TBM施工風(fēng)險(xiǎn)與裝備設(shè)計(jì)（上）

陳 饋，馮歡歡

CHEN Kui,FENG Huan-huan

(中鐵隧道集團(tuán) 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

地殼經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，在強(qiáng)烈的構(gòu)造應(yīng)力和外應(yīng)力的作用下，形成了一個(gè)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，大埋深、破碎帶密集、軟硬巖兼具、地應(yīng)力高、突涌水、高巖溫等則是TBM 穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境所經(jīng)常遇到的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)[1～4]。開(kāi)敞式TBM施工硬巖時(shí)效果較好，具有較快的施工進(jìn)度，但在軟弱圍巖中施工效果較差，易造成撐靴破壞支護(hù)成果，從而引起二次坍塌，這是開(kāi)敞式TBM在軟弱圍巖地層中最難解決的問(wèn)題。雙護(hù)盾TBM遇到地應(yīng)力變化大、破碎、塊狀圍巖時(shí)如不能及時(shí)迅速通過(guò)，刀盤(pán)和護(hù)盾有被卡住的危險(xiǎn)；一旦出現(xiàn)卡機(jī)，則處理起來(lái)非常困難，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。在高壓涌水時(shí)易造成管片斷裂，從而引發(fā)人員及設(shè)備安全事故[5～10]。無(wú)論是開(kāi)敞式TBM，還是雙護(hù)盾TBM 在施工軟弱圍巖的過(guò)程中都會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，然而，目前關(guān)于TBM施工風(fēng)險(xiǎn)的分析與研究相對(duì)較少，尋求誘發(fā)TBM施工風(fēng)險(xiǎn)的因素，并采取適當(dāng)措施去避免，這便是本文的主要研究?jī)?nèi)容。

1 TBM施工風(fēng)險(xiǎn)起因

TBM 作為常用的隧道施工專(zhuān)用設(shè)備，能夠?yàn)榈叵驴臻g的開(kāi)發(fā)與利用，提供先進(jìn)的技術(shù)與裝備支持，但其面對(duì)眾多潛在的風(fēng)險(xiǎn)，如果處理不當(dāng)，則也會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的甚至災(zāi)難性的后果。開(kāi)敞式TBM 存在的常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)有：易坍塌、立拱及回填量大、撐靴及拱架失效、易造成設(shè)備及人員傷害（圖1）。雙護(hù)盾TBM 存在的常見(jiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)有卡刀盤(pán)、卡前盾、卡支撐盾、卡尾盾、管片漏水或斷裂等。

圖1 TBM常見(jiàn)施工風(fēng)險(xiǎn)

引發(fā)TBM 施工風(fēng)險(xiǎn)的因素主要有：地質(zhì)的復(fù)雜性、TBM 的不適應(yīng)性、人認(rèn)知的局限性、責(zé)任性、方案和措施的不合理性等，可歸納為“地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、人為風(fēng)險(xiǎn)”，其所占比例分別約為40%、30%、30%。

1.1 地質(zhì)水文條件

詳細(xì)、可靠的地質(zhì)水文資料是TBM 工程項(xiàng)目成功的基本條件，它對(duì)項(xiàng)目采用TBM 施工的可行性、TBM 的選型、TBM 主要參數(shù)設(shè)計(jì)、輔助施工設(shè)備的選擇和應(yīng)急預(yù)案的制訂等方面都有著重要影響，直接決定了工程的成敗。

1.1.1 影響TBM施工的地質(zhì)因素

1）巖石的堅(jiān)硬程度 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越低，TBM 掘進(jìn)速度越高，掘進(jìn)越快；巖石的單軸抗壓強(qiáng)度越高，掘進(jìn)速度越低，掘進(jìn)越慢。但是，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度太低，掘進(jìn)后圍巖的自穩(wěn)時(shí)間極短甚至不能自穩(wěn)。只有當(dāng)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度值在一定范圍內(nèi)時(shí)，TBM 掘進(jìn)才既能夠保持一定的速度，又能使隧道圍巖在一定時(shí)間內(nèi)保持自穩(wěn)，這就是當(dāng)前大多數(shù)TBM 適用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度值在30～150MPa 之間的中等堅(jiān)硬巖石和堅(jiān)硬巖石的主要原因。

