趙 毅

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

1 工程意義

滇中地區(qū)是云南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心，地處金沙江、瀾滄江、紅河、南盤江四大水系分水嶺，水資源短缺，旱災(zāi)頻繁，是長江流域著名的干旱缺水區(qū)之一。

滇中引水工程是國務(wù)院批準(zhǔn)的《長江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)》提出的解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問題的特大型調(diào)水工程。實(shí)施該工程可有效緩解滇中地區(qū)較長時(shí)期內(nèi)的缺水矛盾，改善受水區(qū)河道、高原湖泊生態(tài)及水環(huán)境狀況，對促進(jìn)云南省經(jīng)濟(jì)社會協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

工程任務(wù)以城鎮(zhèn)生活與工業(yè)供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水。按水平年2040年，滇中引水工程渠首多年平均引水量為44.03億m3。其中，城鎮(zhèn)生活7.93億m3、工業(yè)24.38億m3，農(nóng)業(yè)灌溉5.00億m3，向湖泊環(huán)境補(bǔ)水6.72億m3。

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，也是國家2020年前開工建設(shè)的172項(xiàng)重大水利工程中的10大標(biāo)志性工程之首。工程建成投入運(yùn)行后可以從根本上解決滇中區(qū)的水資源短缺問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、社會和生態(tài)效益。

2 工程概況

2.1 總體概況

滇中引水工程由水源工程、輸水總干渠工程組成。水源工程自石鼓鎮(zhèn)上游約1.5 km的金沙江右岸引水，經(jīng)長1.26 km引水渠沉沙后，通過長約2.9 km隧洞和0.8 km涵管輸水至位于沖江河右岸竹園村上游的地下泵站，提水至香爐山隧洞進(jìn)口。泵站最大提水凈揚(yáng)程為219.16 m，共安裝12臺水泵機(jī)組，總裝機(jī)12×41 MW，其中備用機(jī)組2臺。地下泵房洞室開挖尺寸為217 m×24 m×48.15 m(長×寬×高)，泵站多年平均耗電量為25.6億kW·h。輸水工程自香爐山進(jìn)口向南至大理，然后轉(zhuǎn)向東，經(jīng)楚雄至昆明，轉(zhuǎn)向東南至玉溪、紅河； 總干渠總長663.23 km，劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及紅河段等6 段，由輸水隧洞、暗涵、渡槽、倒虹吸等輸水建筑物組成，其中隧洞長度占92.03%。香爐山隧洞進(jìn)口渠首設(shè)計(jì)流量為135 m3/s，入楚雄、昆明、玉溪、紅河設(shè)計(jì)流量分別為120、95、40、20 m3/s； 總干渠末端流量為20 m3/s。滇中引水工程總布置圖如圖1所示。

2.2 香爐山隧洞工程概況

大理Ⅰ段為滇中引水工程總干渠的起始段,香爐山隧洞位于大理Ⅰ段的首部,自泵站出水池開始向南,經(jīng)香爐山穿越崇山峻嶺到達(dá)松桂鎮(zhèn),可行性研究階段該段線路總長63. 426 km。香爐山隧洞地理位置示意圖如圖2 所示。

香爐山隧洞埋深汝南河槽谷以北一般為600～1 000 m，最大埋深約1 138 m； 槽谷以南埋深一般為900～1 200 m，最大埋深約1 512 m。隧洞起點(diǎn)設(shè)計(jì)水位為2 035 m，隧洞縱坡為1/1 800。隧洞斷面為圓形，結(jié)合施工及地質(zhì)條件，隧洞分別采用鉆爆法和TBM法2種施工方法施工。其中，TBM段隧洞擬采用開敞式TBM施工，現(xiàn)澆混凝土襯砌，開挖斷面直徑為9.8 m； 其過水?dāng)嗝娼Y(jié)合襯砌要求確定： Ⅲ1類圍巖隧洞直徑為9.3 m，Ⅲ2類圍巖隧洞直徑為8.5 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖直徑為8.4 m； 鉆爆段隧洞直徑為8.3 m。

