不良地质条件采用TBM的施工方法

孙正良

(成都市路桥工程股份有限公司，四川成都610041)

1 TBM优势及典型施工情况

TBM能实现快速、高效、优质和安全施工，总工期和综合效益优于钻爆法，也意味着较低的工程投入。不良地质条件往往伴随大量破碎岩石，使隧道处于不稳定状态，或者岩石过硬，降低掘进速度。采取全断面开挖方法，围岩状况不会影响设备运行的绝对值，但会波及到所使用TBM的类型和隧道直径。

近年来，国内TBM法施工遇到了各种不良地质条件的制约，面临着开挖方法在经济方面的挑战和施工时间上的竞争。机型确定以后，组织管理水平跟不上，就会遭到来自各方面的压力和挫折;反之，TBM施工业绩骄人，有很好的示范和推动作用。

秦岭铁路隧道(1997—1998)总长18.4 km，开挖横断面近61 m2，隧道岩性主要为混合片麻岩、混合花岗岩、含绿色矿物混合花岗岩;洞身穿过13条断层。隧道最大埋深约1 600 m，埋深超过1 000 m地段长约3.8 km。伴随高地应力、岩爆、地热、断裂带涌水、围岩失稳等不良地质灾害发生，工程建设任务十分艰巨。

由于岩石坚硬，单轴抗压强度最大可达425 MPa，石英含量很高，采用TBM法相向施工很艰难，刀具更换频繁、刀盘严重磨损，设备振动剧烈，磨损速率较快，正常掘进0.5 h，艰难时达到每循环耗时5 h，而新奥法打通平导比使用大直径的TBM方法进行开挖花费少，更可靠。初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。Ⅱ线平行导坑于1995年1月18日开工，平导单口平均月进度为200～250 m，平导比Ⅰ线隧道提前10个月贯通。

西南线桃花铺隧道，围岩特别破碎，小规模塌方司空见惯，常遇到破碎围岩卡死刀盘，顶部塌腔高度至8 m，底部积渣量大，顶部支护工作量惊人，采用了几乎所有的支护类型，甚至是超前钻机预前支护，一个麦氏锚杆孔眼钻孔加注浆，耗时3 h，严重滞后工期，大塌方的一个月进尺仅3 m。即便如此，最高月进尺仍达到551.82 m。锦屏二滩引水隧洞TBM，是目前国内最大直径硬岩掘进机(12.4 m)，岩性适中，但存在埋深大、岩爆倾向严重、涌水多等典型特征，掘进时，由于刀盘直径大，少许的扰动导致底拱部位积渣清理困难，刀牙破损严重，局部软岩和塌方，常常伴随8 m高的塌腔，后配支护、喷锚、挂网、轨道铺设等跟随工序进展缓慢，由于出渣量大，石渣输送环节多，皮带急停造成的工程延误频繁，整体掘进速度优势没有很好发挥。前不久，两台设备均因工期压力和岩爆担忧停止掘进，改由交通洞多断面钻爆开挖施工剩余段。

新疆中天山吐库二线隧道情况与秦岭类似，岩石硬脆且有破碎，伴随断裂带，支护作业增加，刀盘磨损剧烈，每单循环作业小时达到创纪录的12 h，由于振动，老化设备磨损剧烈，主轴承隔板、主轴承密封多次损坏，耐磨环磨损修复更换。至今累计掘进8 km左右，施工进展缓慢，由施工初期月成洞400多m逐渐减退至120 m，至出口仍剩余4 714 km。

2 TBM类型制约

开敞式掘进机适用于中硬岩、单轴抗压强度10～260 MPa的适中范围，局部的坍塌、涌水，可以方便地接近，支护容易，处理难度不大，特别破碎的围岩掘进速度大受影响，跟随作业的缓慢会严重抵消掘进的优势。特别坚硬的岩石则会延缓掘进速度并加速设备的损伤和部件的磨损。

双护盾掘进机适用于围岩相对完整、收敛趋势不大、局部破碎的地质条件，管片跟随，一次成洞，掘进机快速掘进优势可以得到很好发挥，山西引黄入晋、山西引大入秦工程骄人业绩得到很好证明，但遇到围岩收敛特别明显的地质条件，极易卡住刀盘进退不得，严重滞后工期。引大济煌、引红济石、新疆八一大阪等工程工期严重滞后。