2）巖石結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度 一般情況下，當(dāng)巖石為節(jié)理較發(fā)育和發(fā)育時(shí)，TBM 掘進(jìn)效率較高；因?yàn)楣?jié)理不發(fā)育，巖體完整，破巖困難；節(jié)理很發(fā)育，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，支護(hù)工作量增大，同時(shí)巖體給撐靴提供的反力低，造成掘進(jìn)推力不足，因而也不利于掘進(jìn)效率的提高。巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越小，完整性系數(shù)越小，掘進(jìn)速度有增高的趨勢(shì)。但當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育，結(jié)構(gòu)面密度極大，也即結(jié)構(gòu)面間距極小，巖體完整性系數(shù)很小時(shí)，巖體已呈碎裂狀或松散狀，巖體強(qiáng)度極低，作為隧道工程巖體已不具自穩(wěn)能力，在此類(lèi)圍巖中進(jìn)行掘進(jìn)施工，其掘進(jìn)速度非但不會(huì)提高，反會(huì)因?qū)Σ环€(wěn)定圍巖進(jìn)行的大量加固處理而大大降低。

3）巖石的耐磨性 巖石的耐磨性對(duì)刀具的磨損起著決定作用。巖石堅(jiān)硬度和耐磨性越高，刀具、刀盤(pán)的磨損就越大。換刀量和換刀時(shí)間的增大，勢(shì)必影響到TBM 應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益和掘進(jìn)效率。刀具、刀圈及軸承的磨損或損壞，對(duì)TBM使用成本起很大的影響。巖石的硬度、巖石中礦物顆粒特別是高硬度礦物顆粒如石英等的大小及其含量的高低，決定了巖石的耐磨性指標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，巖石的硬度越高，對(duì)刀盤(pán)刀具等的磨損越大、掘進(jìn)效率也越低。

4）巖體主要結(jié)構(gòu)面 當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面的走向與隧道軸線(xiàn)間夾角小于45°，且結(jié)構(gòu)面傾角較緩（≤30°），隧道邊墻拱腳以上部分及拱部圍巖因結(jié)構(gòu)面與隧道開(kāi)挖臨空面的不利組合而出現(xiàn)不穩(wěn)楔塊，常發(fā)生掉塊和坍塌，影響TBM 工作，降低TBM 工作效率，甚至危及TBM 安全。

5）圍巖的初始地應(yīng)力狀態(tài) 當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)下，且圍巖為堅(jiān)硬、脆性、較完整或完整巖體時(shí)，極有可能發(fā)生巖爆災(zāi)害，災(zāi)害嚴(yán)重時(shí)，將危及TBM 及施工人員的安全；若圍巖為軟巖，則圍巖將產(chǎn)生較大的變形。二者均將給TBM 的掘進(jìn)施工帶來(lái)極大的困難。

6）巖體的含水出水狀態(tài) 巖體的含水出水狀態(tài)對(duì)TBM 工作效率的影響視含水量和出水量的大小及含、出水圍巖的范圍，同時(shí)還要視含、出水圍巖是硬質(zhì)巖還是軟質(zhì)巖。一般地說(shuō)，富含水和涌漏水地段，圍巖的強(qiáng)度會(huì)有不同程度的降低，特別是軟質(zhì)巖的強(qiáng)度降低要大得多，致使圍巖的穩(wěn)定性降低，影響TBM 工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，不僅會(huì)惡化TBM 工作環(huán)境，降低TBM 工作效率，同時(shí)還可能會(huì)造成人員及設(shè)備傷害事故。

1.1.2 TBM施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

TBM 施工的主要地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)可分為4 類(lèi)：①大埋深高地應(yīng)力條件下巖爆、坍塌及圍巖大變形風(fēng)險(xiǎn)；②破碎帶、軟弱圍巖條件下坍塌風(fēng)險(xiǎn)；③掌子面或周邊圍巖的滲漏水、涌水風(fēng)險(xiǎn)；④瓦斯?jié)B漏風(fēng)險(xiǎn)。因地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)而引發(fā)的工程事故如圖2 所示。

圖2 TBM施工遇到的常見(jiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

1.2 TBM裝備

1.2.1 TBM裝備風(fēng)險(xiǎn)

TBM 裝備的選型和設(shè)計(jì)，不僅決定了TBM在施工過(guò)程中能否正常發(fā)揮施工功能，而且也直接影響了施工風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)率。與TBM 裝備風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的因素主要有：①TBM 選型，開(kāi)敞式還是護(hù)盾式；②刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)形式；③刀具配置與刀型；④刀間距設(shè)計(jì)；⑤地層處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)；⑥支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。裝備設(shè)計(jì)不合理則可能誘發(fā)一些工程風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，如主軸承或密封損壞、刀盤(pán)損壞（開(kāi)裂、磨損）、刀具非正常磨損等，如圖3。

