引汉济渭秦岭输水隧洞TBM装备设计探讨

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引言
缺点：从快速施工、安全防护等方面考虑，无论是
开敞式还是护盾式 TBM，在施工软弱、破碎围岩时， 都存在无法有效克服的施工风险。
开敞式TBM 易坍塌； 立拱及回填量大； 撑靴及拱架失效； 易造成设备及人员伤害。
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双护盾TBM 卡刀盘； 卡前盾； 卡支撑盾； 卡尾盾。
开敞式TBM施工。
岭南段由中铁隧道集团施工；
岭北段由中铁十八局集团施工。
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（1）钻爆法施工段 钻 爆 法 施 工 段
进口段26.843km
斜井22.057km 出口段16.652km
0 号、 -1 号、 1 号、 2 号、 7 号斜井为 钻爆工区施工斜井，用于辅助施工 主洞。 3 号、 6 号斜井为 TBM 进洞、出碴通道 ，TBM通过斜井运至井底组装； 4 号、 5 号斜井为 TBM 中间辅助施工斜 井，当 TBM 施工通过 4 号、 5 号斜井后 ，出碴及风、水、电供应分别改为 从4号、5号斜井供给； 岭脊地段 TBM 拆卸洞设在 2 台 TBM 贯通 面附近，提前通过设一迂回导坑进 入主洞施工。
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（2）TBM法施工段 TBM法施工段采用2台Φ8.02m TBM施工：
①岭南TBM通过3号斜井运至井底，在洞内组装调试
完成后向出口方向掘进；
②岭北TBM通过6号斜井运至井底，在洞内组装调试
完成后向进口方向掘进。
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重难点及地质风险分析
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工程具有地质条件复杂、大埋深、高地应力、高
地温、施工通风与运输距离长、反坡排水困难等 特点。
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施工方案
进口及出口段共42.495km采用钻爆法施工；斜井及
TBM拆卸洞采用钻爆法施工。
岭脊地段39.13km拟采用2台德国海瑞克公司制造的
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（2）撑靴前置
撑靴前臵在机头部分，规避了开敞式TBM撑靴与支
护干扰的问题，取代开敞式TBM，同时又具备护盾 式TBM施工安全的优势。
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（3）防卡盾设计
进行紧凑型优化设计，尽量减少护盾长度，主机
采用倒锥形设计；尾盾设计成半圆形式，有效防止盾 尾卡住，恶劣地质段采用钢瓦片支护。
的前提，技术方案是基础，设备管理是保障。由 于该工程地质条件复杂，所以在TBM 的选型和设计 上应考虑充分，进行有针对性的 TBM 装备适应性设 计，从而提高 TBM 施工规避风险能力，确保 TBM 快 速安全施工。
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秦岭输水隧洞区主要发育有3条区域性断层，29条
一般性断裂带。 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩长度58.18km ， 占总长度的 71.3% ；Ⅳ、Ⅴ类围岩长度 23.445 km ， 占总长度的28.7%。
地下水主要分为第四系松散岩类孔隙水、碳酸盐
岩类岩溶裂隙水和基岩裂隙水三大类。
由于钢瓦片容许一定
的微量变形，能起到效 果更佳的蛋壳效应，可 以有效减少和防止卡盾 现象的发生。
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（4）超前地质探测
紧随岩石初露位臵配臵 360度范围的超前双钻机系
统，进行地质取芯，排水孔，泄压孔等施工。
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（5）超前地质预报系统
必要时配臵ISIS超前地质预报系统。该系统独立于
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引言
TBM地质适应性设计：针对引汉济渭秦岭输水隧道
地质特点,对 TBM进行地质适应性设计。使 TBM 既具 有开敞式TBM 和护盾式 TBM 的双重优势 , 又能有 效克服现有开敞式和护盾式 TBM 的施工缺点，使其 具有更加广泛的地质适应性,改善TBM工作环境并确 保人员和设备安全。
