不良地質(zhì)條件采用TBM的施工方法

孫正良

(成都市路橋工程股份有限公司，四川成都610041)

1 TBM優(yōu)勢及典型施工情況

TBM能實(shí)現(xiàn)快速、高效、優(yōu)質(zhì)和安全施工，總工期和綜合效益優(yōu)于鉆爆法，也意味著較低的工程投入。不良地質(zhì)條件往往伴隨大量破碎巖石，使隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，或者巖石過硬，降低掘進(jìn)速度。采取全斷面開挖方法，圍巖狀況不會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行的絕對值，但會(huì)波及到所使用TBM的類型和隧道直徑。

近年來，國內(nèi)TBM法施工遇到了各種不良地質(zhì)條件的制約，面臨著開挖方法在經(jīng)濟(jì)方面的挑戰(zhàn)和施工時(shí)間上的競爭。機(jī)型確定以后，組織管理水平跟不上，就會(huì)遭到來自各方面的壓力和挫折;反之，TBM施工業(yè)績驕人，有很好的示范和推動(dòng)作用。

秦嶺鐵路隧道(1997—1998)總長18.4 km，開挖橫斷面近61 m2，隧道巖性主要為混合片麻巖、混合花崗巖、含綠色礦物混合花崗巖;洞身穿過13條斷層。隧道最大埋深約1 600 m，埋深超過1 000 m地段長約3.8 km。伴隨高地應(yīng)力、巖爆、地?zé)?、斷裂帶涌水、圍巖失穩(wěn)等不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，工程建設(shè)任務(wù)十分艱巨。

由于巖石堅(jiān)硬，單軸抗壓強(qiáng)度最大可達(dá)425 MPa，石英含量很高，采用TBM法相向施工很艱難，刀具更換頻繁、刀盤嚴(yán)重磨損，設(shè)備振動(dòng)劇烈，磨損速率較快，正常掘進(jìn)0.5 h，艱難時(shí)達(dá)到每循環(huán)耗時(shí)5 h，而新奧法打通平導(dǎo)比使用大直徑的TBM方法進(jìn)行開挖花費(fèi)少，更可靠。初期支護(hù)為錨噴，二次支護(hù)為馬蹄型帶仰拱的模筑混凝土復(fù)合襯砌。Ⅱ線平行導(dǎo)坑于1995年1月18日開工，平導(dǎo)單口平均月進(jìn)度為200～250 m，平導(dǎo)比Ⅰ線隧道提前10個(gè)月貫通。

西南線桃花鋪隧道，圍巖特別破碎，小規(guī)模塌方司空見慣，常遇到破碎圍巖卡死刀盤，頂部塌腔高度至8 m，底部積渣量大，頂部支護(hù)工作量驚人，采用了幾乎所有的支護(hù)類型，甚至是超前鉆機(jī)預(yù)前支護(hù)，一個(gè)麥?zhǔn)襄^桿孔眼鉆孔加注漿，耗時(shí)3 h，嚴(yán)重滯后工期，大塌方的一個(gè)月進(jìn)尺僅3 m。即便如此，最高月進(jìn)尺仍達(dá)到551.82 m。錦屏二灘引水隧洞TBM，是目前國內(nèi)最大直徑硬巖掘進(jìn)機(jī)(12.4 m)，巖性適中，但存在埋深大、巖爆傾向嚴(yán)重、涌水多等典型特征，掘進(jìn)時(shí)，由于刀盤直徑大，少許的擾動(dòng)導(dǎo)致底拱部位積渣清理困難，刀牙破損嚴(yán)重，局部軟巖和塌方，常常伴隨8 m高的塌腔，后配支護(hù)、噴錨、掛網(wǎng)、軌道鋪設(shè)等跟隨工序進(jìn)展緩慢，由于出渣量大，石渣輸送環(huán)節(jié)多，皮帶急停造成的工程延誤頻繁，整體掘進(jìn)速度優(yōu)勢沒有很好發(fā)揮。前不久，兩臺(tái)設(shè)備均因工期壓力和巖爆擔(dān)憂停止掘進(jìn)，改由交通洞多斷面鉆爆開挖施工剩余段。

