羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞TBM分段選型研究

袁葳 熊新宇

摘要：羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞途徑丘陵地貌及城區沖積平原地貌，且隧洞沿線涉及沉積巖、變質巖、火成巖三大巖類，各分段地質條件差異性較大，選型條件復雜。根據城區施工特點和工程要求，從地質條件適宜性、不良地質處理、工期、安全、環保及投資控制等多角度，經分析提出各分段隧洞適宜的TBM機型。其中，第1段和第2段主要從多地層復雜地質條件適宜性和施工安全考慮，推薦采用“土壓平衡盾構+單護盾”雙模復合式TBM。第3段主要從利于施工環境安全及工期控制等方面綜合考慮，推薦采用雙護盾式TBM。第4段主要從施工進度及經濟性考慮，推薦采用敞開式TBM。研究成果可為同類城區條件下輸水隧洞TBM施工提供借鑒和參考。

關 鍵 詞：

城區深埋隧洞； TBM選型； 敞開式TBM； 護盾式TBM； 雙模復合式TBM

中圖法分類號： TV52

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.042

0 引 言

羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程（以下簡稱“羅-鐵工程”）是珠江三角洲水資源配置工程在深圳境內的配套工程之一。羅-鐵工程全線位于深圳市西部城區，輸水干線全長21.68 km，過流斷面直徑5.2 m，開挖斷面6.4～6.7 m，隧洞埋深一般在50～180 m，圍巖屬較軟巖-堅硬巖，圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，長約14.82 km，約占68.2%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖長約6.91 km，約占31.8%。該工程輸水線路全線在深圳市主城區內，與軌道交通線路交叉較多，且沿線穿越老城區，周邊環境極為敏感，安全環保要求高，工期要求緊，輸水隧洞全線采用鉆爆法施工不容易滿足城市施工要求。TBM作為一種適用于長隧道快速施工的先進設備，具有掘進效率高、開挖質量好、對圍巖擾動小、施工安全性好、作業環境好等優點，在城市深埋地下隧洞施工中具有一定優勢［1-4］。綜合考慮城市施工安全、工期、施工難度、環境影響等因素，推薦羅-鐵工程輸水隧洞干線采用TBM法施工為主，進出口、TBM始發洞等局部洞段采用鉆爆法開挖的施工方案。

本文以羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為依托，根據城市施工特點和工程要求，從地質條件適宜性、不良地質處理、工期、安全、環保及投資控制等多角度，開展TBM分段選型研究，提出羅-鐵工程輸水隧洞各分段適宜的TBM機型。研究成果可為同類城區條件下輸水隧洞TBM施工選型提供借鑒和參考。

1 TBM選型方法及依據

目前TBM主要可分為敞開式TBM、護盾式TBM等，護盾式TBM又包含單護盾和雙護盾兩種機型。

敞開式TBM利用支撐機構撐緊洞壁以提供掘進所需的推進力和扭矩，一般適用于圍巖整體性好、“穩得住、撐得起”的隧洞。敞開式TBM對應的隧洞支護型式一般為錨噴支護或錨噴加二襯的復合支護型式。

護盾式TBM在主機的外圍設置了圓筒形的護盾結構，以利于掘進松軟破碎或復雜巖層等圍巖質量較差的隧洞，適用范圍更為廣泛。護盾式TBM對應的隧洞支護型式為預制管片。單護盾TBM只能依靠已安裝的管片提供前進反力；雙護盾TBM則綜合了敞開式TBM和單護盾TBM的優勢，在圍巖軟弱破碎時以單護盾模式掘進，在圍巖堅硬穩定時以雙護盾模式掘進，如敞開式TBM一樣依靠圍巖提供反力，掘進和管片安裝可同時進行，因此掘進速度較快。

工程實踐中，敞開式TBM和雙護盾式TBM應用相對較多，單護盾式TBM應用相對少。另外，針對部分工程中既有硬巖也有軟巖及富水洞段等特殊地質條件工況，TBM在軟巖或富水洞段中不能順利掘進而常規盾構又不能應用于硬巖情況，還可考慮采用“TBM+盾構”雙模復合式TBM。目前國內已使用的TBM直徑范圍在2.5～12.4 m，其中直徑6～8 m的TBM是最為常用的機型。

考慮到實際工程中地質條件及邊界要求通常較為復雜，不能簡單判別應用何種機型更優。工程施工前，有必要根據工程施工特點和要求，從地質條件、工期、投資、施工環境和安全等方面進行綜合比選研究，確定與工程特點相對更適宜的TBM機型［5-7］。