香爐山隧洞是滇中引水工程全線最具代表性的深埋長隧洞，為滇中引水工程控制性工程，輸水水位2 035.00～2 000.35 m。由于隧洞線路長、埋深大，經(jīng)施工布置、工期影響、經(jīng)濟(jì)分析及環(huán)境影響等綜合比較，對活動斷層、軟巖等不良地質(zhì)段采用鉆爆法施工，地質(zhì)條件較好的玄武巖、灰?guī)r、基性巖脈段采用TBM施工，布置11條施工支洞(6條施工斜井、3條施工平洞、1條旁通洞)，施工工期為96個(gè)月。香爐山隧洞分段施工方法見表1。

圖2 香爐山隧洞地理位置示意圖

樁號(DLⅠ)起始終止主洞分段長度/km施工方法00+00005+0005.00鉆爆法(進(jìn)口、1#支洞共3個(gè)工作面)05+00009+5004.50鉆爆法(1-1#支洞共2個(gè)工作面)09+50016+5657.07鉆爆法(2#、3#、3-1#支洞共6個(gè)工作面)16+56523+2406.68TBM法(TBMa-1)23+24028+8005.56鉆爆法(4#、5#支洞共4個(gè)工作面)28+80053+68024.88TBM法(TBMa-2和TBMb-2)53+68053+9800.30鉆爆法(旁通洞共2個(gè)工作面)53+98057+7953.82TBM法(TBMb-1)57+79562+4494.65鉆爆法(8#支洞及出口共3個(gè)工作面)

2.3 香爐山隧洞工程地質(zhì)

2.3.1 地形地貌

香爐山隧洞地處橫斷山北部高山峽谷區(qū)與滇中高原盆地山原區(qū)交接部位，區(qū)內(nèi)地貌受構(gòu)造控制，山脈及主要水系走向呈近南北向，高山、深谷、盆地相間排列。

2.3.2 區(qū)域構(gòu)造背景

香爐山隧洞自北西向南東依次穿過松潘-甘孜褶皺系(Ⅲ)及揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(Ⅰ)的二級構(gòu)造單元中甸褶皺帶(Ⅲ1)、麗江臺緣褶皺帶(Ⅰ1)； 三級構(gòu)造單元依次為東旺-巨甸褶皺束(Ⅲ11)、三壩褶皺束(Ⅲ13)及鶴慶-洱海臺褶束(Ⅰ11)。香爐山隧洞橫跨“川滇菱形塊體”的“川西北塊體”及“滇中塊體”2個(gè)次級塊體。

2.3.3 主要斷裂及其活動性

香爐山隧洞兩側(cè)150 km范圍內(nèi)深大斷裂共23條，其中龍?bào)?喬后斷裂以西地區(qū)斷裂以北西向?yàn)橹?，以東地區(qū)斷裂以北東、北北東向?yàn)橹?。這些斷裂大多延伸長、切割深，屬于區(qū)域性大斷裂或深大斷裂帶。

2.3.4 地層巖性

據(jù)統(tǒng)計(jì)，線路穿(跨)越變質(zhì)巖、巖漿巖、沉積巖及第四系覆蓋層長度分別為12.696、25.104、24.269、0.380 km，線路占比分別為11.08%、40.20%、38.86%、0.61%。

2.3.5 巖溶與水文地質(zhì)

隧洞線路區(qū)地處滇西北青藏高原東南部，屬高原溫濕氣候區(qū)，四季溫差不大，年降雨量為600～900 mm，氣候條件及水動力條件適宜巖溶發(fā)育。根據(jù)水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)及巖溶化地層和隔水層組的分布、地下水排泄點(diǎn)和泉群的位置，將香爐山隧洞區(qū)劃分為6個(gè)規(guī)模較大的巖溶水系統(tǒng)，其中與香爐山隧洞直接相關(guān)的主要有Ⅰ白漢場、Ⅱ拉什海、Ⅳ鶴慶西山的Ⅳ-5及Ⅴ清水江—劍川等4個(gè)巖溶水系統(tǒng)。

3 工程重難點(diǎn)

3.1 巖溶水文地質(zhì)與水環(huán)境影響問題

1)香爐山隧洞沿線地表碳酸鹽分布較廣，地表可溶巖地層長度為29.048 km，占比46.51%； 隧洞穿越可溶巖地層長度為17.843 km，占比28.57%。沿線巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)主要分布于白漢場、太安、汝寒坪、鶴慶西山、劍川東山等地。

