香爐山深埋長隧洞TBM選型研究

倪錦初 朱學(xué)賢 凌旋 帖熠

摘要：隨著中國大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)的推進，越來越多的深埋長隧洞采用TBM施工，而TBM選型是TBM施工方案中關(guān)鍵問題之一。以滇中引水工程香爐山隧洞為例，重點從穿斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段施工難易程度、卡機風(fēng)險，以及超前加固和超前地質(zhì)預(yù)報操作便利性等方面進行綜合分析，推薦優(yōu)先選用兩臺敞開式TBM，并針對具體地質(zhì)情況、施工特點，提出了TBM相應(yīng)的功能配置。研究成果可為類似工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：TBM選型; 不良地質(zhì)條件; 深埋長隧洞; 香爐山隧洞

中圖法分類號： TV554 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.024

0 引 言

隨著中國大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的開展，水利隧洞、鐵路隧道、公路隧道等現(xiàn)代隧洞工程迎來了建設(shè)高峰，隧洞工程呈現(xiàn)出規(guī)模越來越大、長度越來越長、施工難度越來越高的趨勢。受地形、地質(zhì)條件限制和設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展，隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）在隧洞工程中應(yīng)用的比例也越來越高。如正在規(guī)劃設(shè)計中的引江補漢工程，單隧洞長度約194 km，初步規(guī)劃采用9臺TBM施工，TBM施工長度約占整個隧洞長度的2/3。

對于深埋長隧洞，地質(zhì)條件的復(fù)雜性決定了工程施工的艱難性，根據(jù)地質(zhì)條件、隧洞功能特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計要求進行合理的TBM設(shè)備選型是工程成敗的關(guān)鍵問題之一。如西北某引水工程引水隧洞出口側(cè)的TBM選用雙護盾式，隧洞大阪上南緣斷裂帶軟弱巖體在極高圍巖壓力作用下發(fā)生大規(guī)模塌方和快速塑性變形，致使TBM多次嚴重卡機，三年多時間內(nèi)僅艱難掘進300多米。

本文以滇中引水工程[1]香爐山深埋長隧洞挖掘需要的TBM選型研究為例，從地質(zhì)條件、工期、造價、施工環(huán)境等方面綜合比較，重點從TBM施工斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段[2]施工難易程度、卡機風(fēng)險，以及超前加固和超前地質(zhì)預(yù)報操作便利性等方面進行選型分析，為今后類似工程TBM選型提供借鑒。

1 TBM選型控制因素及現(xiàn)狀

1.1 TBM類型及特點

當隧洞工程確定采用TBM施工后，就要對TBM進行選型。目前TBM主要分為敞開式、雙護盾式和單護盾式等[3]。敞開式TBM利用支撐機構(gòu)撐緊洞壁的反作用力，實現(xiàn)掘進功能所需的反推力和反扭矩，一般用于巖石穩(wěn)定性好、軟弱圍巖較少的隧洞[4]。護盾式TBM在主機外設(shè)置了護盾，主機在護盾保護下進行掘進作業(yè)[5]。單護盾TBM只能依靠已安裝的管片提供前進反力，雙護盾TBM則結(jié)合了敞開式TBM和單護盾TBM的優(yōu)勢，在圍巖軟弱破碎時采用單護盾模式掘進，在圍巖完整并具有足夠的強度時采用雙護盾模式掘進。隨著工程實踐經(jīng)驗的增加和TBM設(shè)備制造水平的提高，各類TBM的應(yīng)用界限逐漸打破，如通用緊湊型TBM、雙模式TBM、復(fù)合式TBM[6]等均是吸取各基本類型TBM的優(yōu)點組合而來的新類型。

1.2 TBM選型控制因素

通常認為，敞開式TBM主要應(yīng)用于巖石強度較高、（堅硬或中硬巖）能夠提供支撐靴足夠推力的巖體中。護盾式TBM同樣可以用于巖石強度較高巖體，在軟巖洞段圍巖無法提供撐靴反力時，可利用輔助油缸通過支撐已安裝好的管片提供推力進行掘進。

