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喀—双深埋超特长输水隧洞建设关键技术

作者:邓铭江,周小兵,崔东,马勇,李文新,徐明新  发布:2017/7/21  浏览:
单位:新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局,新疆水利水电勘测设计研究院,石家庄铁道大学

摘 要:深入分析喀—双深埋超特长输水隧洞施工中存在的主要工程地质问题,围绕超特长隧洞TBM 快速掘进与安全控制等重大需求,在隧洞规划选线布置、TBM 及配套系统适应性设计、主洞和支洞施工建设、施工风险控制、TBM 机群施工综合管理等主要环节,提出需重点研究解决的关键技术问题。从已探明的工程地质情况来看,发生地质灾害的可能性不大,适合TBM 快速施工。由于隧洞沿线地形较为平坦,开挖深长缓斜井、深埋中间竖井是不可避免的,但超长距离的独头掘进,给隧洞高速掘进与高效率的出碴、通风增加了难度,应结合现代化的科学手段进行系统攻关。

0 引言

自20 世纪50 年代以来,TBM 掘进技术在世界范围内得到了广泛应用。经过半个世纪的发展,TBM 掘进技术已相当成熟,并被广泛地应用于世界各国能源、交通、水利以及国防等部门的地下工程建设中。国外已经完成的重大隧道工程有美国芝加哥蓄水工程( 隧道长211 km) 、英吉利海峡隧道工程( 隧道长151 km) 、南非莱索托引水工程( 隧道长45km) 等[1 - 2],其工程规模和难度均体现出了隧道工程的较高技术水平。目前,国外拟建和在建的大型隧道工程有日韩海底隧道( 连接日本和韩国,长约120km) 、白令海峡隧道( 连接亚洲和美洲,长约74. 8km) 、阿尔卑斯山铁路隧道( 从Rosenheim 到Verona,总长大于500 km) 等[2 - 4],其中绝大部分将优先采用TBM 施工。据不完全统计,截至2014 年底,世界上长度大于10 km 的隧道已超过100 条,隧道总长度已超过10 000 km。近几年的隧道工程建设中,有30% ~40%均采用TBM 掘进施工[5]。

2010 年我国厦门翔安海底隧道和青岛胶州湾海底隧道的建成,激发了工程界建设海底隧道的热潮。2015 年大连湾海底隧道已开工建设,其跨越我国琼州海峡、渤海海峡以及台湾海峡,海底隧道已进入勘察设计阶段和前期论证工作[6]。

南水北调和LXB 引水工程的开工建设,推动了一大批跨流域调水工程的规划立项工作。1985 年天生桥水电站工程首次引进TBM 进行隧洞施工[7]。南水北调西线一期工程,线路全长260 km,其中244 km 为隧洞,单洞最长73 km,埋深达1 100 m 左右[8]。大伙房输水工程特长隧洞长85. 32 km,是迄今为止世界上已建成的最长输水隧洞,隧洞进水口段24. 58 km 为钻爆法施工,出水口段60. 84 km 为TBM 施工[9]。锦屏二级水电站4 条引水隧洞平均长度约16. 7 km,开挖洞径12. 4 m,其中1#、3# 引水隧洞和施工排水洞采用TBM 施工,其余洞段采用钻爆法施工[10]。在建的LXB 引水隧洞全长290. 5 km,采用8 台TBM 施工,掘进总里程达109. 5 km[11]。已完成勘测设计的云南滇中引水工程线路全长661. 07 km,其中隧洞长占全长的91. 9%。

综合分析,特长隧洞施工采用TBM 与钻爆法相结合的施工方式,既可充分发挥TBM 的高速掘进优势,又可利用钻爆法的灵活特点,规避特殊地质条件下的施工风险。

1 工程概况

北疆供水二期工程由西二、喀—双、双—三3 段隧洞组成,隧洞长516. 2 km,其中喀—双隧洞单洞长283. 3 km,为世界上最长的输水隧洞。喀—双隧洞为无压洞,平均埋深428 m,最大埋深774 m,设计流量40 m3 /s,纵坡1 /2 560。钻爆法开挖断面采用马蹄形,洞径为6. 64 ~ 7. 4 m。TBM 开挖断面洞径为7. 1 m。

