水利工程TBM隧洞出渣技术方案分析

李帅 广东水电二局股份有限公司

乐滩引水工程TBM 隧洞施工段从北干渠渠首分水闸后明渠开始直到屯武渡槽进口截止，全程总长30.45km，进口位置约2450m明渠，出口明渠长度为3199m，合计为5649m。有五个施工段是隧洞，其中3个是钻爆法施工，2个是TBM隧洞。该工程结合以往类似隧洞的作业过程，采取TBM的作业方式。为了保障TBM推进过程顺利，本文将重点对常用的两种长距离洞内运输进行分析，获取最佳运输方案。

1.TBM出渣运输方案的基本原则要求

为了有效控制运输成本，要对运输车数量进行合理计算。按照设计方案中隧洞断面的出碴要求，TBM运行的后配套能力要有足够的富余储备。库存风管不少于120m，高压水管库存不少于60m，高压电缆长度必须保障240m，轨线和钢枕的库存不少于60m，喷水泥浆保障储备在8.0m3以上。相关材料或者物资的储备情况，直接决定TBM掘进的效率和工作时间。

2.TBM运渣方案中所存在的优势和不足之处

2.1 TBM运渣方案中的优势

在该工程TBM隧洞运渣采用内燃机车、出渣车及液压翻车机等多种设备进行组合操作策略。该方案优点在第二段TBM隧洞掘进期间，弃渣可以在短时间和短距离上取得优势，有效提升掘进效率；另外，在第二段TBM隧洞掘进期间，北泗检测支洞到隧洞出口处2802m钻爆法隧洞作业，能够缓解TBM贯通后的施工负荷。综合TBM掘进速度为1.5h完成2个循环，每循环出渣量约为176.8m3。

2.2 TBM运渣方案中的不足之处

根据现场勘测数据显示，北泗检测支洞坡比i=10%，这一区域的支洞与主洞之间贯穿连接回转半径大约为R=44m，难以满足编组列车爬坡通过的需求。按照过往全断面隧道TBM掘进的数据积累来看，利用内燃机车拖动满载出渣车并顺利通过10%坡道是不可能做到的，计算公式测算为：

粘着牵引力

µ：机车粘着系数0.24；

P：机车粘重 400KN；

Wq/：机车单位起动阻力5 N/KN；

iq：坡道阻力系数 100‰；

计算结果显示，仅用40吨内燃机车编组列车无法完成运输任务，要结合实际，对TBM隧洞策划出渣方案作深入完善。

3.内燃机车出渣优化方案

若沿用原策划方案，在组合运输模式基础上，由六浪隧道出渣路线来替代原本TBM隧洞第二施工段在北泗检测洞的方式。

3.1 投入出渣设备及购置费

运输路程：12100m（第一段掘进长度）+4305m（第二段掘进长度）+2900m（钻爆法长度）+1120m（钻爆法长度）+200m（卸渣平台轨道长度）=20625m。

编组车在完成一次运输的行程时间为4.3h，洞内装卸的过程2.1h，洞外装卸过程1.6h，列车进行一个完整的工作项目正好是8.0h。结合TBM后配套需求情况，认真做好设备采购方案。

3.2 优化方案与原策划方案成本相比

首先，在设备采购成本方面发生较大的增幅，达27.3%。

4820.60万元-3505.20万元

=1315.40万元,

1315.40万元÷4820.60万元

=23.3%

其次，对设备运行成本造成极大的影响。计算周期1个月完成650米的隧洞距离，差不多6个月可以完成整个目标段的建设，那么真实的运行成本超出额为18900×6×30=340.20（万元）。那么整体的，施工成本投入将超出额为1315.4万元+340.2万元=1655.6万元，增加运行成本增加如表1所示。

表1 运行成本增加详情

3.3 优化方案与策划方案施工周期对比

首先，采用优化方案，将会大幅度增加施工的周期，拖期的风险难以管控。因为优化方案所采取的替代路线会让运输长度拉长13km。在各个掘进、运输渣料的转换效率变低，周期变长。所涉及运输设备大幅度增加，后果是列车运行过程中增加更多的管理难度，所有机械设备需更多维修保养工作，设备故障率也会随着负荷变大明显上升，因设备车辆之间属于协同的工作关系，某一环节故障将导致整个运渣系统瘫痪，TBM隧洞掘进的施工周期难以控制。预估采取优化方案TBM隧道打通的周期比策划周期长30天以上。

另外，采取TBM二次衬砌的施工周期将会大幅度拖期。在原策划方案中TBM第二施工段二次衬砌和掘进施工是可以同步完成的。如果采用优化方案，必须要等TBM全部打通之后再开始二次衬砌作业，这样保守估计施工的周期要延长100天左右。加上前面的隧道打通周期延误，那么总体上的施工周期将会延长130天。

4.采用连续皮带机运渣方案

运渣方案的制定要从勘探试验洞就要做好改进，内燃机车运输的方式效率不高，周期偏长。在掘进距离持续增加情况下，运渣效率低反过来影响TBM掘进，那么，使用连续皮带机运输就可以处理得妥当。

4.1 皮带输送机出渣方案及设备配置

皮带输送出渣的方式，具有很好的连贯性，运输过程不受距离限制，中间可以连续作业，对于提升TBM的利用率有很大保障，工作效率高。并且施工过程中不需要复杂的管理协调，故障率不高。

采取皮带机运输方式，要对洞口的尺寸加大。另外，按TBM第一段掘进里程为13km配置皮带输送系统，重车进洞平均时速10km/h，轻车出洞平均时速12 km/h，洞内卸车30 min，洞外装车及调度时间以30 min 作为考虑单位，则每个车队的运行循环时间为203 min=(13/10×60+13/12×60+60)min。采用三个车队可以满足TBM连续掘进施工，投入设备及购置清单见表2。

表2 投入设备及购置费详情

4.2 与原策划方案、方案一成本对比

相比于原策划方案，采取皮带运输的方式设备购置费用会上升2504.8万元，上升的幅度较大，达到71.5%；相比于优化方案一的5160.8万元，本方案成本增加了849.2万元。

4.3 与招标方案、方案一施工周期对比

采用连续皮带机运输的方式运渣，出渣和进料运输有效错开，TBM在掘进过程中可以连续不断地作业，不受出渣影响，可统筹安排实施TBM维护保养、维修、支护等方面工作。连续胶带机出现意外停机、托辊损坏频率以及影响程度极小。

采用连续皮带机出渣平均每个月施工进度可达700～900m/月，而采用内燃机车出渣平均每个月施工进度只有500～700m/月，连续皮带机出渣隧洞贯通至少比方案一可提前3个月，总工期提前6个月。方案一、方案二在施工周期上差异明显；优化的方案一在施工周期上最长，达到26个月以上，总体的施工周期会拉长130天以上；而采用方案三皮带运输机的方式，能够将整个施工周期大幅度缩短，在原策划方案基础上提前2个月完成施工。

经过运渣施工方案在技术水平、经济性、施工周期等方面分析，虽然采取连续皮带运输机的运渣方式会使成本投入大幅度上升，但运输稳定性和周期缩短方面有巨大优势，对该项目有良好促进作用。故采取皮带运输机是较好选择。

5.结束语

通过以上的数据对比分析，TBM连续皮带运输机的出渣方案，对于当前满足TBM掘进施工的配套或储备是最科学有效的。企业要认真结合工程实践项目，结合成本管控和可持续发展目标做好持续改进。