復雜地質環境下全斷面隧道掘進機快速施工技術

李林輝

中國葛洲壩集團第三工程有限公司 陜西 西安 710077

1 工程背景

巴基斯坦Neelum-Jhelum水電項目（以下簡稱“NJ項目”）是“中巴經濟走廊”的標志性工程，項目位于阿薩德·查謨和克什米爾州，總裝機容量969 MW，引水隧洞地處喜馬拉雅山脈區域強烈構造區，軸線長28.58 km，其中單洞段長8.95 km，直徑11.40 m，采用鉆爆法施工，雙洞段單長19.63 km（圖1），采用全斷面隧道掘進機（tunnel boring machine，TBM）和鉆爆法相結合的施工組織方案（其中TBM施工段長2×11.52 km，直徑8.50 m）。洞段最大埋深1 900 m，最大水平主應力108.80 MPa。NJ項目引水隧洞建設中面臨沿線巖層軟硬互層、高地應力、極強巖爆、軟巖大變形和通風排煙等一系列技術挑戰，在喜馬拉雅山脈區域首次運用TBM進行施工是世界級難題，引水隧洞施工又是NJ電站工程建設成敗的關鍵。

1.1 地質難題

NJ項目投標時的引水隧洞施工方法是全部采用人工鉆爆法施工。但人工鉆爆法施工長引水隧洞存在三大問題：一是單向掘進長距離隧洞的通風排煙無法達標；二是出渣難、效率低；三是地質條件復雜，難以保障人員安全。

圖1 巴基斯坦NJ水電站引水洞位置示意

至目前為止，采用TBM在喜馬拉雅山脈區域施工長隧洞還沒有成功的案例，NJ工程屬于首例。相關地質資料表明，NJ工程TBM施工段引水隧洞沿線最大埋深達1 900 m，存在泥（頁）巖遇水軟化及膨脹、高埋深洞段大收斂變形、強巖爆、涌（突）水、穿越斷層破碎帶等主要工程地質問題。

1.2 安裝難題

受隧洞軸線布置和地形條件限制，NJ引水隧洞TBM須采用洞內組裝技術。根據常規TBM安裝間布置要求，需要的安裝間幾何尺寸大，開挖支護工程量大、投資高、工期長。如何保證安裝間結構安全的前提下，合理設置安裝間的結構形式，滿足安裝間快速施工和TBM快速組裝的需求是必須綜合考慮的因素[1-8]。

1.3 棄渣難題

敞開式TBM掘進時露出護盾后坍塌下來的碎石與噴射混凝土后產生的大量回彈料清理難度大。如清理不及時，TBM掘進產生的棄料將會在軌道旁堆積，堵塞排水通道；若超過軌道面，還將對機車行進安全造成較大隱患。因此，需要研發1套高效的棄料清理系統及時將棄渣清理至 洞外。

1.4 支護難題

NJ引水隧洞TBM施工段，既要應對可能發生的軟巖大變形、卡機脫困，又要防控和處理硬巖巖爆造成的危害。研究1套綜合支護措施，實現TBM快速安全施工，是亟待解決的難題。

2 總體思路

在分析TBM施工洞段地質條件及特性的基礎上，參考國內外類似工程TBM的選型經驗，通過選擇適宜掘進洞段地質條件的TBM設備及后配套系統、優化TBM輔助系統設計及現場安裝方案、制定各種不良地質危害防護處理措施等，在保障TBM施工安全的同時，加快施工進度。

3 實施過程

3.1 選擇適宜的TBM類型及相應配置

3.1.1 TBM選型的主要影響因素

根據工程地質及主要地質問題、隧洞運行工況、巴基斯坦土地所有制度、工程進展情況等因素綜合分析，甄別出本工程TBM選型的主要影響因素如下：

1）圍巖類別比例。根據現場資料顯示，TBM施工段Q1類圍巖占比為0、Q2類圍巖約占6%，Q3類圍巖約占45%，Q4類圍巖約占40%，Q5類圍巖約占9%。綜合考慮各型TBM適用條件，從圍巖類別分析，選用雙護盾TBM比較合適。

