天山勝利隧道TBM選型及不良地質預防研究

李亞隆

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

1 隧道設計概況

1.1 工程概況

新疆烏尉高速天山勝利隧道全長22.035 km，屬特長隧道，隧道進口高程2 770 m，出口高程2 900 m，前11.90 km為1.6%的上坡，后10.135 km為-0.5%的下坡，洞身最大埋深約1 112.6 m。運營通風設置通風豎井3處，最深豎井達705.7 m。該隧道采用對向掘進，進出口端各承擔11.017 5 km的施工任務。初步設計采用三洞方案 （三洞＋三豎井，中導洞TBM），隧道主洞施工通過中導洞開辟主洞輔助工作面，詳情如圖1所示。

圖1 天生勝利隧道縱斷面圖

1.2 地表水

天山勝利隧道出口段位于烏斯臺溝，屬于烏拉斯臺河水系，為烏拉斯臺郭勒河上游河流，河流長度約11.33 km，溝口以上集水面積44.81 km2，該河流徑流的年內分配極不均勻，徑流量主要集中在6～9月，主要為冰川融水及雪水。

1.3 地下水

隧道地下水類型可分為基巖風化裂隙水和多年凍土區地下水2種類型。區內地下水徑流趨勢是由北向南，排泄于山前沖、洪積平原區。

1.4 地質

隧道洞身圍巖主要為變質粉砂巖、細砂巖、板巖、片巖、片麻巖、絹云母石英片巖、花崗片麻巖、黑云母花崗巖及斷層碎裂巖，圍巖級別為Ⅱ～Ⅴ級，Rc最大值為90 Mpa。不良地質如下。

（1） 斷層破碎帶。存在涌水、軟巖大變形的可能。隧址區對線路有影響的構造主要有F7斷層破碎帶，其中F7斷層破碎帶長度160 m，斷層破碎帶圍巖主要為風化花崗閃長巖和石英片巖接觸段，受斷裂影響巖體破碎，Rc=30 MPa，[BQ]計算值為225，圍巖等級為Ⅴ級。設計揭露到該斷層破碎帶帶，鉆探深度374.50～378.00 m，受構造擠壓作用強烈，破碎帶處巖石極為破碎，巖石為糜棱巖，手易掰斷，斷層富水程度為中等—強水區。

（2） 涌水。局部地段地下水豐富，水位較高，山體裂隙水較發育，由于花崗巖破碎，裂隙水發育，可能會產生較大涌水。

（3） 巖爆及大變形。隧道洞身最大埋深達1 112.6 m，區域地質構造活動較為活躍，局部圍巖主要以花崗巖等硬質巖石為主，地下風機房、豎井及橫通道等地下洞室錯綜復雜，容易引發巖爆及軟巖大變形等高地應力問題，對隧道的施工安全有較大的威脅。

2 TBM設備選型

2.1 TBM國內調研

根據調研情況，目前，國內直徑8 m左右的大型TBM設備多采用敞開式TBM，這主要考慮到大直徑TBM設備在掘進過程中所需的推力要遠大于一般直徑的TBM設備，而襯砌管片所能提供的推力有限，在掘進過程中掘進推力在很大程度上要由圍巖上的撐靴來提供，因此采用單護盾式TBM不太可行。而雙護盾式盾構雖然能夠通過其尾部的兩個撐靴共同提供掘進推力，但是在地層適應性上存在一定的限制，在復雜條件下，若TBM自身設計的超前預處理措施無法解決地層問題時仍需要采用導坑超前進行鉆爆法開挖預處理的方式通過，這時采用帶護盾的TBM有所限制，常規小直徑隧道 （約≤5 m） 時，復雜地質條件對TBM掘進以及結構安全的影響則要遠小于大直徑TBM （≥8 m），這也是小直徑隧道多采用雙護盾TBM，而大直徑隧道采敞開式TBM的一個主要原因。

2.2 TBM選型

與敞開式TBM掘進相比，雙護盾式TBM掘進的優勢主要在于二次襯砌的快速化施工和軟弱圍巖段的快速掘進，根據本項目的地質條件，軟弱圍巖段基本處于斷層破碎帶或其影響帶，在這種復雜地質條件下，8 m直徑左右的洞室掘進采用雙護盾式TBM通過時仍需要采取可靠、充分的超前預處理措施，這與采用敞開式TBM、超前預處理后掘進通過并不具備太大優勢，兩種設備均有相應的措施順利通過斷層破碎帶及其影響帶，不同之處在于雙護盾式TBM通過地層弱加固、快速掘進、二襯及時跟進的方式保證結構的安全，而敞開式TBM通過地層強加固、慢速掘進、加強初期支護的方式保證結構的安全，在施工效率上雙護盾式TBM略優。

本項目除了斷層破碎帶外并不存在其余的軟弱圍巖段落，雙護盾式TBM需要配套的拼裝設備系統、管片預制等相應的工程和設備措施，工程費用上大大高于敞開式TBM掘進。因此，本次項目設計推薦采用地層適應性更強的敞開式TBM進行設計，以達到施工效率最大化和地層適應性最好的目的。

