深埋、复杂地质条件大直径隧道TBM的设计进展与创新

2012-10-10RemoGrandori

隧道建设(中英文) 2012年1期

Remo Grandori

(SELI S.p.A.公司，意大利罗马1－00144)

0 引言

在过去的20年里，市场经历了TBM隧道掘进机生产和应用数量及尺寸/直径的激增，而TBM在种类和新技术方面没有多少重大改进。缺乏创新导致TBM在一些重要的隧道工程应用中屡次失败。在未来几年内，全球有一些新的铁路和公路项目即将投入建设。这些项目大多包含地质条件复杂、不同埋深的长距离、大直径隧道，需要采用TBM施工。重大水电站项目，尤其是在印度和中国，也需要开挖长距离、大直径的隧道。为了有效地开挖这些隧道，隧道界不得不研究新技术和新型TBM以灵活应对不同的地质条件，而且还要有不同的操作模式以满足这些隧道开挖的需求。本文介绍已经实施的设计开发成果，并提出即将实施的新技术的设计指南。

1 现有的TBM类型及其在混合地质条件下用于大直径隧道开挖时的局限性

TBM在混合地质条件下开挖大直径长隧道的基本前提是能够应对不同类型的岩土地层。要满足这种基本要求，需要更慎重地进行TBM选型研究，同时应以开发新技术和新性能为重点。目前，现有的TBM类型及其主要运行特点可概括如下。

1.1 撑靴式敞开TBM

该类TBM在坚硬而稳定岩石中掘进时可达到最大工作效率，但当围岩不稳时，其工作效率会大大降低。该类TBM对岩石/隧道的稳定性要求极高，因而不适合多变地质条件下的长隧道开挖，尤其是开挖直径超过6～7 m的隧道。其原因是:在大直径隧道中，即使是岩质不错，由于围岩的不稳定，在掘进的冲击下致使大量岩块和岩屑坠落，对施工人员的人身安全会造成威胁，且需要花费大量时间和成本来清理这些碎屑;此外，这些近乎系统性的不稳定因素需要安装很有效的临时支护(如锚杆、喷射混凝土或钢拱架等)，这也会耽误TBM的掘进进度。撑靴式敞开TBM在不良围岩中开挖大直径隧道已经达到了应用极限，由于在刀盘支撑之后立刻需要强大的结构支撑，撑靴的支撑作用引起更大程度的失稳，导致撑靴支撑困难;另外，撑靴式敞开TBM只能安装NATM(新奥法)初期支护，需要再进行二次衬砌，这都必然会增加成本、延长工期。

表1为近期撑靴式敞开TBM在大直径隧道开挖中的应用实例，可明显看出其面临的巨大挑战。

表1 撑靴式敞开TBM在大直径隧道中的应用实例Table 1 Application of open gripper TBM in the excavation of large diameter tunnels

1.2 双护盾TBM

在混合岩地层开挖中小直径、长隧道，双护盾TBM通常是最佳选择;因此，世界上开挖直径不超过8 m的水工隧道大多采用双护盾TBM。开挖较大直径的隧道，采用双护盾TBM的优势就不如单护盾TBM，尤其是在软岩地层条件下。这是因为在软岩地层中TBM的掘进速度高(开挖时间短)，单护盾TBM比双护盾TBM的掘进循环时间短得多，且由于大直径隧道经常失稳可能导致伸缩接头的有效性降低。为了避免这些问题，提高双护盾TBM在混合岩地层大直径隧道中的掘进效率，10 a前引入了双护盾通用TBM(DSU TBM)。

这种经过改进的TBM有如下优势:1)设计有新型的伸缩接头，可避免由于不稳定地层产生的问题，可在更广泛的条件下采用双护盾模式;2)增加了探测、打桩和注浆功能，可对掌子面的岩石进行预处理;3)设计了短锥形护盾，具有较高的扩挖能力及极高的盾构推力，使其能够在挤压地层和深埋条件下进行隧道开挖。

但是，这种双护盾通用TBM不具备土压平衡(EPB)或泥水平衡TBM稳定掌子面的能力，因此在软弱地层中无法应用。

1.3 单护盾TBM—敞开模式

在混合岩条件下开挖大直径隧道，可选用该类TBM或双护盾TBM。采用该类TBM可开挖与管片衬砌交替进行;因此，单护盾TBM的工作效率比双护盾TBM低，且在硬岩中开挖时更加明显。

与双护盾通用TBM相比，单护盾TBM在地质适应性方面具有以下特点:1)由于无法在气密压力模式下运行，因此在软弱地层中具有同样的局限性;2)由于单护盾均较长，扩挖装置有限，对挤压地层更为敏感;3)在软弱地层或混合地层条件下可能很难操纵;4)结构简单，因而较易维修和操作。

1.4 单护盾TBM—双模式

这种单护盾TBM能够以敞开和土压平衡(EPB)2种模式运行:在EPB模式下运行时，开挖仓的淤泥通过螺旋输送机排出;在敞开模式下运行时，可根据具体设计采用螺旋输送机或带式输送机。