2）隧洞圍巖大變形。根據咨詢工程師計算分析，TBM施工段徑向最大變形量為420 mm（半徑），敞開式TBM護盾長約5 m，雙護盾TBM護盾長約12 m，在圍巖變形速率較大情況下，采用雙護盾TBM將面臨更大的卡機風險。同時，因預制混凝土管片襯砌緊跟掌子面，預留變形空間被混凝土充填后，混凝土管片在圍巖變形壓力的作用下將被破壞；而敞開式TBM初期支護擠壓破壞后，可在卸壓后采用常規方法逐步更新，處理措施靈活。從應對隧洞圍巖大變形角度分析，選用敞開式TBM較優。

3）巖爆。敞開式TBM設備及施工人員暴露在圍巖或初期支護之下，在中等以上巖爆洞段存在較大安全風險，巖爆彈射出的巖塊可能造成人員的傷亡和設備的毀壞；雙護盾TBM設備和人員均在護盾或管片保護之下，不直接受彈射巖塊威脅，相對而言較為安全。從巖爆導致的安全風險角度分析，選用雙護盾TBM較優。

4）隧洞運行內水壓力。本工程TBM施工段運行期最大內水壓力為1.3 MPa。雙護盾TBM施工隧洞采用預制鋼筋混凝土管片拼裝結構，可承受最大內水壓力不超過1 MPa，且施工段下游3.3 km部分需固結灌漿處理，極大地增加了建設成本，并對TBM正常掘進也造成一定影響；而敞開式TBM施工隧洞采用噴混凝土或現澆混凝土襯砌，可以承受較大內水壓力。從隧洞運行內水壓力分析，選用敞開式TBM較優。

5）征地移民。巴基斯坦為私有制國家，土地為私有制，征地時與土地所有者未達成協議則不能強行征用。假定敞開式TBM混凝土生產系統占地與雙護盾TBM相同，則采用雙護盾TBM因管片預制、存放等需多占地6.65萬 m2，將給施工征地帶來較大的不確定性。從征地移民的難度角度分析，選用敞開式TBM較優。

6）施工進度。根據經驗，開挖直徑8.5 m的敞開式TBM正常掘進平均月進尺為432 m，雙護盾TBM正常掘進平均月進尺為633 m。從TBM正常掘進施工進度方面分析，采用雙護盾TBM更有優勢。

綜合分析上述6個方面可以看出，從圍巖分類、巖爆和施工進度角度分析，采用雙護盾TBM更有優勢；從隧洞圍巖大變形、隧洞運行內水壓力和移民征地角度分析，則采用敞開式TBM有優勢。

盡管兩者各有優劣，但總體仍可看出敞開式TBM更具可控性。為進一步對這一結論進行驗證，需引進定量分析的方法。

3.1.2 建立TBM選型風險樹

把上述6個因素作為起始事件，采用專家評分法對其發生概率賦值，并對其后每一過程發生的概率賦值，計算可得最終事件的風險概率。

3.1.3 選型結果

利用TBM選型風險樹分析的結果顯示，就本工程而言，選用雙護盾TBM比選用敞開式TBM的費用和進度風險要大，安全風險要小。

選用雙護盾TBM在項目控制的三大指標費用控制、安全控制和進度控制中，其中兩項均處于劣勢，雙護盾TBM的正常掘進的進度優勢被內水壓力處理和征地移民的不可控性完全抵消，同時也增加了相應的費用風險。敞開式TBM安全風險相對較大，但可從TBM設備配置及施工工藝上降低安全風險。

敞開式TBM采用風險樹法評估的風險值為0.79，雙護盾TBM采用風險樹法評估的風險值為0.77，二者非常接近，考慮到采用雙護盾TBM同時面臨較大的費用和進度風險，且采用敞開式TBM的安全風險可通過設備和工程措施降低，故引水隧洞TBM選擇敞開式TBM。

3.1.4 基于NJ項目的TBM功能定制

任何一臺TBM都有它的特殊性，NJ工程所選擇的TBM也與其他工程所用TBM有所不同，根據NJ工程的特點進行了量身定制。所選TBM除了可以實現巖石開挖、支護、出渣、運輸、超前預報、超前處理功能外，還具備以下 功能：