隧洞穿越的地层岩性以石炭系、泥盆系凝灰岩、凝灰质砂岩及华力西期侵入花岗岩为主,多为中—坚硬岩石,多属Ⅱ级和Ⅲ级围岩,成洞条件较好。隧洞穿越5 条规模较大的区域性断裂带和72 条次级断层构造,局部洞段围岩稳定性问题较突出。完整性较好的围岩段局部采用锚喷支护的衬砌型式,Ⅳ级和Ⅴ级围岩段采用钢筋混凝土衬砌。

隧洞采取以TBM 为主、钻爆法为辅的施工方案。由于沿线地形较为平坦,除进口洞段外,主洞施工进入通道均采用深长缓斜井或竖井。全线采用11 台开敞式TBM 掘进,布置6 条缓斜井以改善施工条件,提高掘进效率; 同时,在较大的断裂构造带和软岩地层洞段布置5 条施工支洞,采用钻爆法掘进,以降低施工风险。

深埋超特长隧洞是跨流域调水关键控制性工程,对项目的整体顺利推进具有决定性作用。喀—双隧洞是目前世界上在建的最长的输水隧洞,其中TBM 掘进段占比约80%,单机施工区间最长23 km。目前,国内单机连续掘进最长距离为14 km,累计掘进最长距离为23 km。喀—双隧洞建成后将实现单台TBM 连续掘进、累计掘进国内记录的“双突破”,这不仅对工程的总体布置,施工组织设计的合理性、科学性和高效安全性提出了高标准,同时,也对TBM 的设计、制造、安装、监控、运行管理提出了更高的要求。

2 区域地质

2. 1 地形地貌

工程穿越阿尔泰山南坡和东天山北坡之间的低山区、丘陵区,总体地势北高南低、东高西低,由东北向南西缓慢倾斜,海拔高程750 ~ 1 300 m,地形起伏较大,山顶多呈浑圆状,山体坡度较缓。低山区一般高差50 ~ 150 m,局部高差300 m; 剥蚀丘陵区一般高差10 ~ 20 m,局部高差40 m,基岩大多裸露,主要为荒漠地貌。

2. 2 地层岩性

工程区出露的地层以石炭系、泥盆系古老地层为主,其次为花岗岩,局部为二叠系、三叠系地层。其中,泥盆系和石炭系的凝灰质砂岩、凝灰岩、钙质砂岩等地层总长209. 1 km,占隧洞长的73. 8%; 华力西晚期侵入的黑云母花岗岩、花岗闪长岩等地层总长59. 6 km,占隧洞长的21%; 二叠系和三叠系的泥岩、砂岩、夹砂砾岩等地层总长12. 1 km,占隧洞长的4. 3%; 洞段通过的77 条断层破碎带累计长2. 5 km,占隧洞长的0. 9%[12]。

2. 3 地质构造

2. 3. 1 断裂构造

工程区地处阿尔泰褶皱系和准噶尔—北天山褶皱系的2 大构造单元内,褶皱构造对地形地貌和地质构造起主导作用,主要发育着一系列的压性断裂和压扭性断裂。分布有5 条区域性断裂( 见图1) ,破碎带地表宽度150 ~ 200 m,最宽800 m。通过钻孔岩芯揭露、井下电视窥探、物探声波测试等方法的综合分析,整个输水线路洞身段附近的断层和裂隙不发育,裂隙以中—陡倾角为主,裂隙面大多数被石英脉充填,以压扭性结构面为主[12]。