圖3 TBM主軸承、刀具損壞事故

1.2.2 裝備性能要求

技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的TBM 裝備和經(jīng)驗(yàn)豐富、服務(wù)專(zhuān)業(yè)的TBM 制造商是TBM 施工項(xiàng)目成功的關(guān)鍵因素。隧道工程風(fēng)險(xiǎn)不僅需要豐富經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對(duì)，還需要先進(jìn)技術(shù)支持和可靠備件供應(yīng)；TBM 裝備技術(shù)先進(jìn)，才能確保施工更安全、效率更高、可靠性更好；產(chǎn)品質(zhì)量可靠也是保證工期的關(guān)鍵因素之一。

1.3 TBM施工隊(duì)伍

1.3.1 人為風(fēng)險(xiǎn)因素

TBM 施工經(jīng)驗(yàn)豐富、管理科學(xué)、專(zhuān)業(yè)高效的施工隊(duì)伍是TBM 施工項(xiàng)目成功的根本因素。由于施工人員認(rèn)知的局限性、施工組織及管理責(zé)任心不足、施工方案和措施不合理等原因，直接增加了TBM 的施工風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.2 施工隊(duì)伍素質(zhì)需求

為了規(guī)避TBM 施工過(guò)程中因人為因素造成的施工風(fēng)險(xiǎn)，要求TBM 施工隊(duì)伍素質(zhì)高、能力強(qiáng)：①經(jīng)驗(yàn)豐富，地下工程的風(fēng)險(xiǎn)需要豐富的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)對(duì)；②管理科學(xué)，TBM 施工項(xiàng)目工期緊，科學(xué)的管理才能充分發(fā)揮TBM 的效能，節(jié)約成本、創(chuàng)造效益；③專(zhuān)業(yè)高效，TBM 施工工序安排緊湊，一環(huán)扣一環(huán)，高效先進(jìn)的TBM 裝備需要高效的專(zhuān)業(yè)作業(yè)人員，是保證工期的關(guān)鍵因素之一。

2 臺(tái)灣雪山隧道TBM施工風(fēng)險(xiǎn)案例分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

雪山隧道（圖4），原名坪林隧道，全長(zhǎng)12.9km，是臺(tái)灣第一、亞洲第二、世界第五長(zhǎng)公路隧道。1991年7月開(kāi)工，2006年6月16日通車(chē)；歷時(shí)15年竣工，比預(yù)計(jì)的1998年通車(chē)晚了8年。雪山隧道由東行線(xiàn)和西行線(xiàn)2 個(gè)主隧道和1 條“導(dǎo)坑”隧道組成，中間有3 對(duì)通風(fēng)豎井，2 條主隧道之間，有28 座人行聯(lián)絡(luò)隧道和8 座車(chē)行聯(lián)絡(luò)隧道。

圖4 雪山隧道示意圖

2 條主洞采用直徑11.74m 雙護(hù)盾TBM 施工，1 條與主隧道平行、相對(duì)主隧道中間下方的平行導(dǎo)洞采用直徑4.8m 雙護(hù)盾TBM 施工。3臺(tái)TBM 均由頭城往坪林方向(1.255%上坡)施工。

主洞（東線(xiàn)）于1993年7月23日開(kāi)工，先在洞口以鉆爆法開(kāi)挖732m，1996年5月采用TBM 施工，東線(xiàn)TBM 共掘進(jìn)3925m、處理和故障停機(jī)5 次計(jì)374 天。

主洞(西線(xiàn))于1993年7月23日開(kāi)工，先在洞口以鉆爆法開(kāi)挖881m，1996年8月采用TBM施工，西線(xiàn)TBM 施工期間共掘進(jìn)456m。處理和故障停機(jī)總計(jì)10 次計(jì)961 天。TBM 于1997年12月在開(kāi)挖456m 時(shí)，通過(guò)上新斷層帶的剪裂帶交錯(cuò)區(qū)時(shí)，位于隧道截面左上方，未被探測(cè)到的地下蓄水突然爆出，沖毀無(wú)螺栓連接的管片襯砌，此時(shí)TBM刀盤(pán)后方約30m處也出現(xiàn)750L/s、水壓達(dá)18bar 的涌水（圖5），涌水及巖碴造成已安裝的管片斷裂，其上方有約7000m3巖塊等掩埋了TBM 主機(jī)和它后面90m 長(zhǎng)的后配套系統(tǒng)。

圖5 雪山隧道涌水事故

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

隧道南口方向3.6km 范圍斷層，顯示出最壞的巖石構(gòu)造，它被5 個(gè)大型斷層和眾多剪切區(qū)所交叉，并有豐富的地下水。地質(zhì)資料不準(zhǔn)確、裝備設(shè)計(jì)考慮不周、面對(duì)軟弱圍巖工況的應(yīng)對(duì)能力不足等是雪山隧道使用TBM 施工失敗的主要原因。

