影響雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)效率的地質(zhì)因素及對(duì)策研究

楊繼華 魏建鵬 王志強(qiáng) 楊風(fēng)威 齊三紅

收稿日期：2023-04-27；接受日期：2023-06-23

基金項(xiàng)目：黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司自主研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2020-ky04，2022-ky03，2023-ky14）

作者簡(jiǎn)介： 楊繼華，男，正高級(jí)工程師，博士，主要從事隧洞與地下工程勘察、設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail：yangjihua68@sohu.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號(hào)：1001-4179（2024） 06-0188-06

引用本文：楊繼華，魏建鵬，王志強(qiáng)，等.影響雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)效率的地質(zhì)因素及對(duì)策研究

［J］.人民長(zhǎng)江，2024，55（6）：188-193，210.

摘要：針對(duì)地質(zhì)因素影響TBM掘進(jìn)效率的問(wèn)題，以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工為背景，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，分析了巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、巖石石英含量、地應(yīng)力、地下水等對(duì)TBM施工的影響，并針對(duì)各種地質(zhì)因素提出了TBM施工對(duì)策。結(jié)果表明：① 當(dāng)巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc在50～80 MPa時(shí)，TBM施工速度最高，日進(jìn)尺可達(dá)30 m以上；當(dāng)Rc低于50 MPa時(shí)，施工速度隨強(qiáng)度的降低而降低；當(dāng)Rc大于80 MPa時(shí)，TBM施工速度隨Rc的增加而降低。② 當(dāng)巖體完整性系數(shù)Kv在0.40～0.60時(shí)，施工速度最高；當(dāng)Kv大于0.60時(shí)，施工速度隨著Kv的增加而降低；當(dāng)Kv小于0.4時(shí)，施工速度隨著Kv的降低而降低。③ 巖石的石英含量越低，地應(yīng)力水平越低，地下水越少，對(duì)TBM施工越為有利。研究結(jié)果可為類(lèi)似工程的TBM地質(zhì)適宜性評(píng)價(jià)及施工方法提供參考。

關(guān)? 鍵? 詞：輸水隧洞； 雙護(hù)盾TBM； 施工效率； 地質(zhì)因素； 蘭州市水源地建設(shè)工程

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV554+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.026

0? 引 言

隨著中國(guó)水利高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，針對(duì)部分地區(qū)生活工業(yè)用水、生態(tài)用水、灌溉用水短缺的問(wèn)題，各地興建或規(guī)劃了大批的引調(diào)水工程，如陜西引漢濟(jì)渭工程［1］、湖北引江補(bǔ)漢工程［2］、吉林中部引松供水工程［3］、云南滇中調(diào)水工程［4］、新疆北疆供水工程［5］等。這些引調(diào)水工程線路穿越山嶺地區(qū)時(shí)，往往布置有深埋長(zhǎng)隧洞工程，如青海省引黃濟(jì)寧工程引水隧洞全長(zhǎng)74.40 km［6］，蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞全長(zhǎng)31.5 km［7］。深埋長(zhǎng)隧洞地表地形條件復(fù)雜，難以布置施工支洞和豎井等施工通道，這時(shí)TBM施工就成為最優(yōu)選擇。隧洞TBM施工具有獨(dú)頭掘進(jìn)距離長(zhǎng)、掘進(jìn)速度快、安全、環(huán)保等特點(diǎn)，在深埋長(zhǎng)隧洞中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外TBM施工實(shí)踐表明，TBM掘進(jìn)效率主要受設(shè)備性能、人員技術(shù)水平及管理水平、地質(zhì)條件等3個(gè)主要因素的影響［8-10］。前兩個(gè)因素為主觀因素，可以通過(guò)設(shè)備優(yōu)化改造、人員培訓(xùn)等做到最優(yōu)；而地質(zhì)因素為客觀因素，需根據(jù)揭示的地質(zhì)條件調(diào)整對(duì)策。