2. 3. 2 地震安全性评价

工程沿线50 年超越概率为10% 的地震动峰值加速度大部分位于0. 15g 区域,部分位于0. 10g 区域,对应的地震基本烈度为Ⅶ度区[13]。

3 工程地质

3. 1 完成的主要地勘工作量

根据规范要求,在隧洞沿线共布置了142 个地质钻孔,平均2 km/个,每个孔内取2 ~3 组岩样,共进行了近426 组物理力学性质试验。地质勘探成果见表1。

图1 喀—双超特长隧洞工程地质及施工组织设计示意图

表1 喀—双隧洞地质勘察工作量统计

3. 2 主要工程地质条件

围岩分级及岩石饱和抗压强度统计如表2 和表3所示。硐室以Ⅱ级和Ⅲ级围岩为主,占比86. 2%; 岩石饱和抗压强度大多在50 ~ 140 MPa; 花岗岩石英含量一般为20% ~ 30%,最高达35%,最高抗压强度达200 MPa; 其他石炭系、泥盆系等各类岩石中的石英含量一般为5% ~ 10%,总体评价石英含量不高。隧洞围岩总体条件较好,适合TBM 机械化、快速施工。

3. 3 水文地质条件

17 个钻孔压水试验、43 个钻孔抽( 掏) 水试验成果均显示隧洞围岩属微—极微透水层,见表4。工程区域内地表水贫乏,地下水以基岩裂隙水为主,水量微弱。隧洞沿线除分布于EEQS 河和WLG 河附近局部地段的地下水水质较好外,其他地段的地下水水质均较差,对混凝土具强腐蚀性,对钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构具中等腐蚀性。

表2 喀—双隧洞硐室围岩分级统计

表3 喀—双隧洞岩石饱和抗压强度统计

表4 喀—双隧洞围岩透水性评价

3. 4 主要工程地质问题分析

1) 塌方问题。地表上有明显构造痕迹的区域性断裂有5 条,其次还发育了72 条次级断层,破碎带一般宽10 ~ 30 m,少数达60 ~ 80 m。由洞线上钻孔所揭露的岩芯、物探波速、井下电视测试来看,洞身段基本处于新鲜岩体内,岩体以块状和厚层状为主,洞身附近断层与节理裂隙一般不发育,围岩完整性较好。根据地质条件综合判断,易发生塌方的洞段有10 处,主要处于区域性大断裂带内和局部较大的次级断层带内,其次是处于HLSK 水库附近、WLG 河河床底部和尾部的软岩—极软岩段。

2) 涌水问题。隧洞处于准噶尔盆地的沙漠边缘,除WLG 河外,无河流和古河床分布,气候干燥,降水少,地下水对基岩裂隙和断层破碎带补给量甚微。岩体完整性一般的洞段,主要以裂隙水的形式产生渗流或线状水流; 岩体较完整的洞段,主要以基岩裂隙水的形式产生渗水或滴水,发生突水或突泥的可能性均不大; 易发生涌水的洞段与易发生塌方的洞段位置大致相同,由于隧洞较长、埋深较大,施工中仍需注意加强排水。

3) 岩爆问题。不同岩性、不同深度的地应力测试结果表明[14]: 隧洞自地表100 ~ 700 m 深度内,最大水平主应力为6. 6 ~ 36. 0 MPa,最小水平主应力为5. 7 ~ 22. 8 MPa,地应力属于低—高应力水平[14]。埋深≤300 m,最大主应力为5. 3 ~ 9. 2 MPa,为低地应力,岩石强度应力比为9. 6 ~ 16. 8,属无岩爆; 埋深在300 ~ 600 m,最大主应力为10 ~ 19. 5 MPa,为中等地应力,岩石强度应力比为5. 1 ~ 11. 3,属无—轻微岩爆; 埋深在600 ~ 712 m,最大主应力为21. 6 ~36. 0 MPa,为高地应力,岩石强度应力比为3. 4 ~4. 6,属中等岩爆; 埋深> 600 m 的长度有24 km,属高地应力中等岩爆区。

4) 软岩变形问题。软岩位于隧洞尾端,总长11. 7km,岩性为二叠系及三叠系砂岩、砂砾岩、泥质砂岩及炭质泥岩互层,易崩解。干燥状态下砂砾岩抗压强度18. 7 MPa,泥岩抗压强度13. 6 MPa,围岩级别为Ⅳ类,施工过程中易发生塑性变形[12]。在硬岩破碎带,也应关注围岩大变形问题。