新疆中天山吐庫二線隧道情況與秦嶺類似，巖石硬脆且有破碎，伴隨斷裂帶，支護(hù)作業(yè)增加，刀盤磨損劇烈，每單循環(huán)作業(yè)小時(shí)達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的12 h，由于振動(dòng)，老化設(shè)備磨損劇烈，主軸承隔板、主軸承密封多次損壞，耐磨環(huán)磨損修復(fù)更換。至今累計(jì)掘進(jìn)8 km左右，施工進(jìn)展緩慢，由施工初期月成洞400多m逐漸減退至120 m，至出口仍剩余4 714 km。

2 TBM類型制約

開敞式掘進(jìn)機(jī)適用于中硬巖、單軸抗壓強(qiáng)度10～260 MPa的適中范圍，局部的坍塌、涌水，可以方便地接近，支護(hù)容易，處理難度不大，特別破碎的圍巖掘進(jìn)速度大受影響，跟隨作業(yè)的緩慢會(huì)嚴(yán)重抵消掘進(jìn)的優(yōu)勢。特別堅(jiān)硬的巖石則會(huì)延緩掘進(jìn)速度并加速設(shè)備的損傷和部件的磨損。

雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)適用于圍巖相對完整、收斂趨勢不大、局部破碎的地質(zhì)條件，管片跟隨，一次成洞，掘進(jìn)機(jī)快速掘進(jìn)優(yōu)勢可以得到很好發(fā)揮，山西引黃入晉、山西引大入秦工程驕人業(yè)績得到很好證明，但遇到圍巖收斂特別明顯的地質(zhì)條件，極易卡住刀盤進(jìn)退不得，嚴(yán)重滯后工期。引大濟(jì)煌、引紅濟(jì)石、新疆八一大阪等工程工期嚴(yán)重滯后。

單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)針對掌子面不太穩(wěn)定、局部破碎的圍巖，推進(jìn)油缸頂靠管片端面提供向前推進(jìn)的支反力，操作不慎容易將管片壓潰，整體掘進(jìn)速度不快。

雖然已經(jīng)采用TBM開挖過10 m以上洞徑的隧道，但限定洞徑及TBM的直徑仍是明智之舉。大伙房輸水隧洞采用8.03 m直徑，業(yè)績很好，進(jìn)展神速。錦屏洞徑12.4 m，但支護(hù)工作量大增，進(jìn)展不快，大斷面掘進(jìn)的制約由此可見一斑。洞徑受限的原因源于:隨著洞徑增大，TBM在硬巖掘進(jìn)方面的潛力減弱;機(jī)器自重加大導(dǎo)致步進(jìn)速度非常緩慢而艱難;大尺寸的TBM主要部件受技術(shù)條件的限制，例如:軸承和刀盤;不穩(wěn)定現(xiàn)象的強(qiáng)烈程度也會(huì)隨之增強(qiáng)，撐靴回收后，洞壁圍巖大片坍塌;設(shè)備結(jié)構(gòu)剛性不足導(dǎo)致運(yùn)行振感強(qiáng)烈，油箱振動(dòng)劇烈;大斷面巖性不均，垮塌傾向較大，各向異性，支護(hù)難度增加。

開挖直徑12～12.5 m以內(nèi)，不同巖性條件尚有純熟經(jīng)驗(yàn)可資利用。超過13.5～14 m的開挖直徑，開挖經(jīng)驗(yàn)欠缺。隧道設(shè)計(jì)者應(yīng)該考慮到這些限制條件，減小隧道斷面，甚至考慮與其他隧道開挖平行進(jìn)行。

設(shè)備的價(jià)格導(dǎo)致直接施工的成本比較大。達(dá)不到預(yù)期目的，沒有按時(shí)完成，極大影響施工。選擇良好信譽(yù)、資深的服務(wù)商提供最周到、優(yōu)良的設(shè)備以及技術(shù)服務(wù)很重要。越簡單的設(shè)備可靠性越高。