单护盾掘进机针对掌子面不太稳定、局部破碎的围岩，推进油缸顶靠管片端面提供向前推进的支反力，操作不慎容易将管片压溃，整体掘进速度不快。

虽然已经采用TBM开挖过10 m以上洞径的隧道，但限定洞径及TBM的直径仍是明智之举。大伙房输水隧洞采用8.03 m直径，业绩很好，进展神速。锦屏洞径12.4 m，但支护工作量大增，进展不快，大断面掘进的制约由此可见一斑。洞径受限的原因源于:随着洞径增大，TBM在硬岩掘进方面的潜力减弱;机器自重加大导致步进速度非常缓慢而艰难;大尺寸的TBM主要部件受技术条件的限制，例如:轴承和刀盘;不稳定现象的强烈程度也会随之增强，撑靴回收后，洞壁围岩大片坍塌;设备结构刚性不足导致运行振感强烈，油箱振动剧烈;大断面岩性不均，垮塌倾向较大，各向异性，支护难度增加。

开挖直径12～12.5 m以内，不同岩性条件尚有纯熟经验可资利用。超过13.5～14 m的开挖直径，开挖经验欠缺。隧道设计者应该考虑到这些限制条件，减小隧道断面，甚至考虑与其他隧道开挖平行进行。

设备的价格导致直接施工的成本比较大。达不到预期目的，没有按时完成，极大影响施工。选择良好信誉、资深的服务商提供最周到、优良的设备以及技术服务很重要。越简单的设备可靠性越高。

3 TBM的选型关注点

鉴于国内地质条件的复杂性，建议更广泛地使用护盾式TBM而非敞开式，如果本地化生产能够实现，制造成本及制作周期矛盾必将缓解。随着开挖直径的增加，使用和适用范围也有区别。使用单护盾还是双护盾，由设计情况和TBM的尺寸及面临的地质限定条件决定，而非TBM类型。单双护盾TBM的选择由隧道断面的设计和在隧道整个施工沿线是否进行超前衬砌决定，除了技术层面，还有其他因素。TBM乃非标产品，可通过合理设计和使用，规避不良地质状况所带来的重大风险。使用复合式TBM并非克服隧道掘进局限性方法;应看主流和主要矛盾，设计相应的TBM。承包商专业知识的重要性，人才培养至关重要，应给予重点的指导和技术人员适当的关注。工期的考虑必须充分估计到工程投标、设联、临建、选型、设备制造监造各环节以及远途运输给工期带来的影响，如果在不良地质下开挖，要充分考虑意外及差额;不能将风险转嫁给承包方，此观点也适用于钻爆法。TBM采取的设计和特殊的制造性能，直径越大，相应跟随系统机构的作业效率也应随之匹配，现代化主机与落后的配套匹配，反之亦然;从有资质的TBM制造商那里订购一台专门的TBM远远不够;制造方必须与承包方密切合作，跟踪设备运行并监控机器的设计制造细节，改进原有设计，TBM性能才能得到最大程度的发挥。

TBM的设计和制造技术不断发展进步，电驱动、刀盘及刀具布置、连续皮带运输已形成趋势，能量最大程度得到合理利用，刀盘扭矩自适应掌子面的变化，出渣快捷高效。每个隧道工程都有本身的特征并且每个专家级的承包商都有自己的传统和观点，需要在实践中有不断地创新并保持各自特色［1］。

4 TBM地质条件的局限性

地质条件差是减慢TBM掘进速度并阻碍其运行的因素。地质条件与TBM使用类型、设计、特征和最终运行失误有关。

通常地质条件良好，TBM业绩通常也好，引大入秦、引黄入晋、大伙房均提供了很好例证。但特殊情况下，实际进尺率低于预期或少于TBM制造商所断言的比比皆是。地质，水文条件的不确定，还有使用机器的不同类型(新的或翻新的)，不同的施组设计等都是考虑因素。

了解地质概况的各个方面非常重要。规划设计阶段尽量做好地质勘察，关键地段还应详细勘察。据此对TBM施工进展进行预测，决定选择最佳施工方法或根据给定的隧道正确选型号。同时预先考虑其它意外因素，掌握施工主动。