5) 高地温问题。通过对钻孔和洞线附近生产矿井内的地温测试,地温值在7. 1 ~ 21 ℃,均在正常值范围内[12]。青河招金矿业距洞线桩号220 + 000 以东5km,其井下190 m 环境温度为12 ℃,井下500 m 环境温度为20 ℃。按每100 m 地温升高2 ~ 3 ℃的地温梯度推算,隧洞最大埋深为770 m,地温约25 ℃。因此,施工中存在高地温的可能性不大。

6) 放射性问题。共完成11 个钻孔放射性γ 总量测井,累计深度5 354 m; 钻孔岩芯取样分析铀( U) 、Ra226 /、钍( Th) 、钾当量( K40 /) 共36 组; 钻孔水样核素分析( U、Ra226 /、Th、K40 /、总α 比活度、总β 比活度、水氡) 12 组; 岩心氡气析出率测量36 组; 地面伽玛能谱测量139 km[15]。结果表明,地表和钻孔中深部均无明显的核素富集现象,对工程沿线环境不会造成大的影响。

7) 有害气体问题。隧洞未穿越煤系地层,在已收集的地质资料中,未发现有害气体和有害水体。

8) 穿越活断层抗断问题。隧洞穿越的五大区域断层构造,除EEQS 河断裂外,其余均属于活动性断裂,但活动性微弱或不明显。工程区域地震活动少,地震基本烈度不高,也间接反映了工程区域活动断裂活动性不强。

4 施工组织设计与存在的主要问题

4. 1 施工组织设计

4. 1. 1 施工方案选择的原则

按照“技术领先,规范科学,组织合理,高效有序”的指导思想,在安全可靠、保障工期、经济合理的前提下,充分考虑TBM 及其配套设备的性能和国内现有承包商的技术能力、管理水平,密切结合工程地质条件和施工通道的特殊技术要求,以有利于缩短工期、减少辅助工程设施及附加工作量、降低施工成本为目标,科学合理地拟定主洞、支洞以及相关附属设施的施工技术方案。

4. 1. 2 主洞施工

主洞采用以TBM 为主、钻爆法为辅的施工方案。选用11 台开敞式TBM,掘进长度226. 6 km,单机掘进18 ~ 23 km; 钻爆法施工56. 7 km,单面挖掘最长2. 65km,较大的断裂构造带、软岩地层洞段采用钻爆法施工。TBM 平均月掘进进尺527 m,考虑到冬季施工,设计总工期为84 个月。

4. 1. 3 支洞施工

共布置6 条TBM 进入支洞、4 条TBM 中间支洞和5 条钻爆支洞( 见表5) 。其中,6条进入支洞均为纵坡为10. 5% ~ 12% 的缓斜井,总长22. 1 km,最长的为T4 支洞,长6 444 m,除1 台TBM 从隧洞进口进入主洞外,其余10 台均由6 条缓斜井进入主洞安装; 4 条中间支洞中,2条为缓斜井,2 条为竖井,布置在TBM施工段中后位置,主要用于设备检修、通风和主洞钻爆法施工; 5 条钻爆支洞中,1 条为缓斜井,4 条为竖井,竖井提升设备采用凿井提升机,竖井总长1. 5 km,最深为ZBS2 竖井,深686 m。

表5 喀—双隧洞施工支洞布置及主要技术参数

4. 2 工程建设与管理存在的主要问题

1) 隧洞施工方案选择及其分段规划优化施工问题。隧洞Ⅱ级和Ⅲ级围岩占比86. 2%,石英含量总体不高,宜充分发挥TBM 自身的优势,延长掘进长度,从而降低工程造价和风险,提高施工效率,因此,选择以TBM 为主的施工方案。但为了规避风险,对较大的断裂构造带和软岩地层,采用钻爆法施工。所以,TBM和钻爆法施工洞段的合理划分,TBM 进入通道、中间支洞以及钻爆法进入支洞的位置选择,是施工组织设计的关键。

