深埋、復(fù)雜地質(zhì)條件大直徑隧道TBM的設(shè)計進展與創(chuàng)新

Remo Grandori

(SELI S.p.A.公司，意大利 羅馬1－00144)

0 引言

在過去的20年里，市場經(jīng)歷了TBM隧道掘進機生產(chǎn)和應(yīng)用數(shù)量及尺寸/直徑的激增，而TBM在種類和新技術(shù)方面沒有多少重大改進。缺乏創(chuàng)新導(dǎo)致TBM在一些重要的隧道工程應(yīng)用中屢次失敗。在未來幾年內(nèi)，全球有一些新的鐵路和公路項目即將投入建設(shè)。這些項目大多包含地質(zhì)條件復(fù)雜、不同埋深的長距離、大直徑隧道，需要采用TBM施工。重大水電站項目，尤其是在印度和中國，也需要開挖長距離、大直徑的隧道。為了有效地開挖這些隧道，隧道界不得不研究新技術(shù)和新型TBM以靈活應(yīng)對不同的地質(zhì)條件，而且還要有不同的操作模式以滿足這些隧道開挖的需求。本文介紹已經(jīng)實施的設(shè)計開發(fā)成果，并提出即將實施的新技術(shù)的設(shè)計指南。

1 現(xiàn)有的TBM類型及其在混合地質(zhì)條件下用于大直徑隧道開挖時的局限性

TBM在混合地質(zhì)條件下開挖大直徑長隧道的基本前提是能夠應(yīng)對不同類型的巖土地層。要滿足這種基本要求，需要更慎重地進行TBM選型研究，同時應(yīng)以開發(fā)新技術(shù)和新性能為重點。目前，現(xiàn)有的TBM類型及其主要運行特點可概括如下。

1.1 撐靴式敞開TBM

該類TBM在堅硬而穩(wěn)定巖石中掘進時可達(dá)到最大工作效率，但當(dāng)圍巖不穩(wěn)時，其工作效率會大大降低。該類TBM對巖石/隧道的穩(wěn)定性要求極高，因而不適合多變地質(zhì)條件下的長隧道開挖，尤其是開挖直徑超過6～7 m的隧道。其原因是:在大直徑隧道中，即使是巖質(zhì)不錯，由于圍巖的不穩(wěn)定，在掘進的沖擊下致使大量巖塊和巖屑墜落，對施工人員的人身安全會造成威脅，且需要花費大量時間和成本來清理這些碎屑;此外，這些近乎系統(tǒng)性的不穩(wěn)定因素需要安裝很有效的臨時支護(如錨桿、噴射混凝土或鋼拱架等)，這也會耽誤TBM的掘進進度。撐靴式敞開TBM在不良圍巖中開挖大直徑隧道已經(jīng)達(dá)到了應(yīng)用極限，由于在刀盤支撐之后立刻需要強大的結(jié)構(gòu)支撐，撐靴的支撐作用引起更大程度的失穩(wěn)，導(dǎo)致?lián)窝ブ卫щy;另外，撐靴式敞開TBM只能安裝NATM(新奧法)初期支護，需要再進行二次襯砌，這都必然會增加成本、延長工期。

表1為近期撐靴式敞開TBM在大直徑隧道開挖中的應(yīng)用實例，可明顯看出其面臨的巨大挑戰(zhàn)。

表1 撐靴式敞開TBM在大直徑隧道中的應(yīng)用實例Table 1 Application of open gripper TBM in the excavation of large diameter tunnels

1.2 雙護盾TBM

在混合巖地層開挖中小直徑、長隧道，雙護盾TBM通常是最佳選擇;因此，世界上開挖直徑不超過8 m的水工隧道大多采用雙護盾TBM。開挖較大直徑的隧道，采用雙護盾TBM的優(yōu)勢就不如單護盾TBM，尤其是在軟巖地層條件下。這是因為在軟巖地層中TBM的掘進速度高(開挖時間短)，單護盾TBM比雙護盾TBM的掘進循環(huán)時間短得多，且由于大直徑隧道經(jīng)常失穩(wěn)可能導(dǎo)致伸縮接頭的有效性降低。為了避免這些問題，提高雙護盾TBM在混合巖地層大直徑隧道中的掘進效率，10 a前引入了雙護盾通用TBM(DSU TBM)。

這種經(jīng)過改進的TBM有如下優(yōu)勢:1)設(shè)計有新型的伸縮接頭，可避免由于不穩(wěn)定地層產(chǎn)生的問題，可在更廣泛的條件下采用雙護盾模式;2)增加了探測、打樁和注漿功能，可對掌子面的巖石進行預(yù)處理;3)設(shè)計了短錐形護盾，具有較高的擴挖能力及極高的盾構(gòu)推力，使其能夠在擠壓地層和深埋條件下進行隧道開挖。