敞開式TBM的護盾相對較短，在軟巖變形或巖爆洞段卡機的可能性相對較低。如卡機，可從護盾后進行超前加固穩(wěn)定后再繼續(xù)掘進，因此在不良地質(zhì)洞段脫困處理相對靈活。敞開式TBM只有一個不長的頂護盾，掘進后圍巖處于暴露狀態(tài)，開挖后便于觀察圍巖情況和進行超前地質(zhì)預(yù)報。

護盾式TBM的盾體較敞開式TBM長2～3倍，在軟巖變形或巖爆洞段卡機的可能性相對較高。護盾式TBM主機外圍由護盾包裹，管片安裝在護盾內(nèi)，從機頭到洞尾均處于封閉狀況，施工人員除從機頭和護盾的觀測孔中察看巖層狀況外，只能從巖渣來判斷。

對于敞開式TBM，初期支護、二次襯砌施工與掘進可同步進行，但由于工序多、互相有干擾，施工效率相對較低。雙護盾式TBM掘進和管片安裝可同時進行，施工效率相對較高，掘進速度相對較快。

對圍巖條件較好的隧洞，敞開式TBM只需要初期支護或較小的二次襯砌工程量即可保證隧洞穩(wěn)定，經(jīng)濟性相對較好。對圍巖條件較差的隧洞，敞開式TBM施工隧洞的初期支護、二次襯砌工程量較大，需與護盾式TBM施工隧洞的管片進行具體對比。

敞開式TBM除頂護盾以外，均暴露在圍巖之外，施工中的粉塵、廢棄漿液如不能很好地控制，則施工環(huán)境較差。近幾年，當采用鋼筋排等新技術(shù)后，敞開式TBM頂盾后操作空間的施工安全得到了保障。護盾式TBM機頭緊貼掌子面，掘進、管片安裝、豆礫石回填和灌漿等主要作業(yè)均在封閉的狀態(tài)下進行，施工過程中受巖爆、受煙塵、粉塵、廢棄漿液的影響較小，施工環(huán)境較好。

1.3 TBM選型現(xiàn)狀

由于行業(yè)和工程類型不同，隧洞結(jié)構(gòu)、功能和設(shè)計理念等方面存在差異，不同行業(yè)在TBM選型方面還存在一定差異[7]。在國內(nèi)，鐵路行業(yè)中基本應(yīng)用敞開式TBM，水利行業(yè)中應(yīng)用雙護盾式TBM較多。

總體上來說，TBM選型主要根據(jù)各類型TBM設(shè)備自身特點，結(jié)合地質(zhì)條件、工期、造價、施工環(huán)境[7]等方面綜合分析確定。在地質(zhì)條件方面，以往TBM選型重點關(guān)注占比較大的隧洞圍巖條件，而忽略占比較小的不良地質(zhì)洞段，從而導(dǎo)致TBM掘進困難，造成工期嚴重滯后，投資大量增加。

如引大濟湟工程引水隧洞，TBM施工段以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，占到45.32%，在開挖過程中可能遇到地應(yīng)力引起的巖爆，地下水引起的涌水、涌泥、片幫、塌方等，從主要圍巖條件TBM的適應(yīng)性、不良地質(zhì)洞段施工安全和施工進度等方面考慮，兩臺TBM均選擇雙護盾式TBM。隧洞出口側(cè)的TBM在掘進不久后就在圍巖收斂、塌方情況下發(fā)生十余次卡機，雖采取了多種處理措施，但TBM還是被嚴重卡機，工程被迫停工。為使隧洞盡快貫通，后在隧洞進口段增加一臺NFM-TBM進行掘進，同時對出口側(cè)的TBM進行改造，重新定做了TBM護盾。對支撐盾、伸縮盾、后護盾等改造完成后，TBM重新啟動掘進，最終兩臺TBM掘進至貫通點K16+003處。

由引大濟湟工程TBM選型可以看出，占比不大的不良地質(zhì)洞段往往對TBM施工順利與否起關(guān)鍵作用，因此應(yīng)該重視從不同類型TBM在不良地質(zhì)洞段施工的卡機風(fēng)險，以及出現(xiàn)卡機后處理的難易程度等方面進行選型分析。

