2.5 兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM选型及应用

2.5.1 工程概况

兰州市水源地建设工程将刘家峡水库作为引水水源地，向兰州市供水。工程包括取水口、输水隧洞主洞、分水井、芦家坪输水支线、彭家坪输水支线及其调流调压站、芦家坪水厂和彭家坪水厂等。

输水隧洞为兰州市水源地建设工程的控制性工程，隧洞主洞全长31.57km，设计引水流量为26.3m3/s，为压力引水隧洞。输水隧洞施工以TBM为主辅以钻爆法，隧洞内径4.6m，开挖洞径5.46m。

2.5.2 工程地质条件

2.5.2.1 地形地貌

工程区地貌类型主要由中高山、中低山、丘陵区和河谷盆地组成。其中丘陵区面积较大，中高山区次之，中低山区和河谷盆地区面积较小。近场区海拔最高处为东侧何家山一带，海拔为2900m左右，最低处为黄河谷地，海拔1550m左右，地貌受新构造运动的控制和影响，山体和盆地总体呈北西西—南东东向，与区域构造线方向一致。中高山区位于近场区雾宿山、马衔山一带，沿黄河、洮河、湟水河、大夏河等河流发育河谷地貌，中低山及丘陵区多位于河谷两侧。中低山及丘陵区以上更新世风积黄土覆盖为主要特色，形成黄土塬及梁峁地貌。工程区主要发育主干河流黄河及其支流洮河、湟水河、大夏河等河流，各级河流阶地均很发育。黄河沿线可见Ⅰ~Ⅴ级阶地发育，更高级阶地多被侵蚀为丘陵地貌。洮河、湟水河及大夏河均发育Ⅳ~Ⅴ级阶地，其中Ⅰ级、Ⅱ级多为堆积阶地，Ⅲ~Ⅴ级多为基座阶地。

2.5.2.2 地层岩性

输水隧洞沿线地层岩性主要有前震旦系马衔山群（AnZmx4）黑云母石英片岩、角闪片岩，奥陶系上中统雾宿山群（O2-3wx2）变质安山岩、玄武岩，白垩系下统河口群（K1hk1）砂岩、泥岩、砂砾岩，新近系上新统临夏组（N2l1）砂岩、砂质泥岩夹砂砾岩和第四系（Q）风成黄土及松散堆积物，侵入岩主要为加里东期花岗岩、石英闪长岩。

线路区前震旦系黑云母石英片岩及角闪片岩，奥陶系变质安山岩和加里东期侵入岩均属坚硬岩类，岩石致密坚硬、抗风化能力强、强度高；中生代白垩系多见砂岩和泥岩互层或泥岩呈夹层分布，多为软岩（单轴饱和抗压强度小于30MPa），具有流变特性，主要表现为软岩的蠕变，遇水后具有崩解特性，水理性质差。各类岩性所占比例如图2.12所示。

2.5.2.3 地质构造

工程区应力场是以水平构造应力为主导的地应力场，三向应力特征为：σH＞σh＞σv，主构造线方向310°～340°，构造应力方向NE40°～NE70°，隧洞轴线方向NE50°，与构造应力方向近平行。钻孔地应力测试结果显示在侵入岩区及奥陶系变质岩区是以水平向构造应力为主导地应力场，白垩系沉积岩区埋深380m以内主应力以水平向构造应力为主导，在埋深大于380m处，则转变为自重应力场为主导。输水隧洞工程场地50年超越概率10%的基岩地震动峰值加速度为0.2g，地震动特征周期0.45s，相应地震基本烈度为Ⅷ度，工程场地区域构造稳定性较差。

线路区总体属于单斜构造，受构造活动影响，在中岭村、王家圈一带白垩系地层产状多变，地表局部有小规模的褶皱发育，但褶皱出露位置多位于山顶。受区域构造影响，区内构造复杂，区域性断层发育，区域断层呈北西及北西西向延展，多与线路大角度相交，线路共穿越马衔山北缘断裂带（F3）、西津村断层（F4）、寺儿沟断层（F5）、雾宿山南缘断裂（F8）等4条区域性断层和7条小规模断层。受构造和成岩作用影响，不同地层发育的节理裂隙产状、规模、性状等均相差较大。

