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TBM与钻爆法隧洞开挖方式的选择

要：结合引黄工程北干线1号隧洞工程，从施工进度、安全、质量控制及对环境的影响等方面对隧洞TBM据进与钻 爆法开挖方法进行了比较，提出了选择TBM进行北干1号洞的开挖方案。 关词：引黄工程，北干1号隧洞，TBM据进，钻爆法

方家引黄工程位于山西省西北部，从黄河方家寨水利枢纽 取水，由总干线、南干线、北于线和联接段四部分组成。总干线西 起黄河方家寨水库，沿偏关县北部东行44.4km至下土寨村附近 设分水闻，以下分成南于线和北于线。南干线由分水闸向南经偏 关、神池，到宁武县头马营人汾河，长102km。联接段北起南于线 7号隧涡头马营出口，南至太原市呼延水厂，线路长139、4kmc 北干线由分水闸向东，经偏关、平鲁、朔州、山阴、怀仁至大同市南 郊的赵家小村水库止，线路长163.95km，其中1号隧洞自分水闸 至中沟湾出口，全长43.694km 引黄工程于2002年已完成总干线、南干线和连接段向太原 引水的第一期工程，下一步是继续兴建北于线向平朔、大同的引

水工程。其中北干线1号隧洞位于北十线首部，是北干线输水建 筑物。北干线1号隧洞纵坡大梁水库以上段为1/1500，大梁水 军以下段为1/800，设计引水流量为22.2m/s，采用城门洞形（宽 ×高=3.8m×4.02m);马蹄形(R=2r=4m)；圆形(D=4.1m、 4.14m)。隧洞自分水闸起向东偏北方向经费堡、口子上至乃河 堡，然后折向东南方向经上水头至上石密，在上右窑村东穿过黄 河与海河两大水系的分水岭一一虎头山，再向东经乱榆下至大梁 水库右坝肩，其后线路折向东南方向经井坪、元墩、曹庄子，通过 崔家岭、安太堡等，在马鞍山村西的中沟湾北岸坡脚处出口，洞长 43.694km，全线均为无压输水洞。最大埋深达430m，洞项以上 最大水头达200m。北01洞段（桩号北0+020.600~北5+ 471.241)为已建完段，采用钻爆法施工，隧洞断面型式分为城门

润形、马蹄形两种。本次设计范围为桩号北5+471.241～北43 +694，其中水利部山西水力水电勘测设计研究院承担的洞段范 围为桩号北30+621.532（大梁水库）～北43+694（中沟湾）。

2TBM与钻煤法成洞方式简介

TBM(TunnelBoringMachine）是全断面隧道掘进机的简称， 其最大特点是广泛使用电子、信息技术对全部作业进行指导和监 控，使掘进过程始终处于最佳状态。其速度一般为常规钻爆法的 8倍～10倍，最佳日进尺可达150m。除速度快以外，还有优质、 安全、经济，有利于环境保护和劳动力保护的优点。从松散软土 到极坚硬的岩石（抗压强度280MPa～400MPa）都可应用。因 此，国际上有“移动式掘进工厂”之称。 掘进机的不足之处，在于对地质条件的适应程度不如钻爆 法。此外，一次性投资较大，对工作人员的素质要求较高，在使用 过程中，不够灵活机动：如轴承太大，机身太重。当隧道长度大于 6km，或隧道长度与直径之比大于600时，宜首先采用掘进机方 案。但总的看来，在隧洞快速开挖中，优先采用掘进机，已成为国 际发展趋势。 近年来，TBM全断面掘进施工技术得到了广泛的应用，在山 西省万家寨引黄工程总于线、南干线和连接段，采用TBM施工的 隧洞累计长度已经达到了124km，成为国内使用TBM成润最 长、应用最成功的项目。 钻爆法施工，即传统的打眼、放炮、化整为零的掘进方法。钻 爆法施工具有资金、设备投入低，成本低廉，适应于各种自然环境 和地质结构具有快速、机动、灵活和适应力强等特点。