2 香爐山隧洞TBM選型

2.1 香爐山隧洞施工方案

滇中引水工程是解決滇中地區(qū)嚴重缺水的特大型跨流域調(diào)水工程，工程主要包括水源工程和輸水工程兩個部分。結(jié)合控制節(jié)點、行政區(qū)劃、水價分析，投資分攤要求等，將輸水工程線路劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪紅河五大段。香爐山隧洞位于大理Ⅰ段，起點在麗江市玉龍縣石鼓鎮(zhèn)沖江河右岸山體內(nèi)，終點在鶴慶縣松桂與積福村附近，整個隧洞穿馬耳山脈，全長62.596 km。隧洞設(shè)計引水流量135 m3/s，圓形斷面，凈斷面直徑8.3～9.5 m，設(shè)計水深7.1 m。

香爐山隧洞沿線屬高、中山地貌區(qū)，地面高程一般為2 400～3 400 m，隧洞最大埋深1 450 m。隧洞段沿線主要出露泥盆系、二疊系、三疊系、第三系及第四系地層，局部地段不連續(xù)分布侵入巖脈。隧洞在深埋大的石英片巖、碳酸鹽巖、玄武巖等堅硬完整巖體中且地下水貧乏洞段可能產(chǎn)生中強巖爆。

香爐山隧洞區(qū)褶皺、斷裂發(fā)育，沿線穿越大栗樹斷裂（F9）等13條大斷（裂）層，易產(chǎn)生中等-極嚴重擠壓變形等問題。

香爐山隧洞沿線可溶巖地層分布較廣，地表、地下巖溶形態(tài)發(fā)育齊全。發(fā)育有白漢場（Ⅰ）、拉什海（Ⅱ）、鶴慶西山（Ⅳ）、清水江-劍川（Ⅴ）等多個巖溶水系統(tǒng)。隧洞穿越寬厚斷裂破碎帶、碳酸鹽巖、玄武巖、向斜核部等富水洞段可能會產(chǎn)生較大滲水、甚至涌水突泥問題[8]（主要為斷裂帶），以及高外水壓力問題[3]。

由于香爐山隧洞埋深大，難以通過布置施工支洞全部采用鉆爆法施工。結(jié)合香爐山隧洞沿線地形條件和圍巖情況等，擬采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案[9]，主要通過隧洞進出口以及設(shè)置施工支洞，采用鉆爆法開挖規(guī)模較大的4條區(qū)域性斷裂及部分圍巖較差洞段，其余洞段采用2臺TBM施工，TBMa、TBMb分別由上、下游相向掘進，掘進長度分別為14.68 km和20.64 km。

香爐山隧洞施工方法分段列于表1，施工方案如圖1所示。

2.2 香爐山隧洞TBM施工段工程地質(zhì)

2.2.1 TBM施工段工程地質(zhì)、水文條件

（1） 地形地貌。TBMa-1施工段布置于白漢場-九河槽谷和汝南河槽谷間的汝寒坪一帶，沿線地面高程2 758～3 150 m，隧洞埋深740～1 000 m，最大埋深1 135 m;TBMa-2施工段及TBMb施工段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一帶，沿線地面高程2 500～3 418 m，隧洞埋深一般600～1 300 m;TBMb-2施工段長木箐北山一帶最大埋深1 450 m，TBMb-1段核桃箐一帶埋深約450 m。

（2） 巖性。TBM施工段均位于微新巖帶，北衙組（T2b）、中窩組（T3z）灰?guī)r、白云巖等屬較完整巖體，玄武巖（Pβ、Nβ）屬較完整-完整巖體，局部完整性較差，黑泥哨組（P2h）、青天堡組（T1q）、松桂組（T3sn）等砂、泥頁巖屬較破碎-較完整巖體。其中TBMa-1施工段主要穿二疊系玄武巖;TBMa-2施工段及TBMb-2施工段除了穿玄武巖外，還穿越砂泥巖、灰?guī)r及白云巖、砂泥巖等;TBMb-1施工段主要穿越灰?guī)r地層。

（3） 地質(zhì)構(gòu)造。TBM施工段沿線褶皺主要有汝寒坪背斜、汝寒坪向斜、大陡山背斜向斜、宣化關(guān)向背斜、后本箐向斜、獅子山背斜、馬鞍山背斜等，褶皺走向以NNE～NE為主，與線路多呈大銳角及中等角度相交。