2.5.2.4 水文地质条件

沿线地下水主要有第四系孔隙潜水、基岩孔隙水和基岩裂隙水3类。第四系孔隙潜水主要分布于沿线各沟谷第四系松散堆积物中，基岩孔隙潜水分布于沿线新近系和白垩系砂岩、砂砾岩及黏土岩之中，裂隙潜水赋存运移于断层带及裂隙中。根据沿线地质调查，未发现地下水露头，线路附近村镇中未见水井取水，说明水量贫乏。取水口部位地表水为—Mg2+·Ca2+型水，对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋无腐蚀性；取水口部位地下水化学类型以·Cl-—K++Na+和—Ca2+· K++Na+·Mg2+型水为主，对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱腐蚀性。输水隧洞沿线地表水化学类型主要为Cl-—Mg2+·K++Na+和Cl-·—K++Na+· Mg2+型水，对混凝土具有硫酸盐型弱腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱—中等腐蚀性；输水隧洞沿线地下水多为氯化物水，水化学类型主要为Cl-—K++Na+型水，对混凝土具有重碳酸型弱—中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有弱—中等腐蚀性。

隧洞正常涌水量按照大气降雨入渗法与裘布依公式法的平均值15911.5m3/d作为正常涌水量，31823 m3/d作为最大涌水量。集中涌水量位于F3断层控制区最大单点集中涌水量按580m3/h考虑，F4断层控制区最大单点集中涌水量按430m3/h考虑，F8断层控制区最大单点集中涌水量按1600m3/h考虑。

2.5.2.5 岩石（体）工程地质特征

隧洞围岩前震旦系石英片岩、加里东期侵入岩和奥陶系变质安山岩以Ⅱ~Ⅲ类为主，过洮河段白垩系砂岩、砂砾岩和砂质泥岩段以Ⅲ~Ⅳ类围岩为主，断层段为Ⅴ类围岩。其中Ⅱ类围岩洞段累计长度14827.0m，占47%；Ⅲ类累计长度9953.7m，占32%；Ⅳ类围岩洞段累计长度5587.1m，占18%；Ⅴ类围岩洞段累计长度899.0m，占3%，如图2.13所示。各类围岩的力学参数见表2.7。输水隧洞工程地质剖面图如图2.14所示，5号施工支洞工程地质剖面图如图2.15所示。

2.5.2.6 工程地质问题

输水隧洞主要存在的工程地质问题有：断层破碎带、节理密集带围岩失稳塌方、白垩系地层塑性变形及涌水等。预测隧洞通过段不会有较大的放射性影响。输水隧洞埋深较大，具备较好的储存封闭条件，根据地层岩性分析,甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）等有害气体存在的可能性较小。

2.5.3 TBM施工适宜性评价及选型

2.5.3.1 TBM施工适宜性评价

隧洞是否适宜采用TBM施工，需要根据地质条件进行TBM施工适宜性评价，参考《引调水线路工程地质勘察规范》（SL 629—2014）［63］附录C的规定，以围岩基本质量分类为基础，考虑岩体完整性、岩石强度、围岩应力环境和不良地质条件等因素，结合TBM系统集成及施工应用特点综合判定，对兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM施工地质适宜性评价见表2.8。可以看出，输水隧洞Ⅱ类、Ⅲ类围岩占隧洞总长度的79%，岩体完整性系数为0.35~0.75，岩石饱和单轴抗压强度以60~100MPa为主，TBM施工适宜性等级为适宜—基本适宜；Ⅳ类围岩占隧洞总长度18%，岩体完整性系数为0.15~0.35，岩石饱和单轴抗压强度以30~60MPa为主，TBM施工适宜性等级为基本适宜—适宜性差；Ⅴ类围岩为断层带占隧洞总长度3%，不适宜TBM施工。总体上看，输水隧洞除了少量的Ⅴ类围岩洞段外，其他围岩均可采用TBM施工。

2.5.3.2 TBM选型

目前常用的岩石全断面TBM主要有开敞式、双护盾式和单护盾式3种类种类型。开敞式主要适用于围岩稳定性好的Ⅱ类、Ⅲ类围岩，双护盾式对Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅴ类围岩均有较好的适应性，而单护盾式适合稳定性差的Ⅳ类、Ⅴ类围岩。

