復雜地質環境T B M施工研究方向及方法淺談

李曉晗，王 心

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000）

復雜地質環境T B M施工研究方向及方法淺談

李曉晗1，王 心2

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽111000；2.遼寧省白石水庫管理局，遼寧朝陽122000）

針對我國在復雜地質條件的T B M施工過程中，面臨的七項有待于攻克的難題，本文提出了T B M選型綜合評價體系、施工環境變化特征與演化規律、盤形滾刀破巖機理與防控措施、刀具運行監測系統、圍巖失穩機理與防控方案、長距離掘進配套設備、深埋破碎地層T B M適應性以及T B M施工綜合評判指標與風險防控體系構建等八項關鍵技術的研究方向和研究方法。

復雜地質環境；T B M；關鍵技術；研究方向

1 前言

自上世紀五十年代羅賓斯發明第一臺全斷面掘進機（T B M）以來，由于其具有掘進速度快、連續作業、效率高、對圍巖擾動小、成洞質量高、施工安全、污染小等一系列優點，在國際上得到了越來越廣泛的應用。英法英吉利海底隧道、瑞士洛克伯格和哥特哈德山底隧道、南非萊索托水工隧洞、瑞士費爾艾那鐵路隧道以及國內的引大入秦、引黃入晉、西康鐵路秦嶺隧道、大伙房水庫輸水、錦屏二級電站等工程，都是世界著名的T B M施工工程。

隨著隧道施工技術的不斷發展，硬巖T B M在水利水電、鐵路及公路交通、礦山巷道等施工建設中發揮了越來越大的作用。但面對復雜的地質環境，T B M依舊面臨很多有待于攻克的難題：

1.1 地質適應性差

不同類型的T B M有不同的特點，適用于不同地質環境，T B M型式選擇的適當與否決定了工程進度甚至關乎工程的成敗。

1.2 復雜地質條件對T B M施工影響

一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用T B M輔以必要的支護措施進行掘進，但若遭遇特殊斷層、軟硬兼具圍巖段、涌水涌泥、巖溶、高地應力、巖爆、圍巖變形等多變地質狀況，將對T B M施工造成嚴重甚至是災難性的影響。

1.3 圍巖失穩對施工的影響

遇到不良地質、圍巖失穩可能造成T B M無法正常掘進甚至被卡、被埋，對施工造成嚴重破壞及巨大的損失。

1.4 刀具消耗費用對施工成本的影響

刀具消耗費用是T B M施工占成本比較大的一個項目，地質情況越復雜、圍巖強度越高、石英含量越高，刀具消耗費用也越高，據統計在秦嶺隧道堅硬的片麻巖地段掘進，刀具消耗費用占掘進總成本的近三分之一。

1.5 刀具檢查及更換作業時間長

設備掘進過程中，每間隔3～5個循環就需要停機進行一次刀具檢查，地質情況極特殊的情況下每2～3個甚至1個循環就要檢查一次刀具，一般情況下刀具檢查時間占總設備作業時間的7%左右，對掘進效率影響非常大。正常情況可每天利用設備維修時間進行刀具更換，但若遇硬度或石英含量較高的圍巖洞段，更換刀具數量達10把以上，需占用大量正常掘進的時間進行刀具更換，對設備利用率造成嚴重影響。

1.6 出渣的影響

出渣是制約T B M施工進度的因素之一。T B M掘進過程中出渣量大，對出渣設備效率要求比較高。根據工程特點合理的選擇出渣方式及出渣設備對施工進度將起到非常關鍵的作用。施工過程中，因出渣效率低、設備故障對T B M施工造成的影響是非常嚴重的。特別是復雜地質條件下的長距離、大斷面隧道掘進，出渣的問題尤為突出。

1.7 設備掘進過程中同步襯砌問題

在復雜地質條件下，要實現T B M掘進過程中的仰拱及邊頂拱的同步襯砌，需要解決襯砌與掘進進度匹配、T B M掘進與襯砌運輸相互干擾、出渣及通風設備影響等難題，才能保證T B M運渣、通風、高壓供電、照明通訊、供水、排水各工序順暢銜接。T B M掘進過程中的同步襯砌問題，直接影響到施工周期和施工成本。

2 研究方向

鑒于上述T B M施工過程中亟待解決的問題，開展復雜地質條件下T B M施工關鍵技術研究方向和方法具有非常重要的意義。借鑒國內外T B M施工的經驗與教訓，可以從以下方面進行有針對性的研究：