TBM施工段避開了龍蟠-喬后斷裂（F10）等3條全新世活動斷裂，穿越的斷裂主要有下馬塘-黑泥哨斷裂（FⅡ-32）等十幾條規(guī)模不等的斷層。

受褶皺及斷裂控制，沿線地層總體走向呈NNE～NE向，傾向NW或者SE，傾角多25°～50°，近東西向斷裂帶附近地層受構(gòu)造影響局部變陡，地層走向總體與線路呈中等角度至大角度相交。

（4） 巖溶與水文地質(zhì)。根據(jù)地表測繪及鉆孔資料分析，TBM施工段穿越的灰?guī)r、白云巖為強烈?guī)r溶化地層;灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r為中等巖溶化地層;玄武巖及各時代的侵入巖為裂隙性中等透水地層;砂、泥巖為相對隔水層。

斷裂破碎帶賦存一定規(guī)模的斷層脈狀水，因破碎帶構(gòu)造巖成分復(fù)雜，其富水及透水性差異性大，同一條斷層的縱向與橫向透水性差異較大。近東西向斷裂組多屬縱向裂隙性中等透水至強透水、橫向阻水斷裂帶，僅局部斷裂段屬相對隔水至弱透水斷裂帶;近南北向斷裂組縱向多屬裂隙性中等透水至強透水斷裂帶。

（5） 地應(yīng)力。TBM施工洞段主要為中等-高地應(yīng)力水平，局部大埋深洞段為高-極高應(yīng)力水平。香爐山隧洞TBM施工段剖面概化見圖2。

2.2.2 TBM選型相關(guān)地質(zhì)條件

香爐山隧洞TBM施工段圍巖類別以Ⅲ、IV類為主，飽和抗壓強度大部分為30～80 MPa，較完整，可能存在的不良地質(zhì)問題主要有：高地應(yīng)力條件下的硬巖中等巖爆、軟巖（含斷層帶）嚴重至極嚴重大變形、高外水壓力以及可溶巖、斷裂帶、向斜的涌水突泥等。香爐山隧洞TBM選型相關(guān)地質(zhì)條件如表2所列。

2.3 香爐山隧洞TBM類型比較與選擇

從表2可以看出，香爐山隧洞TBMa和TBMb施工段主要圍巖的飽和抗壓強度和巖石完整性可提供TBM撐靴反力[10]，大部分洞段開挖后也能保持自穩(wěn)，選用敞開式TBM和護盾式TBM均可。

TBMa和TBMb施工段均不同程度穿越斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質(zhì)洞段[11]，敞開式TBM和護盾式TBM在通過這些洞段時施工難度均較大，尤其在軟巖（含斷層）大變形洞段，由于敞開式TBM比護盾式TBM護盾短，卡機概率相對較低，如需采用超前預(yù)加固措施[12]，敞開式TBM操作更為方便。

在主要圍巖洞段，護盾式TBM掘進速度較敞開式TBM快，但由于兩TBM施工段均有存在卡機風(fēng)險的斷層和軟巖大變形洞段，如出現(xiàn)卡機，其脫困處理工期難以預(yù)計。

香爐山隧洞為輸水隧洞，為保證過水能力，采用敞開式TBM施工時需采用糙率較小的二次混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，此外兩TBM施工段埋深普遍較大，初期支護和二次襯砌結(jié)構(gòu)均較強，其支護襯砌工程量造價與護盾式TBM的管片支護相當。

敞開式TBM空間較護盾式TBM開放，施工環(huán)境較護盾式TBM差，但更有利于進行超前地質(zhì)預(yù)報和觀察圍巖狀況。

綜上分析比較，從香爐山隧洞TBM施工段主要圍巖來看，選用敞開式TBM和護盾式TBM式均可;對于斷層、軟巖大變形不良地質(zhì)洞段，采用敞開式TBM卡機概率相對較小，更有利于進行超前預(yù)加固、超前地質(zhì)預(yù)報[13]和觀察護盾后的圍巖狀況[14]。由于不良地質(zhì)洞段[15]的施工是TBM施工的關(guān)鍵，該工程所用兩臺TBM優(yōu)先選用敞開式。

對長大斷裂帶、長距離軟巖大變形和富水[16]等不適宜TBM施工的洞段[17]，選擇任何TBM機型試圖一次性直接掘進通過都是有難度的，通常需在TBM設(shè)計和工程施工上采取措施盡量減少其不利影響，且需充分重視對不良地質(zhì)問題的預(yù)測預(yù)報和超前處理。