2)香爐山隧洞地表涉及4大巖溶水系統(tǒng)，隧洞周邊的鶴慶、劍川、麗江及拉什海盆地巖溶大且分布密集，隧洞下穿可能對巖溶水形成一定程度疏干進(jìn)而引發(fā)地下水環(huán)境影響問題。

3.2 深埋狀態(tài)下的硬巖巖爆、軟巖大變形及高外水壓力問題

香爐山隧洞穿越馬耳山脈，山體高聳，隧洞普遍深埋，最大埋深為1 512 m。隧洞埋深大于600 m的洞段長42.031 km，單洞占比67.3%； 埋深大于1 000 m的洞段長21.517 km，單洞占比34.45%。

3.2.1 硬巖巖爆問題

香爐山隧洞發(fā)生中強(qiáng)爆可能性較大的洞段有6段(見表2)，累計(jì)長4.454 km，占隧洞總長的7.13%。

表2 香爐山隧洞發(fā)生中強(qiáng)巖爆可能性較大洞段分布表

3.2.2 軟巖大變形問題

主要軟巖地層及斷裂破碎帶分布洞段隧洞埋深多在500 m以上，最大埋深為1 512 m，強(qiáng)度應(yīng)力比(S值)一般為0.30～0.05，普遍易于產(chǎn)生嚴(yán)重—極嚴(yán)重?cái)D壓變形，少量輕微及中等擠壓變形，香爐山隧洞軟巖擠壓大變形匯總成果見表3。據(jù)統(tǒng)計(jì)，易發(fā)生極嚴(yán)重變形洞段長5.883 km，占比46.2%； 嚴(yán)重變形洞段長3.870 km，占比30.4%； 中等變形洞段長0.468 km，占比3.7%； 輕微變形洞段長2.048 km，占比16.1%。

表3 香爐山隧洞軟巖擠壓大變形預(yù)測分析匯總成果表

3.2.3 高外水壓力問題

香爐山隧洞沿線地下水埋深一般數(shù)十m至400余m，局部地段具承壓性，隧洞深埋段地下水水頭一般400 m以上，最大達(dá)1 478 m。香爐山隧洞有28段存在高外水壓力，主要分布于向斜核部及北東向、近東西向及南北向斷裂帶洞段、深部灰?guī)r及玄武巖洞段。

3.3 隧洞其他工程地質(zhì)問題

3.3.1 含煤、膨脹土等特殊巖土工程地質(zhì)問題

香爐山隧洞在樁號DLⅠ41+767～+902及樁號DLⅠ51+785～53+247段穿越黑泥哨組(P2h)地層，累計(jì)長1.597 km； 在樁號DLⅠ60+107～+257及DLⅠ61+211～+565段穿越松桂組(T3sn)地層，累計(jì)長0.504 km。隧洞穿越上述地層含煤洞段時(shí)洞室圍巖穩(wěn)定問題突出，同時(shí)還存在有毒有害氣體與腐蝕性地下水問題。

3.3.2 隧洞淺埋段及穿越覆蓋層洞段圍巖穩(wěn)定問題

香爐山隧洞后段(獅子山以南至出口)穿越多條東北向沖溝，沖溝兩側(cè)山體低矮，總體地勢平緩，地面高程為2 080～2 020 m，隧洞埋深一般為30～80 m，少量穿越?jīng)_溝段埋深小于30 m(3倍洞徑)，局部還在覆蓋層中穿越。據(jù)統(tǒng)計(jì)，淺埋段累計(jì)長545 m，約占隧洞總長的0.87%； 穿越覆蓋層洞段累計(jì)長380 m，約占隧洞總長的0.61%。覆蓋層以沖洪積碎卵礫石土為主，成分混雜，均一性差，隧洞成洞困難； 淺埋段頂板巖體較薄，還可能產(chǎn)生冒頂和地表水的灌入問題。樁號DLⅠ61+274～DL61+327段穿越上鶴高速公路，隧洞頂板與高速路面(路面高程為2 033 m)高差僅30 m，且均為覆蓋層，若工程應(yīng)對不當(dāng)會存在隧洞塌頂并導(dǎo)致高速路基塌陷的問題。