TBM设计原则：
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（7）反坡排水
引汉济渭隧洞长距离下坡掘进施工，为有效防止突
涌水，隧洞排水设计至关重要，考虑突涌水的突然 性， TBM 配臵双排污系统，同时根据需要在隧洞内 设臵排水接力站，防止设备被淹，保证设备安全。
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（8）高岩温的冷却
引汉济渭隧洞最高岩温 42 ℃，最高外部环境温度
枢纽、引汉济渭输水隧洞（黄三隧洞和秦岭隧 洞）、三河口水利枢纽三大部分工程组成。
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工程概况
工程区位于陕西省中南部秦岭山区，跨越长江、黄
河两大水系，分布于陕南、关中两大自然地区。
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秦岭输水隧洞主要穿越变质岩和岩浆岩地层，岩
性以变砂岩、千枚岩、片岩、石英岩、大理岩、 片麻岩和花岗岩、闪长岩为主。
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（2）工程地质风险分析 ①大埋深高地应力条件下岩爆、坍塌及围岩大变形风 险； ②破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险； ③长距离下坡施工条件下突涌水风险。
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TBM支护措施分析
（1）开敞式TBM优缺点 优点：开敞式TBM施工硬岩时效果较好，具有较快 的施工进度。
尾盾向内收缩，尾盾与管片之间间隙过小时。
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TBM地质适应性设计
兼开敞式与护盾式双重优点的TBM
（1）功能设计
主推缸、撑靴在盾体内；
撑靴在拱架安装器等支护系统前边； 配臵辅助推进缸系统；在不良地质条件下，撑靴
无法有效撑紧洞壁时 , 通过辅助推进方式进行快 速通过。
④长距离通风。4#斜井洞底到标段终点之间独头掘进 长度约12.4km，长距离通风是难点；
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⑤高岩温（42℃）。高岩温对TBM施工影响较大，施 工环境和设备散热困难，故障率明显增加，如何降低 岩温对设备和环境影响是重点；
⑥易坍塌。软弱围岩、破碎带及区域性断层TBM施工， 防坍塌、防卡机及确保人员和设备的安全是重点；
陈馈
引汉济渭秦岭输水隧洞 TBM设计与施工
2012年10月11日
盾构及掘进技术国家重点实验室
昆明
提纲
• 1 引言
• 2
• 3
工程概况
施工方案
• 4
• 5
重难点及地质风险分析
TBM支护措施分析
• 6
• 7
TBM地质适应性设计
结语
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引言
随着TBM掘进技术的不断发展和完善，国内外长大 山岭隧道施工，多采用开敞式或护盾式TBM施工。
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⑦拆机运输。为缓解工期压力，3-4#斜井间正洞在 TBM贯通后须进行二次衬砌，而TBM掘进结束并拆机后 大件须从3#斜井运出，确保在正洞已衬砌之后满足 TBM拆机大件运输是重点；
⑧仰拱现浇。在8.02m直径隧道TBM掘进及连续皮带机 出碴的条件下，同步进行仰拱现浇、拱墙二衬是本工 程重难点。
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卡刀盘：掌子面围岩破碎不能自稳引起坍塌时。 卡前盾：围岩大变形，围岩应力作用在盾壳上产生
的摩擦力大于主推进油缸的最大推力时。
卡支撑盾：围岩变形量大挤压支撑盾，换步时辅推
油缸压力不能克服围岩作用在支撑盾上的摩擦力时。
卡尾盾：围岩在地应力作用下持续收敛变形，挤压
1、必须确保人员和TBM设备的安全； 2、能有效解决施工中遇到的问题； 3、能应对各种地质风险； 4、具有高适应性兼顾局部特殊性化。
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工程概况
•黄金峡水利枢纽
引 汉 济 渭 工 程
•引汉济渭秦岭输水隧洞
•引汉济渭黄三输水隧洞 •三河口水利枢纽
引汉济渭工程属跨流域调水工程，由黄金峡水利
（1）工程重难点分析 ①反坡排水。TBM长距离下坡掘进施工，如何在发生 突涌水时及时将水排出，避免TBM被淹是重点；
