菲律宾卡利瓦大坝项目TBM选型研究_陶林.pdf

第 卷第 期红水河 年 月 菲律宾卡利瓦大坝项目 选型研究陶 林（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西 南宁）摘 要：为选择菲律宾卡利瓦大坝项目输水隧洞施工合适的 类型，笔者从地质条件、工期、施工安全与环境和经济性等方面对敞开式 和双护盾式 进行比较研究，最终选择双护盾式 作为输水隧洞 洞段的施工设备。研究成果可为具有施工隧洞长、洞径小、地质条件较差等特点的隧洞施工如何进行 选型提供参考。关键词：输水隧洞；设备选型；中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：(,):,:;()引言（）是隧道掘进机的简称，在中国，一般习惯将硬岩隧道掘进机（硬岩）简称为，将软地层掘进机称为盾构机。欧美将全断面隧道掘进机统称为，日本则一般统称为盾构机。硬岩 是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过旋转刀盘上的铲斗齿拾起石渣，落入主机皮带机上向后输送，再通过牵引矿渣车或隧洞连续皮带机运渣到洞外。硬岩 又可分为敞开式、单护盾式、双护盾式。是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备，具有施工速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工，在我国铁道、水电、交通、矿山、市政等行业中得到广泛应用。菲律宾卡利瓦大坝项目输水隧洞长 ，衬砌后洞径为 ，分别采用 施工与钻爆法施工，施工洞段长 ，开挖直径。通过从地质条件、工期、施工安全与环境等方面进行综合比较，选择合适的 进行施工。工程概况菲律宾卡利瓦大坝项目位于菲律宾吕宋岛东南部、首都马尼拉以东约 的 河上。项目包括一座最大坝高约 的混凝土重力坝、放空设施、输水隧洞、隧洞出口分水结构、水库上下游简易码头、进场公路以及业主管理营地等附属设施。收稿日期：；修回日期：作者简介：陶 林（），男，广西扶绥人，工程师，主要从事水利水电工程施工组织设计。：。红水河 年第 期 输水隧洞进水口底板高程为 ，出水口底板高程为 ，全长 ，衬砌后洞径为 ，纵坡为 ，设计流量 。输水隧洞施工方案输水隧洞采用全断面钢筋混凝土衬砌，衬砌后洞径为 ，分别采用 施工与钻爆法施工。隧洞桩号 段隧洞采用钻爆法施工，开挖断面形状为马蹄形，隧洞设 条施工支洞，施工支洞布置在桩号 ，长。钻爆法施工分 个工作面同时进行，分别为进水口往出水口方向、施工支洞往进水口方向和施工支洞往出水口方向。隧洞桩号 设 解体洞，长，宽，高，采用钻爆法施工。隧洞桩号 段的围岩大部分为类围岩，利用 生产、运输、安装的时间，采用钻爆法施工，该洞段作为 的步进洞。隧洞桩号 处的围岩为类围岩，设 始发洞，始发洞长 ，内径 。隧洞桩号 段隧洞采用 台 施工，长 ，在隧洞出口处洞外安装，从靠近出口段隧洞桩号 始发向进口方向逆坡开挖，有利于隧洞排水，至隧洞桩号 完成 的施工。在完成施工后进入解体洞进行拆分，拆分的部件分别从出口方向和施工支洞方向运出。输水隧洞施工布置示意图如图 所示。图 输水隧洞施工布置示意图 选型 类型及选型考虑因素目前国内外常用的 主要为敞开式 和双护盾式。敞开式（见图）是采用锚喷支护的一类全断面隧道掘进机，主要由主机、连接桥和后配套组成。主机部分一般由刀盘、主驱动、护盾、钢拱架安装器、锚杆钻机系统、主梁、带式输送机、撑靴、后支撑等组成，通过撑靴支撑在开挖的隧道岩壁上产生的摩擦力来提供刀盘掘进的推进力。后配套主要由拖车、通风除尘系统、主控室、压缩空气系统、液压系统、混凝土喷射系统、激光导向系统、供水排水系统、通信设施、出渣运输设备等组成。图 敞开式 双护盾式（见图）是在掘进过程中能同时进行管片衬砌的一类全断面隧洞掘进机，主要由主机和后配套组成。主机部分一般由刀盘、溜渣槽、主驱动、前护盾、稳定器、推进液压缸、反扭矩装陶 林：菲律宾卡利瓦大坝项目 选型研究置、伸缩护盾、铰接液压缸、支撑护盾、撑靴、辅助推进液压缸、尾护盾、超前钻机、管片拼装机、带式输送机等组成。