3 TBM施工不良地質預防及處理措施

3.1 主要不良地質

隧道主要不良地質是涌水、高地應力產生的巖爆及大變形等。

隧道圍巖的斷層破碎帶、巖體侵入接觸破碎帶、節理密集帶、富水帶等較為發育，巖體較破碎—破碎，圍巖級別較低，F6、F7斷層破碎帶及巖性接觸帶等圍巖段屬中等富水區，涌水量大，開挖可能導致涌突水現象；隧道最大埋深超過1 200 m，且部分巖體為花崗巖等硬質巖，隧道開挖后可能會產生巖爆，其中，SZK02鉆孔ZK79＋320和YK79＋350附近產生應力集中，存在中等巖爆的可能；隧道穿越斷層破碎帶，地層巖性局部為軟巖，可能存在高地應力現象，因此隧道深部軟質巖存在大變形的可能。

3.2 TBM施工預防及處理措施

3.2.1 涌水

涌水對施工影響較大，嚴重的涌水可能造成施工中斷，威脅施工人員人身安全，在確保安全的前提下，以滿足TBM設備掘進為條件，實施堵、排相結合的綜合處理措施。

（1） 探水。堅持實施超前地質預報，采取鉆探＋物探等多種探測手段，多種探測方法相互印證的綜合預報方法。

（2） 排水。TBM設備上布置強大的排水系統，TBM排水系統分為正常掘進排水系統 （小方量） 和應急排水系統（大方量）。涌水正坡段由TBM排水系統直接引排至平導中部的梯形排水溝；反坡地段采用移動泵站的排水方法。隧道洞身線路縱坡為人字坡，進口段12.615 km為2%的上坡，出口段8.285 km為-0.5%的下坡，出口段反坡地段2 190 m需反坡排水，設泵站接力排水，引排至正坡洞中部的梯形排水溝。洞口梯形排水溝在路基外側設置污水處理系統后引排至路基排水溝。

（3） 堵水或引排。涌水點出護盾后，根據設計實施封堵、引排措施或是封堵和引排相結合的綜合措施。

3.2.2 巖爆

TBM工法本身是防治巖爆非常有效的手段。由于采用機械掘進開挖，對圍巖的擾動非常小，同時，開挖面為圓形，開挖輪廓非常圓順，不易產生應力集中現象，這兩方面因素本身對減少巖爆的發生和降低巖爆的發生等級非常有效。

在巖爆段施工堅持“防治結合”的原則，根據施工中巖爆的不同級別分別采取不同的施工方法和措施進行預防和處理，主要應對措施有。

（1） 根據地質資料，加強設備的能力儲備，主要提高設備的扭矩、推力，盡量減少刀盤外露面積，減少盾體長度，刀盤配置擴挖功能。

（2） 采取向巖面噴水、噴霧或深孔注水辦法，降低表面脆性或降低巖石硬度。

（3） 采用漲殼式預應力錨桿、鋼纖維混凝土等新材料、新工藝試驗，防止或者減弱巖爆發生及其造成的影響。

（4） TBM尾盾上設置鋼筋排支護系統，防止落石造成的損失，初噴完成后，對初支背后的松散體注漿加固。

（5） 對TBM后配套采取搭設防護棚等措施進行防護，確保人員及設備安全。

（6） 對于中等—較弱的巖爆，及時噴錨網支護，減少圍巖暴露時間，減少巖片剝落造成的安全隱患。

（7） 針對強巖爆地段，采用TBM自帶的超前鉆機鉆孔，對開挖面周邊進行弱爆破以超前釋放部分地應力，然后TBM掘進通過。

（8） 必要時采取加密拱架間距、加大拱架型號、加密錨桿間距等參數，加強支護強度。3.2.3 高地應力、圍巖大變形

（1） 主驅動采用電液混合驅動技術，提高脫困扭矩。若圍巖變形過大，導致刀盤被卡，可通過設備上配置的液壓馬達驅動對設備進行脫困。

（2） 后配套設計預留足夠的圍巖變形量空間，保證后配套順利通過。

（3） 圍巖松散地段，撐靴處預加固。TBM掘進斷層破碎帶地層時，撐靴無法撐緊洞壁，需要對撐靴處圍巖進行預加固。

（4） 通過增加墊塊的方式，可實現刀盤的擴挖功能，刀盤直徑可擴挖量為10～300 mm。擴挖后為保證TBM機刀盤圓心處于同一水平面，抬升主驅動，必要時按照擴挖要求進行TBM機主驅動抬升的專項設計，如圖2所示。

圖2 撐靴部位預加固圖

4 結語

綜上所述，考慮到該工程項目尚未施工，以上敞開式TBM選型和不良地質預防處理措施可為高速公路長大隧道施工提供參考。除敞開式和護盾式選擇外，其他輔助系統的選擇也是整個TBM選型的關鍵；要結合項目工期合理配置TBM的出渣和運輸設備方式，充分發揮各類TBM掘進速度快的作用。同時，要加強TBM的駐廠監造，提高加工質量，確保項目施工順利完成。