该设计是在水利部山西水力水电勘测设计研究院1993年绸 制的山西省万家寨引黄工程北干线初步设计说明书（大梁至大 同）（以下简称原设计”）基础上进行的。 1)原初步设计方案。原设计北干线1号隧洞设计引水流量 为22.2m3/s，洞段的上段为城门洞型断面、无压输水，下段由于 有4.3km的有压隧洞，故采用下段内径4.1m的圆形断面。由 于原设计是1993年完成的，近年来，各方面情况变化很大中建某局土方开挖施工方案（55P）-.doc，出现 了诸如：煤矿采空区、隧洞出口场地被占用等问题。这些因素都 对原设计方案造成影响，故须补充完善，在综合考虑各种成润施 工方法的情况下对隧洞线路进行了调整。2)隧洞线路调整方案。 根据前述TBM隧洞开挖的优势，对于总长度近44km的1号隧 洞若采用TBM施工，可以大大加快施工进度，并使工程质量得到 很好的保证。同时考虑到业主于南干、联接段等施工后留有 TBM设备可再次利用，应优先针对TBM施工方案对洞线进行局 部调整。根据工程地质勘探，1号隧洞下段部分洞段基岩面较低， 因此在原设计中1号隧洞后段洞线下降20m形成了有压输水洞 段。有压润段和无压洞段之间以1：10陡坡衔接。为充分利用水 头.出口之前采用竖井形式使水位上升。但由于TBM无法进行

这种突变底坡段的施工，因此本阶段取消了有压洞段，采用同一 纵坡。在多次现场查勘和补充勘测工作的基础上，经过方案比 选，提出了线路调整方案。考虑到原隧洞出口处的七里河土地利 用现状，并便于比较，钻爆法施工时也采用调整后的洞线方案。 润线及纵坡调整后，相应对隧洞断面进行调整如下： a.TBM施工方案。采用TBM施工方案时，根据水工建筑物 功能要求，并充分发挥设备潜力，考虑使用业主现有的TBM施 工，隧洞开挖直径取4.82m，净断面内径为4.14m，预制钢筋混凝 土管片衬砌厚25cm，豆砾石回填灌浆平均厚度为9cm。b.钻爆法 施工方案。来用钻爆法施工方案时，为便于施工，隧洞断面设计 为门润形，根据水力学计算成果，隧润净断面为3.6m×4.1m，直 墙高2.5m，设计水深2.42mg

对TBM施工方案与钻爆法施工方案进行了综合比较，其比 较结果见表1。从表1中可以看到，TBM施工在很多方面占有优 势。由于山西省在引黄总于、南于、联接段施工中已大量采用了 TBM施工，在TBM隧洞设计和施工实践中，设计、施工和建设单 位积累了丰富的经验，具有处理各种复杂情况的能力和经验。与 钻爆法在施工技术方面的差距已很小，且可以通过TBM的不断 应用积累宝贯的经验，对提高山西省在隧洞工程中的技术水平有 很大的好处。而工程投资量然也是方案选择的重要因素，但在全 面考虑以上各方面比较结果，且在投资差额不大的情况下不应再 看作决定性因素。通过以上分析，在引黄工程北干线1号隧润施 工方案中最终采用了TBM施工方案，

表1TBM施工方案与钻爆法施工方案比较表

通过引黄北干线1号隧洞设计过程中对TBM隧洞施工方案 与钻爆法隧洞施工方案的比较，再一次看到了新技术、新工艺在 水利设施建设中的飞速发展。随着我国基础设施的大规模建设， 将有天量长、大隧洞需要施工，而传统的施工方法已不能满足对 工期、运行、经济效益以及生态环境等方面的要求，而具有成润快 速、使用安全、经济、环保等众多优点的TBM掘进机将越来越被 众多施工单位看中。