②岩石硬度大。岩石主要为花岗岩、石英岩、闪长岩， 最大抗压强度达到240MPa，如何保证TBM高效破岩和 快速掘进是重点；
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③隧道埋深大。最大达到2025m，地应力高。岭南Ⅱ、 Ⅲ类围岩为主，节理不发育处有岩爆风险；岭北Ⅳ、 Ⅴ类围岩段多，岩石破碎，有塌方风险；防岩爆和防 坍塌是重点；
缺点：在软弱围岩中施工效果较差，易发生坍塌、开 挖速度慢、进尺短、立拱及砼回填量大、清碴时间长， 撑靴失效、拱架失效、易造成设备及人员伤害等。
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坍塌碴石处理困难
回填量大
撑靴失效
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支护失效
（2）开敞式TBM支护措施
L1
L1区域的设备： • 钢拱架安装器 •锚杆钻机 •喷混凝土机械手 •超前钻机 L2区的设备 •岩石钻机 •喷混凝土机械手
L1区喷混凝土
Pa ge
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Geological Risks and Support Measures
在发生挤压变形的岩石中进行挂网和喷混凝土
变形前
变形后
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Geological Risks and Support Measures
Pa ge
L2区的喷混凝土机械手
36 ℃，隧洞进口水温 20 ℃，较高的环境温度对设 备和隧洞环境影响较大。为了在最热的季节将 T BM工作区域的温度冷却到 28 ℃，需配臵5台（通常 配臵 2 台即可）功率 450kW 的空气冷却机进行强制 降温。
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结语
从长距离TBM快速施工而言，掘进装备是快速施工
TBM ，移植性强，作业时不需停机，占用空间极小， 操作简单，界面直观，无须专业人员解读数据。
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（6）湿喷混凝土系统
紧随尾盾配臵设计双湿喷
混凝土系统，必要时在围岩 初露的情况下及时进行紧贴 初露围岩的喷射支护，而规 避了开敞式TBM湿喷混凝土 需要对工作区核心部件的防 护工作，可以快速实施作业，而且较开敞式 TBM 湿喷 系统更靠近掌子面，有利于快速安全施工。
• 撑靴与已经拼装好的拱架干涉； • 撑靴通过后，拱架已经不起作用且塌落加重； • 撑靴位塌方或失稳时要大量回填，严重影响工期。
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（4）护盾式TBM优缺点
优点：安全防护能力强；
缺点：通过地应力变化大、破碎、块状围岩时如
不能及时迅速通过，刀盘和护盾有被卡住的危险； 一旦出现卡机，则处理起来非常困难，经常会导 致长时间停机。
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L2区喷射混凝土
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Geological Risks and Support Measures
（3）开敞式TBM支护难点
开敞式 TBM 在软弱地层掘进时，软弱围岩无法为撑
靴提供足够的反力，造成撑靴破坏支护成果，从而 引起二次坍塌。这是开敞式 TBM 在软弱围岩地层中 最难解决的问题。
L2
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开敞式TBM支护措施 （以循环1.8m为例）
稳定的掌子面岩石 块状掌子面
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L1 区域弹性钢拱架和喷射混凝土
Pa ge
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Geological Risks and Support Measures
Shotcrete robot in L1 area
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（5）护盾式TBM支护措施分析
护盾式TBM施工，在围岩
状态较好的情况下，采用开 敞模式掘进，撑靴直接支撑 在岩壁并由此提供前进反力 ，无须安装管片；
当穿越软弱、破碎围岩时，则需要安装管片，由
辅助推进系统支撑在成型的管片提供前进反力，但往 往由于地应力变化大、围岩破碎，压迫盾尾变形，盾 尾间隙变小，管片难以脱出尾盾，造成卡机。