雙護(hù)盾TBM在深埋長大水工隧洞的應(yīng)用可行性研究

李心睿，孫博，何坤

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概況

西藏某水電站引水隧洞全長約30km，隧洞開挖直徑約9m，隧洞垂直埋深普遍較大，最大埋深約1600m，工程區(qū)海拔近3000m。引水隧洞沿線山體雄厚，山勢陡峻，引水隧洞圍巖以片麻巖及混合片麻巖為主，總體為堅(jiān)硬巖，裂隙較發(fā)育，以片麻理及長大裂隙為主。該引水隧洞作為高原地區(qū)深埋長大隧洞，主要工程地質(zhì)問題具有復(fù)雜性和特殊性，經(jīng)初步分析隧洞主要存在圍巖穩(wěn)定、高地應(yīng)力、高壓突涌水問題等工程地質(zhì)問題。

2 基于圍巖類別（RMR）的TBM選型方法

TBM性能的發(fā)揮在很大程度上依賴于工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，如巖體裂隙等級(jí)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度和斷裂韌性將決定TBM掘進(jìn)速率和工程成本；隧洞埋深、圍巖等級(jí)、涌水大小等涉及掘進(jìn)后的支護(hù)方案[1]。

根據(jù)國內(nèi)外大量深埋長大隧洞工程TBM法施工研究成果，目前通常采用RMR方法進(jìn)行機(jī)型選擇。具體方法如圖1所示：以敞開式TBM為基準(zhǔn)，假設(shè)其最高適應(yīng)權(quán)值為100%，不同RMR分值下敞開式TBM和雙護(hù)盾TBM適用權(quán)值見圖中藍(lán)色與紅色曲線。

圖1 基于RMR的TBM選型圖

某水工隧洞圍巖類別按RMR方法進(jìn)行劃分，兩種TBM的性能權(quán)值見表1。由表可知，該隧洞選用雙護(hù)盾TBM比敞開式TBM在效率上要高32.84%，所以選擇雙護(hù)盾TBM是合適的。

基于RMR的TBM選型分析 表1

3 雙護(hù)盾TBM主要改進(jìn)措施

與傳統(tǒng)雙護(hù)盾TBM相比，對于深埋長大水工隧洞施工，需要TBM進(jìn)行如下改進(jìn)：

①在雙護(hù)盾TBM基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)在大變形區(qū)段能敞開式作業(yè)即增加噴混凝土臺(tái)車，及時(shí)封閉圍巖；

②在雙護(hù)盾TBM尾護(hù)盾的尾部增加鋼拱架安裝、錨桿功能設(shè)備，以適應(yīng)大變形地層；

③超前鉆機(jī)系統(tǒng)分別配置在伸縮盾、盾尾等多個(gè)位置，要求能滿足超前注漿加固要求，減少圍巖變形量；

④預(yù)留快速處理卡機(jī)通道、平臺(tái)及出渣通道設(shè)計(jì)，保證卡機(jī)快速處理；

⑤超前地質(zhì)探測功能要完善，能滿足日常作業(yè)要求，噪聲小、效率高；

⑥盾體外側(cè)潤滑系統(tǒng)，降低圍巖收斂的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

4 雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)條件施工應(yīng)對措施

針對深埋隧洞常見的巖爆、大變形、斷層破碎帶及突泥突水地段，雙護(hù)盾TBM具有較強(qiáng)適應(yīng)性，下面逐一分析各種類型不良地質(zhì)洞段應(yīng)對措施[4～5]。

4.1 巖爆地段雙護(hù)盾TBM施工對策

輕微巖爆和中等巖爆對TBM施工影響不大；

強(qiáng)烈?guī)r爆和極強(qiáng)巖爆發(fā)生時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致頂部圍巖坍塌，坍塌圍巖壓住刀盤和護(hù)盾，使護(hù)盾變形，特別是伸縮護(hù)盾和尾護(hù)盾，且TBM通過后可能使管片變形，產(chǎn)生較大的裂紋、錯(cuò)臺(tái)，極端情況下可能使管片失去支護(hù)效果，對施工人員和設(shè)備造成極大的安全隱患。常規(guī)TBM在巖爆發(fā)生前難以進(jìn)行超前預(yù)測和處理，巖爆發(fā)生后往往只能停機(jī)等待，極大影響掘進(jìn)效率。