4 工程關(guān)鍵技術(shù)

4.1 特殊不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)

本標(biāo)段的不良地質(zhì)洞段較多，其中Ⅳ～Ⅴ類占比近60%以上，主要存在軟巖大變形、高地應(yīng)力巖爆區(qū)、大區(qū)域活動構(gòu)造、活動斷裂破碎帶、可溶巖段、高壓富水區(qū)、出口淺埋段及積福村渡槽段樁基的溶洞回填處理等地質(zhì)難題，基本涵蓋了隧道施工的重要不良地質(zhì)。對于不良地質(zhì)段施工，總的原則是先探明地質(zhì)情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識，判明不良地質(zhì)的類型、大小和影響范圍，擬定具有針對性的現(xiàn)場實(shí)施方案，執(zhí)行方案，施工驗(yàn)證并跟蹤監(jiān)控量測，最后形成總結(jié)以指導(dǎo)下一步的施工。具體施工方案如下。

4.1.1 軟巖大變形段施工方案

鉆爆法施工中主要采用如下措施： 1)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)； 2)加強(qiáng)超前支護(hù)措施； 3)施工階段加強(qiáng)初期支護(hù)強(qiáng)度和剛度，根據(jù)“以抗為主，抗放結(jié)合”的原則確定支護(hù)參數(shù)； 4)及時(shí)封閉成環(huán)措施； 5)預(yù)留足夠的變形空間； 6)二次襯砌結(jié)構(gòu)加強(qiáng)； 7)加強(qiáng)監(jiān)控量測。

TBM法施工過程中采取以下處理措施： 1)若變形較小且適當(dāng)擴(kuò)挖不會使TBM受困，可采用TBM擴(kuò)孔功能適當(dāng)擴(kuò)挖，從而加大開挖直徑，以預(yù)留足夠的變形量使TBM機(jī)體與圍巖之間保持合理的間隙，可避免TBM被困，同時(shí)還可防止圍巖后期變形對隧道凈空的影響； 2)在TBM未受困時(shí)，可采用超前大管棚配合TBM掘進(jìn)方式穩(wěn)步通過； 3)TBM的針對性設(shè)計(jì)和超強(qiáng)的脫困轉(zhuǎn)矩； 4)TBM后配套通過后加強(qiáng)支護(hù)，初期支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)，及時(shí)襯砌，盡可能控制變形； 5)若TBM被卡或受困需脫困時(shí)，可利用平導(dǎo)或迂回導(dǎo)坑對TBM解困，再采用超前注漿加固+超前大管棚結(jié)合方式平穩(wěn)推進(jìn)，通過后加強(qiáng)初期支護(hù)。

軟巖大變形段施工歷來是隧道施工的難題，目前國內(nèi)還沒有完全掌握控制軟巖大變形的有效措施，需要參建各方共同研究，繼續(xù)完善設(shè)計(jì)和施工方案，以滿足施工安全、質(zhì)量和工期等要求。

4.1.2 高外水壓力下涌水突泥處理施工方案

針對涌水段施工所采取的主要措施如下： 1)加強(qiáng)探水； 2)排水泄壓； 3)超前預(yù)注漿堵水； 4)備足抽排水設(shè)備； 5)優(yōu)化洞內(nèi)排水條件； 6)應(yīng)急預(yù)案。

4.1.3 穿越斷層、構(gòu)造破碎帶、活動斷裂帶施工方案

這些地段施工中需加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、采用超前管棚、超前注漿、徑向注漿、加強(qiáng)支護(hù)等相互配合形成穩(wěn)定圈，即采用超前加固后再施工的措施。

4.1.4 高地應(yīng)力及巖爆段施工方案

4.1.4.1 輕微巖爆(薄片狀破壞，有少量彈射，深度一般不超過50 cm)

