TBM施工风险与应对措施

陈 馈，冯欢欢

(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001;2．中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)

0 引言

目前复杂山区隧道施工主要有钻爆法和TBM法2种，而TBM以其掘进速度快、施工安全、污染小、成洞质量高等优点得到了越来越广泛的应用。但TBM在施工过程中经常遇到地质风险，若处理不当，会直接影响工程施工进度和质量，甚至引发重大工程事故。因此，积极寻找引起TBM施工风险的因素及相应对策，是提高TBM施工速度和安全性的重要措施之一。

地壳经历了漫长的地质时期，在强烈的构造应力和外应力的作用下，形成了一个复杂的地质环境。埋深大、破碎带密集、软硬岩兼具、地应力高、突涌水、岩温高等是TBM穿越复杂地质环境经常遇到的施工风险［1-4］。开敞式TBM施工硬岩时效果较好，具有较快的施工进度，但在软弱围岩中施工效果较差，易造成撑靴破坏支护，从而引起二次坍塌，这是开敞式TBM在软弱围岩地层中最难解决的问题之一。双护盾TBM遇到地应力变化大、破碎、块状围岩时如不能及时通过，刀盘和护盾有被卡住的危险;一旦出现卡机，处理非常困难，经常会导致长时间停机;在高压涌水时易造成管片断裂，从而引发人员及设备安全事故［5-10］。无论是开敞式TBM，还是双护盾TBM在施工过程中都会存在一定的风险。

温森等［11］将TBM盾壳与开挖轮廓面之间预留的间隙和隧道径向变形之差作为功能函数，采用ANSYS中PDS模块预测了隧道变形量及发生卡机的风险率;赵延喜等［12］基于风险影响因素的层次性，提出了TBM施工风险二级模糊综合评判计算模型，并利用层次分析法(AHP)确定各级因素权重，利用模糊集法确定隶属函数，划分了风险接受等级;王瑞芬等［13］以某大型引水隧洞TBM施工项目为例，依据风险管理的基本原理，探讨了风险管理的组织机构、项目风险的识别与分析以及风险的防范措施。虽然以上研究有涉及TBM施工风险，但所提出的风险因素不够系统全面，而且多偏于理论模型的研究，也未提出有效的应对措施。本文从地质、TBM装备及人为因素3方面入手，系统分析引起TBM施工风险的因素，并提出相应的应对措施。

1 TBM施工风险

TBM作为常用的隧道施工设备，能够为地下空间的开发与利用提供先进的技术与装备支持，但其面对众多潜在的风险，如果处理不当，会带来严重的后果。开敞式TBM存在的常见风险有:易坍塌、立拱及回填量大、撑靴及拱架失效、易造成设备及人员伤害等，见图1。双护盾TBM存在的常见施工风险有:卡刀盘、卡盾及管片漏水或断裂等。

引发TBM施工风险的因素主要有:地质的复杂性、TBM的适应性、人认知的局限性和责任性、方案和措施的不合理性等。可归纳为“地质风险、设备风险、人为风险”，据相关数据统计，其所占比例分别约为40%、30%和30%。

1．1 地质风险

详细、可靠的地质资料是TBM工程成功的基本条件，对项目采用TBM施工的可行性、TBM的选型、TBM主要参数的设计、辅助施工设备的选择和应急预案的制定等方面都有着重要影响，直接决定了工程的成败。

1．1．1 影响TBM施工的地质因素

1)岩石的硬度。在其他条件相同的情况下，岩石的单轴抗压强度越低，TBM掘进速度越快;岩石的单轴抗压强度越高，掘进速度越慢。但是，岩石的单轴抗压强度太低，掘进后围岩的自稳时间极短甚至不能自稳。只有当岩石的单轴抗压强度值在一定范围内时，TBM掘进才可能既保持一定的速度，又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数硬岩TBM适用于岩石单轴抗压强度值在30～150 MPa的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。

