雙護盾TBM在深埋長大水工隧洞的應用可行性研究

李心睿，孫博，何坤

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概況

西藏某水電站引水隧洞全長約30km，隧洞開挖直徑約9m，隧洞垂直埋深普遍較大，最大埋深約1600m，工程區海拔近3000m。引水隧洞沿線山體雄厚，山勢陡峻，引水隧洞圍巖以片麻巖及混合片麻巖為主，總體為堅硬巖，裂隙較發育，以片麻理及長大裂隙為主。該引水隧洞作為高原地區深埋長大隧洞，主要工程地質問題具有復雜性和特殊性，經初步分析隧洞主要存在圍巖穩定、高地應力、高壓突涌水問題等工程地質問題。

2 基于圍巖類別（RMR）的TBM選型方法

TBM性能的發揮在很大程度上依賴于工程地質和水文地質條件，如巖體裂隙等級、巖石單軸抗壓強度和斷裂韌性將決定TBM掘進速率和工程成本；隧洞埋深、圍巖等級、涌水大小等涉及掘進后的支護方案[1]。

根據國內外大量深埋長大隧洞工程TBM法施工研究成果，目前通常采用RMR方法進行機型選擇。具體方法如圖1所示：以敞開式TBM為基準，假設其最高適應權值為100%，不同RMR分值下敞開式TBM和雙護盾TBM適用權值見圖中藍色與紅色曲線。

圖1 基于RMR的TBM選型圖

某水工隧洞圍巖類別按RMR方法進行劃分，兩種TBM的性能權值見表1。由表可知，該隧洞選用雙護盾TBM比敞開式TBM在效率上要高32.84%，所以選擇雙護盾TBM是合適的。

基于RMR的TBM選型分析 表1

3 雙護盾TBM主要改進措施

與傳統雙護盾TBM相比，對于深埋長大水工隧洞施工，需要TBM進行如下改進：

①在雙護盾TBM基礎上，實現在大變形區段能敞開式作業即增加噴混凝土臺車，及時封閉圍巖；

②在雙護盾TBM尾護盾的尾部增加鋼拱架安裝、錨桿功能設備，以適應大變形地層；

③超前鉆機系統分別配置在伸縮盾、盾尾等多個位置，要求能滿足超前注漿加固要求，減少圍巖變形量；

④預留快速處理卡機通道、平臺及出渣通道設計，保證卡機快速處理；

⑤超前地質探測功能要完善，能滿足日常作業要求，噪聲小、效率高；

⑥盾體外側潤滑系統，降低圍巖收斂的卡機風險。

4 雙護盾TBM在不良地質條件施工應對措施

針對深埋隧洞常見的巖爆、大變形、斷層破碎帶及突泥突水地段，雙護盾TBM具有較強適應性，下面逐一分析各種類型不良地質洞段應對措施[4～5]。

4.1 巖爆地段雙護盾TBM施工對策

輕微巖爆和中等巖爆對TBM施工影響不大；

強烈巖爆和極強巖爆發生時，可能會導致頂部圍巖坍塌，坍塌圍巖壓住刀盤和護盾，使護盾變形，特別是伸縮護盾和尾護盾，且TBM通過后可能使管片變形，產生較大的裂紋、錯臺，極端情況下可能使管片失去支護效果，對施工人員和設備造成極大的安全隱患。常規TBM在巖爆發生前難以進行超前預測和處理，巖爆發生后往往只能停機等待，極大影響掘進效率。

雙護盾TBM配置超前地質預報系統、超前鉆機后，可對高地應力區掌子面前方圍巖進行預測和預處理，降低巖爆影響。主要手段：

①加強超前地質探測，預報巖爆發生的可能性及地應力的大小。綜合運用多種方法（如超前鉆探、聲反射、地溫探測）判斷可能發生巖爆高地應力的范圍；

②改善圍巖應力，加強回填灌漿，盡可能減少巖層暴露時間，減少巖爆的發生概率。必要時，打設超前鉆孔或在超前鉆孔中進行松動爆破，在圍巖內部造成一個破壞帶，即形成一個低彈區，從而降低掌子面應力，使高應力向圍巖深部轉移。施工時可在掌子面前方打設超前鉆孔，部分釋放掌子面應力；

