深埋长隧道TBM 施工关键问题探讨

周建军，杨振兴

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

1 引言

随着我国隧道建设逐渐向“长、大、深、群”方向发展，地应力增大，水头压力和涌水量加大，地温梯度升高，开采扰动强烈等逐渐突显，地质环境劣化导致深部隧道围岩出现特有的力学现象，如采用传统隧道建设形成的理论、设计方法和施工技术的不适应性，可能发生突发性工程事故和重大灾变现象。例如，锦屏二级水电站引水隧道群总长约118 km，最大埋深2 525 m，最大洞径达13.0 m。由于高地应力作用，隧道施工过程中大理岩围岩多处发生强度不一的板裂化岩爆与板裂化片帮[1]。淮南朱集煤矿埋深大于1 000 m，巷道多处底板出现裂缝，U 型钢支护严重破坏[2]。

由于地质条件和经济等多种原因，深埋长隧道开挖施工仍多采用新奥法施工，开挖施工工法采用全断面开挖法、台阶开挖法和分部开挖法，支护采用超前预制管棚+锚杆+钢拱架+喷混凝土等复合式衬砌形式[3－4]，即便如此，深埋隧道仍出现了大变形、支护失效等事故，因此，必须尽快发展适应深埋隧道特点的掘进技术和围岩稳定控制理论与技术。在深埋长隧道开挖过程中，特殊的工程地质环境对隧道的设计与施工、围岩稳定性分析具有重要影响，许多专家针对深埋岩体提出了不同的研究思路和观点，推动了深埋长隧道安全、优质、高效的开挖支护[5－8]。例如，为解决超千米深井巷道建设支护难的问题，刘泉声等[9]引入全断面岩石巷道掘进机（RBM），其开挖、支护原理类似于盾构（TBM）。为解决深埋长斜井建设周期长、造价高的问题，何川等[10]深入分析了深部围岩工程及TBM 施工的研究现状，继而从施工技术、支护体系等方面归纳了TBM 施工深埋长距离斜井尚需解决的问题。何满潮等[11]认为在深部岩体所属的非线性力学系统中，传统的理论、方法与技术大部分已失效，深入进行深部岩体的基础理论研究势在必行。

隧道掘进机（TBM）以其安全、优质、高效、经济、有利于围岩稳定等优点在浅埋隧道中得到广泛应用。然而，TBM 在深埋隧道中的应用比较少，且在工程应用中出现了一些难题，诸如岩爆、TBM对前方地质适应性差以及卡盾问题尤为突出。例如，锦屏二级水电站1#、3#及排水洞采用TBM 施工开挖，但在开挖过程中由于地应力较大，围岩出现岩爆及片帮等灾害影响TBM 施工；“引大济湟”调水总干渠工程隧洞施工过程中因不可预知的不良地质条件，先后累计十余次因较大的围岩收敛变形、塌方导致TBM 卡机/卡盾。同时，卡盾现象也在“引洮供水”、“引红济石”工程中多次出现。因此，TBM 是否可以应用于深埋长隧洞，工程界仍没有明确定论。

随着我国基础建设过程的进一步深入，在深埋长隧道施工中高应力围岩开挖损伤及开挖动力响应的控制已经成为影响工程进度和安全的重要问题。本文针对深埋长隧道，分析总结传统钻爆法、TBM法、TBM 导洞扩挖法的优缺点，对TBM 应用于深埋软岩、硬岩层长隧道施工中的关键问题进行探讨。

2 深埋长隧道掘进与支护

2.1 钻爆法

深埋长隧道的施工工法仍以传统钻爆法为主，采用分部开挖工法以期满足特殊地层（或不良地层）的施工要求。

钻爆法对地层适用性强，适用范围广，当地质条件变化时可及时对施工方案进行调整，灵活多变。同时，技术已经比较成熟，施工经验丰富，已形成科学完整系统的施工工艺，且成本较低。但钻爆法存在掘进速度慢，施工工序繁杂，各工序干扰影响大，不利于围岩稳定，超欠挖现象严重，断面不规整，容易诱发冲击地压、岩爆、片帮等灾害，工人劳动强度大、安全性差、施工质量差，工程质量控制难度大等问题。

针对支护形式广泛采用管棚+锚杆+注浆+钢拱架+喷混凝土等联合支护体系，对软弱地层施作超前小导管支护，由高强度预应力锚杆、锚索及注浆手段对破碎围岩加固，封闭U 型钢拱架、可缩性支架、衬砌、钢筋网等若干种支护形式组成高强联合支撑，如图1 所示。然而，多重高强联合支护形式也很难满足深埋长隧道高地应力开挖损伤和开挖动力破坏（如岩爆和应力性坍塌等）的控制要求。