主要針對拱部120°范圍進(jìn)行掛網(wǎng)、加密錨桿施工，同時(shí)做好應(yīng)力釋放短孔，并對出露圍巖進(jìn)行噴水，以適當(dāng)改變巖石力學(xué)性質(zhì)，降低巖石的脆性，將需釋放的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽?如巖爆形成圍巖崩坍體積較大，現(xiàn)場應(yīng)及時(shí)采取L1區(qū)應(yīng)急噴漿系統(tǒng)進(jìn)行噴混支護(hù)，必要時(shí)利用mcnally系統(tǒng)加強(qiáng)支護(hù)。此外，采用柔性防護(hù)網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋網(wǎng)，同時(shí)利用漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿能有效、快速地控制巖爆引起的坍塌規(guī)模，達(dá)到快速支護(hù)、確保施工安全的目的。

4.1.4.2 中等巖爆(出現(xiàn)較強(qiáng)烈的彈射型破壞，破壞深度在50～150 cm)

有效利用刀盤噴水系統(tǒng)及護(hù)盾后方高壓水管對巖面噴水軟化圍巖，促使應(yīng)力釋放和調(diào)整； 仰拱塊以上施作φ6.5 mm柔性鋼絲網(wǎng)，網(wǎng)格間距為15 cm×15 cm； 利用設(shè)備附屬錨桿鉆機(jī)(或人工手持風(fēng)鉆)拱部180°范圍施作φ25 mm漲殼式預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿，長度為3.5 m，間距為1.5 m×1.5 m，錨桿墊板尺寸為20 cm×20 cm×10 mm(長×寬×厚)； 采用H125/H150型鋼拱架全圓支護(hù)，縱向間距為0.9 m； 噴納米防鋼纖維混凝土，厚度為15 cm。

4.1.4.3 強(qiáng)烈?guī)r爆(出現(xiàn)彈射型破壞，或破壞深度超過150 cm)

強(qiáng)烈?guī)r爆需要進(jìn)行超前應(yīng)力解除爆破，孔內(nèi)爆破后未開挖巖體形成的破碎區(qū)基本位于60°范圍內(nèi)(左側(cè)11點(diǎn)、右側(cè)1點(diǎn)位置)，并且頂拱位置預(yù)留一定的開挖厚度，以免后續(xù)掘進(jìn)開挖過程中因巖體軟弱不均造成刀盤偏壓； 在刀盤正前方采取人工鉆孔形式進(jìn)行施作，鉆孔數(shù)量約20個(gè)，孔徑為50 mm，孔深為4 m，扣除刀盤厚度1 m，有效孔深為3 m，必要時(shí)可通過加接鉆桿的方式增加孔深。

4.1.5 有害氣體、腐蝕水段施工方案

隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，及時(shí)掌握異常氣體的成分、濃度及對人體的危害程度，加強(qiáng)施工通風(fēng)、加強(qiáng)相關(guān)人員的勞動保護(hù)，必要時(shí)應(yīng)配備凈化過濾裝置，并應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)單位，以便處理。

4.2 TBM安全快速掘進(jìn)施工技術(shù)

4.2.1 TBM掘進(jìn)模式

若圍巖較硬，推進(jìn)壓力先達(dá)到額定值，此時(shí)應(yīng)以推力變化為參照選擇掘進(jìn)參數(shù)，控制推進(jìn)壓力不超過額定值； 若圍巖節(jié)理發(fā)育、裂隙較多或遇破碎帶、斷層帶等時(shí)，主要以轉(zhuǎn)矩變化并結(jié)合推進(jìn)壓力參數(shù)選擇掘進(jìn)參數(shù)，特別是在巖石軟弱條件下一般采用轉(zhuǎn)矩和貫入度控制掘進(jìn)，同時(shí)兼顧各種參數(shù)變化。TBM主司機(jī)應(yīng)觀察并及時(shí)調(diào)整控制掘進(jìn)參數(shù)，關(guān)鍵參數(shù)將被自動記錄和存儲，以便于隨后的調(diào)取查詢。

4.2.2 掘進(jìn)參數(shù)的選擇和調(diào)整

掘進(jìn)參數(shù)的選擇也是影響軟弱圍巖施工的主要因素。掘進(jìn)參數(shù)是指刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤轉(zhuǎn)矩、刀盤推力、掘進(jìn)速度、撐靴系統(tǒng)的撐緊壓力等，合理地選擇和調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)可以有效減少剝落和坍塌。