針對(duì)地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響和對(duì)策問(wèn)題，較多的學(xué)者和工程技術(shù)人員開(kāi)展了相關(guān)研究。陳浩［11］以中天山鐵路隧道為背景，分析了隧道圍巖等級(jí)、各地質(zhì)參數(shù)與TBM掘進(jìn)效率的相關(guān)性，并提出了相應(yīng)TBM支護(hù)方式；冠文等［12］采用室內(nèi)全尺滾刀切割試驗(yàn)的方法，研究了貫入度對(duì)滾刀破巖效率的影響；楊志勇［13］針對(duì)大瑞鐵路高黎貢山鐵路隧道平導(dǎo)開(kāi)敞式TBM突泥涌水問(wèn)題，提出了采取增設(shè)高位支洞和管棚工作室、超前探測(cè)的處理方式；陳方明等［14］以N-J水電站引水隧洞TBM施工為背景，采用多種判據(jù)對(duì)巖爆傾向性進(jìn)行了研究，并提出了巖爆段的施工措施；喻偉等［15］以深圳地鐵隧道雙護(hù)盾TBM施工為背景，采用數(shù)值模擬的方法，分析了隧道穿越斷層帶圍巖的應(yīng)力、變形特征，在此基礎(chǔ)上提出了隧道的加固措施。

但以上研究多集中在影響TBM的某一地質(zhì)因素方面，對(duì)具體工程多項(xiàng)地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究的較少。本文以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工為背景，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法，在分析巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)、巖石石英含量、地應(yīng)力對(duì)TBM掘進(jìn)效率影響的基礎(chǔ)上，根據(jù)TBM設(shè)備性能、地質(zhì)條件提出針對(duì)性的處理措施。

1? 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程引黃河劉家峽水庫(kù)的優(yōu)質(zhì)水源向蘭州市供水，其中約31.5 km的輸水隧洞為其主要建筑物。輸水隧洞為有壓隧洞，開(kāi)挖洞徑5.48 m，襯砌后洞徑4.60 m，隧洞采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM和鉆爆法聯(lián)合施工。其中TBM1掘進(jìn)段長(zhǎng)約10.699 km，TBM2掘進(jìn)段長(zhǎng)約12.525 km［16］。其施工布置如圖1所示。

輸水隧洞平均埋深400～600 m，最大埋深930 m。隧洞沿線共發(fā)育3條區(qū)域性斷層F3、F4、F8，寬度60～100 m，以及10余條小規(guī)模次級(jí)斷層，寬度一般小于5 m。隧洞沿線穿越的地層巖性分布如下：5號(hào)施工支洞樁號(hào)K0+558～K0+833及K2+900～ K3+260段為加里東中期石英閃長(zhǎng)巖（δο32）；5號(hào)施工支洞樁號(hào)K0+833～ K2+900、K3+260～ K3+544及主洞段T5+860～T8+765段為前震旦系馬銜山群（AnZmx4）黑云石英片巖和角閃石英片巖；主洞段T8+765～T11+759為加里東中期花崗巖（γ32）；主洞段T11+759～T17+030、T24+685～T30+600段為白堊系下統(tǒng)河口群（K1hk1）砂巖與泥巖互層、砂礫巖等；主洞段T17+030～T24+685段為奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群（O2-3wx2）變質(zhì)安山巖、玄武巖等。

根據(jù)室內(nèi)巖石試驗(yàn)結(jié)果，石英片巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為16.5～175 MPa，石英閃長(zhǎng)巖為11～147 MPa，花崗巖為127～134 MPa，砂巖、砂礫巖、泥巖為11～85 MPa，安山巖、玄武巖為34～94 MPa。隧洞沿線的地下水類(lèi)型主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，隧洞總體位于地下水位以下。隧洞所在區(qū)域3個(gè)方向地應(yīng)力場(chǎng)特征為σH（最大水平主應(yīng)力）>σh（最小水平主應(yīng)力）>σV（垂直主應(yīng)力），最大水平主應(yīng)力方向NE40°～70°，與輸水隧洞軸線方向小角度相交，最大水平主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)為1.5～2.9。隧洞圍巖分類(lèi)方面，采用GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》的方法進(jìn)行分段圍巖分類(lèi)［17］，TBM施工段各類(lèi)圍巖統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。

