引洮供水一期工程長隧洞TBM施工關鍵技術及實踐

陳曉東

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省大型跨流域引調水引洮供水一期工程總干渠洞長大于15.0km的2座長隧洞，各采用1臺直徑Ф5.75m的護盾式全斷面巖石隧洞(隧道)掘進機(Shield Type Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)施工。2座長隧洞工程地質環境復雜，施工難度大，是近年來國內引調水、鐵路及礦山工程長隧洞(隧道與巷道)TBM施工技術取得優異成效的典型工程。

7#新寨嶺隧洞全長17.29km，采用單護盾TBM(Single Shield TBM)為主，鉆爆法及“凍結法”特殊工法為輔施工，開創了中國首臺單護盾TBM施工技術的成功應用。進出口兩工作面總長13.29km采用TBM掘進，占76.9%；鉆爆法掘進總長3.70km，占21.4%；“凍結法”掘進總長0.30km，占1.7%。TBM掘進及空推滑行拼裝預制鋼筋混凝土管片襯砌總長13.89km，占80.3%，其余為現澆鋼筋混凝土襯砌。進口工作面TBM掘進段布設1座豎井及2座斜井施工輔助支洞，作為含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖先行鉆爆法掘進工作面。

9#高峰隧洞全長18.28km，采用雙護盾TBM(Double Shield TBM)施工，除進出口及含漂石礫巖段總長1.78km為鉆爆法掘進之外，其余長16.50km采用雙護盾TBM自出口向上游掘進，占90.3%，TBM掘進及空推滑行拼裝預制鋼筋混凝土管片襯砌總長18.18km，進出口加強段現澆鋼筋混凝土襯砌，中部距出口5.63km處布置1座施工輔助斜井支洞，作為少量含漂石礫巖段先行鉆爆法掘進及上游長12.65km段通風工作面。

兩座長隧洞輸水流量設計32.0m3/s，加大36.0m3/s，縱坡1/1650，TBM掘進及空推滑行拼裝預制C45鋼筋混凝土管片襯砌段為圓型斷面，是隧洞主要斷面及支護襯砌型式，凈洞徑Ф4.96m，標準縱橫剖面如圖1所示。襯砌管片采用不等邊菱形六邊型體型，厚280.0mm，洞身全圓分塊4塊，拼裝形成“蜂窩狀龜背式”環向平面相接、縱向凹凸面鑲嵌自鎖自適應變形的整體平衡穩定結構，底拱90°范圍管片下部充填M15水泥砂漿，側頂拱270°范圍管片背部充填粒徑5.0～10.0mm豆礫石并低壓灌漿固結，結石強度C15。

1 工程地質研究

7#長隧洞最大埋深350.0m，穿越中生代白堊系(K1hk)及新生代新近系(N2L)內陸河湖相紅色碎屑沉積中厚層狀地層。新近系地層長13.53km，占78.3%，為隧洞穿越的主要地層，屬Ⅴ類軟-極軟巖，巖性以泥質粉(細)砂巖、砂質泥巖及疏松粉(細)砂巖為主，單軸飽和抗壓強度多小于5.0MPa。

含水疏松粉(細)砂巖為7#長隧洞新近系地層中的特殊巖層，間隔帶狀分布9段總長3.14km，占新近系地層總長23.2%，占隧洞全長18.2%，埋深92.0～292.0m。洞底以上層厚一般15.0～70.0m，局部大于200.0m。試驗研究表明，巖體完整性系數0.6～0.8較好，黏粒含量7.0%，粉粒含量小于25.0%，主要粒徑0.04～0.3mm，級配與膠結差，細粒碎屑結構，成巖性極差，顆粒級配累計曲線如圖2所示。含水率7.7%～17.2%，飽和吸水率13.1%～24.8%(均值18.1%)，密度2.07～2.25g/cm3，孔隙率15.6%～33.3%，基本呈飽和狀態，密度小，多孔隙，結構疏松。滲透系數6.5×10-5～3.5×10-4cm/s，透水率2.6Lu，浸水3.0～6.0h完全崩解成粉末狀，弱透水，遇水極易軟化，浸水極易崩解，失水易干縮龜裂，具典型泥質膠結特征，干濕效應極為明顯，水理性極差，松弛變形極為強烈。單軸飽和抗壓強度0.66～1.2MPa，抗剪強度C=22.8～76.5kPa，Ф=32.3°～50.5°，強度應力比0.1～0.4，允許承載力0.2MPa，巖性極其軟弱，強度極低，具各向異性，變異性大，塑性變形強烈，具典型極軟巖塑性變形剪切破壞力學特征[1]。