1.1 地質條件適宜性

國外在掘進機選型時采用了

巖體質量評分指標RMR（Rock Mass Rating）。RMR以巖石的單軸抗壓強度、巖石質量指標RQD（Rock Guality Designation）、不連續面間距、不連續面狀態、不連續方向、地下水狀況等6個指標進行綜合評分，將巖石質量分為5等，再按5個等級劃分掘進機的功能發揮與效率，然后根據施工隧洞的RMR評分及相應類型TBM的功能發揮及效率進行選擇。

瑞典專家G.Grimscheid提出用巖石劈裂強度和RQD指數來作為TBM選型的主要衡量指標。其中，針對巖石劈裂強度為（25±5）MPa，RQD指數為50%～100%，裂隙（間距）大于60 cm的情況，首選敞開式掘進機；護盾式掘進機要求巖石強度大致和支撐式掘進機的情況相同，但巖石的邊界強度大為減小，在裂隙為55～65 cm和RQD指數為50%±10%時，甚至在相對較低的單軸巖石抗壓強度（50±5） MPa和較低的巖石劈裂強度（5±0.5） MPa下，可采用護盾式TBM。

由于國外RMR等分類方法較為繁瑣，國內應用較少。

國內TBM選型通常的做法是，參考現有圍巖分類（級）標準，結合各類TBM施工特點和施工經驗，采用以巖性、強度、巖體完整程度、地下水等主要指標得到的質量評分指標作為比選依據。按照國內各行業有關TBM選型的規程規范規定，通常認為敞開式TBM主要適用于巖石強度較高、能提供給支撐靴足夠推力、且巖體相對較為完整、圍巖有一定自穩能力的巖體；護盾式TBM同樣可以用于巖石強度較高的巖體，同時由于其可利用輔助油缸，由已經安裝好的管片提供推力，因此在軟巖甚至極軟巖中也可以運用。

1.2 不良地質處理

在TBM選型時，除了要研究主要地質條件適宜性外，還要對施工難度較大的不良或特殊地質洞段重點研究，這些洞段不僅會影響工期、施工安全和投資，某些情況下甚至還決定了掘進機能否順利通過。

在不良地質預判和超前預報方面，護盾式TBM主機外圍由護盾包裹，管片安裝在護盾內進行，從機頭到洞尾均處于封閉狀況，施工人員除從機頭和護盾的觀測孔中察看巖層狀況外，只能通過巖渣來判斷。敞開式TBM只有一個不長的頂護盾，掘進后圍巖處于暴露狀態，便于觀測，且超前預報系統也更容易施做。

在不良地質處理方面，由于護盾式TBM機頭與圍巖之間處于封閉狀態，沒有施工處理空間，在碰到不良地質洞段，TBM無法掘進通過時，往往只能從刀盤進人、進料，嚴重時則需要從機頭后邊拆除管片，開挖旁通洞繞行到機頭前進行處理，存在施工難度大、安全風險高和延誤工期等問題。而敞開式TBM護盾不長，碰到不良地質洞段時，可從刀盤后進行臨時支護或超前支護，直至洞壁穩定后再繼續掘進。與護盾式TBM相比，敞開式TBM在碰到不良地質洞段時，處置措施相對靈活，人工干預相對便捷。

1.3 經濟性

從經濟性角度看，對圍巖條件較好，只需要初期支護或較小的二次襯砌工程量即可保證隧洞穩定性的隧洞，一般首選敞開式TBM。主要是因為敞開式TBM機型本身相對護盾式TBM更便宜，并且由于敞開式TBM不需要管片襯砌，初期支護工程量及其投資也相對更小。

而對于必須要進行二次襯砌的隧洞，則要在滿足工期的前提下，綜合TBM設備和襯砌工程量等，進行經濟比較。

1.4 施工工期

單護盾式TBM由于只能依靠管片提供前進反力，主機推進只能在管片安裝完成后進行，因此掘進速度相對較慢。雙護盾式TBM除了在圍巖條件較差時采用單護盾模式外，其他情況采用雙護盾模式掘進，掘進和管片安裝可同時進行，因而有較快的掘進速度。

敞開式TBM在圍巖條件好的洞段可實現快速掘進，而在圍巖條件差且需要及時施做二次襯砌的洞段，由于初期支護、二次襯砌的工序多，對掘進存在一定干擾，因此掘進速度相對雙護盾式TBM稍慢，但要快于單護盾式TBM。

1.5 施工環境與安全

護盾式TBM機頭只貼掌子面，掘進、管片安裝、豆礫石回填和灌漿等主要作業均在封閉的狀態下進行，施工過程中不受煙塵、粉塵、廢棄漿液的影響，施工環境較好、安全性較高。

敞開式TBM除頂護盾以外，均暴露在圍巖之外，其支護方式與鉆爆法類似，施工安全離不開操作人員的經驗和嚴格管理，如處置不當發生坍塌等事故，則危及設備和人員安全。施工中的粉塵、廢棄漿液如不能很好控制，也會導致施工環境惡化。

