全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(Full Face Rock Tunnel Boring Machine)簡(jiǎn)稱(chēng)掘進(jìn)機(jī)或TBM,近十幾年來(lái),在國(guó)內(nèi)已被逐步推廣應(yīng)用,有成功的經(jīng)驗(yàn),也有過(guò)深刻的教訓(xùn)。甘肅引大入秦30A和38#輸水隧洞共長(zhǎng)17km,采用國(guó)外TBM,刀盤(pán)直徑為5.53m,平均月進(jìn)尺980m,最高月進(jìn)尺達(dá)1400m;山西引黃入晉南干線(xiàn)總長(zhǎng)86.242km,采用國(guó)外TBM,刀盤(pán)直徑為4.82m~4.94m共4臺(tái)TBM施工,平均月進(jìn)尺約784m,最高月進(jìn)尺達(dá)1821.49m,上述隧洞工程都采用雙護(hù)盾TBM,選型正確,都取得了月進(jìn)尺世界先進(jìn)水平的好成績(jī)。近期遼寧大伙房引水隧洞工程,采用國(guó)外支撐式TBM也都取得了良好成績(jī)。廣西天生橋水電隧洞工程,在上世紀(jì)80年代中期首次引進(jìn)國(guó)外TBM,刀盤(pán)直徑為10.8m支撐式TBM二手貨兩臺(tái),10年來(lái)打打停停,累計(jì)掘進(jìn)只有7km多一些,是一個(gè)不理想的施工例子,問(wèn)題的原因很多,其中之一是選型不當(dāng),教訓(xùn)是深刻的。
TBM選型應(yīng)包括三方面內(nèi)容:(1)長(zhǎng)隧洞采用鉆爆法施工與采用TBM法施工之間的選擇;(2)支撐式(開(kāi)敞式)TBM與雙護(hù)盾(伸縮式)TBM之間的選擇;(3)同類(lèi)TBM之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型。以上三方面內(nèi)容在TBM選型時(shí)并非是截然分隔,往往在最初階段對(duì)采用鉆爆法施工與采用TBM法施工之間的選擇時(shí),同時(shí)就考慮了支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間的選擇和同類(lèi)TBM之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型,進(jìn)入階段不同考慮深度也就逐步深入,為了便于分析,以下分別進(jìn)行探討。
1 長(zhǎng)隧洞采用鉆爆法施工與TBM法施工之間的選擇
從TBM法與鉆爆法的相互特點(diǎn)比較中從優(yōu)選擇;從工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、地形與地貌、隧洞設(shè)計(jì)、工程特征及資金籌集等方面條件綜合分析比較后選擇。對(duì)不宜采用TBM法施工的工程要盡量避免盲目采用,以免決策失誤而造成無(wú)法彌補(bǔ)的巨大損失。
1.1 TBM法與鉆爆法施工特點(diǎn)比較
TBM法與鉆爆法施工特點(diǎn)比較可從掘進(jìn)速度、圍巖質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)核算、安全保障及環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行對(duì)比分析比較,對(duì)比分析比較結(jié)果,TBM法比鉆爆法具有明顯的快速、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),如設(shè)計(jì)、工期、資金等條件許可,一般長(zhǎng)隧洞施工應(yīng)優(yōu)選TBM法。
1.2 慎用或不宜采用TBM法
(1) 非圓形斷面隧洞,除非TBM帶有特殊可靠的輔助開(kāi)挖裝置,一般不宜采用;
(2) 無(wú)法籌集到購(gòu)買(mǎi)TBM及后配套設(shè)備的高昂資金;
(3) 簽定TBM采購(gòu)訂單到設(shè)備運(yùn)到工地的間隔時(shí)間一般約一年左右,對(duì)急于開(kāi)工的隧洞工程,時(shí)間上趕不及使用TBM的則無(wú)法采用;
(4) 對(duì)1km以下短洞采用TBM法,TBM及后配套一次性投入費(fèi)用昂貴,對(duì)短洞群頻繁裝拆轉(zhuǎn)移工地也很不經(jīng)濟(jì),應(yīng)慎用;