后配套与敞开式 类似，增加了豆砾石注入系统。图 双护盾式 这两种 的选型原则主要从以下几个方面考虑：）地质条件：两种 适合不同的地质条件，敞开式 适用于、类围岩为主的隧洞，双护盾式 适用于各类围岩的隧洞。）工期：两种 在不同的地质条件开挖的速度不同，对于围岩较好的隧洞，两种 开挖速度相当；对于围岩较差的隧洞，双护盾式 开挖速度更快。设备选型需满足合同工期的要求，在规定时间内完成隧洞的施工。）施工安全与环境：两种 在隧洞里的施工环境也不相同，从施工安全与施工环境的因素考虑，选择更优的设备进行施工。）经济性：两种 的设备费用、施工费用不同，敞开式 的价格较低，双护盾式 的价格较高。从经济性考虑，选择价格较低的设备进行施工。选型依据 选型相关的规程规范见表。表 选型相关的规程规范表序号标准名称标准编号涉及 章节水利水电工程施工组织设计规范 地下工程施工水利 水 电 地 下 工 程施工组织设计规范 岩石掘进机开挖水工建筑物地下开挖工程施工规范 掘进机开挖引调水线路工程地质勘察规范 附录 隧洞 施工适宜性判定 综合以上各规程规范的规定，可归纳出对 选型的基本认识如下：）不适合 掘进的条件。隧洞形态：非圆形断面；圆形断面直径小于 或大于 ；隧洞长度小于 ；有不宜使用掘进机的弯角和坡度。围岩状态：类围岩；岩石单轴抗压强度大于 或小于 ；不良地质洞段多；岩溶发育；断层破碎带多、宽；地下涌水量较大；地应力高、岩爆强烈或塑性变形大；围岩破碎、不稳定。其他因素：经济上或工期上或其他外部条件不允许。）适合 掘进的条件。除）之外的条件基本都属于适合采用 掘进的条件。根据当前 技术发展，敞开式 和护盾式 在进行超前地质勘察的辅助下，采取有效的超前支护措施，可以在类围岩洞段进行施工，只是对施工进度有些影响。在类围岩占比不大的隧洞可以采用 施工。选型分析 工程地质输水隧洞洞线及其附近区域属于岩溶峰林地貌、低山地貌、丘陵地貌及河流阶地地貌，总体地形为东高西低、北高南低。隧洞及其附近的地形基本以隧洞中部的 山为界，以西基本为丘陵地貌和河流阶地地貌，以东和以北基本为岩溶峰林地貌和低山地貌。总体上，洞线地貌类型以低山地貌为主，丘陵地貌和岩溶峰林地貌次之，河流阶地 红水河 年第 期地貌局部分布。岩溶峰林地貌、低山地貌、丘陵地貌及河流阶地地貌，分别占输水隧洞长度的、及。输水隧洞出露的地层地质时代从白垩系到第四系更新世时期，其中，灰岩地段长度占隧洞总长度的，占 施工段总长度的；半成岩（）地段长度占隧洞总长度的，占 施工段总长度的。输水隧洞区域构造发育，以北西向、北北西向和北北东向为主，北东向次之，且断层规模普遍较大。输水隧洞灰岩区域、地表及浅部岩溶发育，深部岩溶则逐渐减弱，初步判断输水隧洞埋深附近灰岩岩溶总体为弱微发育，局部地段可能岩溶强发育。输水隧洞不良地质问题主要有软弱围岩、断层破碎带、突涌水、岩爆等。输水隧洞桩号 段隧洞采用 施工，洞长 ；该洞段围岩分类主要为、和 类，其中，类围岩长 、占，类围岩长 、占，类围岩长 （其中断层长 ）、占。输水隧洞类围岩饱和抗压强度为 ，类围岩饱和抗压强度为 ，类围岩饱和抗压强度小于 。根据引调水线路工程地质勘察规范相关规定，结合现场地质勘察工作成果，对该洞段 施工适宜性进行评价：适宜（），隧洞长度为 ，比例为；基本适宜（），隧洞长度为 ，比例为；适宜性差（），隧洞长度为 ，比例为；不适宜（），隧洞长度为 ，比例为。敞开式 主要适用于岩石强度较高能够提供支撑靴足够推力且岩体相对较为完整、围岩有一定自稳能力的岩体。护盾式 采用双护盾模式时也适用于岩石强度较高的岩体，给支撑靴提供足够推力，与敞开式 相同。同时，由于双护盾式 可以使用单护盾模式，利用辅助油缸，由已经安装好的管片提供推力，因此，也可适用于软岩甚至极软岩。由国内 相关的规程规范可知：、类围岩为主的隧洞适合使用敞开式；、类围岩占比较大的隧洞适合使用双护盾式。根据上述地质情况分析，推荐选用双护盾式。工期本项目施工工期为 个月，控制性进度为输水隧洞施工的进度，输水隧洞施工的关键性进度为 施工洞段的进度。