但是，這種雙護盾通用TBM不具備土壓平衡(EPB)或泥水平衡TBM穩(wěn)定掌子面的能力，因此在軟弱地層中無法應(yīng)用。

1.3 單護盾TBM—敞開模式

在混合巖條件下開挖大直徑隧道，可選用該類TBM或雙護盾TBM。采用該類TBM可開挖與管片襯砌交替進行;因此，單護盾TBM的工作效率比雙護盾TBM低，且在硬巖中開挖時更加明顯。

與雙護盾通用TBM相比，單護盾TBM在地質(zhì)適應(yīng)性方面具有以下特點:1)由于無法在氣密壓力模式下運行，因此在軟弱地層中具有同樣的局限性;2)由于單護盾均較長，擴挖裝置有限，對擠壓地層更為敏感;3)在軟弱地層或混合地層條件下可能很難操縱;4)結(jié)構(gòu)簡單，因而較易維修和操作。

1.4 單護盾TBM—雙模式

這種單護盾TBM能夠以敞開和土壓平衡(EPB)2種模式運行:在EPB模式下運行時，開挖倉的淤泥通過螺旋輸送機排出;在敞開模式下運行時，可根據(jù)具體設(shè)計采用螺旋輸送機或帶式輸送機。

從螺旋輸送機轉(zhuǎn)換到帶式輸送機需要相當(dāng)長的時間，且所有相關(guān)操作在刀盤上進行。對于大直徑TBM，可能同時安裝螺旋輸送機和帶式輸送機，從EPB模式轉(zhuǎn)換到敞開模式或反向轉(zhuǎn)換刀盤布置需做很大改變。若采用同時裝配螺旋輸送機和帶式輸送機的大直徑TBM，2種出渣系統(tǒng)的拼裝設(shè)計會造成出渣效率的相互影響，通常會降低TBM在2種模式下的生產(chǎn)能力。若開挖的隧道段大多為軟弱地層或巖石強度和耐磨指數(shù)不是很高，由于螺旋輸送機的特殊設(shè)計可能會有利于雙模式，單獨采用螺旋輸送機是最佳選擇。

雖然具備雙模式運行能力，但這種TBM仍具有地質(zhì)局限性，尤其不適用于深埋混合巖地層。其原因如下:1)由于大量超挖不符合EPB運行要求，因此對擠壓性地層較為敏感;2)為了能夠在EPB模式下工作，開挖面和TBM之間的間隙應(yīng)保持最小，而這樣會使TBM易受擠壓地層的影響;3)EPB模式在軟弱地層中效率較高，但在破碎巖層中，由于泥漿的稠度導(dǎo)致即使采用最新的添加劑也無法形成適合EPB的混合料，因此效率較低;4)在硬巖中，其工作效率比雙護盾TBM低。

2 大直徑隧道工程TBM選型標(biāo)準(zhǔn)

在混合地質(zhì)條件下開挖大直徑、長隧道，TBM應(yīng)具備以下主要特征:1)能夠在不同的地質(zhì)條件下有效掘進;2)能夠安裝預(yù)制襯砌系統(tǒng);3)能夠在擠壓地層或不穩(wěn)定地層中掘進;4)在穿越山嶺時能夠克服局部特殊地質(zhì)條件;5)依據(jù)不同的地質(zhì)構(gòu)造，可能還要求TBM能夠在壓力模式(EPB)下開挖。

綜上所述，由于每座隧道都有其各自的特點，各不相同，因此，并不存在對每座隧道都適用的TBM。

考慮到現(xiàn)有的各種TBM的特點，表2可作為一般性指南，用于針對具體大直徑隧道的TBM選型。

表2 TBM選型指南Table 2 Guideline of selection of TBM types

從表2可以看出:1)若地質(zhì)預(yù)報顯示沒有松散地層，則選用雙護盾通用或單護盾TBM最合適，再根據(jù)巖石的可掘進性從兩者中選擇(若巖石較硬，則優(yōu)先選用雙護盾通用TBM，反之，就選單護盾TBM);2)若存在松散或軟弱地層，最好選用雙模式TBM，但在硬巖地段其性能會降低;3)擠壓地層對TBM選型影響不大，但會影響TBM的錐度、擴挖能力和高推力等參數(shù)，這間接表明采用雙模式TBM可能很難滿足該要求;4)隧道中若含有不穩(wěn)定的和塊狀巖石地段，會影響TBM對掌子面前方地層處理能力方面的設(shè)計。