綜合來看，護盾式TBM施工環境和施工安全優于敞開式TBM。

2 羅-鐵工程輸水隧洞TBM分段選型分析

根據羅-鐵工程輸水隧洞沿線工作井、交通洞布置方案，結合工期控制要求，輸水隧洞最終確定為分4段TBM施工，其中前2段主要穿越城市沖積平原區，后2段主要穿越丘陵區。各段TBM掘進長度為4.43～5.37 km（不含鉆爆段），其中第3段TBM掘進長度及工期最長。

輸水隧洞始、末兩端主要為丘陵地貌，地形起伏較大、溝壑縱橫，而中間段穿越城區，主要為河流堆積地貌和低臺地，地勢平緩，并且輸水隧洞工程沿線涉及沉積巖、變質巖、火成巖三大巖類，各分段地質條件差異性較大，選型條件復雜。對此，本文針對輸水干線各TBM段開展分段選型研究。

2.1 TBM第1段選型

TBM第1段為羅田閥室至公明檢修井施工段。該段按圍巖條件主要分2大類，一類為石英片巖、片麻巖，長約3.34 km，Ⅲ類圍巖占比89%，Ⅳ類圍巖占比11%，巖石飽和單軸抗壓強度最大為66 MPa，掌子面有自穩性，適合采用TBM掘進；另一類為泥巖夾粉砂巖、泥巖砂巖、角礫巖、流紋巖等，長約1.13 km，Ⅲ類圍巖占比9%，Ⅳ類圍巖占比70%，Ⅴ類圍巖占比21%，巖石飽和單軸抗壓強度為4.3～16.6 MPa，巖石遇水泥化。TBM第1段選型詳細分析見表1，可知：

（1） 從襯護要求、圍巖類別等方面考慮，護盾式更合適。

（2） 從圍巖飽和抗壓強度和巖石完整性方面考慮，單護盾式適應性差，敞開式和雙護盾式基本相當。

（3） 面對斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質問題，敞開式TBM和護盾式TBM的適應性都不好，對特別不良段可能還需超前處理才能通過。

（4） 在超前地質預報和不良地質處理方面，敞開式TBM更方便。

（5） 在工期方面，敞開式TBM換步和Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護可能占直線工期；單護盾式TBM管片安裝占直線工期；雙護盾式TBM管片安裝和掘進同步；考慮本段Ⅳ、Ⅴ類圍巖約31.1%，占比較大，雙護盾式TBM工期相對更優。

（6） 在施工環境與安全方面，護盾式TBM均略優于敞開式TBM。

上述分析表明，TBM第一掘進段地質條件復雜，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比達31.1%，其中斷層破碎帶、軟弱圍巖穩定、突涌水等地質問題相對較突出，綜合來看，護盾式TBM相對于敞開式TBM更優。同時考慮到下穿茅洲河段屬極軟巖，且涌水量大，存在較大突泥涌水風險，掌子面不能自穩，無論采用敞開式TBM亦或是護盾式TBM都難以施工，建議在護盾式TBM機型的模式上增加盾構模式。

綜合考慮多地層復雜地質條件和城區地下施工安全，TBM1掘進段推薦采用“土壓平衡盾構+單護盾”的雙模復合式TBM。

2.2 TBM第2段選型

TBM第2段為公明檢修井至五指耙水廠分水井施工段，掘進段總長度約4.71 km，圍巖包括泥質粉砂巖、石英砂巖及片麻狀花崗巖等，有軟有硬，該段圍巖條件與第1段類似，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比超過50%，且斷層破碎帶、軟弱圍巖穩定、突涌水等地質問題相對突出，綜合考慮多地層復雜地質條件和城區地下施工安全，推薦采用“土壓平衡盾構+單護盾”雙模復合式TBM。

2.3 TBM第3段選型

TBM第3段為五指耙水廠分水井至3號檢修交通洞施工段，該段也是輸水線路4個分段中線路最長、工期最長的關鍵線路。掘進段總長度約5.37 km，圍巖主要為黑云母花崗巖、斑狀黑云母二長花崗巖、蝕變花崗巖等，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比86.1%，Ⅳ類圍巖占比10.7%，Ⅴ類圍巖占比3.2%，巖石飽和單軸抗壓強度為15～150 MPa，平均強度85 MPa。TBM第3段掘進段選型詳細分析見表2，可知：