圖2 含水疏松粉(細)砂巖顆粒級配累計曲線

地下水對疏松粉(細)砂巖性狀、強度影響、軟化與潛蝕作用，以及穩定性破壞誘導極為顯著，抗壓強度隨含水率變化曲線如圖3所示。當含水率接近或達到飽和時，松弛變形與液化效應強烈，強度下降60.0%～70.0%，內摩檫角減小10.0%～20.0%，降幅極為顯著；含水率大于7.5%后強度隨含水率增大急劇下降，大于13.0%后降幅趨緩，進入“屈服”狀態。試驗研究及掘進實踐表明，巖體含水率小于13.0%時無水滲出；13.0%～15.0%時產生滴滲水；接近或大于14.0%時掌子面不能自穩，變形破壞加劇。

圖3 含水疏松粉(細)砂巖抗壓強度隨含水率變化曲線

疏松粉(細)砂巖遇承壓地下水、含水率增大、巖體臨空及擾動時，極易液化形成突泥、涌砂，以及破壞性大變形與坍塌等主要突出工程地質問題。TBM掘進易發生“栽頭”、卡機及姿態偏移等事故，因刀盤旋轉振動，亦可能對圍巖形成一定程度液化，發生地基滲透變形。總體分析評價，含水疏松粉(細)砂巖工程地質性質極為惡劣，地質環境極為復雜，安全風險極高[1- 2]。

9#長隧洞最大埋深456.0m，圍巖巖性復雜多變，新元古代-新生代、堅硬-極軟、Ⅱ-Ⅴ類均有分布，呈軟-硬交替相間特征，軟巖總長10.62km，占58.1%，其中：Ⅱ-Ⅲ類堅硬-較硬巖為前震旦系(AnZ1mx3)地層，總長7.66km，占41.9%，主體巖性為花崗片麻巖、大理巖及片巖，抗壓強度60.0～95.0MPa，穿插前寒武系(∈1)輝綠巖及花崗閃長巖侵入體；Ⅳ類較軟-軟巖為古近系(Egy)山麓堆積粗碎屑含漂石礫巖地層，長4.07km，占22.3%；Ⅴ類軟-極軟巖為古近系(Egy)與新近系(N2L)地層，總長6.55km，占35.8%，巖體性狀與7#長隧洞主要圍巖基本類似。

含漂石礫巖地層呈單斜厚-巨厚層狀，泥質膠結為主，膠結程度、層間結合、抗風化及穩定性差，結構較為松散，遇水易軟化崩解。顆粒較粗，粒徑不等且相差懸殊，孔隙率15.0%～20.0%，泥含量10.0%～15.0%，礫及砂含量70.0%～80.0%，礫石粒徑一般1.0～20.0cm，漂石含量15.0%～20.0%，小直徑一般0.2～0.4m，大直徑一般0.5～1.2m，最大2.1m，成分以高強花崗巖及花崗片麻巖為主。主要工程地質問題為遇水軟化崩解、外力或機械作用時易形成次棱角狀礫石、漂石與孤石，易產生變形坍塌，漂石塌落脫離巖壁形成空洞，并帶動周邊坍塌造成斷面超挖，以及TBM掘進大直徑漂石及孤石破碎與滾刀“弦磨”。