3 TBM的選型關(guān)注點(diǎn)

鑒于國內(nèi)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，建議更廣泛地使用護(hù)盾式TBM而非敞開式，如果本地化生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)，制造成本及制作周期矛盾必將緩解。隨著開挖直徑的增加，使用和適用范圍也有區(qū)別。使用單護(hù)盾還是雙護(hù)盾，由設(shè)計(jì)情況和TBM的尺寸及面臨的地質(zhì)限定條件決定，而非TBM類型。單雙護(hù)盾TBM的選擇由隧道斷面的設(shè)計(jì)和在隧道整個(gè)施工沿線是否進(jìn)行超前襯砌決定，除了技術(shù)層面，還有其他因素。TBM乃非標(biāo)產(chǎn)品，可通過合理設(shè)計(jì)和使用，規(guī)避不良地質(zhì)狀況所帶來的重大風(fēng)險(xiǎn)。使用復(fù)合式TBM并非克服隧道掘進(jìn)局限性方法;應(yīng)看主流和主要矛盾，設(shè)計(jì)相應(yīng)的TBM。承包商專業(yè)知識的重要性，人才培養(yǎng)至關(guān)重要，應(yīng)給予重點(diǎn)的指導(dǎo)和技術(shù)人員適當(dāng)?shù)年P(guān)注。工期的考慮必須充分估計(jì)到工程投標(biāo)、設(shè)聯(lián)、臨建、選型、設(shè)備制造監(jiān)造各環(huán)節(jié)以及遠(yuǎn)途運(yùn)輸給工期帶來的影響，如果在不良地質(zhì)下開挖，要充分考慮意外及差額;不能將風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)嫁給承包方，此觀點(diǎn)也適用于鉆爆法。TBM采取的設(shè)計(jì)和特殊的制造性能，直徑越大，相應(yīng)跟隨系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率也應(yīng)隨之匹配，現(xiàn)代化主機(jī)與落后的配套匹配，反之亦然;從有資質(zhì)的TBM制造商那里訂購一臺(tái)專門的TBM遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠;制造方必須與承包方密切合作，跟蹤設(shè)備運(yùn)行并監(jiān)控機(jī)器的設(shè)計(jì)制造細(xì)節(jié)，改進(jìn)原有設(shè)計(jì)，TBM性能才能得到最大程度的發(fā)揮。

TBM的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，電驅(qū)動(dòng)、刀盤及刀具布置、連續(xù)皮帶運(yùn)輸已形成趨勢，能量最大程度得到合理利用，刀盤扭矩自適應(yīng)掌子面的變化，出渣快捷高效。每個(gè)隧道工程都有本身的特征并且每個(gè)專家級的承包商都有自己的傳統(tǒng)和觀點(diǎn)，需要在實(shí)踐中有不斷地創(chuàng)新并保持各自特色［1］。

4 TBM地質(zhì)條件的局限性

地質(zhì)條件差是減慢TBM掘進(jìn)速度并阻礙其運(yùn)行的因素。地質(zhì)條件與TBM使用類型、設(shè)計(jì)、特征和最終運(yùn)行失誤有關(guān)。

通常地質(zhì)條件良好，TBM業(yè)績通常也好，引大入秦、引黃入晉、大伙房均提供了很好例證。但特殊情況下，實(shí)際進(jìn)尺率低于預(yù)期或少于TBM制造商所斷言的比比皆是。地質(zhì)，水文條件的不確定，還有使用機(jī)器的不同類型(新的或翻新的)，不同的施組設(shè)計(jì)等都是考慮因素。

了解地質(zhì)概況的各個(gè)方面非常重要。規(guī)劃設(shè)計(jì)階段盡量做好地質(zhì)勘察，關(guān)鍵地段還應(yīng)詳細(xì)勘察。據(jù)此對TBM施工進(jìn)展進(jìn)行預(yù)測，決定選擇最佳施工方法或根據(jù)給定的隧道正確選型號。同時(shí)預(yù)先考慮其它意外因素，掌握施工主動(dòng)。

反之，決策速度快于規(guī)劃，邊設(shè)計(jì)、邊施工、邊修改，導(dǎo)致施工過程出現(xiàn)預(yù)料之外因素不得不設(shè)計(jì)變更。加大施工投入，很被動(dòng)。