3 隧道掘進機設(shè)計發(fā)展

近年來，為了適應(yīng)在復(fù)雜巖石和混合地層條件下開挖大直徑、長隧道的需求，業(yè)界開始研發(fā)更先進的TBM，意大利SELI公司開發(fā)了3種試點創(chuàng)新項目。

3.1 緊湊型雙護盾通用TBM

該類TBM設(shè)計通常用于在良好圍巖條件下進行隧道開挖，無需進行管片襯砌安裝;允許安裝預(yù)制鋼拱架制成的NATM支護系統(tǒng)，TBM可以撐在上面進行推進操作。由于這種TBM可安裝預(yù)制鋼拱架制成的NATM支護系統(tǒng)，因而在不穩(wěn)定巖石中具備較強的掘進能力，能夠替代撐靴式敞開TBM。

緊湊型雙護盾通用TBM的設(shè)計理念是將整個掘進系統(tǒng)從外部設(shè)備到后配套系統(tǒng)以及TBM本身結(jié)合在一起。這種設(shè)計理念的目的是降低TBM現(xiàn)場的運輸、安裝和運行成本，同時提高其工作效率。緊湊型雙護盾通用TBM示意圖如圖1所示。

圖1 緊湊型雙護盾通用TBMFig.1 DSU compact TBM

3.2 土壓平衡雙護盾通用TBM(DSU EPB TBM)

該類TBM設(shè)計主要用于在含有部分軟弱∕松散地層的硬巖中掘進長隧道。其主要運行特點是:1)既能在雙護盾敞開模式下運行，也能在EPB模式下運行;2)適用于擠壓性地層(短錐形盾構(gòu)設(shè)計、擴挖設(shè)備和高盾構(gòu)推力);3)當(dāng)穿過斷裂破碎帶EPB模式無效，具有超前處理地層的功能。

印度北阿坎德邦(Pipalkoti)土壓平衡雙護盾通用TBM示意圖見圖2。埃塞俄比亞Beles引水隧道雙護盾通用TBM示意圖見圖3。

在該類TBM的最初設(shè)計中，當(dāng)TBM從敞開模式轉(zhuǎn)換到EPB模式時，需要大量停機時間來改變其配置;而在第2代設(shè)計中允許TBM在不改變其配置的情況下從敞開模式轉(zhuǎn)換到EPB模式，從而節(jié)省時間。

3.3 土壓平衡單護盾通用TBM(SSU EPB TBM)

該類TBM設(shè)計用于軟巖段和軟弱/松散地層段交替情況下的隧道掘進。其主要運行特點有:1)既能在敞開模式下運行，也能在EPB模式下運行;2)工作效率高(功率大、推力高、管片拼裝速度極快、管片環(huán)很長);3)適用于擠壓性地層(短錐形盾構(gòu)設(shè)計、擴挖設(shè)備和高盾構(gòu)推力);4)當(dāng)穿過斷裂破碎帶EPB模式無效時，有處理掌子面前方地層的能力。

該設(shè)計允許TBM在不改變其配置的情況下從敞開模式轉(zhuǎn)換到EPB模式，從而節(jié)省時間。土壓平衡單護盾通用TBM實際上是單護盾雙模式TBM的升級，在硬巖及不穩(wěn)定巖層和擠壓性地層掘進中具有極高的工作效率和處理能力。對于中硬巖或軟巖地層，可在該類TBM與土壓平衡雙護盾通用TBM之間選用。

4 采用新型TBM穿越不良地層

上述新型TBM，尤其是土壓平衡雙護盾通用TBM(DSU EPB TBM)和單護盾通用TBM(SSU TBM)，可用于開挖不穩(wěn)定巖層、軟弱地層、巖爆和擠壓地層地段。

采用EPB模式和(或)斷層預(yù)處理技術(shù)，均可穿過斷層，具體情況取決于地層性質(zhì)(穩(wěn)定性)。

此外，上述設(shè)計的新型TBM還可較好地處理大量涌水和氣體涌入情況。

采用這些新型TBM能夠克服傳統(tǒng)TBM由于不良地質(zhì)情況導(dǎo)致的長時間停機的問題，很大程度地降低在復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM開挖的風(fēng)險。

5 結(jié)論

傳統(tǒng)TBM沒有專門針對復(fù)雜地質(zhì)條件下的大直徑隧道的研究與設(shè)計。為滿足市場需求，必須開發(fā)新型TBM。意大利SELI公司開發(fā)的3種新型TBM，每種專門針對特定的地質(zhì)條件，這些新型的TBM能夠應(yīng)對復(fù)雜的地質(zhì)條件，并能克服在不同覆蓋層下開挖長隧道時的最常見危險。