雙護(hù)盾TBM在杭州第二水源輸水工程的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

余國軍

(杭州錢南原水有限公司， 杭州 311200)

“一帶一路”合作倡議的提出與進(jìn)一步的實(shí)施部署，需要大量長大隧道工程的配套建設(shè)。隧洞全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)是集掘進(jìn)、排碴、襯砌、防災(zāi)等功能為一體的隧洞自動化掘進(jìn)重型成套裝備，與傳統(tǒng)鉆爆法相比，具有“機(jī)械化自動化程度高、掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量高、施工擾動小、綜合經(jīng)濟(jì)社會效益高、安全文明環(huán)保”等顯著優(yōu)勢[1-3]。特別是在長-徑比達(dá)到或超過600～1 000 m的深長隧洞建設(shè)方面，具有顯著優(yōu)勢，已成為國際慣例中占有優(yōu)先地位的施工方法。

隨著隧洞修建水平的不斷提高，我國隧道建設(shè)重點(diǎn)將向地形地質(zhì)更為復(fù)雜的西地區(qū)轉(zhuǎn)移，今后將修建大量的艱險山區(qū)隧道(洞)和跨江越海隧道(洞)。杭州第二水源輸水通道工程江南線建設(shè)范圍自千島湖配水工程閑林取水口下游江南方向輸水隧洞末端開始，以隧洞形式穿越閑林水庫東南側(cè)山體黃梅塢林場，在金家?guī)X附近穿越320國道，一路往東穿過饅頭山、靈龍山和龍山，至花山隧洞，之后以管道形式沿袁富路向東，在雙浦附近穿過富春江，最后穿過浦陽江后至蕭山義橋漁浦，線路全長約26.2公里，估算總投資40億元。隧道沿線巖體條件十分復(fù)雜，圍巖石英含量高，巖體裂隙發(fā)育，完整性差，極易導(dǎo)致刀具磨損破壞，塌方、卡機(jī)、突水突泥等災(zāi)害爆發(fā)風(fēng)險高，甚至造成卡機(jī)事故等。針對上述復(fù)雜巖體條件，隧洞采用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行開挖，這也是雙護(hù)盾TBM在華東地區(qū)的首次應(yīng)用與實(shí)踐。杭州第二水源輸水通道作為浙江省重大民生工程，在奠定了錢塘江南岸區(qū)域的以千島湖、錢塘江互為備用的雙水源供水格局，增強(qiáng)了該區(qū)域的供水保障能力的同時，也面臨著由復(fù)雜巖體地質(zhì)條件所帶來的一系列嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文在歸納三類最常用的TBM機(jī)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合杭州第二水源輸水通道的地質(zhì)特點(diǎn)，對工程所采用的CREC69號雙護(hù)盾TBM的地質(zhì)適用性進(jìn)行分析。特別針對圍巖完整性差、穿越大量斷層帶以及下穿G320國道與杭富地鐵所存在的主要挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的施工對策。

1 三種TBM類型適用性與特點(diǎn)

廣義上，TBM主要分為三種不同的機(jī)型，分別為敞開式、單護(hù)盾與雙護(hù)盾型，分別適用于不同的地質(zhì)條件。其特點(diǎn)及地質(zhì)適用性如下。

1.1 敞開式TBM

敞開式TBM適用于穩(wěn)定行良好的堅(jiān)硬地層，具有較快的掘進(jìn)速度。在遭遇小范圍完整性與穩(wěn)定性較差的圍巖時，敞開式TBM可通過安裝錨桿、立鋼拱架、加鋼筋網(wǎng)/排及注漿噴混等方法加固，以增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性；當(dāng)遭遇軟弱圍巖及斷層破碎帶時，則可用附帶的輔助設(shè)備，主要包括超前鉆機(jī)及灌漿設(shè)備等預(yù)先加固前方圍巖，使之強(qiáng)度達(dá)到自穩(wěn)強(qiáng)度后掘進(jìn)通過[4]。

1.1.1 優(yōu)點(diǎn)