(5) 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件極差,如溶洞多又大,斷層多又寬,滲水、涌水、泥石流,長(zhǎng)距離破碎帶等組合巖層,采用TBM法的風(fēng)險(xiǎn)極大時(shí),應(yīng)慎用TBM法。
2 支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間的選擇
當(dāng)長(zhǎng)隧洞施工方法在TBM法與鉆爆法兩者之間已確定采用TBM法后,下一步就要選擇哪一類(lèi)TBM,TBM可分為支撐式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式和擴(kuò)孔式等,單護(hù)盾式和擴(kuò)孔式TBM國(guó)內(nèi)尚未被采用,對(duì)其了解也少,一般是在支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM兩者之間選擇,主要根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)要求、支護(hù)與襯砌型式和管片制作技術(shù)及模具成本等方面綜合分析后確定。
2.1 支撐式TBM適用范圍
支撐式TBM適用于巖石整體較完整,有較好的自穩(wěn)性,因此支撐式TBM只需要有頂護(hù)盾就可以進(jìn)行安全施工,如遇有局部不穩(wěn)定的圍巖,由TBM所附帶的輔助設(shè)備,可打錨桿、加鋼絲網(wǎng)、噴砼、架圈梁等方法加固,以保持洞壁穩(wěn)定;當(dāng)遇到局部地段特軟圍巖及破碎帶,則TBM可由所附帶的超前鉆及灌漿設(shè)備,預(yù)先固結(jié)前方上部周邊一圈巖石,待圍巖強(qiáng)度達(dá)到能自穩(wěn)后,然后再進(jìn)行安全掘進(jìn);掘進(jìn)過(guò)程可直接觀測(cè)到洞壁巖性變化,便于地質(zhì)圖描繪。永久性的襯砌待全線(xiàn)貫通后集中進(jìn)行。
2.2 雙護(hù)盾TBM適用范圍
雙護(hù)盾TBM是在20世紀(jì)70年代在支撐式TBM、單護(hù)盾TBM及盾構(gòu)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,主要適應(yīng)于通過(guò)復(fù)雜巖層,又人員及設(shè)備在護(hù)盾的保護(hù)下進(jìn)行工作,安全性也較支撐式TBM為好。當(dāng)巖石軟硬兼有,又有斷層及破碎帶,此時(shí)雙護(hù)盾TBM能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),遇軟巖時(shí),軟巖又不能承受支撐板的壓應(yīng)力,則可由盾尾副推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌管片上以推進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn);遇硬巖時(shí),則靠支撐板撐緊洞壁,由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤(pán)破巖前進(jìn)。預(yù)制鋼筋混凝土襯砌管片在盾尾的保護(hù)下,由管片拼裝機(jī)進(jìn)行拼裝,實(shí)現(xiàn)邊掘進(jìn)邊襯砌,隧洞貫通襯砌也完成,不過(guò)掘進(jìn)與襯砌是交替進(jìn)行,不能同時(shí)并舉;這種邊掘進(jìn)邊襯砌見(jiàn)不到洞壁巖性的變化,不能進(jìn)行地質(zhì)圖描繪。
3 同類(lèi)TBM之間結(jié)構(gòu)、參數(shù)比較選型
當(dāng)支撐式TBM與雙護(hù)盾TBM之間已經(jīng)確定采用一種TBM類(lèi)型后,下一步就要進(jìn)行同一類(lèi)不同品牌的TBM結(jié)構(gòu)比較及特征分析,根據(jù)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、隧洞設(shè)計(jì)和工程特征確定TBM結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的新一代TBM產(chǎn)品還待研發(fā),因此國(guó)內(nèi)施工需要的TBM及后配套,目前一般是采購(gòu)國(guó)外優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品,采取投標(biāo)方式進(jìn)行采購(gòu)
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