图1 初衬+二衬+钢拱架+锚杆等支护方式Fig.1 Traditional supporting way(initial lining and second linging and steel arch and bolt)

国内外多处深埋长隧道中发生过支护失效等事故，见图2。阿尔贝格隧道（Arlberg）长13.98 km，最大埋深740 m，初始地应力为13 MPa，围岩为千枚岩、片麻岩、含糜稜岩的片岩、绿泥岩等。隧道在施工过程中产生了20～35 cm 的支护位移，变形初速度达到4～6 cm/d，最大达11.5 cm/d。Tauern隧道全长6 400 m，埋深600～1 000 m，在施工过程中产生50 cm 及120 cm 的位移变形，最大位移速度达20 cm/d。

图2 隧道支护失效Fig.2 Supporting failure of tunnel

2.2 TBM 全断面掘进法

TBM 是普遍应用于地铁等浅埋隧道开挖的专用工程机械，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。在国内有两种提法，一种是岩石掘进机（TBM），另一种是盾构。TBM 仅指适合硬岩掘进的隧道掘进机，即TBM。其中，硬岩TBM 又可分为敞开式TBM、护盾式（单护盾、双护盾）TBM。图3为双护盾全断面掘进机。

图3 单护盾全断面掘进机Fig.3 Single shield TBM

TBM 具有全断面开挖、出渣、支护以及灌浆等工艺同步进行，一次成洞，连续施工，施工效率高，掘进速度快等优势。根据国外实践经验：当隧道长度与直径之比大于600 时，采用TBM 施工是经济的，其一般速率是常规钻爆法的3～10 倍[12]。同时，深部地层水平应力与垂直应力大小趋近，TBM 施工形成的圆形断面受力状态良好，有效避免了开挖后局部围岩应力集中，最有利于围岩稳定。同时，工作人员劳动强度低，施工安全，事故发生概率比钻爆法小。

针对支护形式，敞开式TBM 一般配置有钢拱架安装机构、锚杆安装设备、挂网机构、喷射混凝土系统等，确保快速完成初期支护。护盾式TBM采用预制钢筋混凝土管片封闭支护，在护盾末端安装预制管片，并使用灌浆机壁后回填注浆，使管片与围岩紧密接触，管片支护刚度大，强度高，对围岩变形有很好的控制作用。

TBM 的缺点主要是对地质条件的适应性差，针对性强，对于不同地质条件需要设计不同的掘进机；同时，TBM 主机重量大，前期订购TBM 费用较多，要求施工人员技术水平和管理水平高，对短隧道不能发挥其优势。

自1978年以来，甘肃省引入大秦工程、山西省万家寨引黄工程和陕西省秦岭铁路隧道工程等项目采用国外大型TBM 进行施工，取得了成功，创造了月平均成洞1 000 m 以上的记录。因此，TBM在深埋长隧道开挖掘进中具有很好的应用前景。

2.3 TBM 导洞扩挖法

TBM 导洞扩挖法是指用小直径掘进机超前掘进导洞，然后采用扩孔机或钻爆法扩挖至设计断面的隧道施工方法，见图4。

图4 意大利某TBM 导洞扩挖法隧道Fig.4 TBM bored pilot and enlarging tunnel method in Italy

基于深埋长隧道所处的特殊地质条件，采用TBM 导洞扩挖法具有明显的优势：（1）采用小直径TBM 先行掘进后，便于对隧道范围进行地质调查，便于扩挖过程中动态设计；（2）在高地应力区域，TBM 导洞可释放部分围岩应力，主隧道扩挖时，围岩应力第二次重分布，2 次围岩应力释放，可有效地避免高地应力引起的岩爆发生；（3）由于TBM先行开挖的导洞相当于增加了自由面，因此采用炸药或者机械破碎岩石将更加容易；（4）有利于有效断面控制；（5）有利于进行快速开挖，可以有效地降低建造成本。

在意大利、日本和我国周边一些国家已有很多隧道采用TBM 导洞扩挖施工，而国内采用TBM 先挖导洞而后用钻爆法扩挖的施工方法仅在济阳高速太行隧道左线中段实施。

TBM 导洞扩挖法的缺点主要是TBM 对地质条件的适应性差，对于可能有大量涌水、涌泥、岩溶等不良地质段，不宜采用该方法。随着劳动力价格的提高和安全风险的有效控制，TBM 导洞扩挖法在中国具有很大的市场优势。