TBM施工段穿越的地層多，斷層分布多，巖性從極軟硬到堅(jiān)硬巖均有分布，TBM掘進(jìn)中可能面臨斷層硬巖掘進(jìn)效率低、斷層及破碎帶圍巖失穩(wěn)塌方、軟巖大變形、涌水等工程地質(zhì)問(wèn)題。

2? 地質(zhì)因素對(duì)TBM掘進(jìn)效率影響及對(duì)策

2.1? 巖石單軸強(qiáng)度

2.1.1? TBM破巖機(jī)理

根據(jù)TBM工作原理，在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，推進(jìn)油缸對(duì)刀盤(pán)施加一定的推力，刀盤(pán)上配備的盤(pán)形滾刀貫入開(kāi)挖面巖石一定的深度（稱為貫入度），巖石在滾刀的擠壓作用下產(chǎn)生微裂紋并向兩側(cè)擴(kuò)展，當(dāng)相鄰滾刀間的裂紋貫通后會(huì)形成巖片掉落，TBM完成滾刀破巖過(guò)程（圖3）。刀盤(pán)在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)TBM

的持續(xù)掘進(jìn)。

2.1.2? 巖石強(qiáng)度對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

由TBM破巖機(jī)理可以看出，TBM掘進(jìn)速度（PR）主要受TBM刀盤(pán)轉(zhuǎn)速（RPM）和滾刀貫入度（P）的影響，可由式（1）表示：VPR=RRPM×P（1）

式中：VPR為T(mén)BM掘進(jìn)速度，mm/min；RRPM為T(mén)BM刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min；P為T(mén)BM貫入度，mm/r。

由式（1）可看出，提高TBM刀盤(pán)轉(zhuǎn)速及貫入度均可提高TBM掘進(jìn)速度。但國(guó)內(nèi)外的TBM實(shí)踐表明，當(dāng)?shù)侗P(pán)線速度超過(guò)一定值時(shí)，很難使相鄰滾刀間裂紋連通，降低了破巖效率。根據(jù)試驗(yàn)分析，在掘進(jìn)過(guò)程中，TBM滾刀的線速度控制在小于等于150 m/min為宜，由此可以推算刀盤(pán)容許最大轉(zhuǎn)速，如該工程刀盤(pán)直徑為5.48 m時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速應(yīng)低于8.7 r/min，因此無(wú)法通過(guò)進(jìn)一步提高刀盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)提高TBM掘進(jìn)速度。而TBM刀盤(pán)貫入度與TBM推力直接相關(guān)，但受滾刀最大承載力的影響，如目前常用的17寸滾刀最大承載力250 kN，19寸滾刀最大315 kN，因此TBM推力也不能持續(xù)增加。

以上為T(mén)BM正常掘進(jìn)時(shí)的速度，而在TBM施工中往往更關(guān)注施工速度（AR），一般用日進(jìn)尺表示，其計(jì)算公式見(jiàn)式（2）：VAR=VPR×U×24（2）

式中：VAR為T(mén)BM施工速度，m/h；U為T(mén)BM利用率，當(dāng)天掘進(jìn)時(shí)間與當(dāng)天工作時(shí)間的比值。

由式（2）可以看出，TBM施工速度除了受掘進(jìn)速度的影響外，還受TBM利用率的影響。

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM施工中，采用室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的方法研究巖石強(qiáng)度與TBM掘進(jìn)速度的關(guān)系。在TBM盾尾未安裝管片時(shí)通過(guò)人工手持鉆機(jī)采取標(biāo)準(zhǔn)直徑原狀巖樣，通過(guò)室內(nèi)巖石壓力機(jī)測(cè)試巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）（圖4）。TBM掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度等參數(shù)可從TBM控制計(jì)算機(jī)上直接讀取，也可通過(guò)數(shù)據(jù)下載進(jìn)行分析（圖5）。