4.2.3 TBM施工時(shí)幾個(gè)特殊情況下的TBM操作參數(shù)要求

1)刀盤掌子面坍塌時(shí)： 會在監(jiān)視器屏幕上看到皮帶機(jī)上的巖碴有很多大塊，并且皮帶機(jī)上的巖碴突增，皮帶機(jī)壓力指示明顯升高，必須立即停止TBM推進(jìn)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤和皮帶機(jī)，防止皮帶機(jī)被卡或拉傷。如果碴量仍不能下降，應(yīng)立即使刀盤后退3～5 cm，嚴(yán)重時(shí)繼續(xù)后退刀盤，直到上述參數(shù)恢復(fù)正常，方可恢復(fù)TBM推進(jìn)。

2)護(hù)盾后發(fā)生坍塌時(shí)： 如果坍塌不嚴(yán)重，可繼續(xù)推進(jìn)至設(shè)計(jì)開挖斷面尺寸，再停止掘進(jìn)并進(jìn)行支護(hù)； 如果坍塌嚴(yán)重，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后方可掘進(jìn)。

通過建立和健全設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)報(bào)系統(tǒng)，可以提前捕捉到故障信息并進(jìn)行分析預(yù)報(bào)，指導(dǎo)維護(hù)、修理、保養(yǎng)工作，保障設(shè)備良好運(yùn)轉(zhuǎn)，有效提高設(shè)備利用率。

4.3 地下滲涌水處理專項(xiàng)施工技術(shù)

本標(biāo)段TBM穿越可溶巖累計(jì)約10 km，占比約38.9%，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)主要位于鶴慶西山Ⅳ-5與清水江—劍川Ⅴ-2兩個(gè)巖溶水子系統(tǒng)。從環(huán)保、生態(tài)和隧洞內(nèi)流量控制考慮，為避免隧洞內(nèi)有較多滲漏，減小隧洞施工期抽排水對地下水環(huán)境的影響及對隧洞施工的影響，對地下水采用既封堵又疏導(dǎo)的方式，遵循“以堵為主，限量排放”的處理原則。對開挖后滲水洞段，在隧洞周圍布置徑向孔進(jìn)行灌漿，形成封閉的止水圈，提高圍巖的整體強(qiáng)度和抗?jié)B性能，以減小作用在襯砌上的外水壓力及控制對地下水環(huán)境的影響，具體如下：

1)裸洞，滲水量q≤3 m3/(d·m)(滲水滴水狀態(tài))時(shí)不進(jìn)行灌漿封堵，襯砌后全圓布置排水孔(3 m×3 m，梅花形，深2 m)。

2)部分灌漿，滲水量q>3 m3/(d·m)時(shí)先用普通灌漿封堵，襯砌后全圓布置排水孔(3 m×3 m，梅花形，深2 m)。

3)部分灌漿，滲水量q>3～5 m3/(d·m)時(shí)改用磨細(xì)水泥灌漿封堵，q>5 m3/d·m時(shí)改用化學(xué)灌漿封堵，襯砌后全圓布置排水孔(3 m×3 m，梅花形，深2 m)。

4.4 TBM脫困處理專項(xiàng)方案

TBM受困前后應(yīng)嚴(yán)格按照要求施作超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，為準(zhǔn)確判定掌子面前方圍巖、受困原因及處理措施提供依據(jù)。TBM在不良地質(zhì)段不停機(jī)、少停機(jī)或短停機(jī)，采用連續(xù)低速率、低貫入度的掘進(jìn)參數(shù)掘進(jìn)，增強(qiáng)初期支護(hù)參數(shù)，及時(shí)封閉軟弱巖體，減少后期變形卡機(jī)。

本標(biāo)段TBM設(shè)計(jì)上應(yīng)配置較強(qiáng)的脫困轉(zhuǎn)矩及破巖脫困能力，并通過護(hù)盾伸縮提供脫困臨界面； 增加刀盤的開口率，以便掌子面大量坍塌體能及時(shí)輸出，減少刀盤壓力； TBM配置超前處理措施及作業(yè)空間，滿足超前鉆機(jī)鉆孔、超前注漿以及應(yīng)急支護(hù)系統(tǒng)等針對本工程地質(zhì)特點(diǎn)所做的專題設(shè)計(jì)。

4.5 隧洞掘進(jìn)與襯砌同步施工技術(shù)