對于全斷面機(jī)器開挖，可靠的掘進(jìn)系統(tǒng)，適中的開挖巖石以及掘進(jìn)強(qiáng)度、圍巖的完整性系數(shù)很關(guān)鍵。適當(dāng)?shù)目疾旎ㄙM(fèi)很有必要，花在考察上的錢已經(jīng)在施工成本及時(shí)間上得到了補(bǔ)償。在可能的前提下，TBM的引導(dǎo)洞和主洞都要進(jìn)行充分地超前探測，而不是二者選其一(錦屏1號洞與3號洞相距不過60 m，但開挖過程中發(fā)現(xiàn)還是有明顯差異，一定程度上影響了施工進(jìn)程)。

5 影響掘進(jìn)進(jìn)程的地質(zhì)因素

影響TBM的運(yùn)行相對重要或頻繁出現(xiàn)的不良地質(zhì)情況，應(yīng)加以考慮:可挖性的限制，開挖洞壁不穩(wěn)定性，開挖掌子面的不穩(wěn)定性，斷層及褶皺。由TBM進(jìn)行隧道開挖，出現(xiàn)粘土可能面臨其他的不良地質(zhì)情況，軟弱圍巖會(huì)導(dǎo)致TBM下沉，還有強(qiáng)烈的地表涌水和瓦斯，巖石突爆，巖石和水溫高，喀斯特溶洞等不良地質(zhì)狀況。

5.1 貫入度的限制

TBM貫入度是指最大推力下進(jìn)行巖石開挖，TBM的刀盤每轉(zhuǎn)所能達(dá)到的切深。如果TBM不能切入掌子面到一定深度，或者刀具磨損超過可接受的范圍，即稱巖石不具有可挖性。巖石的可挖性不能絕對地下定義，但也不能改用鉆爆法，可綜合考慮兩種方法的施工成本和時(shí)間。

巖石不可挖的情況下，可以限定每轉(zhuǎn)的貫入度;它也受巖石的耐磨性影響，隧道直徑，成巖厚度，都能限制每轉(zhuǎn)的貫入度。高磨損伴隨著低貫入度，頻繁換刀，增加每立方米巖石開挖的成本，還會(huì)消耗換刀時(shí)間。新疆中天山嚴(yán)酷條件下，12 h掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)，只見刀盤旋轉(zhuǎn)，不見進(jìn)度。TBM的工時(shí)利用率絕對高，實(shí)際進(jìn)尺卻沒有。

隨著隧道直徑的增加，會(huì)產(chǎn)生幾種不利影響:

(1)相等的貫入度，刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)降低，刀具軸承和密封允許最大速度是150 r/min;

(2)隧道掘進(jìn)每米換刀數(shù)量增加，額外花費(fèi)時(shí)間;

(3)安裝在刀盤上的刀具平均磨損增加，必須減少每轉(zhuǎn)的貫入度;

(4)在極端情況下，以上三個(gè)因素的每一個(gè)都會(huì)提高另外一個(gè)因素的發(fā)生幾率，但并不是指大直徑的TBM;

(5)刀盤在2～2.5 mm/r貫入度是可挖性的上限指示信號，貫入度在3～4 mm/r以上，可以充分開挖。TBM的運(yùn)行能力嚴(yán)格地受與機(jī)器性能相關(guān)各種結(jié)構(gòu)的影響;

(6)為保持充分的貫入度，甚至在巖石強(qiáng)度較高的情況下，經(jīng)常把滾刀推到最大強(qiáng)度。在此情況，如果TBM各環(huán)節(jié)未布置好就作業(yè)，機(jī)器就會(huì)出現(xiàn)反常振動(dòng)，在滾刀和支撐結(jié)構(gòu)中就會(huì)產(chǎn)生裂痕，削弱刀盤剛度，因?yàn)樵谒淼乐行蘩砘蚋鼡Q刀具很困難，停機(jī)損失很嚴(yán)重。