雙護(hù)盾TBM配置超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、超前鉆機(jī)后，可對高地應(yīng)力區(qū)掌子面前方圍巖進(jìn)行預(yù)測和預(yù)處理，降低巖爆影響。主要手段：

①加強(qiáng)超前地質(zhì)探測，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小。綜合運(yùn)用多種方法（如超前鉆探、聲反射、地溫探測）判斷可能發(fā)生巖爆高地應(yīng)力的范圍；

②改善圍巖應(yīng)力，加強(qiáng)回填灌漿，盡可能減少巖層暴露時(shí)間，減少巖爆的發(fā)生概率。必要時(shí)，打設(shè)超前鉆孔或在超前鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破，在圍巖內(nèi)部造成一個(gè)破壞帶，即形成一個(gè)低彈區(qū)，從而降低掌子面應(yīng)力，使高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。施工時(shí)可在掌子面前方打設(shè)超前鉆孔，部分釋放掌子面應(yīng)力；

③對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進(jìn)圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度；

④加強(qiáng)施工監(jiān)測及時(shí)采取對應(yīng)處理措施

輕微巖爆：對護(hù)盾式TBM施工和管片襯砌結(jié)構(gòu)基本沒有影響，施工過程中主要采取加強(qiáng)刀盤噴水，降低巖石強(qiáng)度，并改裝中型或以上管片，及時(shí)填充豆礫石緩沖巖爆壓力，水泥漿滯后灌注。

中等巖爆：在輕微巖爆處理方式基礎(chǔ)上，打超前鉆孔，并注水釋放圍巖應(yīng)力，同時(shí)采用重型管片襯砌。

強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆：在中等巖爆處理基礎(chǔ)上，安裝鋼制管片，增強(qiáng)管片抵抗巖爆的能力，同時(shí)預(yù)留更多的緩沖空間。

4.2 大變形地段雙護(hù)盾TBM施工對策

軟巖大變形容易導(dǎo)致TBM盾體包裹，推進(jìn)變慢，嚴(yán)重的導(dǎo)致卡機(jī)；各個(gè)方向變形量不均容易導(dǎo)致TBM伸縮護(hù)盾和尾護(hù)盾產(chǎn)生不塑性變形，影響后續(xù)TBM施工；對于裂隙比較發(fā)育的軟巖，常會(huì)發(fā)生圍巖大變形，導(dǎo)致管片變形、破損，甚至完全失去防護(hù)能力。常規(guī)TBM采用小范圍擴(kuò)挖，能夠解決一定程度的變形，但拉月隧道極高應(yīng)力區(qū)面臨變形量大的情況，需要更加強(qiáng)大的擴(kuò)挖能力和強(qiáng)行通過能力，同時(shí)對已開挖洞段的支護(hù)要求更高。

新型雙護(hù)盾面臨軟巖大變形洞段可采取以下手段：

①采用擴(kuò)挖刀加大開挖直徑，并及時(shí)檢查擴(kuò)挖邊刀的磨損情況；

②各種變形級(jí)別情況下的分類應(yīng)對

輕度變形：TBM正常掘進(jìn)，加強(qiáng)圍巖收斂監(jiān)測，快速通過；采用輕型管片襯砌；隔離隧道內(nèi)水流向巖體，嚴(yán)格控制施工用水；正常填豆礫石，水泥漿滯后灌注。

中度變形：加強(qiáng)圍巖收斂監(jiān)測，加擴(kuò)挖刀具進(jìn)行適量擴(kuò)挖、減少停機(jī)時(shí)間，快速通過；更換為中型管片，提高管片應(yīng)對變形的能力；隔離隧道內(nèi)水流向巖體，嚴(yán)格控制施工用水；先進(jìn)行底部、中部豆礫石回填，待圍巖收斂基本完成后進(jìn)行頂部豆礫石填充，水泥漿滯后灌注。