7#長隧洞全線不同程度存在地下水，總體呈斷續不均及多層狀分布，滴滲狀或線狀出露，泥質粉砂巖及粉砂質泥巖構成相對隔水層，疏松粉(細)砂巖、砂礫巖及砂巖為相對透水層，向斜構造核部相對富水，呈壓力股狀流水。疏松粉(細)砂巖中賦存地下水具多層狀，最大涌水量50.0～60.0L/(m·min)，最大承壓水頭74.0m。9#長隧洞長約12.0km段位于地下水位以下，一般為滴滲狀出露，斷層與裂隙密集帶、溶洞及不整合接觸帶呈線狀或股狀流水，前震旦系地層地下水呈脈狀不連續分布，并有靜儲量短暫性突涌水，一般小于50.0L/s，最大95.0L/s，含漂石礫巖地層最大涌水量300.0L/s。

2 TBM設備技術性能

2臺NFM1411/260/052- 053型直徑Ф5.75m硬巖護盾式TBM(Hard Rock Shield TBM)由法國法瑪通公司(NFM)設計，并與中國北方重工(NHI)沈陽重型機械集團有限責任公司(SHMG)聯合生產制造，由主機、后配套及移動式加利福尼亞道岔平臺三大系統構成，大推力及大扭矩設計，設計月進尺能力平均630.0m，最高1600.0m。TBM設備主要技術性能參數見表1。

3 單護盾TBM施工關鍵技術及實踐

3.1 施工實踐

單護盾TBM于2009年12月29日在隧洞出口工作面開始掘進，2010年1—4月在新近系地層中正常連續掘進總長2.46km，月進尺330.2～934.7m，逐月增加，日進尺一般20.0～50.0m、最高66.0m，月進尺平均614.5m，最高近1.0km。5月底進入含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層，含水率持續10.0%以上并逐步增加，圍巖軟化、液化、滲透與壓縮變形等問題突出，不斷遭遇突泥、涌砂、大變形與坍塌等惡劣地質，以及TBM姿態難以控制等主要問題，一般日進尺2.4～8.0m，最高連續5d掘進進尺164.0m，日均32.8m。10月6日掌子面突遇高強特大規模突泥、涌水及涌砂地質災害，圍巖含水率急劇增至23.0%以上(達飽和吸水率)，地下水呈線狀-股狀流水，最大50.0～60.0L/(m·min)。期間刀盤多次被壓被卡與脫困處理，并在洞內狹小空間對設備進行了多項技術改造，取得一定成效，5—12月總進尺351.7m，掘進速度大幅下降，受諸多因素制約，掘進極為困難，TBM掘進于12月底停止，累計掘進總長2.82km，安全通過含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層長456.0m。之后，TBM設備解體拆機轉場至進口工作面施工，并結合掘進實踐及技術改造取得的成效，對設備主機刀盤及盾體整體進行了針對性全新優化設計制造。

進口工作面TBM于2011年7月28日空推滑行拼裝首環襯砌管片，8月17日掘進，連續貫通3座含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖先行鉆爆法掘進施工輔助支洞工作面。由于TBM掘進進度快，3座支洞工作面僅完成特殊極軟巖地層掘進總長541.5m，占控制總長的70.0%，表明鉆爆法在含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖及類似地層中掘進效率低，適應性差。2012年4月30日之前，9個月正常連續掘進總長11.07km(含長601.4m空推滑行)，月進尺基本穩定在700.0m以上，日進尺一般46.0～57.6m，最高80.8m(位于新近系地層)，月進尺平均1230.1m，最高1869.4m，6個月突破1.1km，連續4個月突破1.2km。成功穿越新近系地層總長7.36km，安全通過含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層6段總長754.8m，日進尺一般20.0～32.8m，最高51.9m，僅發生小規模卡機1次，僅10d處理即脫困。