③對工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來促進圍巖軟化，從而消除或減緩巖爆程度；

④加強施工監測及時采取對應處理措施

輕微巖爆：對護盾式TBM施工和管片襯砌結構基本沒有影響，施工過程中主要采取加強刀盤噴水，降低巖石強度，并改裝中型或以上管片，及時填充豆礫石緩沖巖爆壓力，水泥漿滯后灌注。

中等巖爆：在輕微巖爆處理方式基礎上，打超前鉆孔，并注水釋放圍巖應力，同時采用重型管片襯砌。

強烈或極強巖爆：在中等巖爆處理基礎上，安裝鋼制管片，增強管片抵抗巖爆的能力，同時預留更多的緩沖空間。

4.2 大變形地段雙護盾TBM施工對策

軟巖大變形容易導致TBM盾體包裹，推進變慢，嚴重的導致卡機；各個方向變形量不均容易導致TBM伸縮護盾和尾護盾產生不塑性變形，影響后續TBM施工；對于裂隙比較發育的軟巖，常會發生圍巖大變形，導致管片變形、破損，甚至完全失去防護能力。常規TBM采用小范圍擴挖，能夠解決一定程度的變形，但拉月隧道極高應力區面臨變形量大的情況，需要更加強大的擴挖能力和強行通過能力，同時對已開挖洞段的支護要求更高。

新型雙護盾面臨軟巖大變形洞段可采取以下手段：

①采用擴挖刀加大開挖直徑，并及時檢查擴挖邊刀的磨損情況；

②各種變形級別情況下的分類應對

輕度變形：TBM正常掘進，加強圍巖收斂監測，快速通過；采用輕型管片襯砌；隔離隧道內水流向巖體，嚴格控制施工用水；正常填豆礫石，水泥漿滯后灌注。

中度變形：加強圍巖收斂監測，加擴挖刀具進行適量擴挖、減少停機時間，快速通過；更換為中型管片，提高管片應對變形的能力；隔離隧道內水流向巖體，嚴格控制施工用水；先進行底部、中部豆礫石回填，待圍巖收斂基本完成后進行頂部豆礫石填充，水泥漿滯后灌注。

重度變形：加大擴挖量，持續加強圍巖收斂監測，除必要的維護工作外，盡量減少TBM停機，在圍巖收斂卡機前盡快通過；更換重型管片，保證在重度變形的圍巖下管片具有足夠的強度；隔離隧道內水流向巖體，嚴格控制施工用水；只進行底部填豆礫石，穩定管片保證隧道軸線，中部和頂部滯后填充豆礫石，盡可能多的給圍巖收斂預留空間，水泥漿滯后灌注。

嚴重變形：使用最大擴挖量的擴挖刀具，盡可能多地預留收斂空間，持續加強圍巖收斂檢測，非必要情況不停機，盡可能快速通過；采用特制鋼管片，加大收斂空間預留；隔離隧道內水流向巖體，嚴格控制施工用水；只進行底部填豆礫石，穩定管片保證隧道軸線，中部和頂部滯后填充豆礫石，盡可能多地給圍巖收斂預留空間，水泥漿滯后灌注；采用讓壓錨桿進行對管片進行加固，使管片和圍巖形成聯合受力，增加穩固性。

③一旦發生卡機現象，施工人員必須馬上作出處理措施，防止TBM變形受損。如機頭已被卡死，處理措施：首先采取加大推進力并在護盾與圍巖間強行注入潤滑劑，以減少機身與圍巖間的擦力，看能否解困；如果上述方法不能解困，則需要通過拉開伸縮護盾開個窗口，通過此窗口對TBM機身進行擴挖；對擴挖區進行有效支護，并對圍巖進行監測。解困后迅速回填豆礫石，并進行固結灌漿加固，防止圍巖繼續變形，影響隧道質量。