)岩石结构面的发育程度。一般情况下，当岩石条件为节理较发育和发育时，TBM掘进效率较高，其原因为:节理不发育，岩体完整，破岩困难;节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，支护工作量增大，同时岩体给撑靴提供的反力低，造成掘进推力不足，因而也不利于提高掘进效率。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，掘进速度有增高的趋势;但当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体不具自稳能力，在此类围岩中进行掘进施工，其掘进速度非但不会提高，反而会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低。

3)岩石的磨蚀性。岩石的磨蚀性对刀具的磨损起着决定作用。当其他因素一定时，岩石硬度和磨蚀性越高，刀盘、刀具的磨损就越大。换刀量和换刀时间的增大，势必影响到TBM应用的经济效益和掘进效率。刀具、刀圈及轴承的磨损或损坏，对TBM使用成本影响很大。岩石的硬度、岩石中矿物颗粒(特别是高硬度矿物颗粒，如石英等)的大小及其含量的高低，决定了岩石的磨蚀性指标。一般来说，岩石的硬度越高，对刀盘刀具等的磨损越大，掘进效率也越低。

4)岩体主要结构面。当岩体主要结构面的走向与隧道轴线间夹角小于45°，且结构面倾角较缓(≤30°)时，隧道边墙拱脚以上部分及拱部围岩因结构面与隧道开挖临空面的不利组合而出现不稳楔块，常发生掉块和坍塌，影响TBM工作，降低TBM工作效率，甚至危及TBM安全。

5)围岩的初始地应力状态。当围岩处于高地应力状态下，若围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时，极有可能发生岩爆灾害，严重时将危及TBM及施工人员的安全;若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形。二者均会给TBM的掘进施工带来极大的困难。

6)岩体的含/出水状态。岩体含/出水状态对TBM工作效率的影响程度，主要由含/出水量的大小及围岩的范围与性质决定。一般来说，富含水和涌漏水地段，围岩的强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度降低更显著，致使围岩的稳定性降低，影响TBM工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，不仅会恶化TBM工作环境，降低TBM工作效率，同时还可能会造成人员及设备伤害事故。

1．1．2 TBM 施工地质风险

TBM施工的主要地质风险可分为4类:1)大埋深、高地应力条件下岩爆及围岩大变形风险;2)破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险;3)掌子面或周边围岩的渗漏水、涌水风险;4)瓦斯渗漏风险。因地质风险处理不当而引发的工程事故如图2所示。

图2 TBM施工遇到的常见地质风险Fig．2 Common geological risks in tunneling by TBM

1．2 TBM 装备风险

1．2．1 TBM 装备风险

TBM装备的选型和设计，不仅决定了TBM在施工过程中能否发挥正常的施工功能，而且也直接影响了后期施工风险发生的概率。与TBM装备风险相关的因素主要有:TBM选型(开敞式还是护盾式)、刀盘的结构形式、刀具配置与刀型、刀间距设计、地层处理系统设计和支护系统设计等。不合理的装备设计易引起工程风险，如主轴承或密封损坏、刀盘损坏(开裂、磨损)及刀具异常磨损等(见图3)。

图3 TBM刀具、主轴承损坏事故Fig．3 Damage of cutting tools and main bearing of TBM

1．2．2 装备性能要求

技术先进、质量可靠的TBM装备是TBM施工项目顺利完成的关键因素之一。先进设计、制造技术能够保证TBM地质适应性更好、施工更安全、效率更高、可靠性更好。

1．3 人为风险

TBM施工经验丰富、管理科学、专业高效的施工队伍是TBM施工项目成功的根本因素。由于施工人员认知的局限性、施工组织及管理责任心不足、施工方案和措施不合理等原因，直接增加了TBM施工过程风险事故发生的可能性。

