBM进口支洞，12#支洞则为出口支洞，还存在一条辅助支洞，即13#支洞。TBM施工所使用到的为逆坡掘进方式，14#支洞为TBM的入口，当在支洞和主洞交汇处安装完毕洞内设备之后实行掘进，至13#下游钻爆接应段。第一，TBM掘进施工段是从13#下游到13#上游钻的位置，之后便可掘进主洞跟12#下游汇合。第二，TBM掘进施工段便是拆卸运出洞的整体路段。具体工程概况如图1所示。
图1
4 TBM施工技术应用分析
4.1 TBM施工的启动阶段
在启动 TBM掘进机之后，首要任务就是确定掘进的方向。此时，位于前位位置的是设备的支撑部分，设备通过撑靴进行支撑。确定掘进方向之后，提起后支撑将切削盘发动，并对液压缸进行推进。在完成掘进之后，则要进行换步作业，停止转动切削盘，主动伸出后支撑部位，直至到达隧洞的底部。TBM设备的重力主要由后支撑部位进行支撑。运用水平支撑将油缸收回，完全收回油缸主支撑之后，就可以实现支撑换步。为了使活塞杆的收回不会受到影响，此时要运用液压缸进行供油，供油方向为反方向供油，外机架与水平撑靴均向前方移动，并保持同步状态。
4.2 TBM施工的掘进阶段
在 TBM具体施工的过程中，可以将掘进阶段施工分为以下五个主要步骤：
（1）运用侧向撑靴，对 TBM 刀盘的后部进行固定，使其能够贴合洞壁。侧向撑靴要与楔块油缸相配合，才能对支撑位置进行牢固的锁定，使洞壁受到反作用力，保障水平掘进方向不会发生偏移。同时，为了保障垂直掘进方向的坡度，避免其发生偏移，还要对前支撑位置进行不断的调整。
（2）在完成第一步的施工之后，要立即对推力油缸进行推进，并对刀盘进行转动，此时 TBM设备正式进行掘进作业。刀盘滚刀在掘进的进程中会产生一定的推进力，一般情况下，该设备的推进力能够达到 250KN。如掌子面的强度约为 100MPa，在这种推进力的作用下就会变形破裂，滚刀会对掌子面进行切割，直至其成为碎块，碎块的直径一般不超过 12cm。
（3）在掘进的过程中，应该立足于当地的地质条件，考虑到 TBM设备的转速曲线、实际扭矩参数，选择合适的参数。对于硬岩结构，由于其具有较高的强度，如果具有良好的围岩条件和地质条件，为了保障掘进效果，可以使用 4500KNm 扭距的刀盘，转速保持在 4.5- 6.5rpm 即可。对于不良地质条件，刀盘的扭距一般为 7000KNm，转速保持在 4.5rpm 以内，能够切割软岩。
（4）油缸主要负责为掘进中的刀盘提供推力，在实际施工中对于一些长度较长的隧道甚至超长隧道，在掘进的过程中水平撑靴板会承受推进的反作用力，而水平支撑油缸又会在水平撑靴板的作用下对洞壁进行支撑，这样一来，实际上是由洞壁的岩层来承受油缸的推力。洞壁被水平支撑板所支撑，从而为掘进过程提供一个稳定、安全的内支护结构，保障施工的安全。
（5）在全部完成所有专项作业之后，要撤掉所有支护设备，包括侧面撑靴和水平撑靴板，此时后支撑是主要的支撑工具，用来支撑 TBM设备的所有重量。为了使TBM 掘进机到达后续施工地点，要对其进行移动，移动的过程主要是对牵引油缸进行收缩，并与后支撑配合使用。到达相应掘进位置之后，操作人员应该对轴线的方向进行重新调整，对导向定位进行布置，导向方式主要由机械内推力油缸掘进，TBM 设备具有激光锁定系统，能够对导向方向进行操控。
5结束语
在中小型水电站地下工程建设中，有多种类型的机械化施工方案可供选择，因此为每个项目选择合适的方案是非常重要的。为了实现能源开发的优化，应根据每个项目的特点对施工方案进行改进和调整。这些机械化隧洞施工技术将取代钻孔和爆破方法，为复杂地下洞的施工提供便利。隧洞TBM的应用，施工安全、快速，但施工中几乎很少见到暴露的围岩，再加上TBM隧洞为圆形，且施工产生的强磁场严重干扰罗盘的测量，故无法采用传统的方法进行施工地质工作。因此探索出适合于项目本身的施工地质工作方法，对于隧洞机械化施工意义重大。
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论文作者:何登富
论文发表刊物:《防护工程》2018年第5期
论文发表时间:2018/7/6
标签：隧洞论文; 水电站论文; 地质论文; 过程中论文; 施工技术论文; 设备论文; 油缸论文; 《防护工程》2018年第5期论文;