反之，决策速度快于规划，边设计、边施工、边修改，导致施工过程出现预料之外因素不得不设计变更。加大施工投入，很被动。

对于全断面机器开挖，可靠的掘进系统，适中的开挖岩石以及掘进强度、围岩的完整性系数很关键。适当的考察花费很有必要，花在考察上的钱已经在施工成本及时间上得到了补偿。在可能的前提下，TBM的引导洞和主洞都要进行充分地超前探测，而不是二者选其一(锦屏1号洞与3号洞相距不过60 m，但开挖过程中发现还是有明显差异，一定程度上影响了施工进程)。

5 影响掘进进程的地质因素

影响TBM的运行相对重要或频繁出现的不良地质情况，应加以考虑:可挖性的限制，开挖洞壁不稳定性，开挖掌子面的不稳定性，断层及褶皱。由TBM进行隧道开挖，出现粘土可能面临其他的不良地质情况，软弱围岩会导致TBM下沉，还有强烈的地表涌水和瓦斯，岩石突爆，岩石和水温高，喀斯特溶洞等不良地质状况。

5.1 贯入度的限制

TBM贯入度是指最大推力下进行岩石开挖，TBM的刀盘每转所能达到的切深。如果TBM不能切入掌子面到一定深度，或者刀具磨损超过可接受的范围，即称岩石不具有可挖性。岩石的可挖性不能绝对地下定义，但也不能改用钻爆法，可综合考虑两种方法的施工成本和时间。

岩石不可挖的情况下，可以限定每转的贯入度;它也受岩石的耐磨性影响，隧道直径，成岩厚度，都能限制每转的贯入度。高磨损伴随着低贯入度，频繁换刀，增加每立方米岩石开挖的成本，还会消耗换刀时间。新疆中天山严酷条件下，12 h掘进一个循环，只见刀盘旋转，不见进度。TBM的工时利用率绝对高，实际进尺却没有。

随着隧道直径的增加，会产生几种不利影响:

(1)相等的贯入度，刀盘转速会降低，刀具轴承和密封允许最大速度是150 r/min;

(2)隧道掘进每米换刀数量增加，额外花费时间;

(3)安装在刀盘上的刀具平均磨损增加，必须减少每转的贯入度;

(4)在极端情况下，以上三个因素的每一个都会提高另外一个因素的发生几率，但并不是指大直径的TBM;

(5)刀盘在2～2.5 mm/r贯入度是可挖性的上限指示信号，贯入度在3～4 mm/r以上，可以充分开挖。TBM的运行能力严格地受与机器性能相关各种结构的影响;

(6)为保持充分的贯入度，甚至在岩石强度较高的情况下，经常把滚刀推到最大强度。在此情况，如果TBM各环节未布置好就作业，机器就会出现反常振动，在滚刀和支撑结构中就会产生裂痕，削弱刀盘刚度，因为在隧道中修理或更换刀具很困难，停机损失很严重。

5.2 开挖洞壁的不稳定性

敞开式TBM，开挖围岩的不稳定性是一个限定性条件。当围岩不稳定时，刀盘后面安装拱架、挂网、定位撑靴，甚至是超前支护很困难。要采用方法克服不稳定因素并定位支撑系统。

5.3 使用护盾式TBM的优点

护盾式TBM既有单护盾，又有双护盾，它并不像敞开式TBM在开挖时存在不稳定现象，超前喷锚和衬砌可以在护盾的里面和铠甲保护下进行。通过即时衬砌，减小不稳定性发生。

中大直径的隧道(6～12 m)，敞开式和护盾式TBM的运作方式和速度均不同，洞壁不稳定的情况下，这种差异大幅增加，护盾式TBM更有利。

5.4 敞开式TBM有效地抵消开挖洞壁的不稳定性

刀盘支撑后立即使用拱架，采用木头支护和喷锚结合的方法稳定并改造洞壁。这些支护行为，在国内特别是在机器精密部件区域的喷锚，要求很长时间，容易损坏开挖设备。

传统的开挖方法在TBM的前面进行顶头。通过在TBM上面钻孔和注浆钻孔或安装伞形拱架的方法在开挖掌子面前面进行预处理。

此处发生问题不同于其他局部限定性状况。开挖洞壁的强烈不稳定状况可能牵涉到隧道的重要部位，特别是如果隧道是大直径，要求岩石的质量要好些。否则，在此情况如把TBM运出洞外，就会严重耽误工期。

5.5 开挖掌子面的不稳定性

开挖掌子面不稳定状态，容易引起破碎或风化岩石大量塌落形成大塌腔，导致过度超挖，不及时支护，这种状况不会停止。刀盘旋转过程中，皮带表面岩渣堆积严重，运渣源源不断导致刀盘前方形成大塌腔，护盾式TBM在功能上也有局限性。