表1 TBM設備主要技術性能參數

2012年4月27—29日在含水率最高達15.4%的特殊極軟巖地層中正常掘進進尺155.7m，日均51.9m。4月30日，進口工作面遭遇長達10.0h以上時間的重大停電事故，TBM在富水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層中長時間失去動力，導致正常掘進被迫中斷，隨時間延續，圍巖含水率持續升高，發生嚴重突泥、涌砂、變形及坍塌，進而造成TBM機頭被“抱死”卡機。供電恢復后采取加強排水與清碴減載，以及大推力28000.0kN(接近極限值)與脫困扭矩強推等多種措施仍無法脫困，TBM掘進停止。

進出口工作面單護盾TBM掘進及少量空推滑行拼裝襯砌管片成洞總長13.89km，占隧洞全長的80.3%，成功穿越總長10.18km深埋新近系Ⅴ類軟-極軟巖地層，安全通過7段總長1.21km含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層，最高月進尺1869.4m，超越設備設計能力，創造了單護盾TBM施工世界最高記錄，居世界領先水平。正常連續施工13個月成洞總長13.54km，日進尺20.0～57.6m，月均進尺1041.4m，含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層日進尺一般20.0～32.8m，最高51.9m。考慮設備停機間斷非正常時段，總計21個月月均進尺仍達661.4m，在工程地質環境極為復雜、性質極為惡劣、安全風險極高的特殊極軟巖地層中，仍取得優異成效，居國內領先水平。單護盾TBM掘進主要技術參數見表2。

3.2 單護盾TBM設備全新設計與優化技術改造研究[2]

3.2.1刀盤

單護盾TBM設備主機刀盤全新優化設計為正反轉雙向掘進與出碴，擬制盾體及后方襯砌管片全圓滾動；刮碴口配置雙向鏟刀，鏟斗側面增設活動式鏟牙封堵裝置，對進碴量及皮帶機輸碴量均衡控制；減重至60.0t，減小盾體接地比壓，降低下沉“栽頭”風險；前伸外露長度縮減至765.0mm，降低載荷及驅動扭矩；旋轉接頭優化，以及過渡區4把擴挖邊刀刀座改為墊塊可分別加高15.0、25.0、50.0mm三種型式，最大擴挖洞徑增加100.0mm至Ф5.85m。

表2 單護盾TBM掘進主要技術參數

3.2.2盾體

盾體全新優化設計為前盾上部前伸400.0mm，有效降低“壓刀盤”載荷及阻力矩；底部增加1根主推油缸，總數增至17根，并在中盾與尾盾間增加1組穩定器，增強機頭校姿調向及脫困能力，防止機頭下沉“栽頭”；前盾頂部增設活動窗口，便于坍塌碴體清理；尾盾底部146.0°范圍盾體適當“外撇”，調向時(主要是豎直向)襯砌管片可直接坐落于基巖面；盾尾上部設置2個簡易撐靴，擬制盾尾“上翹”及后方襯砌管片全圓滾動；灌漿設備增至3套，水泥罐吊機改為螺旋輸送機直接輸入，提高效率。

3.2.3前盾前伸技術研究

盾體前盾上部前伸“刀盤戴帽”防護措施是最重要的優化技術改造，刀盤盤體外露面積減小，坍塌體主要由前伸盾支撐，盾體下部敞開進碴，對有效降低刀盤上部圍巖坍塌體“壓刀盤”荷載，使刀盤與坍塌體摩擦阻力矩小于驅動扭矩，進而防止刀盤被壓及被卡作用成效顯著。出口工作面設備優化改造時，在前盾盾體上部切口212.0°范圍外部增設前伸護盾，前伸量(即刀盤防護長度)560.0mm，掘進洞徑增加90.0mm，由Ф5.75m增至最大Ф5.84m，邊刀改為加高撕裂刀，如圖4所示。并重點對盾體前伸后刀盤可降低驅動扭矩量，以及前伸盾結構進行了三維有限元分析計算研究，成果見表3。坍塌體荷載為0.1MPa(塌落高度約4.5m)時，可降低驅動扭矩392.0kN·m；前伸盾可承受最大荷載2.0MPa，相應位移5.0mm。盾體全新設計前盾直接采取上部212.0°范圍前伸400.0mm型式，正常洞徑仍為Ф5.75m，邊刀擴挖最大洞徑Ф5.85m，如圖5所示。