4.3 斷層破碎帶地段雙護盾TBM施工對策

TBM通過斷層破碎帶時，局部坍塌的大石塊，可能卡住刀盤或護盾，使TBM刀盤無法轉動、TBM無法向前掘進；撐靴的反作用力降低，撐靴護盾側滾，可能造成TBM非正常停機等現象；破碎的巖渣可能卡住伸縮護盾等設施；掘進過程中出現TBM刀盤下沉，姿態難以糾正，且影響隧道成洞質量；斷層破碎帶洞段施工可能使TBM掘進方向偏移，管片安裝接縫超標，出現大的錯臺和裂縫；TBM通過斷層破碎帶后，如果管片回填豆礫石、水泥灌漿不飽滿或不及時造成管片下沉、開裂，出現TBM后配套不能順利通過。

常規雙護盾TBM主要采用鋼筋混凝土管片，新型雙護盾在結構上進行了管片分級的設計。主要分為以下幾種方案：

①斷層帶小于5m的方案

雙護盾TBM不停機快速通過，安裝重型管片，正常回填灌漿。

②斷層帶大于5m小于15m傾角較大的方案

這種斷層穩定，無坍塌，斷層傾角大，掘進時對刀盤的頂部及側部壓力不大，但是需要關注伸縮護盾內外盾之間是否有巖渣卡住。可采取雙護盾TBM不停機快速通過，控制刀盤噴水的流量，安裝重型管片，及時進行豆礫石灌注、水泥漿灌注等措施。

③斷層帶大于5m小于15m傾角較小的方案

首先，TBM進入局部坍塌位置的斷層帶前先停機，使用TBM超前鉆機系統進行化學灌漿法（聚氨酯泡沫、水玻璃等）和雙漿液法進行預膠結處理；采用單護盾模式進行掘進并關閉刀盤噴水系統；TBM掘進時以低轉速、大扭矩參數掘進；封閉部分刀盤鏟牙，減少超方量；安裝重型管片，及時進行豆礫石回填、水泥漿灌注；將TBM檢修、皮帶機維護、刀盤維護與換刀等工作提前完成，盡可能減少過斷層期間停機；TBM通過之后及時對該斷層區域段進行二次固結灌漿；若斷層破碎帶部位存在地下水：采取“以排為主”的原則，打排水孔排水，若水量變較大時，及時通過流速儀、流量儀測量、觀察水流變化情況，并確定專項處理方案。

④斷層帶大于15m局部坍塌的方案

這種斷層帶較大，圍巖破碎，不穩定，掘進時圍巖對刀盤頂部及側部壓力大，存在局部坍塌壓住或大石塊卡住刀盤風險。

TBM進入此種斷層帶前先停機，先分段進行處理、再掘進。在斷層帶大于5m小于15m傾角較小的方案措施基礎上TBM通過之后及時對該斷層區域段進行二次固結灌漿，并對灌漿區域進行變形觀測跟蹤。

⑤斷層帶大于15m塌方嚴重的方案

采用常規鉆爆法對TBM上部巖體進行揭頂開挖，輔助TBM通過斷層破碎帶；TBM在空載狀態下直接步進通過，通過后恢復掘進，對超挖部分進行回填注漿。

4.4 突涌水地段雙護盾TBM施工對策

在TBM配置時就考慮加強伸縮護盾、尾護盾、喂片機區域的水泵管路布置，采用“一用一備”、隧道內回水、排水管路連接至洞外，按較大排水量進行排水管路設計；在TBM施工布置時盡可能采用上坡掘進避免下坡掘進。主要利用定位底管片預制的排水溝自流排水[3]。

5 結語

本文基于采用基于圍巖類別（RMR）的TBM選型方法，對比預測了敞開式和雙護盾TBM在本工程水工隧洞中的掘進效率，認為雙護盾TBM具有更好的適應性。同時，進行了提出了雙護盾TBM主要改進措施，并對改進后雙護盾TBM的施工方法進行了論述，增強雙護盾TBM適應性，擴大雙護盾TBM應用范圍，提高雙護盾TBM在不同不良地質條件下掘進效率。可以看出，雙護盾TBM經過針對性改進后，在本工程等類似的高海拔地區深埋長大水工隧洞可行的。