2.1 T B M選型綜合評價體系技術的研究

根據施工段地質特征對T B M恰當選型決定了工程能否順利進行。國內自引進T B M施工技術以來，有成功的經驗，也有過很多的失敗的教訓。國內T B M選型的技術研究早已開展，如茅承覺［1］對全斷面巖石掘進機選型進行了全面探討、殷耀章及高勇［2］對深埋長大隧洞T B M施工設備選型進行了深入探討等，但如果能夠建立以隧道設計參數、工程特性指標、地質條件適應性、影響掘進的地質因素、施工環境影響因素、掘進性能指標、工期及節點工期要求等各方面為評價指標的T B M設備選型綜合評價體系，從多角度綜合比選，科學的進行T B M選型，將對設備選型、施工產生非常積極的影響。

2.2 復雜地質環境下T B M施工環境變化特征及演化規律研究

對于復雜地質環境下的T B M施工，國內外有過非常多的研究，如尹俊濤等［3］從巖土力學和工程地質角度對T B M施工過程中遇到的諸多地質問題導致的卡機或管片變形等工程事故進行了剖析并對采取的工程措施進行了總結、尚彥君等［4］對國內外典型的三個T B M施工遇險實例進行了透徹分析與反思，但目前多數研究成果是針對已完工程的總結，如能夠通過科學分析，對施工環境變化特征及演化規律做出深入研究，將對T B M施工起到很大的積極作用。如通過巖芯取樣、超前鉆探等手段，并對巖石成分進行分析，輔以超前地質預報等手段從微觀和宏觀兩方面，針對地質工程特征，研究不同的圍巖結構、物理特性和力學特性；針對地下水影響，研究地質體的可溶性、滲透性及突涌水特征；針對地溫影響，研究超深特長隧道中高地溫特性等，將會為后續T B M掘進研究提供工程地質賦存條件。

2.3 盤形滾刀破巖機理及防控措施研究

T B M盤型滾刀破巖機理是刀具研究的熱點和難點，對滾刀破巖過程中滾刀與巖石的作用機理、滾刀在刀盤上的定位與滾刀磨損的相關性等國內已經有過較多的探討與研究，如張照煌等［5］在深入研究了巖石在盤型滾刀作用下的形變和剝落特點的基礎上建立了巖石在盤型滾刀作用下的力學模型、宋克志等［6］指出了影響盤形滾刀與巖石相互作用的因素主要是機械因素和地質因素、滿林濤等［7］利用A B A Q U S軟件建立了滾刀破巖的有限元模型分析滾刀破巖機理。但采用試驗的方式就滾刀機械機構和材料對滾刀磨損性的關聯、為刀具磨損預測公式和磨損模型的建立奠定理論基礎等的研究工作國內尚未開展。如能夠利用較先進的試驗儀器，采用C A I巖石磨蝕伺服實驗儀等試驗儀器并研制巖粉磨蝕實驗裝置，開展刀具磨蝕性實驗和滾刀巖粉磨蝕實驗，建立T B M刀具磨損預測模型，將為國產T B M發展刀盤及刀具設計打下基礎。根據工程施工過程中盤形滾刀的實際數據對比所建立的模型，以此評判模型的正確性，并可以計算出恰當的換刀時機，對T B M施工也將帶來積極的影響。

2.4 刀具運行監測系統研究

針對刀具檢查占用時間較長的問題，采取視頻、光電、溫感等有效手段，實現對滾刀運行過程的實時監控，及時了解滾刀運行狀況及磨損情況，減少刀具檢查時間，及時發現刀具運行的異常情況，避免刀具弦磨現象出現，可以大大提高設備掘進效率，加快施工進度，同時也可以有效減少刀具消耗量，降低工程施工成本。

2.5 破碎地層圍巖失穩機理與防控方案研究

進行破碎地層理論建模，進行巖機作用有限元分析，探索破碎地層圍巖壓力和圍巖抗力的大小和分布情況，評價圍巖穩定性，提出適用于T B M施工的圍巖質量評價指標；建立T B M破碎帶圍巖彈塑性有限元模型，研究不同埋深、不同巖性、不同應力場的圍巖和變形響應規律，結合現場支護結構應力應變試驗，分析支護結構變形規律，建立T B M擾動下圍巖失穩與支護模型，優化支護方案。將對節約工程投資、提高工程質量有重要意義。