2 TBM施工风险的对策

2．1 不良地质及对策

控制TBM施工风险的基本原则:地质是基础，TBM是关键，人是根本。采取的措施可从以下3方面着手:1)从地质勘探入手，规避地质风险;2)从TBM选型设计挖潜，规避TBM装备风险;3)从科学管理抓效，规避人为风险。常见的危险地层主要有块状岩体、挤压地层及高水压地层等。

2．1．1 块状岩体与对策

由于岩体结构的不稳定性和破坏性压力的综合作用，导致岩体的快速分解、岩块脱离、岩端和岩面间发生弯曲变形，进而形成块状岩体。块状岩(见图4)对TBM掘进的影响主要有:对刀具造成高频率大幅度震动;使刀具刀盘与堵塞的块状岩之间发生激烈撞击;使刀盘产生非正常振动;使刀具和轴承损坏;导致出渣运输系统非正常磨损等。

图4 块状岩体Fig．4 Block-shaped rocks

以中天山特长隧道左线工程［14］为例，TB880型敞开式硬岩掘进机施工时，因岩爆、坍塌等在掌子面处形成台阶及孤石，在刀盘旋转过程中，刀具和掌子面台阶、孤石产生频繁冲击，导致刀具异常损坏、脱落，刀具消耗呈几何级数增加。最后，通过采用降低刀圈硬度、加厚刀刃宽度、安装滚刀保护块等措施，起到了对刀具良好的保护效果。针对块状岩体可采取如表1所示的对策。

你让她回来，别去烦人家。话有点硬，杨小水赶紧又解释说，我最后一次给他写信，被退了回来。可能是搬家了。从那以后，我们就失去联系了。

表1 针对块状岩体的措施Table 1 Countermeasures for block-shaped rocks

2．1．2 挤压地层与对策

在隧道开挖过程中，由于不良岩层中的高压迫使隧道围岩相互挤压聚合，从而导致隧道横断面减小，通过比较现场压力和岩体强度的办法可以预测到此问题。当施工地质为挤压地层时，从短期来看，施加于刀盘/护盾上的高压力会导致TBM堵塞;从长期来看，衬砌支护所承受的高压力会导致隧道结构的变形和隧道功能的失效。如果挤压程度过大，还需重新设计隧道。

预防TBM在挤压地层条件下被卡的常用对策有:1)采用扩径法，将护盾和岩体之间的环形间隙扩大到15～25 cm;2)适当缩短护盾长度;3)使用锥形护盾—盾前部的直径大，可以防止盾后部受到挤压;4)使用润滑剂(膨润土)，减少护盾和岩石的摩擦;5)加大主推进系统和辅助推进系统动力，以克服由于挤压地层造成的摩擦。

2．1．3 高水压地层与对策

在高地下水压地层(如裂隙岩体)修建隧道，较适宜采用泥水平衡盾构，也可采用更具优势的双模式TBM。在高碎度片麻岩、闪长岩、灰绿石块岩地层、1．3 MPa高水压地层的工况下，荷兰隧道成功采用双模式TBM(泥水/TBM)完成高水压地层掘进，采用的刀盘(见图5)直径为10．53 m。

图5 荷兰隧道泥水/TBM双模式刀盘Fig．5 Dual mode cutterhead of slurry shield/TBM used in Holland

2．2 TBM装备风险的对策

随着施工条件的不断变化，对TBM施工也提出了更高的要求，即掘进速度更快、地质适应性更高、隧道开挖直径更大。为了提高TBM在多变和极端地质环境下的适应性，多功能高适应性TBM的设计原则如下:1)必须确保人员和TBM设备的安全;2)能有效解决施工中遇到的各种难题;3)能应对各种地质风险，如大埋深、高地应力条件下岩爆、坍塌及围岩大变形风险，破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险，渗漏水、涌水风险等;4)具有高适应性并兼顾局部特殊性化。