兰州市水源地建设工程输水隧洞Ⅱ类围岩洞段累计长度14827.0m，占47%；Ⅲ类累计长度9953.7m，占32%；Ⅳ类围岩洞段累计长度5587.1m，占18%；Ⅴ类围岩洞段累计长度899.0m，占3.0%，其中稳定性较好的Ⅱ类、Ⅲ类围岩占总长度约79%，岩石抗压强度15~110MPa，开敞式TBM和双护盾TBM均可采用，但分布有18%的不稳定的Ⅳ类围岩洞段，虽然近年来开敞式TBM通过改进并配备多种支护及超前处理设备具备了通过特殊不良地质段的能力，但开敞式TBM施工时，易发生顶拱围岩坍塌、撑靴支撑力不足、机头下沉、易发生安全事故等问题，导致初期支护量大、掘进速度缓慢。另外，敞开式TBM掘进时仅能进行初期喷锚支护，需要再次进行二次衬砌施工，受本隧洞断面（设计断面4.60m）限制，二次衬砌与掘进开挖不能同步进行，需要增加衬砌施工支洞和施工工期。单护盾TBM在长距离Ⅱ类、Ⅲ类围岩中则不能发挥其优势。而双护盾TBM综合了开敞式TBM与单护盾TBM的优点，在Ⅱ类、Ⅲ类围岩中采用双护盾模式，使用支撑靴提供掘进推力和扭矩，掘进和安装管片同时进行，在软弱围岩中掘进时，使用辅助推进油缸支撑在已安装好的管片上提供推力和扭矩，避免了开敞式TBM支撑力不足的情况，同时管片在尾盾内安装，基本上没有裸露的围岩，人员和设备安全性高。但由于双护盾TBM护盾较长，在极不稳定的Ⅴ类围岩中掘进时，由于围岩坍塌、塑性变形等易发生护盾被卡的卡机事件。本隧洞有899.0m的Ⅴ类围岩洞段，主要分布在花岗岩与泥质砂岩接触带、F3断层、F8断层等处，如果对这些Ⅴ类围岩洞段进行预处理，则可将双护盾TBM的掘进地质风险降到最低。综上所述，本隧洞在对不良地质段进行预处理后采用双护盾TBM施工最为合适。

输水隧洞主洞工程主要地质问题是砂岩中存在的以薄层—厚层砂岩与黏土岩互层，其黏土基质含量较高，胶结程度差，单轴饱和抗压强度一般小于15MPa，抗风化能力弱，遇水易软化、崩解，且具部分膨胀性。对于这类岩性地层无论采用哪种类型的掘进机，其通过能力均较差，施工中需要采取特殊的施工技术处理措施，如在TBM掘进前采用钻爆法开挖，TBM滑行通过等；同时根据隧洞穿越地地质条件（断层，地下水，挤压变形等）对TBM进行特殊设计，以保证双护盾掘进机高效、安全施工。针对输水隧洞的工程地质条件，本工程双护盾TBM应具有以下性能：