2.6 T B M長距離掘進配套設備關鍵技術研究

連續皮帶機是T B M長距離隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用連續皮帶機出渣情況下的同步襯砌工藝，實現連續皮帶機順利穿行同步襯砌臺車在國內的蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程已經有過成功的應用，如徐雙永等［8］對該工程T B M掘進同步襯砌技術進行了詳盡論述，對今后類似工程施工將起到積極的借鑒作用。研究T B M掘進速度與巖碴運輸能力的匹配關系、膠帶與碴土的相互作用原理，建立皮帶機的動力學模型，通過連續皮帶機動力學仿真優化連續皮帶機的性能參數；分析皮帶機運行故障案例，提出解決皮帶機支架快速加裝延伸、皮帶偏離定位基準、皮帶清掃、斷帶等問題的有效解決方案；研究T B M長距離施工噴射混凝土性能、制作工藝、設備等關鍵技術，隧道鋪底作業工法及配套設備等關鍵技術，T B M掘進隧道同步成型襯砌工法及配套設備等關鍵技術，這些目前均為較新的課題。

2.7 深埋破碎地層T B M適應性研究

基于深埋破碎地層的復雜地質條件和巖石機器相互作用機理，研究T B M適應性設計的關鍵要素，是建立深埋破碎地層T B M適應性設計理論基本框架；研究刀盤刀具配置和掘進模式轉換設計，建立高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層T B M破巖適應性設計理論與方法，是基于破碎地層圍巖變形的T B M護盾及推進系統設計的準則；研究復合地層刀盤和驅動系統的推力、彎矩和轉矩特性，為破碎地層T B M主參數設計提供理論依據。這些研究將對T B M國產化產生深遠影響。

2.8 T B M施工綜合評判指標和風險防控體系構建

綜合分析地質條件、擾動區圍巖力學響應、巖機相互作用、施工安全性、圍巖穩定性等T B M適應性影響因素的性質和特征，定義T B M與各影響因素的適應度，依據層次性、效度和簡明性原則，構建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層T B M適應性評價體系，并根據復雜的地質條件和施工中面臨的風險因素，進行有效的風險管理與控制。將減少施工中多種問題的出現及避免工程事故的發生。

3 研究方法

針對目前國內在建T B M隧道工程施工過程中遇到的疑點、難點問題，借鑒國內外既有工程經驗，提出以下研究方法以供參考：

3.1 結合其它課題研究成果，采用理論分析、物理實驗、數值模擬等方法，來研究高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層條件下的刀具磨損機理、支護機理以及長距離隧道有限空間內皮帶機出渣等問題，提出刀具磨損預測公式、安全支護模型和T B M適應性評價標準，構建高風險地段T B M施工綜合評判和風險防控體系。

3.2 基于滾刀破巖機作用綜合試驗平臺，研究不同滾刀磨蝕性評價指標和滾刀磨蝕性分級，為滾刀磨損預測模型提供基礎指標。

3.3 采用有限元或其它數值分析軟件進行開挖面圍巖穩定性分析，得出T B M擾動下開挖面失穩模型，從模型失穩主要因素入手，分析控制擾動的措施，采用T B M施工數據回歸得出合理的T B M掘進參數。

3.4 采用適應關聯、模糊綜合評價、工程經驗反饋等方法，對影響深埋破碎地層T B M掘進的主要因素進行規范化和量化，提出能有效反映T B M適應性的評價指標及體系。利用模糊數學評判方法和反饋分析理論，研究T B M綜合性能的預測和評估方法，建立深埋破碎地層T B M適應性及施工安全評價模型。在此基礎上，依托工程實例并通過軟件編程，構建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層T B M適應性評價決策系統和預測評價及驗證完善。

4 結語

隨著國家水利、電力、交通、運輸等方面的大力發展，隧道工程將越來越多，特別是超深、長、大隧道逐漸占據越來越大的比例，不可避免穿越環境惡劣的復雜、不良地質洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解決復雜地質條件下T B M施工關鍵技術，將對國內T B M施工技術水平的提高以及T B M國產化都將產生不可估量的作用，同時也對促進西部、西南部及山區經濟發展，確保鐵路、公路、水利水電、大規模調水工程、國防工程等基礎設施建設的順利開展，產生深遠影響。

［1］茅承覺.全斷面巖石掘進機（T B M）選型的探討［J］.建設機械技術與管理，2006（08）：57-62.