1)完整性及強(qiáng)度較高的圍巖條件下，掘進(jìn)效率高。

2)護(hù)盾較短且可以收縮，在應(yīng)對斷層破碎帶或軟弱收斂地層時，卡盾風(fēng)險較低。

1.1.2 缺點(diǎn)

1)在巖爆高發(fā)區(qū)域掘進(jìn)時，人員與設(shè)備裸露在圍巖下，安全性差。

2)在破碎或軟弱地層掘進(jìn)時，支護(hù)及清渣工作量大，掘進(jìn)效率較低。

1.2 單護(hù)盾TBM

單護(hù)盾TBM以管片襯砌作為初期或永久性支護(hù)，主要用于軟弱圍巖占比較高，尤其是IV、V類圍巖占比較高的地層。由于圍巖過于軟弱破碎，撐靴不足以提供足夠的掘進(jìn)支撐反力，單護(hù)盾TBM通常不配備有撐靴，通過盾體尾部的推進(jìn)油缸在管片上的支撐獲得前進(jìn)推力[5]。

1.2.1 優(yōu)點(diǎn)

1)支護(hù)工作與洞壁沒有任何接觸，可在完全護(hù)盾盾殼內(nèi)完成，安全性較高。

2)無撐靴，適用于IV或V類圍巖。

1.2.2 缺點(diǎn)

1)安裝管片無法與掘進(jìn)過程同步進(jìn)行，停機(jī)率高，施工工序較為復(fù)雜。

2)強(qiáng)度及完整性較高的條件下掘進(jìn)速度較慢。

1.3 雙護(hù)盾TBM

雙護(hù)盾TBM，又稱伸縮護(hù)盾式TBM。雙護(hù)盾TBM系統(tǒng)在縱向上可分為三部分：①帶刀盤的前護(hù)盾；②中間部分的伸縮護(hù)盾；③后接觸護(hù)盾，帶有用于安裝管片的尾盾。把伸縮護(hù)盾、接觸護(hù)盾(支撐盾殼)和盾尾合稱為后護(hù)盾。

相比開敞式TBM，雙護(hù)盾TBM具有全圓的護(hù)盾。與單護(hù)盾TBM相比，雙護(hù)盾TBM在堅(jiān)硬完整的圍巖條件下，可以在安裝管片的過程中開展掘進(jìn)。其按照硬巖掘進(jìn)機(jī)配上一個軟巖盾構(gòu)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，既可用于硬巖，又可用于軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。伸縮護(hù)盾形式是雙護(hù)盾TBM的獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)軟硬巖作業(yè)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。雙護(hù)盾TBM具有兩種掘進(jìn)模式：即雙護(hù)盾掘進(jìn)模式和單護(hù)盾掘進(jìn)模式。雙護(hù)盾掘進(jìn)模式適用于穩(wěn)定性好的地層及圍巖有小規(guī)模剝落而具有較穩(wěn)定性的地層，單護(hù)盾掘進(jìn)模式則適應(yīng)于不穩(wěn)定及不良地質(zhì)地段。

1)雙護(hù)盾掘進(jìn)模式：在山嶺段隧道中，TBM通過II類、III類、有一定自穩(wěn)能力的Ⅳ類圍巖時，采用雙護(hù)盾掘進(jìn)模式，位于后護(hù)盾的撐靴緊撐在洞壁上，為刀盤掘進(jìn)提供反力，在主推進(jìn)油缸的作用下，使TBM向前推進(jìn)。此時TBM作業(yè)循環(huán)為：掘進(jìn)與安裝管片→撐靴收回?fù)Q步→再支撐→再掘進(jìn)與安裝管片，具體見下圖。雙護(hù)盾掘進(jìn)模式適用于穩(wěn)定性較好的硬巖地層施工，在此模式下，掘進(jìn)與安裝管片同時進(jìn)行，施工速度快。

2)單護(hù)盾掘進(jìn)模式：TBM通過Ⅴ類、自穩(wěn)能力較差的Ⅳ類圍巖且撐靴不能提供足夠的掘進(jìn)反力時，采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)。這時，不再使用支撐靴與主推進(jìn)系統(tǒng)，伸縮護(hù)盾處于收縮位置，單護(hù)盾TBM就相當(dāng)于一臺簡單的盾構(gòu)。刀盤的推力由輔助推進(jìn)油缸支撐在管片上提供，TBM掘進(jìn)與管片安裝不能同步。作業(yè)循環(huán)為：掘進(jìn)→輔助油缸回收→安裝管片→再掘進(jìn)。