通過(guò)以上方法，采集了多組數(shù)據(jù)分析巖石單軸抗壓強(qiáng)度與TBM施工速度的關(guān)系，如圖6所示。可以看出，在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工過(guò)程中，巖石單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）對(duì)TBM施工速度影響較大，當(dāng)Rc在50～80 MPa時(shí)，施工速度最高，日進(jìn)尺可達(dá)30 m以上；當(dāng)Rc低于50 MPa時(shí)，施工速度隨強(qiáng)度的降低而降低；當(dāng)Rc大于80 MPa時(shí)，TBM施工速度隨Rc的增加而降低。分析原因如下：當(dāng)Rc在50～80 MPa時(shí)，巖石強(qiáng)度不是太高，TBM能獲得較高的貫入度，掘進(jìn)速度較高，同時(shí)圍巖穩(wěn)定性較好，一般不會(huì)因?yàn)閲鷰r失穩(wěn)影響TBM掘進(jìn)，此時(shí)施工速度較高；隨著Rc的增加，TBM貫入度降低，施工速度隨之降低；當(dāng)巖石強(qiáng)度降低時(shí)，雖TBM貫入度增加，但圍巖穩(wěn)定性降低，可能出現(xiàn)掌子面塌方等現(xiàn)象，需停機(jī)處理，降低了TBM利用率，進(jìn)而降低了TBM掘進(jìn)速度。

2.1.3? 對(duì)策分析

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工中，針對(duì)巖石強(qiáng)度對(duì)TBM施工速度的影響，主要采取了以下措施：（1） 在堅(jiān)硬巖石條件下，為提高TBM的掘進(jìn)速度，采用窄刃的滾刀，在相同的推力條件下，可提高刀盤(pán)貫入度，進(jìn)而提高掘進(jìn)速度。如刀刃寬度由19 mm降為16 mm，貫入度可提高15%。

（2） 在軟弱圍巖條件下，為減少TBM掘進(jìn)對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，采用低推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度的掘進(jìn)方式，盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

2.2? 巖體完整性

2.2.1? 巖體完整性對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

由上節(jié)的TBM破巖機(jī)理可以看出，相鄰滾刀間形成裂紋并連通是破巖的關(guān)鍵，但如果巖體中本身存在結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、片理、層理等），會(huì)使?jié)L刀破巖更為容易，進(jìn)而提高破巖效率。

巖體中結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況可用巖體完整性系數(shù)（Kv）表示，其取值范圍為0～1，數(shù)值越大說(shuō)明節(jié)理越發(fā)育。

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工過(guò)程中，通過(guò)護(hù)盾的觀察窗口和掌子面觀察估算巖體完整性系數(shù)，并讀取施工速度參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖7所示。由圖可以看出，當(dāng)Kv在0.40～0.60時(shí)，TBM施工速度最高；當(dāng)Kv大于0.60時(shí)，施工速度隨著Kv的增加而降低；當(dāng)Kv小于0.4時(shí)，施工速度隨著Kv的降低而降低。分析原因如下：當(dāng)Kv在0.40～0.60之間，巖體中結(jié)構(gòu)面對(duì)滾刀破巖起到輔助作用，提高了破巖效率，同時(shí)巖體也有一定的完整性，一般不會(huì)因?yàn)閹r體破碎影響圍巖的穩(wěn)定性；Kv大于0.60時(shí)，巖體破碎程度增加，穩(wěn)定性變差，可能因?yàn)閲鷰r失穩(wěn)導(dǎo)致TBM停機(jī)，降低了TBM利用率，進(jìn)而降低了施工速度；當(dāng)Kv小于0.4時(shí)，巖體的完整性增加，此時(shí)，更多依靠滾刀造成的裂紋破巖，破巖效率較低，降低了施工速度。

2.2.2? 對(duì)策分析

對(duì)于完整巖體，一般其單軸抗壓強(qiáng)度也較高，此時(shí)采用的對(duì)策與硬巖對(duì)策基本相同，即采用窄刃滾刀提高貫入度。對(duì)于破碎巖體，由于其穩(wěn)定性較差，除了采用合理的掘進(jìn)參數(shù)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)之外，還要維護(hù)好TBM設(shè)備，連續(xù)掘進(jìn)通過(guò)破碎圍巖段，減少避免圍巖失穩(wěn)塌方造成TBM掘進(jìn)受阻或卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3? 巖石石英含量