1）主驅為變頻驅動并具備脫困能力，脫困扭矩為正常掘進扭矩的2倍以上。

2）TBM具備擴挖功能，最大擴挖直徑100 mm。

3）護盾具有徑向收縮能力，在圍巖壓力較大有卡機跡象時，護盾可以徑向收縮，以釋放圍巖壓力，使護盾能夠順利通過收斂段，護盾徑向收縮能力達150 mm。

4）L1區和L2區分別配置了錨桿鉆機和濕噴設備，實現L1區和L2區同時施工錨桿和噴護混凝土功能。

5）在L1區布置了傘狀鉆機，可實現圓周方向360°超前預報鉆孔、超前錨桿施工、管棚施工等。

6）在L1區配置了鋼拱架安裝器，可以安裝鋼環梁。

7）主洞和支洞采用連續皮帶機變頻驅動，連續皮帶機的輸送能力1 000 t/h。支洞皮帶機滿足2臺TBM同時掘進出渣要求，輸送能力1 500 t/h。

8）采用軌行式柴油動力列車編組進行人員和材料運輸，滿足施工人員和材料的運輸。

9）配置TST超前地質預報設備，可準確分析刀盤前方100 m范圍內的地質狀況。

所選用的TBM為開挖直徑8.53 m的敞開式TBM。

3.2 優化TBM輔助系統設計

1）軌道交通系統。在TBM始發洞設置列車組停放軌道系統，沿TBM施工洞段鋪設單軌，每隔3 km設置1副列車雙開道岔（圖2），滿足列車雙向運行需要。

圖2 雙開道岔結構

2）洞渣運輸系統。TBM設備上布置有主機皮帶機和后配套皮帶機，在原配置的帶寬800、1 000 mm皮帶機的基礎上，另設計安裝洞外延伸皮帶機9條，帶寬1 200 mm，目的是將從支洞皮帶機輸出的石渣料再通過延伸皮帶機直接輸送至洞外渣場，無需再用自卸車倒運渣料。

3）供電系統。設計安裝重油發電站，通過變壓器升壓，將20 kV高壓電輸送至TBM，保障2臺TBM及輔助系統可靠穩定的電力供應。

4）供水系統。在洞外修建2×10 000 m3蓄水池，從河中取水泵送至蓄水池進行沉淀，從蓄水池取清潔水并泵送至2臺TBM的安裝間，滿足TBM儲備5 d供水需要。

5）設計高低臺階形式短安裝間和長始發洞（圖3）。TBM1安裝間長60 m，始發洞長130 m；TBM2安裝間長100 m，始發洞長90 m；洞內分高低2個臺階，每個臺階長30 m。大量減少安裝間開挖支護工程量；根據安裝間高度及進度要求，安裝間分3層開挖完成。

圖3 安裝間及始發洞軌道布置

6）將TBM安裝間橋機承載梁設計成鋼結構梁柱形式（圖4），省略了混凝土巖錨梁施工，降低了施工安全風險，可提前安裝橋機。

圖4 橋機梁柱

3.3 優化TBM現場安裝方案

NJ工程2臺TBM采用短安裝間長始發洞形式在洞內進行安裝，在安裝間分別只有60、100 m的情況下，安裝主機、后配套和皮帶倉需分階段進行。TBM安裝手段為安裝間內的2×100 t＋1×20 t橋式起重機。

TBM安裝順序如下：完成安裝前期準備（安裝部位準備、安裝組織準備、安裝人員準備、安裝設備機具準備、完成安裝間低臺階及始發洞TBM步進滑動梁的鋪設）→在低臺階安裝主機及設備→利用步進油缸將主機向始發洞方向推移→在高臺階分步安裝后配套臺車及設備→向前步進→系統管線安裝→調試→試掘進100 m→將低臺階回填至高臺階高程→安裝皮帶艙。

3.4 不斷優化TBM掘進施工方案

在TBM掘進過程中，隨著埋深加大，復雜地質狀況凸顯，掌子面圍巖不穩定、頂拱圍巖塌腔、軟巖收斂變形快、小規模巖爆時有發生，曾發生未及時封閉的仰拱局部區域隆起現象。當TBM進入埋深1 000 m后，復雜地質狀況更加明顯，巖爆頻發且等級有高有低，高埋段地溫高達50 ℃以上。

在TBM掘進施工過程中，通過結合地質條件的不斷變化以及遇到的各種難題進行持續研究和攻關，采取綜合技術措施，保障TBM掘進安全、高效進行。

1）熟練應用超前地質預報，提高分析判斷能力，及時探明刀盤前方100 m范圍內地質變化情況，為TBM施工人員提供具體的地質參考資料，根據不同圍巖選擇合適的掘進參數。