1.3.1 優(yōu)點(diǎn)

1)工作模式相對靈活。

2)硬巖條件下每個掘進(jìn)行程中的中斷時間短，掘進(jìn)效率高。

3)相比敞開式TBM，更適用于軟弱破碎圍巖。

4)在高地應(yīng)力、巖爆高發(fā)區(qū)域掘進(jìn)時，施工操作均在護(hù)盾盾殼內(nèi)進(jìn)行，安全性高。

1.3.2 缺點(diǎn)

1)護(hù)盾盾體較長，在軟弱收斂性圍巖條件下掘進(jìn)時，有較高的卡機(jī)風(fēng)險。

2) 相比敞開式TBM，護(hù)盾及管片占據(jù)了整個隧道邊墻，不易觀察圍巖條件。

2 工程概況及TBM選型

杭州市第二水源千島湖配水工程從千島湖淳安縣境內(nèi)取水，通過千島湖進(jìn)水口、輸水隧洞、分水口等工程措施，輸送千島湖原水，分配水量至沿線的建德、桐廬、富陽等區(qū)域，實(shí)現(xiàn)水位、水量控制，提高杭州及沿線城鄉(xiāng)供水水質(zhì)和保證率，杭州市區(qū)形成千島湖、錢塘江、東苕溪聯(lián)合供水、互為備用的多水源供水格局，并為實(shí)現(xiàn)分質(zhì)供水打下基礎(chǔ)。進(jìn)水口設(shè)計(jì)流量38.8 m3/s，97%保證率設(shè)計(jì)年配水量為9.78億m3。其中，江南線輸水線路全長約26.13 km，隧洞段位于杭州市西南部，地處浙西中低山丘陵和浙北平原的交接地帶，分山嶺段、平原段和過江段。山嶺段由千島湖配水工程閑林配水井下游江南方向流量測井至花山出口閥門井，線路總長約13.13 km，其中山嶺段隧洞長13.026 km。

2.1 工程地質(zhì)

隧洞沿途穿越的地層繁多復(fù)雜，表部覆蓋層以第四系殘坡積、洪坡積、沖洪積含碎石粉質(zhì)粘土、含泥砂礫卵石為主；下伏基巖以泥盆系及志留系地層為主，巖性以石英砂巖、長石石英中細(xì)粒砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及泥巖等為主。圍巖整體較為軟弱，巖石試驗(yàn)強(qiáng)度30～150 MPa。沿線圍巖完整性較差，III類與IV類圍巖合計(jì)占比90%以上，IV類圍巖占比超過52%。

沿線地貌形態(tài)分為三個亞區(qū)，即中低山丘陵區(qū)、山麓溝谷區(qū)、平原區(qū)。中低山丘陵區(qū)屬西南天目山的余脈，海拔在100～500 m之間，最高峰為與富陽交界處的如意尖(海拔537 m)；平原區(qū)為沖積、沖洪積、沖海積、沖湖積等多種成因形成的堆積平原，區(qū)內(nèi)水網(wǎng)密布，河渠縱橫，地面高程一般為2.0～10.0 m。區(qū)內(nèi)出露基巖地層主要為奧陶系的灰?guī)r、粉砂巖，志留系的砂巖、粉砂巖，泥盆系的砂巖、泥巖，石炭系的結(jié)晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r，二疊系的灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖，侏羅系的熔結(jié)凝灰?guī)r，白堊系的礫巖、砂礫巖，侵入巖體，第四系粘土和砂礫石。

圖1 江南線(山嶺段)總路線圖

2.2 水文地質(zhì)