2.3.1? 巖石石英含量對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

TBM掘進(jìn)時(shí)，滾刀與開(kāi)挖面為滑動(dòng)摩擦關(guān)系，長(zhǎng)時(shí)間的滑動(dòng)會(huì)造成滾刀刀圈的磨損，磨損程度受巖石礦物成分影響。其中石英作為巖石中的一種硬質(zhì)礦物，其維氏硬度HV可達(dá)到800～1 100，而刀圈材料常用的H13合金鋼HV僅為500～700，石英材料對(duì)刀圈的切削和犁溝作用造成刀圈的磨損［18］。刀圈磨損到一定的程度需要更換，蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM施工中對(duì)刀圈的更換標(biāo)準(zhǔn)如下：中心刀、正滾刀、邊滾刀分別磨損20，30，15 mm時(shí)進(jìn)行更換。

刀圈磨損對(duì)TBM施工影響較大，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：刀圈更換時(shí)需要TBM停機(jī)，頻繁更換刀圈會(huì)大量占用掘進(jìn)時(shí)間，降低TBM利用率，進(jìn)而降低TBM施工速度；刀圈成本較高，大量更換時(shí)會(huì)顯著提高施工成本［19-20］。

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM施工中，通過(guò)采取巖樣進(jìn)行礦物成分分析，獲取巖石石英含量數(shù)據(jù)，并與刀圈更換量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，每把滾刀刀圈的掘進(jìn)距離隨著巖石石英含量增加而減少，砂質(zhì)泥巖的石英含量為2%，每把刀圈平均可掘進(jìn)約102 m，角閃石英巖的石英含量達(dá)到了84%，每把刀圈平均僅可掘進(jìn)約8 m。

2.3.2? 對(duì)策分析

針對(duì)TBM在石英含量高的地層進(jìn)掘中刀圈磨損過(guò)快問(wèn)題，對(duì)初始使用的刀圈硬度進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)刀圈的洛氏硬度（HRC）在54左右，刀圈偏軟，在與巖石的摩擦過(guò)程中更容易發(fā)生塑性去除，磨損速度快。在接下來(lái)的掘進(jìn)中，采用了洛氏硬度（HRC）58～60的刀圈后，平均每把刀圈的掘進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到10 m以上，較之前有了一定程度的改善。

2.4? 地應(yīng)力

2.4.1? 地應(yīng)力對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

地應(yīng)力主要影響隧洞圍巖的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響TBM的掘進(jìn)。高地應(yīng)力條件下，硬巖易發(fā)生巖爆，如國(guó)內(nèi)的錦屏二級(jí)水電站引水隧洞TBM施工中，強(qiáng)烈?guī)r爆造成了初期支護(hù)破壞、設(shè)備損毀、人員傷亡等嚴(yán)重后果［21］；對(duì)于軟巖易發(fā)生圍巖大變形，當(dāng)采用護(hù)盾式TBM施工時(shí)，易發(fā)生卡機(jī)事故，如昆明上公山隧洞小直徑雙護(hù)盾TBM遭遇軟巖變形連續(xù)卡機(jī)，造成工期延誤、成本增加等后果［22］。

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞最大埋深930 m，地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，地應(yīng)力量值總體為中等地應(yīng)力［23］。輸水隧洞圍巖有以石英閃長(zhǎng)巖、石英片巖、花崗巖為主的硬巖，以及以砂質(zhì)泥巖、砂礫巖為主的軟巖，具備發(fā)生硬巖巖爆及軟巖大變形的地應(yīng)力條件和巖性條件。

采用GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄Q的判斷方法對(duì)隧洞巖爆等級(jí)進(jìn)行判定，隧洞硬巖洞段大部分圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比大于7，巖爆等級(jí)為無(wú)巖爆，約5%的洞段圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比在4～7，巖爆等級(jí)為輕微巖爆。該工程隧洞采用雙護(hù)盾TBM施工，護(hù)盾后安裝管片襯砌，輕微巖爆不會(huì)對(duì)隧洞內(nèi)工作人員和設(shè)備的安全造成威脅，因此可不考慮巖爆對(duì)TBM施工的影響。