圖4 前盾前伸優化改造(單位：mm)

坍塌體形成荷載/MPa0.060.100.140.180.221.00可降低驅動扭矩量/(kN·m)235.0392.0548.0705.0862.03920.0

圖5 全新設計前伸盾型式(單位：mm)

4 雙護盾TBM施工實踐

雙護盾TBM掘進堅持“穩中求進”總原則，“四班”工作制，通常上午班重點進行設備維護保養、刀具更換維修及材料儲備，保持設備處于高效狀態，為后續正常連續掘進創造良好條件。2009年12月10日空推滑行拼裝起始環管片，2010年2月26日掘進，6月27日與中部施工輔助斜井支洞先行鉆爆法掘進工作面貫通，2011年10月26日全線掘進貫通，歷時23個月。完成掘進及少量空推滑行(長920.0m)拼裝襯砌管片成洞總長18.18km，連續穿越深埋堅硬-極軟巖相間交替及復雜多變地層，日進尺一般20.0～50.0m，最高86.7m，月進尺平均790.5m、最高1464.0m,最低362.9m、14個月大于750.0m，10個月大于900.0m，7個月大于1.0km，進尺較為平穩均衡。雙護盾TBM掘進主要技術參數見表4。

表4 雙護盾TBM掘進主要技術參數

古近系泥質粉砂巖及砂礫巖極軟巖地層TBM掘進中，發生頂部輔推油缸缸體爆裂事故導致停機，圍巖持續變形坍塌嚴重，尾盾被壓，進而導致卡機，經42d坍塌體清理卸載脫困。在堅硬-極軟相間交替及復雜多變圍巖工程地質環境、前震旦系硬巖及古近系含漂石礫巖軟巖地層中突遇最大95.0L/s與300.0L/s大涌水主機被淹，以及極軟巖大變形坍塌卡機情況下，TBM掘進取得優異成效，成功穿越總長6.55km古近系與新近系軟-極軟巖地層，安全通過長4.07km含漂石礫巖軟巖地層，以及最大寬達19.0m、塌落拱高達20.0m的多條斷層破碎帶及其影響帶，僅23個月時間隧洞全線即掘進貫通并同步襯砌成洞，居于國內領先水平。

5 施工關鍵技術

TBM施工實踐中，針對圍巖特性、設備運行狀況及遇到的具體問題，主要采取超前地質預判；加強排水，適時采取超前與真空加壓輔助排水；螺旋輸送機輔助出碴；盡可能“寧慢勿停”，隨機啟動刀盤防壓；強化設備掘進扭矩、推力與姿態參數控制，堅持低推力、低轉速與低貫入度“三低”原則，減輕圍巖擾動；增大主推油缸壓差與鉸接油缸行程差；堅持機頭適當“寧高勿低”原則，避免下沉“栽頭”風險；及時清理刀盤刮碴口與盾體內泥砂減載；適時封堵刀盤進碴斗牙，控制出碴量在理論量的三倍以內；優化刀具配置，正刀區滾刀換刮刀或重型撕裂刀，降低驅動扭矩，減輕圍巖擾動，避免刀具“弦磨”；控制刀盤前部噴水，圍巖含水率較高時不噴水，減輕軟化；盾體外部注膨潤土漿液或廢機油減摩降阻，防止卡機、利于脫困；掌子面前方圍巖化學、超細水泥、水泥-水玻璃漿液灌漿加固；全面提高管片拼裝、豆礫石充填與固結灌漿質量；高度重視邊刀擴挖措施，兩座隧洞分別長3.10km與2.45km極軟巖地層洞徑擴挖至Ф5.85m，適應巖體塑性變形；含漂石礫巖地層采取姿態控制，平穩均衡加大扭矩、推力、貫入度破碎漂石、孤石與防滾刀“弦磨”，以及前盾上部前伸刀盤防護減壓改造，增設高壓泵加大中下部8根主推油缸推力校姿，防機頭下沉“栽頭”推進系統改造等諸多關鍵技術防卡機與脫困[3- 9]，保證正常掘進。