2) TBM 选型设计与机群施工运行管理问题。由于隧洞穿越多种地质构造单元,围岩抗压强度为3 ~180 MPa,诸多不良地质条件对TBM 的选型设计提出了极高的要求,其关键部件的适应性设计和耐久性、可靠性,是“打得快、用得久、走得长”的重要保证。除喀—双隧洞外,考虑到双—三隧洞( 92 km) 和西二隧洞( 141 km) 的建设需求,届时将有18 台TBM 同时开展机群化施工,其设备的设计制造、运行管理、主轴承备用以及刀具、刀盘、液压系统等易损部件的供应保障等,是需要特别关注的重要问题。

3) 超特长隧洞施工通道型式选择以及出碴、通风、供排水、物料运输等问题。由于隧洞具有深埋超特长的显著特征,进入主洞只有竖井、斜井、缓斜井3 种通道型式,不同的通道型式决定了TBM 大件吊运安装、出碴和物料运输、通风、供电、供排水等系统方式及其配套设施,涉及工程安全、布置、设备、进度、投资等诸多方面。同时,TBM 掘进最大长度23 km,竖井最大埋深超过700 m,出碴和物料运输、通风及供排水的距离和高度均已超过已建工程。因此,选择合理的通道型式,并系统研发出碴和物料运输系统、通风和输电供排水系统、运行和监测管理系统、施工和安全保障系统,具有极大的挑战性。

4) 地质灾害超前预报与安全高效施工问题。虽然采用钻爆法提前安全穿越了5 条大断裂带,但TBM依然还要穿越72 条次级断层。由于隧洞深埋超特长、地质条件复杂,在施工过程中,必须加强超前勘探、超前预报,提前做好超前加固及其他跟进施工措施,做到科学、安全、高效掘进,预防各种工程地质灾害造成的姿态失调、卡机、埋机等事件。本工程隧洞最大埋深在650 ~ 774 m 的洞段约有50 km,虽然属高地应力中等岩爆区,但岩爆依然是危害施工安全的主要问题,应提前做好防控预案。

5 深埋超特长隧洞施工关键技术

深埋超特长引水隧洞关键技术框图见图2。

5. 1 隧洞规划选线布置关键技术

洞线规划及施工支洞布置是优化隧洞掘进方案优先要考虑的关键问题。TBM 大型设备通过竖井、斜井( 15 ~ 20°) 或缓斜井( < 7°) 等支洞型式进入主洞,以及施工中的运料、通风、安全、效率问题,是极具挑战性的难题。目前国外TBM 竖井最深800 m,直径达12 m( 瑞士San Gottardo 铁路隧道的Sedrun) [16]。竖井和斜井施工技术在煤炭及冶金行业已十分成熟,国内最深的竖井为1 503 m( 辽宁本溪) [17],最深的斜井为2 017m( 陕西长治) [18]。结合喀—双深埋超特长隧洞的施工特点,合理布置洞线,系统开展不同支洞型式及其施工方案研究意义十分重大。

1) 超特长输水隧洞勘测及选线设计。根据工程场区地质构造,详查各种可能发生的不良地质灾害,并结合卡拉麦里山自然保护区的环保要求,系统评价对隧洞工程建设布局的影响。综合地形地质、环境保护、施工技术、供水需求、经济可行性等条件因素,科学论证洞线布置方案,开展开敞式TBM 施工水工隧洞断面设计研究,合理设计隧洞平纵断面,提出安全可靠的支护结构型式。

2) TBM 与钻爆法可掘性评价及合理洞段划分。根据岩石级别、断裂带及断层构造分布、施工技术、设备能力以及施工环境条件,研究分析TBM 与钻爆法对工程地质条件的适应性,合理布置施工支洞的位置和型式,通过对工程布局、施工工期、环境影响、工程投资因素的综合比较,提出经济可行的隧洞分段施工组织方案。