2.1.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

1）地質(zhì)資料與實(shí)際有較大出入：雪山隧道在沿12.9km 長(zhǎng)的隧道線(xiàn)上，僅施做了69 個(gè)巖芯鉆孔（累計(jì)鉆深2271m），這些鉆孔大部份和其它輔助調(diào)查都是在東線(xiàn)洞口段范圍內(nèi)進(jìn)行，而且只有很少的巖芯鉆孔穿過(guò)了覆蓋層到達(dá)隧道高程（隧道一般埋深小于300m，最大埋深750m）。由于勘察周期短，勘察投入小，因此最終提供的地質(zhì)勘察資料與實(shí)際有較大出入，嚴(yán)重的斷裂和剪切帶以及極大的地下涌水給施工帶來(lái)了災(zāi)難。

2）輔助導(dǎo)坑未起到保駕護(hù)航的功能和作用：雪山隧道設(shè)立導(dǎo)坑隧道的目的不僅僅是為了探測(cè)基巖的結(jié)構(gòu)狀況，也是為了超前排出山體涌水以降低山體地下水位和水壓。此外，也可在必要的時(shí)候由導(dǎo)洞處理兩臺(tái)主洞TBM 前方的巖層。導(dǎo)洞工程完成之后即可作為避難洞和排水洞使用。實(shí)際上由于導(dǎo)洞施工的嚴(yán)重滯后，未通過(guò)導(dǎo)洞進(jìn)行過(guò)地質(zhì)探測(cè)、排水、加固等措施，導(dǎo)洞沒(méi)有起到保駕護(hù)航的作用。

2.1.2 TBM裝備風(fēng)險(xiǎn)

1）設(shè)備設(shè)計(jì)欠考慮地質(zhì)適應(yīng)性。主要表現(xiàn)為：①護(hù)盾長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，增加了盾體被卡的機(jī)率以及護(hù)盾摩擦力，可通過(guò)縮短護(hù)盾長(zhǎng)度、將護(hù)盾設(shè)計(jì)為錐形和增設(shè)擴(kuò)挖機(jī)構(gòu)來(lái)減少護(hù)盾摩擦力；②刀盤(pán)扭矩不足，直接導(dǎo)致刀盤(pán)脫困能力達(dá)不到需求；③未增設(shè)超前鉆孔和注漿系統(tǒng)，當(dāng)遇到軟弱圍巖時(shí)，無(wú)法提前加固圍巖；④無(wú)刀盤(pán)進(jìn)巖量控制系統(tǒng)，造成停機(jī)清碴幾率大大增加。

2）導(dǎo)坑隧道選用雙護(hù)盾TBM是錯(cuò)誤的。主要原因?yàn)椋孩偈褂秒p護(hù)盾TBM 很難探測(cè)到圍巖的巖性；②使用雙護(hù)盾對(duì)圍巖的支護(hù)較為困難，無(wú)法對(duì)正洞軟弱圍巖進(jìn)行處理；③雙護(hù)盾通過(guò)斷層、軟弱破碎地帶時(shí)自身能力不強(qiáng)，掘進(jìn)速度不高，起不到超前的作用；④導(dǎo)坑隧道應(yīng)選開(kāi)敞式TBM。開(kāi)敞式TBM 在觀(guān)測(cè)圍巖、超前探測(cè)、通過(guò)斷層、軟弱破碎帶以及地應(yīng)力較大圍巖、排水、對(duì)主洞的支持、自身掘進(jìn)速度快等方面具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 人為風(fēng)險(xiǎn)

TBM 施工管理隊(duì)伍缺乏應(yīng)對(duì)軟弱圍巖的能力和措施。隧道施工中，遇到各種類(lèi)型的不同地質(zhì)，而可能形成地質(zhì)災(zāi)害的不僅僅只是由地質(zhì)原因造成的，圍巖被開(kāi)挖過(guò)程中，它的初始穩(wěn)定被破壞，包括開(kāi)挖方式、開(kāi)挖進(jìn)度、支護(hù)手段和類(lèi)型都影響著圍巖重新穩(wěn)定過(guò)程。人為擾動(dòng)因素，也是造成TBM 災(zāi)害的原因和主體。

雪山隧道TBM 施工現(xiàn)場(chǎng)的一個(gè)明顯問(wèn)題是缺少經(jīng)驗(yàn)豐富的隧道施工技術(shù)人員。法國(guó)斯卑巴蒂諾爾公司撤走之后，臺(tái)灣工程人員需要獨(dú)自應(yīng)付TBM 施工。受聘的俄羅斯TBM 操作人員習(xí)慣于接受指令，不能發(fā)揮主觀(guān)能動(dòng)性，不能及時(shí)對(duì)工況的變化做出應(yīng)對(duì)措施。

（未完侍續(xù)）