本项目隧洞开挖直径为 。收集国内与该工程开挖隧洞直径相似的、采用 施工的工程实例见表。表 国内 施工工程实例表工程名称工程概况地质条件平均月进尺 最高月进尺 引大济湟工程隧洞全长 ，采用双护盾式 施工，开挖直径为 隧洞以砂岩、片麻岩为主，、类围岩占剩余洞长的；、类围岩占剩余洞长的 兰州水源地工程隧洞全长 ，采用双护盾式 施工，开挖直径为 隧洞以石英片岩、砂岩、砂砾岩和砂质泥岩为主。其中，类围岩占比；类围岩占比；类围岩占比；类围岩占比 杭州千岛湖工程输水线路山岭隧洞段长约，采用双护盾式 施工，开挖直径为 隧洞沿线岩性以石英砂岩、长石石英中细粒砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩为主。类围岩占比；类围岩占比；类围岩占比；类围岩占比 深圳地铁 号线地铁工程隧洞施工长度超过 ，采用双护盾式 施工，开挖直径为 隧洞以中、微风化、类花岗岩为主重庆轨道交通 号线工程隧洞施工长度 ，采用敞开式 施 工，开 挖 直 径 为 隧洞沿线岩性以砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩和泥岩为主，类和类围岩占比 山西引黄工程 施工总长 ，开挖直径为 、围岩多为白云岩、灰岩、砂岩等，有地下水 根据收集的与该工程 施工相似的工程实例资料，结合该工程的地质特点，确定 施工速度。敞开式 施工速度采用：类围岩，月；类围岩，月；类围岩，月。双护盾式 施工速度采用：类围岩，月；类围岩，月；类围岩，月。陶 林：菲律宾卡利瓦大坝项目 选型研究施工时间如表 所示。表 施工时间表围岩分类隧洞长度 敞开式 施工速度（月）时间 月双护盾式 施工速度（月）时间 月类 类 类合计 注：表示平均速度。施工隧洞开挖直径为 ，衬砌后洞径为 ，洞径太小，使用敞开式 施工时隧洞开挖与混凝土衬砌不能同时进行，混凝土衬砌需在隧洞贯通、退场以后，再按照现浇混凝土衬砌的施工方法进行。混凝土衬砌施工控制段桩号 段，长 ，按出口往进水口方向、施工支洞往出口方向 个工作面考虑，衬砌施工速度采用 月，需要 个月。敞开式 关键性施工进度：敞开式 生产制造、运输、现场安装（个月）敞开式 开挖（个月）敞开式 拆除（个月）隧洞衬砌（个月）扫尾验收（个月），合计 个月。双护盾式 关键性施工进度：双护盾式 生产制造、运输、现场安装（个月）双护盾式 开挖及管片安装（个月）双护盾式 拆除（个月）扫尾验收（个月），合计 个月。从工期分析可知：本项目如果采用敞开式 施工，工期需 个月，无法满足合同施工工期 个月的要求；如果采用双护盾式 施工，工期需 个月，工期小于合同工期要求。因此，推荐选用双护盾式 施工。施工安全与环境敞开式 施工的工作原理是先掘进，再支护。工作人员暴露在围岩下进行操作，隧洞初期支护喷锚系统与钻爆法的类似，围岩自稳条件较好的洞段有岩石掉块的风险，围岩自稳条件较差的洞段有隧洞坍塌的风险，隧洞埋深大、地应力大的洞段还有岩爆的风险。掘进、钻孔过程中产生的粉尘、废水等也会影响施工环境，使工作环境变得恶劣。采用双护盾式 施工，工作人员基本都在护盾、管片的保护下进行操作，施工过程中不受粉尘、废水等影响，施工环境较好。管片衬砌与掘进同步进行，可以有效地防止岩石掉块、岩爆、隧洞塌方等对工作人员的人身伤害，施工安全性高。从施工安全与施工环境因素分析，推荐选用双护盾式。经济性根据厂家的调研资料，同等条件下的双护盾式 的设备价格一般是敞开式 设备价格的 倍。该工程的双护盾式 的设备价格约 万元，敞开式 的设备价格约 万元。该工程采用双护盾式 进行隧洞开挖衬砌的每米综合单价约为 万元，采用敞开式 进行隧洞开挖衬砌的每米综合单价约为 万元。采用双护盾式 施工的施工场地布置与采用敞开式 施工的施工场地布置对比，双护盾式 需增加豆砾石成品堆料场、管片加工厂和管片成品堆料场等场地。从施工布置来看，采用双护盾式 施工占用的场地较大，费用较高。从经济性分析，推荐选用敞开式。选型结论通过从地质条件、工期、施工安全与环境和经济性等方面进行分析和比较可知：从地质条件方面，敞开式 和双护盾式