图2 喀—双隧洞建设关键技术框图

3) 施工通道型式选择和硐室结构设计。系统总结煤炭和冶金行业在竖井、斜井和缓斜井等方面的施工技术及成熟经验,结合超特长引水隧洞的特点,综合安全、技术、工期、投资等因素,研究TBM 进入通道和中间通道以及钻爆法洞段施工通道的型式,包括硐室布置、坡度、井筒装备、结构型式等; 研究各种通道型式的施工技术,包括TBM 和钻爆法施工方案,以及二者组合施工的可行性; 系统开展硐室结构与出碴通风、物料运输、输电供水等配套系统的匹配性设计。

5. 2 TBM 与配套系统适应性设计

喀—双隧洞计划投入11 台TBM,设计单台TBM掘进长度18 ~ 23 km,远远超过目前国内连续掘进里程的平均水平,因此,开展超特长输水隧洞TBM 与配套系统适应性设计尤为关键。为满足超长隧洞快速连续掘进需要,不仅要充分考虑TBM 对地质条件的适应性,还应对TBM 的选型设计、掘进模式和结构形式、刀盘及切削技术、主驱动使用寿命和可靠性、配套系统等方面开展系统研究。

1) TBM 选型及掘进系统协调控制技术。系统开展开敞式与护盾式掘进机以及同类掘进机结构参数、生产能力、掘进速度的优化比选,研究TBM 掘进系统中主机系统、后配套系统、主机附属设备、辅助钢拱架安装支撑设备、外部生产系统的协调匹配性,提出设计制造的主要技术要求和风险应对措施[19 - 20]。根据超特长隧洞的特殊要求,提高刀盘前方喷雾降尘效果,强化TBM 自动纠偏和精确导向能力,研究掘进、出碴、动力驱动、支护、辅助配套等各系统功能配置及关键部件的设计参数,综合平衡TBM 设备的技术先进性和经济实用性[21 - 22]。

2) TBM 超长寿命设计与掘进参数智能控制技术。超长掘进对主驱动、刀盘的耐久性、耐磨性及结构刚强度提出了严格的要求。其中,主驱动长寿命期内的可靠性及驱动效率、主驱动密封及盘体结构修复技术、合理的刀盘结构和刀具布置型式、刀盘抗磨损设计和高精度焊接技术等都是事关TBM 耐久性的重要因素。另外,掘进参数与围岩参数的适应性、掘进参数自动控制技术等也是影响TBM 寿命的关键因素[20, 23]。特别要重点研究解决好饱和抗压强度Rb≥100 MPa、石英含量≥25%的花岗岩段TBM 快速掘进的问题。

3) TBM 状态检测及故障自修复技术。研究TBM状态检测方法与系统参数的评价标准,建立状态监测与故障诊断系统模型,预测故障发展趋势,进行系统状态评估; 研究故障特征,建立故障数据库和故障自诊断、自修复技术体系,确保TBM 使用寿命满足超长距离掘进施工要求[24]。

5. 3 施工建设关键技术

超特长、机群化施工、单机独头掘进最长是喀—双隧洞施工中的显著特点。由于地质条件、设备选型、组织管理等因素,在国内已建和在建的工程中,卡机、沉陷、埋机等各类灾害事故屡见不鲜。如: 山西万家寨引黄工程,由于围岩变形速率大,穿越断层破碎带时导致卡机,停机处理3 个月,造成了巨大的经济损失[25];甘肃引洮工程发生卡机沉陷,停机1 年以上[26]; 锦屏引水隧洞掘进过程中发生被淹、被困事故[27]。综合上述情况,超长连续快速掘进和不良地质处置给TBM 施工带来了极大的挑战,因此,必须开展系统研究,优化施工组织设计,做好通风、排水、运输等配套系统的管理和维护,确保TBM 超长连续快速掘进。

1) 深埋长距离大坡度缓斜井施工技术。在初步确定TBM 缓斜井进洞方案的基础上,结合钻爆法施工支洞的布置,综合考虑安全、技术经济、工期效率、物料运输等影响因素,进一步优化设计方案,合理选择位置、坡度、断面等重要技术参数; 研究长距离大坡度缓斜井建造及快速施工技术,包括TBM 与钻爆法施工以及二者组合施工、缓斜井与正洞TBM 一体化施工的可行性。