由于积渣过多，封堵刀盘，如果设备没有足够的动力储备系数和脱困扭矩，导致刀盘不能旋转，直到刀盘前方积渣清除、足以脱困为止。

由于不稳定状态引起的超挖，在TBM前面形成凹洞，建议停止掘进，在此状态可能导致失控之前及时处理。

为稳固刀盘前方岩石，采取超前钻杆中空注浆办法，对于岩石具备微小裂隙情况收效较好，但细碎岩块，则由于浆液不能及时灌注空隙，严重的回灌将刀盘前方刀具固结成一体，导致额外清理台班。

掘进时尽可能使护盾本身贴近掌子面，以支持开挖。但不宜过分撑紧洞壁，以免摩擦力无谓的消耗，削弱刀盘推力的贡献，保持护盾与洞壁之间若即若离状态。为使刀盘达到高效生产能力，根据皮带岩渣堆积状况，随机调节刀盘转速。

为快速填补塌腔，用树脂和泡沫灌浆并回填超挖洞，以便生成类似于泡沫砖形式的人工岩体;通过刀盘内部封堵钢板的专用孔进行钻孔和注浆，可以考虑加大输送泵泵送能力。

超前采用新奥法施作不良地段隧道，掘进机步进通过并前行到新掌子面，继续掘进，这比一味艰难掘进，效果和工期上掌握主动。

护盾内预留孔处通过钻孔注浆形成保护伞，还没被证明有助于克服此种预期状况。因为护盾内安排的孔间距很大，并偏离掌子面，不可能进行充分有效的围岩处理。常常是超前注浆、掘进过后悬挂着裸身的锚杆，砂浆荡然无存，超前锚杆加固效果不佳。

遇到破碎地带，尽量加快超前支护的速度，通过组织协调，加大投入，优化支护工艺，在保证人员安全前提下，采取激励政策，充分发挥战场阵地争夺气势，抢字为先，尽快封堵。听之任之和消极怠工则会延误支护最佳时机，导致更长时间、更大规模的坍塌，工期损失不可预料。

5.6 断层带

TBM刀盘被破碎围岩包围，TBM进行施工的隧道内断层带交叉就意味着大事故并经常伴随有掘进速度的降低，会产生极大的困难。

开挖前采用超前探测方法，物探勘测方法预测的概率尚不高，倒不如利用钻机从掘进机主梁内部穿越刀盘打超前钻，侦测前方不太远区域，情况相对明了更为有效。

在判断两种断层有可能交叉的情况下，频繁遇到某种断层会引起大事故:操作手不能正确判定是否断层，往往通过停止机器和不断旋转刀盘的方法导致断层使“TBM上方形成大塌腔”。但要防止注浆不彻底，TBM不愿后撤倾向，同时进入刀盘观察注浆质量。

5.7 挤压性围岩状况

只要掌子面的短距离内产生大量挤压状况，不到1 d TBM就会面临困难，表现为刀盘被卡。引红济石、引大济煌、新疆八一大阪以及云南那帮等工地或多或少出现类似问题。刀盘区域的处理相当困难，严重耽误开挖进度，甚至于隧道竣工后，还出现与地表突起或支护失败相关的中长期挤压［2］。

解决办法是适当超挖，增加TBM的刀盘直径(扩大切割范围)，调节护盾和开挖岩体之间的间隙，通常间隙只为6～8 cm到14～20 cm。刀盘与护盾直径呈现倒锥形，前大尾小，有利于收敛时岩石应力的释放。拱架支护、挂网和喷锚工序必须严格到位，保证密贴洞壁，不得留出空隙，以免载荷叠加加剧洞壁的不稳定性和地表扭曲变形、挤压趋势。

在此情况下，保持TBM在各种状况下持续掘进，也是防止刀盘被卡的有效办法。避免TBM的长时间停机，间隔4 h转动刀盘。否则TBM受阻的风险很高。

上述问题在国内各TBM隧道工程程度不同均出现过，对症施用将有所裨益。

［1］水利部科技推广中心.全断面岩石掘进机［M］.北京:石油工业出版社，2005.

［2］王在仁.敞开式全断面隧道掘进机开挖软弱破碎围岩的施工方法［J］.铁道建筑技术，2004(6):25-29.