采用《水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)》（2011）中軟巖變形程度初步預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)表對(duì)隧洞的軟巖變形程度進(jìn)行評(píng)價(jià)［24］，絕大部分軟巖洞段基本穩(wěn)定，無(wú)擠壓變形，少量巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于5 MPa的軟弱破碎圍巖洞段為中等擠壓變形，預(yù)測(cè)施工期的收斂變形為2.5%～5.0%。該工程隧洞開(kāi)挖洞徑為5.48 m，則施工期收斂變形量為13.7～27.4 cm，而TBM護(hù)盾與頂拱圍巖的間隙僅為8 cm，因此可能發(fā)生由軟巖變形造成的TBM卡機(jī)事故。卡機(jī)后，需要進(jìn)行脫困處理，TBM利用率降為0，會(huì)嚴(yán)重影響TBM施工速度。

2.4.2? 軟巖變形對(duì)策分析

（1） 將TBM護(hù)盾設(shè)計(jì)成階梯形，即后盾直徑小于前盾直徑，可減少護(hù)盾與圍巖的接觸面積以減少圍巖與護(hù)盾的摩擦阻力，進(jìn)而降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。該工程的雙護(hù)盾TBM采用了前盾直徑5.40 m、后盾直徑5.30 m的設(shè)計(jì)。

（2） 對(duì)于判斷可能發(fā)生軟巖變形的洞段，通過(guò)護(hù)盾孔向護(hù)盾和圍巖間注入潤(rùn)滑油脂，減少圍巖的摩擦阻力。

（3） 軟巖變形卡機(jī)后，采用拉開(kāi)伸縮護(hù)盾，從護(hù)盾頂部向掌子面人工開(kāi)挖小導(dǎo)洞釋放圍巖壓力的方法使TBM脫困（圖9）。該工程在花崗巖軟弱破碎帶發(fā)生卡機(jī)后，采用此方法僅用時(shí)7 d即完成TBM脫困。

2.5? 地下水

2.5.1? 地下水對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

根據(jù)國(guó)內(nèi)外TBM隧洞施工實(shí)踐，地下水的涌水對(duì)TBM施工影響較大，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：地下水會(huì)軟化圍巖，降低圍巖的穩(wěn)定性，特別是高壓大流量涌水，可能直接造成圍巖的大量塌方；TBM配備有大量的電子、電氣設(shè)備，如受涌水的噴淋，故障率會(huì)大幅增加；如果TBM順坡掘進(jìn)，大量的涌水匯集到掌子面又無(wú)法及時(shí)排出時(shí)，TBM設(shè)備有被淹沒(méi)的風(fēng)險(xiǎn)；掌子面地下水較多時(shí)，刀盤(pán)鏟斗難以將掘進(jìn)的巖渣鏟起，部分巖渣會(huì)涌入洞內(nèi)，掩埋設(shè)備并影響管片安裝，需要停機(jī)進(jìn)行人工清渣；隧洞如積水較深，淹沒(méi)軌道，有軌運(yùn)輸脫軌的可能性大為增加，會(huì)影響有軌運(yùn)輸?shù)男屎桶踩裕?5-26］。

從該工程輸水隧洞TBM施工布置（圖1）可以看出，TBM2施工段為逆坡掘進(jìn)，隧洞可自流排水，且從TBM2施工段的地質(zhì)條件分析，其地下水不活躍，對(duì)TBM的施工影響較小。TBM1施工段多為硬巖洞段，地下水豐富，且TBM1從施工支洞進(jìn)洞后大坡度順坡掘進(jìn)，與主洞交匯后轉(zhuǎn)為逆坡掘進(jìn)，在支洞掘進(jìn)時(shí)存在掌子面排水問(wèn)題，在主洞掘進(jìn)時(shí)存在主支洞交叉口最低點(diǎn)排水問(wèn)題，對(duì)TBM施工影響較大。