重度變形：加大擴(kuò)挖量，持續(xù)加強(qiáng)圍巖收斂監(jiān)測，除必要的維護(hù)工作外，盡量減少TBM停機(jī)，在圍巖收斂卡機(jī)前盡快通過；更換重型管片，保證在重度變形的圍巖下管片具有足夠的強(qiáng)度；隔離隧道內(nèi)水流向巖體，嚴(yán)格控制施工用水；只進(jìn)行底部填豆礫石，穩(wěn)定管片保證隧道軸線，中部和頂部滯后填充豆礫石，盡可能多的給圍巖收斂預(yù)留空間，水泥漿滯后灌注。

嚴(yán)重變形：使用最大擴(kuò)挖量的擴(kuò)挖刀具，盡可能多地預(yù)留收斂空間，持續(xù)加強(qiáng)圍巖收斂檢測，非必要情況不停機(jī)，盡可能快速通過；采用特制鋼管片，加大收斂空間預(yù)留；隔離隧道內(nèi)水流向巖體，嚴(yán)格控制施工用水；只進(jìn)行底部填豆礫石，穩(wěn)定管片保證隧道軸線，中部和頂部滯后填充豆礫石，盡可能多地給圍巖收斂預(yù)留空間，水泥漿滯后灌注；采用讓壓錨桿進(jìn)行對管片進(jìn)行加固，使管片和圍巖形成聯(lián)合受力，增加穩(wěn)固性。

③一旦發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象，施工人員必須馬上作出處理措施，防止TBM變形受損。如機(jī)頭已被卡死，處理措施：首先采取加大推進(jìn)力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤滑劑，以減少機(jī)身與圍巖間的擦力，看能否解困；如果上述方法不能解困，則需要通過拉開伸縮護(hù)盾開個(gè)窗口，通過此窗口對TBM機(jī)身進(jìn)行擴(kuò)挖；對擴(kuò)挖區(qū)進(jìn)行有效支護(hù)，并對圍巖進(jìn)行監(jiān)測。解困后迅速回填豆礫石，并進(jìn)行固結(jié)灌漿加固，防止圍巖繼續(xù)變形，影響隧道質(zhì)量。

4.3 斷層破碎帶地段雙護(hù)盾TBM施工對策

TBM通過斷層破碎帶時(shí)，局部坍塌的大石塊，可能卡住刀盤或護(hù)盾，使TBM刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)、TBM無法向前掘進(jìn)；撐靴的反作用力降低，撐靴護(hù)盾側(cè)滾，可能造成TBM非正常停機(jī)等現(xiàn)象；破碎的巖渣可能卡住伸縮護(hù)盾等設(shè)施；掘進(jìn)過程中出現(xiàn)TBM刀盤下沉，姿態(tài)難以糾正，且影響隧道成洞質(zhì)量；斷層破碎帶洞段施工可能使TBM掘進(jìn)方向偏移，管片安裝接縫超標(biāo)，出現(xiàn)大的錯(cuò)臺(tái)和裂縫；TBM通過斷層破碎帶后，如果管片回填豆礫石、水泥灌漿不飽滿或不及時(shí)造成管片下沉、開裂，出現(xiàn)TBM后配套不能順利通過。

常規(guī)雙護(hù)盾TBM主要采用鋼筋混凝土管片，新型雙護(hù)盾在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了管片分級(jí)的設(shè)計(jì)。主要分為以下幾種方案：

①斷層帶小于5m的方案

雙護(hù)盾TBM不停機(jī)快速通過，安裝重型管片，正?；靥罟酀{。

②斷層帶大于5m小于15m傾角較大的方案

這種斷層穩(wěn)定，無坍塌，斷層傾角大，掘進(jìn)時(shí)對刀盤的頂部及側(cè)部壓力不大，但是需要關(guān)注伸縮護(hù)盾內(nèi)外盾之間是否有巖渣卡住。可采取雙護(hù)盾TBM不停機(jī)快速通過，控制刀盤噴水的流量，安裝重型管片，及時(shí)進(jìn)行豆礫石灌注、水泥漿灌注等措施。