2．2．1 双护盾多功能TBM

双护盾多功能TBM(见图6)具有紧凑的短护盾、锥形盾体、伸缩铰链、主/辅助推进系统、组合性强、超挖量可调等结构特点，能适用于多种复杂岩层隧道，如从软岩到硬岩、穿越断层、高压涌水等地层，但也有不能平衡掌子面压力的不足。其具有高适应性的地层处理系统，包括对全断面的处理，盾体和刀盘处安装有地层处理设备，岩体支护系统可以适应多种地质条件，能够在严重挤压地层和岩爆区进行掘进。在软弱破碎岩层地质条件下，双护盾多功能TBM以双护盾模式进行开挖，当岩层自稳性较好时，则转换为单护盾模式，同时在断层中，还可以对盾前岩体进行处理。

图6 双护盾式TBMFig．6 Telescopic TBM

双护盾多功能TBM充分考虑地层处理功能的需求，能够实现通过刀盘加固掌子面，通过伸缩盾体填充空洞、稳固洞顶，通过盾尾注浆和超前管棚注浆。特别适用于涌水裂隙岩层和断层，能有效解决涌水问题。同时配有一套岩体加固装置，可以进行岩体加固处理。

2．2．2 双模式 TBM

双模式TBM可分为土压/TBM和泥水/TBM 2大类，分别可实现土压平衡模式-TBM模式、泥水模式-TBM模式间的转换。

双模式TBM(土压/TBM)配有螺旋输送机、复合刀盘(见图7)、土体改良系统。当开挖面不能自稳时为EPB盾构模式软岩掘进，开挖面自稳性良好时为TBM模式硬岩掘进，2种模式间的转化相对简单。解决了传统土压平衡盾构遭遇复杂岩土地层使用受限及TBM在软土地层中不适应等缺点，兼顾了硬岩、软土2种掘进模式、结合管片拼装与洞壁支护2种隧洞支撑技术的优点。其既具有硬岩条件下快速掘进功能，又具有平衡开挖面功能，使盾构技术与TBM技术相互渗透、融合，是一种集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体的新型混合式TBM，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性，能有效降低施工风险，且操作简单、成本低廉。

图7 双模式TBM(土压/TBM)Fig．7 Dual mode TBM(EPB shield/TBM)

双模式TBM(泥水/TBM)的泥水模式用于高水压裂隙岩层掘进，TBM模式用于无水或少水岩层掘进，当地层条件发生变化时，其能够灵活实现泥水和TBM2种开挖模式的转换，以满足安全快速施工需求。2种模式示意图如图8所示。

2．2．3 通用紧凑型TBM

通用紧凑型TBM(见图9)，比开敞式TBM适应性更强，适用于开挖面不稳定的岩石地层、断层和挤压地层，适用于采用新奥法支护的岩石隧道。此机型目前国内尚未有使用经验，国外类似经验也不是很多，但凭借其独特之处，将会逐渐成为TBM发展的一种趋势。

主推缸、撑靴在盾体内，刀盘正面面板采用300 mm整钢，撑靴在拱架安装器等支护系统前边，同时配置辅助推进缸系统。前大后小的倒锥形设计能有效防止盾体卡壳，辅助推进缸能够有效保证主机快速通过破碎带，具体如图10所示。另外，配有一套非常紧凑的后配套系统和掘进系统，可实现快速组装、运行和拆机，并易于运输。

图10 通用紧凑型TBM结构特点Fig．10 Structural features of general compact TBM

1)撑靴前置。撑靴前置在机头部分(见图11)，有效规避了开敞式TBM撑靴与支护干扰的问题，既能取代开敞式TBM，同时又具备护盾式TBM施工安全的优势。

2)防卡盾设计。进行紧凑型优化设计，尽量减少护盾长度，主机采用倒锥形设计;尾盾设计成半圆形的指形护盾，有效防止盾尾卡住，恶劣地质段采用钢瓦片支护。由于钢瓦片容许一定的微量变形，能起到效果更佳的蛋壳效应，可以有效减少和防止卡盾现象的发生。