隧洞掘進(jìn)與襯砌同步施工技術(shù)重點(diǎn)解決TBM快速掘進(jìn)與平行或同步襯砌施工二者的相互干擾和影響，特別是在軌道運(yùn)輸、皮帶機(jī)連續(xù)出渣、施工通風(fēng)、管線布置等施工組織問題上的相互干擾和影響，以保證TBM掘進(jìn)與二次襯砌施工進(jìn)度高效匹配。根據(jù)TBM掘進(jìn)與二次襯砌同步施工的特點(diǎn)與難點(diǎn)，吸收和借鑒國內(nèi)外同類工程施工和管理的成熟技術(shù)，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)，選擇可靠性高、可操作性強(qiáng)的施工技術(shù)方案，將TBM、后配套、仰拱棧橋臺車、邊頂拱臺車、連續(xù)皮帶系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動匹配設(shè)計(jì)。

4.6 F12活動大斷裂施工技術(shù)

根據(jù)招標(biāo)文件，香爐山隧洞主洞TBM在DLⅠ53+700～54+000段穿越鶴慶-洱源斷裂帶及影響帶(F12)，先施工旁通洞繞行至斷裂帶內(nèi)部，采用鉆爆法對該段進(jìn)行施工，然后TBM直接步進(jìn)通過，預(yù)計(jì)處理周期為14個(gè)月，即TBM需停機(jī)等待14個(gè)月。因此，該設(shè)計(jì)方案初步計(jì)劃采用TBM的針對性設(shè)計(jì)和超強(qiáng)的脫困能力結(jié)合超前大管棚及超前注漿加固進(jìn)行強(qiáng)制通過的方案，若TBM完全受困再采用脫困處理或旁通繞洞的方式處理。

4.7 超長距離獨(dú)頭通風(fēng)施工技術(shù)

本標(biāo)段香爐山隧洞通過7#支洞采用TBM向上游施工，通過8#支洞同時(shí)向上下游鉆爆施工，結(jié)合本標(biāo)段施工總平面布置及隧洞整體通風(fēng)布置特點(diǎn)，共布設(shè)7#、8#支洞2個(gè)進(jìn)風(fēng)通道，其中7#支洞為TBM掘進(jìn)提供供風(fēng)通道，通風(fēng)距離為23 000 m，8#支洞分別為上下游2個(gè)鉆爆工作面供風(fēng)，上游供風(fēng)距離為3 344 m，下游供風(fēng)距離為1 662 m。7#支洞TBM獨(dú)頭掘進(jìn)通風(fēng)23 km，為超長距離獨(dú)頭通風(fēng)，是本工程施工的重難點(diǎn)和安全管理重點(diǎn)，且國內(nèi)目前無該工況距離下的特長距離通風(fēng)先例，因此應(yīng)重點(diǎn)對該段通風(fēng)進(jìn)行專門的調(diào)研和配置計(jì)算。

風(fēng)筒與風(fēng)機(jī)連接段200 m范圍風(fēng)筒采用加強(qiáng)風(fēng)管，以減少風(fēng)機(jī)啟動時(shí)瞬間增大的氣錘壓力防止損壞風(fēng)管，整體采用獨(dú)頭壓入式和中間接力的方案。布置詳見圖3—4。

圖3 標(biāo)段整體通風(fēng)布置圖

圖4 接力通風(fēng)示意圖

4.8 TBM掘進(jìn)超長距離連續(xù)運(yùn)輸施工技術(shù)

本標(biāo)段TBM施工主要通過7#支洞斜井運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至交叉口，再進(jìn)行換裝進(jìn)入主洞運(yùn)輸系統(tǒng)，以保證TBM掘進(jìn)支護(hù)過程中使用的錨桿、網(wǎng)片、拱架、噴漿料、襯砌混凝土等材料最大需求量供應(yīng)。

出渣運(yùn)輸采用連續(xù)皮帶系統(tǒng)輸送至洞外，再通過自卸汽車運(yùn)至指定的棄渣場。其中，連續(xù)皮帶驅(qū)動采用“3+2+2+1”的模式進(jìn)行驅(qū)動動力，即3×500 kW前驅(qū)組、2處2×500 kW中驅(qū)組和1×500 kW尾驅(qū)動實(shí)現(xiàn)整個(gè)連續(xù)皮帶的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