2) 深埋中间竖井建造及物流、通风技术。根据TBM 掘进和钻爆法施工的安全、效率、通风等技术要求,研究深埋竖井建设的必要性和可行性,合理布设竖井,包括位置、断面、数量等,并根据竖井的功能,研究其建造、吊装、出碴、抢险、通风等关键技术。

3) TBM 洞内快速组装、始发及拆解技术。根据确定的入洞方案,研究TBM 大型部件的结构分块设计和精确装配技术,包括大型部件的吊装运输,组装硐室开挖支护,洞内始发、步进、拆解等成套技术,并以此对TBM 设计制造以及关键部件的洞内拆解工艺、专用工装设备等提出具体的技术要求。

4) 超特长隧洞出碴和物料运输技术。长隧洞施工经验表明,当独头掘进距离超过12 ~ 14 km 时,其供电、通风和物料运输方案的合理性在整个工程优化设计阶段尤显重要,应当给予高度重视。根据确定的分段施工方案和断面布置要求,分析论证主洞和缓斜井连续皮带机、有轨运输、无轨双向驱动胶轮车等运输方案的安全性和合理性; 研究连续皮带出碴系统的可靠性和碴土适应性,以及主洞和缓斜井出碴、物料运输转运配套系统; 以安全高效为原则,研究通道出碴和物流运输安全控制技术。

5) 超特长隧洞独头通风技术。优化通风系统设计和设备选型方案,确保二次通风系统与总体通风方案的协同性; 实时开展现场通风与环境测试,研究隧洞安全卫生保障技术; 科学评估现有通风除尘设备的性能,分析论证一站式、多站式、风井通风等技术可行性方案,并提出具体的设计要求; 研究各类风机性能、风管材料和规格型式及其与通风系统的匹配性。

6) 软岩变形控制及隧洞安全施工技术。软岩地层主要连续分布在隧洞尾部,总长11. 7 km,岩性为砂岩、泥岩互层,抗压强度为13. 6 ~ 18. 7 MPa,遇水软化、易崩解和塑性大变形是威胁隧洞安全施工的主要难题。采用人工钻爆、短台阶法施工,台阶长度3 ~ 5m,每循环进尺1. 5 ~ 2 m。一次支护利用多功能台架及锚杆钻机施作锚杆孔,人工安装锚杆,敷设钢筋网和钢拱架支撑,并采用湿喷机喷射混凝土。施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”及“先探后挖”的原则,在围岩、一次支护格栅拱架设立应力应变监测断面,揭示围岩时空变形规律,根据围岩变形量和变形速率,建立围岩变形稳定控制标准,适时实施二次衬砌。

5. 4 施工风险控制技术

由于断裂破碎带众多,工程地质条件存在不可预见性,因此,开展长距离TBM 施工风险控制技术研究十分必要。

1) TBM 施工超前地质预测预报技术。分析对比超前地质钻探、地质雷达( HSP) 、地震波( TST) 、电法等预测预报技术的适用条件及应用效果,综合地质预测预报技术,建立多源信息集成地质超前预报系统,提出适合本工程的地质灾害预测预报技术[28]。

2) TBM 施工不良地质洞段综合处置技术。本工程影响TBM 施工的主要地质问题有断层破碎带、中等岩爆及潜在的软岩变形。5 条断裂构造带均采用钻爆法施工,但穿越72 条次级断层构造,仍存在一定的风险。因此,研究不良地质洞段综合施工技术、中等地应力洞段岩爆及防护技术,降低TBM 施工风险,并提出防范应对措施是十分有必要的。对于处在活断层洞段,不应小觑,要做好适应变形的抗断性设计,保证结构的完整性,探讨TBM 掘进和混凝土衬砌联合作业的必要性和可行性。