图11 撑靴前置结构示意图Fig．11 TBM with front grippers

3)超前地质探测。通用紧凑型TBM在紧随岩石初露位置配置有360°范围的超前双钻机系统，进行地质取芯、排水孔、泄压孔等施工操作，使得超前地质探测变得极为容易。

4)湿喷混凝土系统。紧随尾盾配置设计双湿喷混凝土系统(见图12)，必要时在围岩初露的情况下及时进行紧贴初露围岩的喷射支护，而且规避了开敞式TBM湿喷混凝土需要对工作区核心部件进行防护工作的弊端，可以快速实施作业，且较开敞式TBM湿喷系统更靠近掌子面，有利于快速安全施工。

图12 湿喷混凝土系统Fig．12 Wet shotcreting system

2．3 人为风险的对策

为了规避TBM施工过程中因人为因素造成的风险事故，要求TBM施工队伍素质高、能力强:1)经验丰富，地下工程的风险需要丰富的经验应对;2)管理科学，TBM施工项目工期紧，科学的管理才能充分发挥TBM的效能，节约成本、创造效益;3)专业高效，TBM施工工序安排紧凑，一环扣一环，高效先进的TBM装备需要高效的专业作业人员，是保证工期的关键因素之一。

3 TBM施工风险案例分析

3．1 工程简介

雪山隧道，原名坪林隧道，全长12．9 km，是台湾第一、亚洲第二、世界第五长公路隧道。1991年7月开工，2006年6月16日通车，历时15年竣工，比预计的1998年通车晚了8年。雪山隧道由东行线和西行线2个主隧道和1条“导坑”隧道组成，中间有3对通风竖井，2条主隧道之间有28座人行联络隧道和8座车行联络隧道。雪山隧道结构示意如图13所示。

图13 雪山隧道结构示意图Fig．13 Plan of Hsuehshan tunnel

2条主洞采用直径为11．74 m的双护盾TBM施工，一条与主隧道平行，相对主隧道中间下方的平行导洞采用直径为4．8 m的双护盾式 TBM施工。3台TBM均由头城往坪林方向(1．255%上坡)施工。主洞(东线)于1993年7月23日开工，先在洞口以钻爆法开挖732 m，1996年5月采用TBM施工，东线TBM共掘进3 925 m，处理和故障停机5次计374 d。主洞(西线)于1993年7月23日开工，先在洞口以钻爆法开挖881 m，1996年8月采用TBM施工，西线TBM施工期间共掘进456 m，处理和故障停机总计10次计961 d。

3．2 风险分析及对策

地质资料不够精确、装备设计考虑不周、面对软弱围岩工况的应对能力不足等是雪山隧道使用TBM施工失败的主要原因。

3．2．1 地质风险及对策

隧道南口方向3．6 km范围断层，显示出最差的岩石构造，被5个大型断层和众多剪切区所交叉，并有丰富的地下水。TBM于1997年12月在开挖456 m时，通过上新断层带的剪裂带交错区时，位于隧道截面左上方，未被探测到的地下蓄水突然爆出，冲毁无螺栓连接的管片衬砌，此时TBM刀盘后方约30 m处也出现750 L/s、水压达1．8 MPa的涌水(见图14)，涌水及岩碴造成已安装的管片断裂，其上方有约7 000 m3岩块等掩埋了TBM主机及其后面90 m长的后配套系统。

图14 雪山隧道涌水事故Fig．14 Water burst in Hsuehshan tunnel

造成未能成功避免地质风险的原因主要有2个方面:

1)地质资料与实际有较大出入。雪山隧道在沿12．9 km长的隧道线上，仅施作了69个岩芯钻孔(累计钻深2 271 m)，这些钻孔大部分和其他辅助调查都是在东线洞口段范围内进行的，而且只有很少的岩芯钻孔穿过了覆盖层到达隧道高程(隧道一般埋深小于300 m，最大埋深750 m)。由于勘察周期短，勘察投入小，最终提供的地质勘察资料与实际有较大出入，严重的断裂和剪切带以及极大的地下涌水给施工带来了灾难。