2）根據不同的地質狀況采取不同的支護方式，在滿足支護強度的同時加快掘進施工速度：如Q3類圍巖，L1區采用直徑6 mm的焊接鋼筋網片＋漲殼式錨桿＋100 mm噴護，L2區補噴至設計厚度；如Q4類圍巖且圍巖破碎，L1區采用直徑6 mm的焊接鋼筋網片＋漲殼式錨桿（減小間距）＋150 mm噴護，L2區補噴至設計厚度。

3）進入高埋深區域，地質條件更加惡劣，同時伴有高地溫、高地應力、收斂變形、巖爆、初露巖石破裂。要在安全的前提下穩妥施工，需采取綜合技術手段：

①安裝擴挖刀具，應對收斂變形，防止卡機，擴挖刀具安裝后可擴大開挖直徑100 mm。

②利用超前地質預報鉆探，結合TBM掘進時的刀盤推力、貫入度、扭矩等參數綜合判斷前方圍巖類別及完整程度，通過施工軸向和徑向卸壓孔，釋放巖石集中應力。

③進行巖爆預測，判斷巖爆等級，調整支護方式，抑制巖爆的發生或降低巖爆等級，防控安全風險，提高掘進效率。

④在圍巖破碎區域增加“水漲式錨桿”作為隨機錨桿支護，快速加固不穩定巖石。

4）前方存在較大軟巖破碎帶時，采用超前錨桿、化學灌漿等方式提前加固圍巖；發生坍孔現象，至無法安裝錨桿時，采用自進式錨桿和鋼管制作超前小管棚，將小管棚作為鉆桿使用，利用傘狀鉆機將超前小管棚打入TBM護盾上方，然后對小管棚進行灌漿，實現對掌子面的超前 加固。

5）仰拱跟進噴護。為實現仰拱混凝土跟進噴護，解決現澆方案實施時仰拱部位被軌道占壓導致的施工難度大、質量得不到保證、效率低下等問題，對混凝土噴護設備進行研究，設計了一套由AL302型液壓機械臂、行走裝置、泵送裝置、控制裝置等組成的濕噴智能控制系統，實現了仰拱噴射混凝土與TBM掘進同步施工，操作簡便，人工、設備投入低，現場每臺TBM仰拱混凝土噴護連續施工均超過8 200 m，與現澆仰拱混凝土相比，TBM掘進施工工期縮短至少100 d。

6）加大L1區噴護能力。在TBM進入高埋深遭遇到較強巖爆后，為保證施工安全，對L1區噴護改進加強。根據TBM設備結構及空間，在每臺TBM的第4節后配套臺車上分別改造安裝了2臺SIKA702泵機，此處設有混凝土罐提升機，可以方便地為泵機送料；泵管向前延伸至L1區，滿足L1區噴護需要。

3.5 安全高效拆除TBM

TBM拆除一般都會先開挖拆除間，并安裝好橋式起重機后進行拆除。NJ工程2臺TBM設備拆除過程中，考慮到工期、成本以及洞內環境等各方面因素，對拆除方案進行優化，在無需開挖拆除間，亦不使用大型起重設備情況下，通過將TBM主驅與刀頭側推掩埋入龕、利用液壓平板車頂升主梁裝卸、自制吊點拆除后配套及鋼結構、利用卷帶機快速拆除延續皮帶等，實現了TBM高效就地拆除。

4 結語

NJ項目引水隧洞施工中，TBM2于2016年10月18日在樁號5＋225處與上游人工鉆爆段貫通，累計掘進10 431 m；TBM1于2017年5月1日在樁號5＋629處與上游人工鉆爆段貫通，累計掘進9 893 m。TBM施工段先后穿過了斷層帶、大埋深、高地應力巖爆段等特殊地質情況，通過選擇適宜的TBM設備、改進后配套輔助系統、優化TBM安裝方案、創新支護手段等方式，保障了工程施工的安全，實現了TBM在喜馬拉雅山脈區域的首次成功應用。

TBM作為集隧道開挖、支護、出渣、通風、排水等功能于一體的高度智能化施工設備，隨著國民經濟的快速發展，必將在鐵路、公路、水電等工程地下空間開發利用中廣泛應用。NJ項目TBM在喜馬拉雅山脈區域的成功應用經驗，可為不同復雜環境下TBM的應用實施提供技術指導，對水工隧洞修建技術的提升具有重要意義。