3 深埋长隧道TBM 施工关键问题

随着隧道长度的剧增和埋深的加大，一系列前所未有的特殊工程地质问题出现，国内还没有较完善的理论和技术对深埋长隧道进行优质、高效、安全的施工，TBM 在深埋长隧道中的应用还处于起步阶段，许多施工问题需要探讨和解决。

3.1 岩 爆

当深埋隧道围岩在高围压作用下变形超过弹性及塑形条件达到破裂变形，围岩出现大变形、片帮及岩爆灾害，对其控制难度极大，造成危害极大。

岩爆是深埋脆性、高强硬岩、无水、构造发育隧道中易出现的一种灾害，只要洞室所受荷载达到了临界值，就有可能发生岩爆[13]。近年来随着隧道硐室埋深的增加，岩爆的发生率不断上升。秦岭隧道在开挖过程中轻微岩爆28 段，中等岩爆11 段，强烈岩爆4 段。在南非深部金矿，67%的死亡和30%的受伤者与岩爆和岩崩有关[14]。

深埋长隧道TBM 施工通过滚刀与岩石的挤压作用达到破岩目的。开挖扰动使得初始地应力释放，工作面岩体应力集中，当应力超过岩块抗拉强度时便有裂隙产生，完整岩石变成节理发育的岩体。从该角度来看，高地应力下导致的岩体裂隙发育有利于TBM 滚刀破岩，减少了刀具的磨损，有利于隧道开挖施工，即坚硬岩层开挖中出现的“好凿好破”现象。同时，岩爆的发生使得TBM 对围岩的变形及开挖控制能力减弱。掘进面发生岩爆时，除了岩体冲击力对刀盘刀具的损伤外，滚刀对掌子面的振动冲击对刀盘结构的损伤及其严重。因此，深埋长隧道TBM 施工中特别注意卡盾事故。

3.2 超前地质探测问题

由于TBM 对地层的适应性差，施工前的地质勘察成为TBM 设计的重要参考依据。然而，由于深埋长隧道在施工前的地质勘察很难做得十分详尽，施工中常常出现一些不可预见的地质灾害，例如，涌水、岩溶、瓦斯、断层、膨胀岩、高地应力及围岩大变形等。台湾雪山隧道埋深达700 m，多处穿越褶皱冲断构造，且上覆岩土层复杂，设计采用双护盾TBM 施工。北上线TBM 于1996年5月开挖，1999年9月被废弃，期间经历了7 次受困地质处理，多次发生盾尾预制混凝土加固管片突然坍塌、地下水涌入隧道。南下线TBM 于1996年8月开挖，开挖至654 m 时遭遇断层，改采顶导洞+TBM混合施工。在危地马拉的Rio Chixoy 水电站的27 km 长的供水隧道中，因遇到岩溶，1 台TBM 被埋在1 个侵蚀洞穴内。委内瑞拉隧道长27 km，其围岩变形每分钟达到20 cm，致使TBM 无法完成掘进而停工，因此，TBM 在掘进过程中必须有超前地质探测的保证。

TBM 常用的超前地质探测手段包括超前钻探和地质雷达，超前钻探能满足TBM 每天掘进距离不大于20～30 m 需要。地质雷达探测已普遍适用于常规钻爆法的超前探测，法国巴黎Eole 工程在TBM掘进过程中成功利用地质雷达进行了超前探测[15]。

3.3 卡 盾

卡盾是TBM 施工过程中重大事故之一，有关卡盾的研究大多都只是侧重于围岩变形控制和卡盾治理措施[16]。

深埋长隧道所处地应力 p0较高（20～30 MPa），TBM 施工开挖后，岩体应力重新分布，隧道表面径向应力部分作用于TBM 支护管片，环向应力增加，巷道径向半径内挤压变形出现塑性区。岩体应力分布状况如图5 所示。图中，Pi为围岩屈服应力值；F为围岩与TBM 管片相互作用力；ΔR为TBM 超挖量。

图5 深埋隧道TBM 施工受力分析Fig.5 Stress analysis of TBM construction in deep tunnel

地下洞室开挖存在工作面时空效应，工作面前方岩体受施工影响发生一部分沉降，工作面围岩位移约为最终位移的0.3 倍，工作面后方护盾周围的围岩变形量是随距离工作面距离增加而变大的，最终在一定距离处围岩径向位移达到稳定，见图6。

图6 TBM 施工过程中围岩径向位移ur变化规律Fig.6 Profile of radial displacement of surrounding rock urfor TBM tunnel in the vicinity of tunnel face