2)辅助导坑未起到保驾护航的作用。雪山隧道设立导坑隧道的目的不仅是为了探测基岩的结构状况，也是为了超前排出山体涌水以降低山体地下水位和水压。此外，也可在必要时由导洞处理2台主洞TBM前方的岩层。导洞工程完成之后即可作为避难洞和排水洞使用。实际上由于导洞施工的严重滞后，未通过导洞进行地质探测、排水、加固等措施，导洞没有起到保驾护航的作用。

应对措施:加大TBM施工前地质勘察投入力度，在施工过程中，定期进行补勘，并配置较为先进的地质预报系统。

3．2．2 TBM 装备风险及对策

引起TBM装备风险的因素主要有以下2个方面:

1)设备设计欠考虑地质适应性。主要表现为:①护盾长度过长，增加了盾体被卡的概率以及护盾摩擦力，可通过缩短护盾长度、将护盾设计为锥形和增设扩挖机构来减少护盾摩擦力;②刀盘扭矩不足，直接导致刀盘脱困能力达不到需求;③未增设超前钻孔和注浆系统，当遇到软弱围岩时，无法提前加固围岩;④无刀盘进岩量控制系统，造成停机清碴概率大大增加。

2)导坑隧道不宜选用双护盾TBM。主要原因有:①使用双护盾TBM很难探测到围岩的岩性;②使用双护盾对围岩的支护较为困难，同时无法对正洞软弱围岩进行处理;③双护盾通过断层、软弱破碎地带时自身能力不强，掘进速度不高，起不到超前的作用;④导坑隧道应选开敞式TBM。

应对措施:1)结合工程地质条件的特点，进行TBM选型;2)设计TBM装备时，应全面考虑工程所需，选择合适的护盾长度、刀盘驱动扭矩等重要设计参数，同时应配备刀盘进岩量控制系统、超前钻孔和注浆等系统，从而降低TBM在施工过程中因装备问题而造成停机或出现故障的概率。

3．2．3 人为风险及对策

TBM施工管理队伍缺乏应对软弱围岩的能力和措施。隧道施工中，可能会遇到各种类型的不同地质，而可能形成地质灾害的不仅仅只是由地质原因造成的，围岩被开挖过程中，它的初始稳定被破坏，故包括开挖方式、开挖进度、支护手段和类型都影响着围岩的重新稳定过程。人为扰动因素，也可能是造成TBM灾害的原因和主体。

雪山隧道TBM施工现场的一个明显问题是缺少经验丰富的隧道施工技术人员。法国斯卑巴蒂诺尔公司撤走之后，台湾工程人员需要独自应付TBM施工。受聘的俄罗斯TBM操作人员则习惯于接受指令，而不能发挥主观能动性，不能及时对工况的变化做出应对措施。

应对措施:在TBM施工过程中，不仅要重视工程完成的质量，还要注重对施工技术人才和施工管理人才的培养，力争配备一个经验丰富、管理科学、专业高效的施工人才队伍。

4 结论与讨论

从快速施工、安全防护等方面考虑，无论是开敞式TBM，还是护盾式TBM，在软弱、破碎围岩段施工时，都存在一定的施工风险。为了有效规避TBM施工风险或尽可能地降低风险发生后所产生的负面影响，获得详细、可靠的地质水文资料和拥有一支经验丰富、管理科学、专业高效的施工队伍是TBM安全、高效施工的前提;同时，技术先进、质量可靠的TBM装备和服务专业的TBM制造商也是TBM施工项目成功执行的关键因素。本文从地质、装备及人为因素3个方面系统全面地分析总结了引起TBM施工风险的各种因素，并提出了相应对策，完善了现有TBM施工风险管理体系，能够为规避TBM施工风险提供理论指导。如何将TBM施工风险应对措施成功运用于实际工程中，进而有效预防和处理风险，是该类课题需进一步研究的方向。

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