（1） 從襯護要求及圍巖類別方面考慮，由于Ⅳ、Ⅴ類圍巖占有一定比例，因此雙護盾式TBM相對更適合。

（2） 從圍巖飽和抗壓強度和巖石完整性方面比較，由于該段巖體以硬巖為主，單護盾式TBM適應性不好，敞開式TBM和雙護盾式TBM基本相當。

（3） 面對斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質問題，敞開式TBM和護盾式TBM的適應性都不好，對特別不良段可能還需超前處理才能通過。

（4） 在超前地質預報和不良地質處理方面，敞開式TBM更方便。

（5） 在工期方面，敞開式TBM換步和Ⅳ、Ⅴ類圍巖支護可能占直線工期；單護盾式TBM管片安裝占直線工期；雙護盾式TBM管片安裝和掘進同步；考慮本段Ⅳ、Ⅴ類圍巖比例約為14%，占比相對較大，雙護盾式TBM工期相對更優。

（6） 在施工環境與安全方面，護盾式TBM均略優于敞開式TBM。

上述分析表明，TBM第3段掘進段以硬巖為主，其中Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比接近13.9%，穿越3個較大斷裂帶，10余條小斷層，且存在斷層破碎帶、突涌水等地質問題，地質條件相對復雜，敞開式TBM和雙護盾式TBM均為本段適用機型。考慮到雙護盾式TBM在穿越斷層破碎、軟弱地層時，可利用管片提供推進反力，能有效保證掘進效率、縮短工期，且通過穩定性較差和有涌水突泥風險的洞段也更為安全，因此，從地質條件適宜性、利于施工環境安全及工期控制等方面綜合考慮，TBM第3段宜選用雙護盾式。

2.4 TBM第4段選型

TBM第4段為3號檢修交通洞至鐵崗工作井施工段，掘進段總長度約4.43 km，圍巖主要為粗粒斑狀黑云母二長花崗巖，其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比92.3%，Ⅳ類圍巖占比7.7%。巖石飽和單軸抗壓強度平均為102.6 MPa，石英含量高。

TBM第4段選型詳細分析見表3，可知：

（1） 在襯護要求及圍巖類別方面，由于圍巖條件好，敞開式TBM支護簡單、速度快，相對更適合。

（2） 從圍巖飽和抗壓強度和巖石完整性方面考慮，由于該段巖體以硬巖為主，單護盾式TBM適應性不好，敞開式TBM和雙護盾式TBM基本相當。

（3） 本段不良地質洞段較少，斷層破碎帶僅約50 m，采用敞開式TBM或雙護盾式TBM處理基本相當。

（4） 在工期方面，由于圍巖條件好，支護簡單，敞開式TBM更能發揮快速施工優勢。

（5） 在工程投資方面，敞開式TBM設備便宜、支護量更少，工程投資控制相對更優。

（6） 在施工環境與安全方面，護盾式TBM均略優于敞開式TBM。

上述分析表明，TBM第4段段隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比達92.3%，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比7.7%，圍巖總體條件好，巖石以硬巖為主，斷裂構造少，地質條件簡單，不存在重大地質問題，從施工進度及經濟性考慮，TBM第4段段推薦采用敞開式TBM。

3 結 論

本文以羅田水庫-鐵崗水庫輸水隧洞工程為背景，根據城市施工特點和工程要求，從地質條件適宜性、不良地質處理、工期、安全環保及投資控制等多角度，開展TBM分段選型研究。根據各分段邊界條件及地質特點，提出羅鐵輸水隧洞各分段適宜的TBM機型。結論如下：

（1） TBM第1、2段包含軟巖、硬巖，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比高，斷層破碎帶、軟弱圍巖穩定、突涌水等地質問題相對較突出，且本段穿越城區，因此，復雜地層條件下TBM施工安全成為選型的重點考慮因素。綜合考慮多地層復雜地質條件和施工安全，推薦采用“土壓平衡盾構+單護盾”雙模復合式TBM。

（2） TBM第3段以硬巖為主，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占有一定比例，且穿越多個較大斷裂帶，存在斷層破碎帶、突涌水等地質問題，地質條件相對復雜，敞開式TBM和雙護盾式TBM均為本段適用機型。考慮到本段是掘進長度最大、工期最長的關鍵線路，復雜地質條件下TBM安全高效施工是本段TBM選型的重點考慮因素。從利于施工環境安全及工期控制等方面綜合考慮，宜選用雙護盾式TBM。

（3） TBM第4段圍巖總體條件好，巖石以硬巖為主，斷裂構造少，地質條件簡單，不存在重大地質問題。本段主要從施工進度及經濟性考慮，推薦采用敞開式TBM。

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（編輯：郭甜甜）