3) TBM 施工风险评估与防控技术。综合地质条件、施工方案及设备运行等情况,查找分析施工风险源及种类,提出识别和评价方法,确定风险等级和控制标准,建立风险评估决策支持系统,提出突发地质灾害的处置措施,包括岩爆、突涌水风险控制及人员快速逃生的技术预案[29]。隧洞工程施工经验表明,水远比塌方更难治理。在穿越河流或富水地层时,应加强地质勘察工作,查明断裂构造与地表水的水力联系,做好超前预处理预案。

5. 5 TBM 全寿命周期( BIM) 数字化综合管理

TBM 作为一个高度集成机械化的隧洞挖掘设备,其结构复杂、系统庞大、设备众多,任何一个环节失误都将可能导致其停机。TBM 在掘进施工过程中,地质勘探、施工组织、配套工序、监测诊断、状态控制、保养维护等任何环节的脱节,都会严重影响其生产效率和使用状态。因此,针对喀—双隧洞TBM 机群施工的特点,迫切需要建立一套综合管理信息系统来实现TBM施工的高效运行管理。

5. 5. 1 TBM 综合信息管理系统开发及应用

建立TBM 机群技术管理数据库,实现实时跟踪管理,多视图、多层次采集分析主要设备的各种技术参数和性状指标; 建立施工管理数据库,实现施工质量管理和安全监测管理信息化; 建立配套设备管理数据库,实现设备维护保养、故障诊断排除和备品备件的信息化管理; 建立TBM 机群施工管理决策支持系统,评价运行状态,分析成本效益,监测工程质量,提出合理的工程进度计划和主轴承备份方式、数量以及其他备品备件需求计划[30]。

5. 5. 2 工程全寿命周期( BIM) 数字化综合管理技术研究及应用

研究并利用BIM 技术建立工程设计、施工和运营全过程动态管理系统; 建立TBM 机群BIM 管理系统,实现功能参数、空间位置的远程数字化实时监控; 应用BIM 技术模拟施工建造过程,实现三维动态实时显示,完成材料设备供应、施工进度、质量验收、工程结算等方面的报表生成[31]。

6 结论与建议

1) 喀—双隧洞全长283. 3 km,平均埋深428 m,最大埋深774 m,硐室Ⅱ级和Ⅲ级围岩占比86. 2%,抗压强度大多在50 ~ 140 MPa。从已探明的工程地质情况来看,发生破碎岩体塌方、断层破碎带突涌水、高地应力岩爆、高地温、放射性、有害气体等地质灾害的可能性不大,适合TBM 机械化、快速施工。

2) 由于隧洞沿线地形较为平坦,没有布置平支洞和短支洞的地形条件,为了解决TBM 进入通道和钻爆法施工以及通风、出碴、物料运输问题,开挖深长缓斜井、深埋中间竖井是不可避免的。超长距离的独头掘进,再加上深( 埋) 长支洞的通道制约,给隧洞高速掘进与高效率出碴、通风带来了难度。深埋超特长输水隧洞的建设是一个技术含量非常高的系统工程,投入大,风险高,建设周期长,应从规划论证开始做好扎实的基础理论研究、建设方案论证、建设方法分析,对工程建设中的一系列重点、难点及关键技术问题,应结合现代化科学技术进行系统攻关。

3) 随着我国在重大交通、水利以及能源矿山工程等建设领域对TBM 装备的需求持续增长,TBM 长期依赖进口的局面已经严重制约了我国重大工程的建设。喀—双超特长隧洞建设和TBM 制造关键技术的突破,对于填补国内深埋隧洞TBM 施工技术方面的空白,推动我国重大装备国产化和跨流域调水工程的建设,以及相关技术产业的发展具有重大意义。因此,必须开展持续的研究和创新,特别注意成套设备的研发与工程应用服务,提升关键部件的适应性、耐久性、可靠性,为实现超特长隧洞“打得快、用得久、走得长”提供重要保障。

7 致谢

文章得到了钱七虎院士和杜彦良院士的热情指导,在此表示衷心感谢!

摘自:隧道建设

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