从螺旋输送机转换到带式输送机需要相当长的时间，且所有相关操作在刀盘上进行。对于大直径TBM，可能同时安装螺旋输送机和带式输送机，从EPB模式转换到敞开模式或反向转换刀盘布置需做很大改变。若采用同时装配螺旋输送机和带式输送机的大直径TBM，2种出渣系统的拼装设计会造成出渣效率的相互影响，通常会降低TBM在2种模式下的生产能力。若开挖的隧道段大多为软弱地层或岩石强度和耐磨指数不是很高，由于螺旋输送机的特殊设计可能会有利于双模式，单独采用螺旋输送机是最佳选择。

虽然具备双模式运行能力，但这种TBM仍具有地质局限性，尤其不适用于深埋混合岩地层。其原因如下:1)由于大量超挖不符合EPB运行要求，因此对挤压性地层较为敏感;2)为了能够在EPB模式下工作，开挖面和TBM之间的间隙应保持最小，而这样会使TBM易受挤压地层的影响;3)EPB模式在软弱地层中效率较高，但在破碎岩层中，由于泥浆的稠度导致即使采用最新的添加剂也无法形成适合EPB的混合料，因此效率较低;4)在硬岩中，其工作效率比双护盾TBM低。

2 大直径隧道工程TBM选型标准

在混合地质条件下开挖大直径、长隧道，TBM应具备以下主要特征:1)能够在不同的地质条件下有效掘进;2)能够安装预制衬砌系统;3)能够在挤压地层或不稳定地层中掘进;4)在穿越山岭时能够克服局部特殊地质条件;5)依据不同的地质构造，可能还要求TBM能够在压力模式(EPB)下开挖。

综上所述，由于每座隧道都有其各自的特点，各不相同，因此，并不存在对每座隧道都适用的TBM。

考虑到现有的各种TBM的特点，表2可作为一般性指南，用于针对具体大直径隧道的TBM选型。

表2 TBM选型指南Table 2 Guideline of selection of TBM types

从表2可以看出:1)若地质预报显示没有松散地层，则选用双护盾通用或单护盾TBM最合适，再根据岩石的可掘进性从两者中选择(若岩石较硬，则优先选用双护盾通用TBM，反之，就选单护盾TBM);2)若存在松散或软弱地层，最好选用双模式TBM，但在硬岩地段其性能会降低;3)挤压地层对TBM选型影响不大，但会影响TBM的锥度、扩挖能力和高推力等参数，这间接表明采用双模式TBM可能很难满足该要求;4)隧道中若含有不稳定的和块状岩石地段，会影响TBM对掌子面前方地层处理能力方面的设计。

3 隧道掘进机设计发展

近年来，为了适应在复杂岩石和混合地层条件下开挖大直径、长隧道的需求，业界开始研发更先进的TBM，意大利SELI公司开发了3种试点创新项目。

3.1 紧凑型双护盾通用TBM

该类TBM设计通常用于在良好围岩条件下进行隧道开挖，无需进行管片衬砌安装;允许安装预制钢拱架制成的NATM支护系统，TBM可以撑在上面进行推进操作。由于这种TBM可安装预制钢拱架制成的NATM支护系统，因而在不稳定岩石中具备较强的掘进能力，能够替代撑靴式敞开TBM。

紧凑型双护盾通用TBM的设计理念是将整个掘进系统从外部设备到后配套系统以及TBM本身结合在一起。这种设计理念的目的是降低TBM现场的运输、安装和运行成本，同时提高其工作效率。紧凑型双护盾通用TBM示意图如图1所示。

图1 紧凑型双护盾通用TBMFig.1 DSU compact TBM

3.2 土压平衡双护盾通用TBM(DSU EPB TBM)

该类TBM设计主要用于在含有部分软弱∕松散地层的硬岩中掘进长隧道。其主要运行特点是:1)既能在双护盾敞开模式下运行，也能在EPB模式下运行;2)适用于挤压性地层(短锥形盾构设计、扩挖设备和高盾构推力);3)当穿过断裂破碎带EPB模式无效，具有超前处理地层的功能。

印度北阿坎德邦(Pipalkoti)土压平衡双护盾通用TBM示意图见图2。埃塞俄比亚Beles引水隧道双护盾通用TBM示意图见图3。

在该类TBM的最初设计中，当TBM从敞开模式转换到EPB模式时，需要大量停机时间来改变其配置;而在第2代设计中允许TBM在不改变其配置的情况下从敞开模式转换到EPB模式，从而节省时间。

3.3 土压平衡单护盾通用TBM(SSU EPB TBM)

该类TBM设计用于软岩段和软弱/松散地层段交替情况下的隧道掘进。其主要运行特点有:1)既能在敞开模式下运行，也能在EPB模式下运行;2)工作效率高(功率大、推力高、管片拼装速度极快、管片环很长);3)适用于挤压性地层(短锥形盾构设计、扩挖设备和高盾构推力);4)当穿过断裂破碎带EPB模式无效时，有处理掌子面前方地层的能力。

该设计允许TBM在不改变其配置的情况下从敞开模式转换到EPB模式，从而节省时间。土压平衡单护盾通用TBM实际上是单护盾双模式TBM的升级，在硬岩及不稳定岩层和挤压性地层掘进中具有极高的工作效率和处理能力。对于中硬岩或软岩地层，可在该类TBM与土压平衡双护盾通用TBM之间选用。