2.5.2? 涌水對(duì)策分析

在TBM1標(biāo)段的施工過(guò)程中，針對(duì)涌水問(wèn)題，采用了以下對(duì)策：（1） 施工支洞排水。在主機(jī)部位配備兩臺(tái)排量85 m3/h、揚(yáng)程為135 m的水泵，將匯集到掌子面的地下水通過(guò)兩條DN100管道排出洞外。

（2） 主洞排水。主洞的地下水通過(guò)自流匯集到主洞與支洞交叉位置的最低點(diǎn)，在此處布置兩臺(tái)排量分別為260 m3/h和220 m3/h的水泵，通過(guò)兩條DN200管道將主支洞的地下水排到洞外。

（3） 采用薄鐵皮對(duì)TBM重要設(shè)備進(jìn)行覆蓋，減少設(shè)備淋水。

（4） 對(duì)較大的涌水點(diǎn)，通過(guò)護(hù)盾孔、管片孔對(duì)圍巖進(jìn)行鉆孔，采用化學(xué)灌將的方法，對(duì)地下水進(jìn)行封堵，以減少涌量。

3? 結(jié)論與討論

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工實(shí)踐表明，隧洞的地質(zhì)條件對(duì)TBM掘進(jìn)影響較大，主要因素包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、巖石石英含量、地應(yīng)力、地下水等。

（1） 巖石單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）超過(guò)80 MPa時(shí)，TBM滾刀的破巖效率隨著Rc的增加而降低，當(dāng)Rc超過(guò)180 MPa時(shí)，TBM的日進(jìn)尺一般低于10 m。因此在超硬巖石條件下提高TBM的破巖效率是將來(lái)一個(gè)重要研究方向。

（2） 當(dāng)巖體完整性系數(shù)（Kv）在0.40～0.60時(shí)TBM有較高的破巖效率，巖體過(guò)于完整或過(guò)于破碎都會(huì)降低TBM掘進(jìn)效率。

（3） 過(guò)高的巖石石英含量會(huì)加速TBM滾刀刀圈的磨損，可從材料學(xué)出發(fā)，研究高耐磨性的滾刀刀圈材質(zhì)，降低頻繁更換滾刀對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響。

（4） 高地應(yīng)力可能產(chǎn)生硬巖巖爆和軟巖大變形，地應(yīng)力越低對(duì)TBM施工越為有利。在TBM設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)地應(yīng)力情況進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)以減少地應(yīng)力對(duì)TBM施工的影響。

（5） 隧洞的地下水越少對(duì)TBM施工越有利，大量的涌水不僅影響TBM掘進(jìn)效率，而且會(huì)破壞地下水環(huán)境，研究高效的堵水材料和工藝也是將來(lái)隧洞TBM施工的一個(gè)重要方向。

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（編輯：鄭 毅）

Study on geological factors affecting double shield TBM tunneling efficiency and countermeasures

YANG Jihua，WEI Jianpeng，WANG Zhiqiang，YANG Fengwei，QI Sanhong

（Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：

Taking the construction of Lanzhou Water Source Project as a background，which uses double shield TBM for tunneling，we analyze the effects of geological factors on TBM tunneling efficiency through on-site investigation and data statistics and propose countermeasures for each geological factor.The geological factors include uniaxial compressive strength of rock，rock mass integrity，quartz content of rock，ground stress，and groundwater.The results show that when the uniaxial compressive strength （Rc） of rock is between 50～80 MPa，the TBM advancing rate （AR） reaches over 30 m in a day.When Rc is below 50 MPa，AR decreases with decreasing strength.When Rc is above 80 MPa，TBM tunneling speed decreases with increasing Rc.When the rock mass integrity coefficient （Kv） is between 0.40～0.60，AR reaches the highest.When Kv is greater than 0.60，AR decreases with increasing Kv，and when Kv is less than 0.4，AR decreases with decreasing Kv.The lower the quartz content of the rock，the lower the ground stress level，and the less groundwater，the more favorable it is for TBM tunneling.The research results can provide reference for TBM geological suitability evaluation and construction methods for similar projects.

Key words：

water conveyance tunnel； double shield TBM； construction efficiency； geological factor； Lanzhou Water Source Project