洞外軌線全部鋪裝至各半成品堆放區(qū)及攪拌站接料口位置，混凝土直接接至灌內(nèi)，材料區(qū)布置1個(gè)10 t門吊進(jìn)行材料、油料、刀具配件的吊裝。洞內(nèi)采用四軌三線布置有軌運(yùn)輸線路，軌距為970 mm，采用43 kg/m鋼軌，軌排采用H150型鋼和I16工字鋼組合，軌排間距為0.8 m，鋪裝后再采用拉筋連成整體軌排，增加運(yùn)輸線路的穩(wěn)定性。

4.9 TBM及配套設(shè)施針對性設(shè)計(jì)

4.9.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

1)TBM前向三維激發(fā)極化超前地質(zhì)探測系統(tǒng)。三維激發(fā)極化探測系統(tǒng)通過建立TBM的前向探測模式，利用多同性源陣列激發(fā)極化法，三維反演成像方法，實(shí)現(xiàn)掌子面前方30 m內(nèi)含水體以及富水巖溶的三維成像及定位。布置詳見圖5。

圖5 刀盤發(fā)射電極布置

2)TBM三維地震波法超前地質(zhì)探測系統(tǒng)。主要包括檢波器、震源、主機(jī)3大部分，檢波器布置在刀盤后12～32 m位置； 震源布置在到盤后48～60 m位置，每組間距約3 m，安裝位置位于臺車中上部，如圖6所示。

圖6 三維地震搭載整體效果圖

4.9.2 超前鉆機(jī)(含管棚鉆機(jī))設(shè)計(jì)

超前鉆機(jī)系統(tǒng)布置在主梁尾部，具有獨(dú)立的環(huán)形齒圈梁、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)等，可用于超前錨桿、超前管棚等的超前支護(hù)鉆孔作業(yè)； 同時(shí)，配備有獨(dú)立的超前注漿泵，在需要時(shí)可對刀盤前方圍巖進(jìn)行超前注漿支護(hù)，注漿泵定位于設(shè)備橋區(qū)域。非工作狀態(tài)時(shí)，超前鉆機(jī)可嵌藏在主梁頂部平臺的下側(cè)，左、右兩側(cè)齒圈常態(tài)化安裝在主梁尾部，不影響正常的施工作業(yè)； 需要進(jìn)行超前鉆孔作業(yè)時(shí)，拆除頂部封板，利用舉升油缸將超前鉆機(jī)舉升至工作位置，完成齒圈的快速搭載，連接管線后即可進(jìn)行超前鉆孔作業(yè)。上、下側(cè)齒圈全部安裝后，可實(shí)現(xiàn)360°超前鉆孔作業(yè)并滿足φ108 mm超前大管棚的施工。

4.9.3 TBM后配套末端匹配同步襯砌設(shè)計(jì)

在后配套拖車尾部設(shè)置清渣專用皮帶機(jī)，帶寬為500 mm，皮帶機(jī)傾角約為15°，采用花紋皮帶并選用小槽角，防止物料打滑。將隧洞底部淤泥清理至清渣皮帶機(jī)，運(yùn)輸并落入后配套皮帶機(jī)。后配套清渣皮帶布置如圖7所示。

圖7 后配套清渣皮帶布置圖

為了便于襯砌臺車行走，在后配套拖車尾部設(shè)置襯砌臺車的拖拉泵站，主要功能是為臺車行走提供動力； 同時(shí)，此處增加1個(gè)強(qiáng)排水泵，排水能力達(dá)到4 000 m3/h。

5 工期及工程進(jìn)度

滇中引水工程大理Ⅰ段3標(biāo)自2018年10月開工，計(jì)劃于2026年8月完工，總工期96個(gè)月。

6 工程參建單位

建設(shè)單位： 云南省滇中引水工程建設(shè)管理局。

設(shè)計(jì)單位： 長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司。

施工單位： 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司(滇中引水工程大理Ⅰ段3 標(biāo))、中國水利水電第十四工程局有限公司(滇中引水工程大理Ⅰ段2 標(biāo))等。

監(jiān)理單位： 中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司。