5.2 開挖洞壁的不穩(wěn)定性

敞開式TBM，開挖圍巖的不穩(wěn)定性是一個(gè)限定性條件。當(dāng)圍巖不穩(wěn)定時(shí)，刀盤后面安裝拱架、掛網(wǎng)、定位撐靴，甚至是超前支護(hù)很困難。要采用方法克服不穩(wěn)定因素并定位支撐系統(tǒng)。

5.3 使用護(hù)盾式TBM的優(yōu)點(diǎn)

護(hù)盾式TBM既有單護(hù)盾，又有雙護(hù)盾，它并不像敞開式TBM在開挖時(shí)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，超前噴錨和襯砌可以在護(hù)盾的里面和鎧甲保護(hù)下進(jìn)行。通過即時(shí)襯砌，減小不穩(wěn)定性發(fā)生。

中大直徑的隧道(6～12 m)，敞開式和護(hù)盾式TBM的運(yùn)作方式和速度均不同，洞壁不穩(wěn)定的情況下，這種差異大幅增加，護(hù)盾式TBM更有利。

5.4 敞開式TBM有效地抵消開挖洞壁的不穩(wěn)定性

刀盤支撐后立即使用拱架，采用木頭支護(hù)和噴錨結(jié)合的方法穩(wěn)定并改造洞壁。這些支護(hù)行為，在國內(nèi)特別是在機(jī)器精密部件區(qū)域的噴錨，要求很長時(shí)間，容易損壞開挖設(shè)備。

傳統(tǒng)的開挖方法在TBM的前面進(jìn)行頂頭。通過在TBM上面鉆孔和注漿鉆孔或安裝傘形拱架的方法在開挖掌子面前面進(jìn)行預(yù)處理。

此處發(fā)生問題不同于其他局部限定性狀況。開挖洞壁的強(qiáng)烈不穩(wěn)定狀況可能牽涉到隧道的重要部位，特別是如果隧道是大直徑，要求巖石的質(zhì)量要好些。否則，在此情況如把TBM運(yùn)出洞外，就會(huì)嚴(yán)重耽誤工期。

5.5 開挖掌子面的不穩(wěn)定性

開挖掌子面不穩(wěn)定狀態(tài)，容易引起破碎或風(fēng)化巖石大量塌落形成大塌腔，導(dǎo)致過度超挖，不及時(shí)支護(hù)，這種狀況不會(huì)停止。刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，皮帶表面巖渣堆積嚴(yán)重，運(yùn)渣源源不斷導(dǎo)致刀盤前方形成大塌腔，護(hù)盾式TBM在功能上也有局限性。

由于積渣過多，封堵刀盤，如果設(shè)備沒有足夠的動(dòng)力儲(chǔ)備系數(shù)和脫困扭矩，導(dǎo)致刀盤不能旋轉(zhuǎn)，直到刀盤前方積渣清除、足以脫困為止。

由于不穩(wěn)定狀態(tài)引起的超挖，在TBM前面形成凹洞，建議停止掘進(jìn)，在此狀態(tài)可能導(dǎo)致失控之前及時(shí)處理。

為穩(wěn)固刀盤前方巖石，采取超前鉆桿中空注漿辦法，對于巖石具備微小裂隙情況收效較好，但細(xì)碎巖塊，則由于漿液不能及時(shí)灌注空隙，嚴(yán)重的回灌將刀盤前方刀具固結(jié)成一體，導(dǎo)致額外清理臺(tái)班。

掘進(jìn)時(shí)盡可能使護(hù)盾本身貼近掌子面，以支持開挖。但不宜過分撐緊洞壁，以免摩擦力無謂的消耗，削弱刀盤推力的貢獻(xiàn)，保持護(hù)盾與洞壁之間若即若離狀態(tài)。為使刀盤達(dá)到高效生產(chǎn)能力，根據(jù)皮帶巖渣堆積狀況，隨機(jī)調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速。

為快速填補(bǔ)塌腔，用樹脂和泡沫灌漿并回填超挖洞，以便生成類似于泡沫磚形式的人工巖體;通過刀盤內(nèi)部封堵鋼板的專用孔進(jìn)行鉆孔和注漿，可以考慮加大輸送泵泵送能力。