（1）刀盘、刀具可以承受较大的推力及脱困扭矩。

（2）在保证掘进行程的前提下，整机的长度应尽量短，减少卡机的概率。

（3）刀盘尽量减少外露宽度，前护盾+支撑护盾+后护盾的外形按无台阶倒锥形设计并具有一定的超挖能力，适应收敛变形。

（4）前护盾设计周边超前注浆预留孔，以便对刀盘前方围岩进行固结处理。

（5）TBM前护盾应有较大的回缩能力，并应具有足够的脱困能力。

（6）主机设计按较高防水的防护等级设计。

（7）在伸缩护盾及尾盾专门设计排水设施，使伸缩护盾及尾盾部位的水可以直接排到后配套之后，以减少伸缩护盾中间的石粉和泥砂的淤积。

（8）在尾盾部位专门设计清渣设备，避免此部位的积渣影响管片的安装。

2.5.4 TBM施工布置及设备参数

输水隧洞采用钻爆法和TBM联合施工。TBM施工隧洞设计开挖洞径为5.46m，衬砌后洞径为4.60m。TBM施工段全长约为27.0km，由两台双护盾TBM施工。

TBM1由5号施工支洞进洞，5号施工支洞全长3544 m，设计纵坡为-2.37%，TBM1为下坡掘进。5号施工支洞前558m采用钻爆法开挖，TBM1在洞外组装，滑行至桩号K0+558处始发掘进。5号施工支洞末端与输水隧洞主洞相交于桩号T5+860后，TBM1开始向主洞下游方向掘进，掘进至T11+221后，滑行通过1496m的钻爆段并安装管片衬砌，在桩号T12+717处再次开始掘进，至T15+300处掘进完成，进行洞内拆解。主洞设计纵坡0.1%，TBM1为主洞段为上坡掘进。TBM1施工段全长12.426km，其中掘进段长10.93km，滑行安装管片段1.496km。

TBM2由输水隧洞末端桩号T30+640处进洞，滑行至桩号T30+440处始发掘进，掘进至T24+880首段贯通，进行钻爆法预处理段滑行并安装管片衬砌；滑行至T23+948处二次始发掘进，至T17+183完成掘进。TBM2施工段全长13.257km，其中掘进段长12.325km，滑行安装管片段0.932km。TBM2主洞段为上坡掘进，纵坡为0.1%。

输水隧洞TBM施工布置示意图如图2.16所示。通过此种施工布置，避免了隧洞穿越洮河、花岗岩与泥质砂岩接触带、F3断层、F8断层等地质风险。

兰州市水源地建设工程输水隧洞采用的是双护盾TBM，为国产首批双护盾TBM，分别由中铁工程装备集团有限公司和中国铁建重工集团有限公司研制，如图2.17所示，设备性能参数见表2.9。

2.5.5 TBM掘进参数及施工情况

2.5.5.1 不同地质条件下TBM掘进参数

在兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM施工中，对不同地质条件下的掘进参数进行统计，见表2.10。可以看出，随着地质条件的变化，掘进参数随之改变，具体体现为，随着围岩类别的降低，所需的推力降低，刀盘贯入度增加，扭矩增加，掘进速度增加。TBM在掘进过程中，掘进参数以秒为单位进行记录，实际显示在屏幕上，并自动保存主操作计算机的硬盘中，可以把这些数据拷贝出来进行分析。

图2.18～图2.20为兰州市水源地建设工程输水隧洞不同类别石英片岩地层典型洞段TBM掘进参数与掘进距离的统计关系。由图可以看出，在掘进过程中，TBM掘进参数中的刀盘推力、刀盘扭矩、场贯入度指数、掘进速度及刀盘贯入度等并不是固定不变的，其每秒的数据均有所差别。对于Ⅱ类围岩，其围岩均质性相对较好、掌子面平整光滑，掘进参数波动较小，随着围岩类别的降低，岩体的均质性逐渐下降，出现软硬不均、节理裂隙随机发育的情况，因此掘进参数波动较为剧烈。掘进参数的剧烈波动意味着TBM设备的机械振动大，容易造成设备的故障率增加或降低设备的使用寿命。因此对于软硬不均的破碎围岩，应降低TBM的推力和刀盘转速，尽量做到慢速平稳掘进，以降低设备的振动。

2.5.5.2 TBM施工情况

兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM1于2016年3月组装调试完毕并始发掘进，截至2017年8月，共掘进8408.0m，平均月进尺490.4m，最高月进尺820.0m。TBM2于2016年3月始发掘进，截至2017年8月，共掘进10266.8m，平均月进尺601.2m，最高月进尺1005.5m，各月进尺统计如图2.21和图2.22所示。两台TBM掘进过程中克服了围岩挤压变形卡机、涌水、滚刀磨损量大、刀盘结泥饼、机头下沉、围岩软硬不均导致轴线偏差等困难，取得了良好的成绩，显示了双护盾TBM适应复杂地质条件的能力。值得一提的是，兰州市水源地建设工程输水隧洞采用的是首批国产双护盾TBM，在掘进过程中设备稳定可靠，具有国际先进水平，对推动国内隧洞工程的大规模建设具有重要的意义。