隧道沿線地下水類型以基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水和第四系松散堆積物孔隙水為主。其中，基巖裂隙水常常沿構(gòu)造帶或構(gòu)造相互結(jié)合的部位形成地下水富水區(qū)，而其他區(qū)域富水性較差。碳酸鹽巖類裂隙溶洞水主要有石炭系和二疊系的中厚層、塊狀灰?guī)r形成含水系統(tǒng)，多分布于隧洞區(qū)域西北部及中部一帶，該區(qū)域巖溶地貌較為發(fā)育，賦水條件較好，地下水相對富集。第四系松散堆積物孔隙水主要賦存于全新統(tǒng)和更新統(tǒng)的沖積、沖洪積、沖海積、沖湖積、坡洪積等多種成因形成的堆積物中，地下水類型以潛水為主，上更新統(tǒng)沖積砂礫石層和全新統(tǒng)沖積粉細(xì)砂層具有一定的承壓性，上更新統(tǒng)沖積砂礫石層富水性較好，全新統(tǒng)沖積砂礫石層和部分地段的粉細(xì)砂層富水性中等，其余土層富水性較差。

2.3 TBM的選型及應(yīng)用

綜合杭州第二水源輸水通道(江南線)山嶺段沿線的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)信息可知，隧道沿線圍巖強(qiáng)度較低，完整性差，IV類圍巖占比高，部分區(qū)域地下水富集，巖溶地貌較為發(fā)育。鑒于雙護(hù)盾式TBM在復(fù)雜地層的長隧道開挖方面的廣泛應(yīng)用，以及對多種巖體地質(zhì)條件良好的適應(yīng)性，結(jié)合杭州第二水源輸水通道(江南線)山嶺段上述工程及水文地質(zhì)情況，該隧洞采用TBM為中鐵工程裝備生產(chǎn)的CREC696號雙護(hù)盾TBM。這也是雙護(hù)盾TBM在華東地區(qū)的首次應(yīng)用。CREC696號雙護(hù)盾TBM的部分基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

圖2 CREC696號TBM

表1 CREC696參數(shù)表

3 雙護(hù)盾TBM施工的挑戰(zhàn)及對策思考

3.1 雙護(hù)盾TBM施工穿越斷層破碎帶的挑戰(zhàn)

杭州第二水源輸水通道隧洞沿線穿越7條斷層帶，如表2所示。其中外何家附近 F2斷裂帶系昌化—普陀?xùn)|西向大斷裂的次級羽狀斷裂，斷層帶寬度約200～300 m，斷層處巖體壓破碎，完整性較差。

表2 隧道沿線斷層統(tǒng)計(jì)表

TBM掘進(jìn)中穿越大的斷層帶時，可能有突涌水、突泥、坍方等不良地質(zhì)，如果刀盤被卡住，一般情況下常會影響TBM的正常掘進(jìn)，這樣即使不會對工期造成大的拖延，但也常常會導(dǎo)致TBM掘進(jìn)速度下降。盡管斷層帶沿隧道長度呈局部分布，若在開挖期間預(yù)報不足，或事先對困難估計(jì)不足或了解不夠，仍可能造成意外事故。

圖3 隧洞穿F2斷裂帶侵入巖體示意圖

對策：針對杭州第二水源輸水通道沿線斷裂帶的挑戰(zhàn)，隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。

在前期地質(zhì)勘察工作的基礎(chǔ)上[6]，采用地震波法結(jié)合激發(fā)極化法的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)[7-8]。激發(fā)極化法技術(shù)對巖體含水情況敏感，作業(yè)時間短，不影響TBM施工?？膳袛嗾谱用媲胺?0 m范圍內(nèi)的富水地層或含水地質(zhì)構(gòu)造。地震波法需利用TBM停機(jī)時間段進(jìn)行探測，同樣不影響TBM施工，可用于掌子面前方60～100 m范圍內(nèi)的巖體地質(zhì)構(gòu)造探測[9-11]。通過激發(fā)極化與地震波法兩種探測方法，結(jié)合前期鉆勘資料，進(jìn)一步查清掌子面前方的斷層破碎帶機(jī)器含水情況，為預(yù)防和規(guī)避隧洞涌水、突泥和塌方等風(fēng)險提供及時可靠的地質(zhì)信息，以便提前采取措施，做好施工準(zhǔn)備，減少因不良地質(zhì)造成的非正常停機(jī)。