超前采用新奧法施作不良地段隧道，掘進(jìn)機(jī)步進(jìn)通過并前行到新掌子面，繼續(xù)掘進(jìn)，這比一味艱難掘進(jìn)，效果和工期上掌握主動(dòng)。

護(hù)盾內(nèi)預(yù)留孔處通過鉆孔注漿形成保護(hù)傘，還沒被證明有助于克服此種預(yù)期狀況。因?yàn)樽o(hù)盾內(nèi)安排的孔間距很大，并偏離掌子面，不可能進(jìn)行充分有效的圍巖處理。常常是超前注漿、掘進(jìn)過后懸掛著裸身的錨桿，砂漿蕩然無存，超前錨桿加固效果不佳。

遇到破碎地帶，盡量加快超前支護(hù)的速度，通過組織協(xié)調(diào)，加大投入，優(yōu)化支護(hù)工藝，在保證人員安全前提下，采取激勵(lì)政策，充分發(fā)揮戰(zhàn)場陣地爭奪氣勢，搶字為先，盡快封堵。聽之任之和消極怠工則會(huì)延誤支護(hù)最佳時(shí)機(jī)，導(dǎo)致更長時(shí)間、更大規(guī)模的坍塌，工期損失不可預(yù)料。

5.6 斷層帶

TBM刀盤被破碎圍巖包圍，TBM進(jìn)行施工的隧道內(nèi)斷層帶交叉就意味著大事故并經(jīng)常伴隨有掘進(jìn)速度的降低，會(huì)產(chǎn)生極大的困難。

開挖前采用超前探測方法，物探勘測方法預(yù)測的概率尚不高，倒不如利用鉆機(jī)從掘進(jìn)機(jī)主梁內(nèi)部穿越刀盤打超前鉆，偵測前方不太遠(yuǎn)區(qū)域，情況相對明了更為有效。

在判斷兩種斷層有可能交叉的情況下，頻繁遇到某種斷層會(huì)引起大事故:操作手不能正確判定是否斷層，往往通過停止機(jī)器和不斷旋轉(zhuǎn)刀盤的方法導(dǎo)致斷層使“TBM上方形成大塌腔”。但要防止注漿不徹底，TBM不愿后撤傾向，同時(shí)進(jìn)入刀盤觀察注漿質(zhì)量。

5.7 擠壓性圍巖狀況

只要掌子面的短距離內(nèi)產(chǎn)生大量擠壓狀況，不到1 d TBM就會(huì)面臨困難，表現(xiàn)為刀盤被卡。引紅濟(jì)石、引大濟(jì)煌、新疆八一大阪以及云南那幫等工地或多或少出現(xiàn)類似問題。刀盤區(qū)域的處理相當(dāng)困難，嚴(yán)重耽誤開挖進(jìn)度，甚至于隧道竣工后，還出現(xiàn)與地表突起或支護(hù)失敗相關(guān)的中長期擠壓［2］。

解決辦法是適當(dāng)超挖，增加TBM的刀盤直徑(擴(kuò)大切割范圍)，調(diào)節(jié)護(hù)盾和開挖巖體之間的間隙，通常間隙只為6～8 cm到14～20 cm。刀盤與護(hù)盾直徑呈現(xiàn)倒錐形，前大尾小，有利于收斂時(shí)巖石應(yīng)力的釋放。拱架支護(hù)、掛網(wǎng)和噴錨工序必須嚴(yán)格到位，保證密貼洞壁，不得留出空隙，以免載荷疊加加劇洞壁的不穩(wěn)定性和地表扭曲變形、擠壓趨勢。

在此情況下，保持TBM在各種狀況下持續(xù)掘進(jìn)，也是防止刀盤被卡的有效辦法。避免TBM的長時(shí)間停機(jī)，間隔4 h轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。否則TBM受阻的風(fēng)險(xiǎn)很高。

上述問題在國內(nèi)各TBM隧道工程程度不同均出現(xiàn)過，對癥施用將有所裨益。

［1］水利部科技推廣中心.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［2］王在仁.敞開式全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)開挖軟弱破碎圍巖的施工方法［J］.鐵道建筑技術(shù)，2004(6):25-29.