③斷層帶大于5m小于15m傾角較小的方案

首先，TBM進(jìn)入局部坍塌位置的斷層帶前先停機(jī)，使用TBM超前鉆機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)灌漿法（聚氨酯泡沫、水玻璃等）和雙漿液法進(jìn)行預(yù)膠結(jié)處理；采用單護(hù)盾模式進(jìn)行掘進(jìn)并關(guān)閉刀盤噴水系統(tǒng)；TBM掘進(jìn)時(shí)以低轉(zhuǎn)速、大扭矩參數(shù)掘進(jìn)；封閉部分刀盤鏟牙，減少超方量；安裝重型管片，及時(shí)進(jìn)行豆礫石回填、水泥漿灌注；將TBM檢修、皮帶機(jī)維護(hù)、刀盤維護(hù)與換刀等工作提前完成，盡可能減少過斷層期間停機(jī)；TBM通過之后及時(shí)對該斷層區(qū)域段進(jìn)行二次固結(jié)灌漿；若斷層破碎帶部位存在地下水：采取“以排為主”的原則，打排水孔排水，若水量變較大時(shí)，及時(shí)通過流速儀、流量儀測量、觀察水流變化情況，并確定專項(xiàng)處理方案。

④斷層帶大于15m局部坍塌的方案

這種斷層帶較大，圍巖破碎，不穩(wěn)定，掘進(jìn)時(shí)圍巖對刀盤頂部及側(cè)部壓力大，存在局部坍塌壓住或大石塊卡住刀盤風(fēng)險(xiǎn)。

TBM進(jìn)入此種斷層帶前先停機(jī)，先分段進(jìn)行處理、再掘進(jìn)。在斷層帶大于5m小于15m傾角較小的方案措施基礎(chǔ)上TBM通過之后及時(shí)對該斷層區(qū)域段進(jìn)行二次固結(jié)灌漿，并對灌漿區(qū)域進(jìn)行變形觀測跟蹤。

⑤斷層帶大于15m塌方嚴(yán)重的方案

采用常規(guī)鉆爆法對TBM上部巖體進(jìn)行揭頂開挖，輔助TBM通過斷層破碎帶；TBM在空載狀態(tài)下直接步進(jìn)通過，通過后恢復(fù)掘進(jìn)，對超挖部分進(jìn)行回填注漿。

4.4 突涌水地段雙護(hù)盾TBM施工對策

在TBM配置時(shí)就考慮加強(qiáng)伸縮護(hù)盾、尾護(hù)盾、喂片機(jī)區(qū)域的水泵管路布置，采用“一用一備”、隧道內(nèi)回水、排水管路連接至洞外，按較大排水量進(jìn)行排水管路設(shè)計(jì)；在TBM施工布置時(shí)盡可能采用上坡掘進(jìn)避免下坡掘進(jìn)。主要利用定位底管片預(yù)制的排水溝自流排水[3]。

5 結(jié)語

本文基于采用基于圍巖類別（RMR）的TBM選型方法，對比預(yù)測了敞開式和雙護(hù)盾TBM在本工程水工隧洞中的掘進(jìn)效率，認(rèn)為雙護(hù)盾TBM具有更好的適應(yīng)性。同時(shí)，進(jìn)行了提出了雙護(hù)盾TBM主要改進(jìn)措施，并對改進(jìn)后雙護(hù)盾TBM的施工方法進(jìn)行了論述，增強(qiáng)雙護(hù)盾TBM適應(yīng)性，擴(kuò)大雙護(hù)盾TBM應(yīng)用范圍，提高雙護(hù)盾TBM在不同不良地質(zhì)條件下掘進(jìn)效率?？梢钥闯?，雙護(hù)盾TBM經(jīng)過針對性改進(jìn)后，在本工程等類似的高海拔地區(qū)深埋長大水工隧洞可行的。