2.4 香爐山隧洞TBM主要功能配置

香爐山隧洞TBM施工段的地質(zhì)條件總體上適宜TBM施工，但要重視對斷裂帶及軟巖大變形、突水涌泥、巖爆等TBM適應(yīng)性較差的不良地質(zhì)洞段研究，并對TBM設(shè)備進行相應(yīng)的設(shè)計和配置[18]。

（1） 掘進功能配置。由于隧洞中局部有巖爆情況，刀盤應(yīng)具有足夠的剛度和強度，刀盤預(yù)留超前鉆孔位置和霧化噴水裝置[19]，通過施打超前地應(yīng)力釋放孔和噴水軟化圍巖來減少巖爆。主軸承采用變頻電機驅(qū)動，具有正反轉(zhuǎn)功能和點動功能，配置足夠的扭矩和推力，并有脫困模式，以應(yīng)對軟巖變形段，設(shè)計壽命不小于15 000 h，單機掘進長度不小于25 km。

（2） 出渣功能配置。針對開挖斷面大、出渣量大的特點，采用出渣效率較高的皮帶機出渣系統(tǒng)，主機帶式輸送機設(shè)置防偏、刮渣、張緊、調(diào)速聯(lián)鎖裝置[20]。主機帶式輸送機和洞內(nèi)帶式輸送機出渣能力協(xié)調(diào)，且應(yīng)滿足最大掘進速度的要求。

（3） 支護功能配置。隧洞初期支護工程量大，TBM應(yīng)配備高效的支護系統(tǒng)。鋼拱架安裝器采用液壓驅(qū)動，具有可靠制動及自鎖功能;錨桿鉆機具有反向同步功能、可靠制動及自鎖功能;混凝土噴射裝置軸向行程不應(yīng)小于3個掘進循環(huán)長度，配置混凝土噴射防護罩。除了主機段配備超前鉆機外，在刀盤后（主梁內(nèi)）預(yù)留配置超前鉆機的位置，同時配置高速攪拌器、混合器和高壓灌漿泵，具備對全掌子面進行灌漿止水功能。

（4） 超前地質(zhì)預(yù)報功能配置。TBM主機段配備兩臺多功能液壓超前鉆，最大鉆深不小于50 m，可鉆孔取芯;針對巖爆、軟弱地層、地下水的超前地質(zhì)預(yù)報物探系統(tǒng)，主要配置TBM機載TRT和激發(fā)極化法系統(tǒng);在刀盤上和前護盾上預(yù)留超前預(yù)報設(shè)備安裝孔。

（5） 開挖直徑調(diào)節(jié)功能配置。刀盤邊刀具備長距離徑向擴挖2 cm×（5～15） cm的功能，護盾具備大距離伸縮、支撐圍巖能力的功能。

香爐山隧洞TBM主要技術(shù)參數(shù)需求初擬見表3。

3 結(jié) 語

香爐山隧洞跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，具有深埋、超長等特點，主要地質(zhì)問題有斷層破碎帶、高地應(yīng)力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等，為目前在地殼活動性較強地區(qū)尚無先例的長距離深埋輸水工程。隧洞采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案。從巖體所處的地質(zhì)環(huán)境及巖體性狀分析，香爐山隧洞TBM施工段的TBM地質(zhì)條件適宜性總體情況良好，但局部洞段的滲涌水、斷裂帶及軟巖大變形、硬巖巖爆等不利地質(zhì)條件危害很大，應(yīng)采取針對性工程應(yīng)對措施。

從地質(zhì)條件、工期、造價、施工環(huán)境等方面進行綜合比選，重點從不良地質(zhì)卡機風(fēng)險、超前預(yù)加固、超前地質(zhì)預(yù)報操作便利性等方面考慮，推薦該工程優(yōu)先選用兩臺敞開式TBM，并提出了相應(yīng)的主要技術(shù)參數(shù)和功能配置。由于TBM施工段夾有細顆粒軟弱地層及部分巖溶地下水地層，后續(xù)可以研究采用雙模式掘進機施工的可行性。

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（編輯：胡旭東）