［2］殷耀章，高勇.深埋長大隧洞T B M施工設備選型的探討［M］.中國鐵道建筑總公司，2002（10）.

［3］尹俊濤，等.T B M掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策［J］.工程地質學報，2005（03）：389-396.

［4］尚彥君，等.T B M施工遇險工程地質問題分析和失誤反思［J］.工程地質學報，2007（12）：2004-2411.

［5］張照煌，等.巖石在盤型滾刀作用下的性能研究［J］.水利學報，2011（10）：1247-1251.

［6］宋克志，等.盤形滾刀與巖石相互作用研究綜述［J］.鐵道工程學報，2005，22（06）：66-69.

［7］滿林濤，等.盤型滾刀破巖過程有限元數值模擬［J］.工程建設，2011（08）：1-5.

［8］徐雙永，等.西秦嶺隧道T B M掘進同步襯砌技術［J］.現代隧道技術，2011，48（02）：1-4.

圖3 “具體要素-分項成熟度”自我評價雷達圖

（1）企業三體系經過多年的運行與發展，體系的符合性已不是問題，也取得了一定成效，較好地支撐了企業經營生產工作的持續快速發展。但運行績效還不太明顯，總體成熟度還不算高，經綜合分析評價，綜合評價得分為2.667分，即規范化級偏上水平，與最佳實踐級（5分）要求還有較大差距。

（2）企業對與三體系運行相關的管理發展不夠平衡，有的相對較好，如在基礎設施、工作環境、自然資源等方面優勢明顯，已達優秀級（4分）及以上水平。有的相對薄弱，如在知識信息和技術管理（2.25分）、監視與測量管理（2.375分）等方面，剛處于規范化級偏上一點水平。

（3）企業與三體系運行相關的規章制度比較完善，可以說該有的都有了，下一步的體系改進的重點主要為與其他相關管理體系的深度融合協調，建立系統化保障機制，提高體系執行力和運行的有效性。

（4）本文對三體系運行績效及其成熟度的評價內容與方法進行了探討。結果表明，利用相關標準要求對企業開展體系運行績效及成熟度評價是可行的，其成果可對企業開展相關績效評價和其他具體要素評價提供經驗或參考。

6.2 幾點建議

（1）成立企業級的自我評價小組和人員，明確其職責和權限，經最高管理者批準后實施。

（2）進一步完善體系運行績效及成熟度評價內容和方法，積極開展其他具體要素的自我評價，以客觀正確評價企業三體系績效及成熟度情況。

（3）加強自我評價前期策劃工作，積極開展評價后續活動的實施。

（4）加強戰略與方針展開、溝通與考核工作，促進實現戰略—經營—組織—管控的有效協調。

（5）建立相關職能和崗位工作標準，進一步明確各相關職能和權限，促進其協調運作。

（6）加強管理信息系統的整合力度，建立知識管理系統，建立統一開放的知識、信息管理平臺，促進各類知識、信息的有條件共享和使用。

（7）加強過程監測工作，尤其是加強關鍵績效的監測，以集中的界面進行顯示和監測。

（8）加強制度執行文化、責任文化、學習和共享知識文化等企業文化建設，努力打造企業的軟實力。

參考文獻

［1］GB/T19001-2008/ISO9001：2008.質量管理體系要求［S］.

［2］GB/T24001-2004/ISO14001：2004.環境管理體系 要求及使用指南［S］.

［3］GB/T28001-2001.職業健康安全管理體系規范［S］.

［4］GB/T19004-2011/ISO9004：2009.追求組織的持續成功 質量管理方法［S］.

［5］GB/T19580-2012.卓越績效評價準則［S］.

［6］全國認證認可標準化技術委員會，全國質量管理和質量保證標準化技術委員會等.《追求組織的持續成功 質量管理方法》理解與實施［M］.中國質檢出版社、中國標準出版社，2012.

［7］中國質量協會，卓越國際質量科學研究院.卓越績效評價準則實務（第二版）［M］.中國質檢出版社、中國標準出版社，2012.

［8］G B/Z 19027-2005/I SO/T R 10017：2003.G B/T 19001-2000的統計技術指南［S］.

文獻標識碼： 文章編號：1672-2469（2015）05-0061-04

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.019

李曉晗（1970年—），男，高級工程師。