長時間停電及設備故障導致停機工程實踐充分表明，TBM在極軟巖地層中“寧慢勿停、快速連續”掘進通過，以及隨機啟動刀盤防壓，具極其重要性及必要性。

6 結語

(1)兩座長隧洞護盾式TBM在深埋、復雜多變、軟-硬相間交替，特別是工程地質性質極為惡劣的含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層掘進中，取得諸多成功關鍵技術與工程實踐經驗，實現了中國首臺單護盾TBM施工技術的工程應用，TBM施工技術取得重大突破，為我國長大隧洞(隧道與巷道)工程建設開創并積累了成功經驗與實踐技術成果，全面提升了我國地下工程建設技術水平。單護盾TBM施工取得成洞月進尺平均1041.4m及最高1869.4m的優異成效，創造了單護盾TBM施工世界最高記錄，居于世界領先水平。雙護盾TBM施工也取得成洞月進尺平均790.5m及最高1464.0m的優異成效，僅23個月時間隧洞全線即掘進貫通并同步襯砌成洞，居于國內領先水平。

(2)單護盾TBM掘進盡管在富水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層中遇高強特大規模突泥、涌水與涌砂，以及因長時間重大停電事故造成卡機，但在采取主機盾體前伸與增強調姿能力為代表的多項優化技術改造[2]，以及“寧慢勿停”、“三低”、刮刀或重型撕裂刀破巖、邊刀擴挖等諸多關鍵技術后[3- 9]，仍完成掘進并同步襯砌成洞總長13.89km，占隧洞全長的80.3%，成功穿越總長10.18km新近系Ⅴ類軟-極軟巖地層，安全通過長1.21km含水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層，取得優異成效。TBM掘進實踐充分表明，主機盾體前伸優化技術改造對保證施工安全，以及技術性能與掘進效率提升成效顯著，是護盾式與開敞式TBM，以及盾構機設計制造與工程運用的重大技術創新。

(3)7#長隧洞進口工作面TBM停機后所增設多座施工輔助支洞工作面，遇含水率達14.0%以上飽和吸水率的疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層，以及突泥、涌水及涌砂地質災害時，鉆爆法掘進全面失敗。工程施工實踐充分表明，隧洞總體采用單護盾TBM施工技術方案是正確成功的。

(4)兩座長隧洞TBM掘進實踐表明，常規護盾式TBM在富水疏松粉(細)砂特殊極軟巖地層遇高強大規模突泥、涌水及涌砂地質災害時，掘進存在很大安全風險，新疆天山引水工程長隧洞TBM掘進實踐證明，常規敞開式TBM(Open Type TBM)也不適應富水強蝕變及新近系極軟巖地層，施工遇到很大困難。因此，對于新近系富水疏松粉(細)砂巖、第四系飽水土及富水強蝕變巖等特殊極軟巖地層，應采用常規護盾式TBM與盾構機(Shield)相結合的新型雙模集成DSUC型多功能全斷面巖石隧洞(隧道)掘進機(Double Shield Universal Compact Full Face Rock Tunnel Boring Machine-DSUC TBM)施工[10]，DSUC TBM集成常規護盾式TBM及盾構機的雙重特性，為護盾式TBM及EPB(Earth Press Balance，土壓平衡盾構機)兩種掘進模式的組合，通過模式轉換適應軟硬地層掘進，脫困能力強，設備利用率高，國內地鐵與軌道交通工程已有應用，是全斷面掘進機的發展趨勢。