3.2 雙護(hù)盾TBM下穿G320國道及杭富地鐵的挑戰(zhàn)

TBM將下穿G320國道，該處覆蓋層厚度一般9～1 m左右，弱風(fēng)化巖體厚度約2.5～5 m，設(shè)計(jì)隧洞底高程28 m左右，預(yù)計(jì)上覆巖體厚約15 m。該段地層為志留系中統(tǒng)康山組，巖性中細(xì)粒砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及粉砂巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，以陡傾角為主，節(jié)理面多充填薄層方解石，局部鐵錳質(zhì)渲染，巖體整體完整性較差，工程地質(zhì)條件一般～較差。

受斷裂構(gòu)造F6影響，斷層帶內(nèi)巖體以碎裂巖、糜棱巖及斷層泥為主，預(yù)計(jì)寬度10～20 m左右，兩側(cè)受其影響，巖體多擠壓破碎，完整性差，TBM施工風(fēng)險較大。

金家?guī)X淺埋段埋深較淺約30.2 m，巖體裂隙發(fā)育，完整性差，且下穿杭富城鐵，最近距離約7 m，對基礎(chǔ)變形敏感。且圍巖巖石中石英含量高，最高可達(dá)95%以上，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，預(yù)計(jì)在隧洞掘進(jìn)中會多次甚至長距離遭遇。上游東塢山銀鉛鋅礦與外何家侵入巖位于同一地質(zhì)構(gòu)造帶，構(gòu)造體水質(zhì)極差，PH值僅為2.88，存在外水入滲可能。此外，杭州第二水源輸水通道的隧洞圍巖中IV類圍巖占比高達(dá)52%，V類圍巖主要分布在斷層破碎帶，突水突泥風(fēng)險較高[9]。

圖4 TBM下穿G320國道示意圖

對策：對于TBM下穿G320國道及杭富地鐵的挑戰(zhàn)，利用TBM配備的超前地質(zhì)鉆機(jī)，通過盾體預(yù)留孔及時對盾體上方圍巖實(shí)施注漿加固，或?qū)τ克课贿M(jìn)行止水注漿，避免造成因圍巖失穩(wěn)導(dǎo)致的地表沉降與大規(guī)模塌方。針對圍巖收斂變形大的區(qū)域，啟動TBM刀盤擴(kuò)挖功能，擴(kuò)挖直徑可增大100 mm，同時可以通過盾體上預(yù)留的減摩孔向盾殼和圍巖之間注入油脂、膨潤土等減摩劑，減小TBM卡機(jī)風(fēng)險。同時實(shí)施地表灌漿加固處理，確保順利通過。此外，加強(qiáng)洞內(nèi)安全監(jiān)測及地表的監(jiān)控量測。如，在護(hù)盾處安裝應(yīng)力應(yīng)變傳感器，降低由圍巖收斂帶來的卡機(jī)風(fēng)險；又如與杭富地鐵節(jié)點(diǎn)處還應(yīng)增加地鐵隧道沉降監(jiān)測工作等。

4 結(jié)語

杭州第二輸水通道工程(江南線)山嶺段隧洞是華東地區(qū)應(yīng)用雙護(hù)盾TBM的隧道工程，該段地質(zhì)條件較為復(fù)雜，盡管前期勘察期間經(jīng)過大量的地質(zhì)調(diào)查，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多變性、不確定性以及勘察手段的局限性，勘察成果難以保證施工需要，因此應(yīng)配合施工期間那些針對性強(qiáng)、手段多樣、準(zhǔn)確度較高的地質(zhì)超前預(yù)報方法。在現(xiàn)場TBM掘進(jìn)施工期間，根據(jù)洞渣尺寸、渣塊形狀、推力大小、掘進(jìn)速度等參數(shù)輔助進(jìn)行地質(zhì)判斷。進(jìn)入不良地質(zhì)洞段前，充分做好設(shè)備保養(yǎng)和材料的儲備工作，盡量避免TBM長時間非正常停機(jī)，造成圍巖變形、坍塌后的卡機(jī)情況發(fā)生。