隧道围岩的径向位移沿轴向的变化规律，1995年Panet 利用弹性模型提出径向位移ur与工作面距离x 之间的关系[17]：

式（1）仅仅当x＞0 时成立。1998年Chern 根据Mingtam 电力隧道工作面附近围岩的变形监测数据整理如图7 所示[18]。在该监测数据基础上Hoek建议径向位移 ur与工作面距离x 之间最佳拟合公式[15]：

图7 沿隧道轴向方向围岩径向位移变化曲线[18]Fig.7 Radial curves of surrounding rock in the axial direction of tunnel[18]

依据上述分析，在TBM 施工过程中护盾不断被向前推进，在(X+)＜ L范围内，若成立时，围岩与护盾接触并相互作用，存在卡盾可能性；若其不成立时，围岩与护盾未接触，无卡盾可能性。

本文针对深埋软岩、硬岩地层隧道TBM 施工卡盾问题进行讨论。

（1）软岩地质

挤压软弱地层区段围岩将出现强烈的挤压性大变形，当其变形量超过开挖预留的变形量，围岩开始与护盾接触并挤压护盾，进而在TBM 推进时围岩对护盾产生摩擦阻力，当TBM 推力无法克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时，便导致TBM 被卡，甚至导致护盾遭损。

刘泉声等[2]通过考虑工作面空间效应，基于Hoek-Brown 准则研究了软岩巷道无支护条件下围岩的最大径向位移量。同时，根据式（2）巷道径向位移量ur与工作面距离x 之间的关系：

当围岩与管片接触后，管片受力逐渐增大，围岩径向应力逐渐减小，其相互之间的作用力为

护盾所受到的摩擦阻力 Rf等于围岩压力 pi(x)对护盾表面的积分加上护盾重量引起的摩擦阻力：

式中：R为管片外径；μ为护盾与围岩之间的摩擦系数；W为护盾重量。

根据卡机机制，提出卡机判据为

式中：Fb为TBM 机器正常连续掘进的开挖推力；FI为TBM 额定推力。

刘泉声等以淮南矿业集团朱集煤矿-906 m 轨道大巷为例，其围岩为花斑泥岩，局部埋深1 200 m，巷道开挖直径为6 m，长4 km，地应力31.2 MPa。通过上述理论计算表明该工况下TBM 将发生卡机事故。

（2）硬岩地质

实践表明[19]，当加载应力增加到一定值时，多数岩体将由脆性断裂破坏转化为塑形断裂破坏。当加载应力较低时，岩体表现为脆性破坏特征，运用Hoek-Brown 准则以估算破坏时的极限应力；而加载应力较高时，多数岩体破坏模式塑形破坏，这种条件下岩体的强度包络线为一条直线，更符合Mohr-Coulomb 准则。

为与深埋软岩隧道卡机比较，本论文在相同的开挖参数、机器参数为参考，将围岩软岩材料改为硬岩材料参数，并参考锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩性，见表1、2。通过FLAC 数值计算TBM 开挖隧道未支护条件下最大径向位移量。

表1 TBM 开挖参数Table 1 TBM excavation parameters

表2 围岩材料参数[20]Table 2 Surrounding rocks material parameters[20]

图8、9 分别为软岩、硬岩地层隧道TBM 施工完毕后围岩的竖向沉降量及塑性区。

图8 软岩地层隧道TBM 施工围岩响应Fig.8 Surrounding rocks response for TBM tunnel in soft rock stratum

图9 硬岩地层隧道TBM 施工围岩响应Fig.9 Surrounding rocks response for TBM tunnel in hard rock stratum

图10为隧道拱顶某处监测点随隧道掘进产生的竖向位移量及最终位移量的百分比变化曲线。

由图8～10 可以看出，硬岩地质条件下TBM施工导致拱顶岩体径向位移45 mm，小于TBM 边刀超挖量，即不会发生卡机事故。

上述数值分析基于连续岩体介质，未考虑节理发育岩块剥离等，但在深埋硬岩地质条件下高地应力极易导致拱顶及片帮岩爆发生，因此可以判断在高地应力下TBM 开挖施工，若无岩爆等对TBM 造成损坏，无卡机事故发生。

图10 巷道拱顶监测点径向位移量与工作面距离关系Fig.10 Relationships between radial displacement and distance to working face for the vault monitoring points

4 结论

（1）深埋脆性硬岩条件下，TBM 施工易导致工作面裂隙发育，甚至发生岩爆。但高地应力作用下裂隙发育有利于TBM 滚刀破岩，减少刀盘刀具的磨损程度，有利于TBM 施工；但岩石冲击力及刀盘振动对刀盘刀具已产生冲击性损伤。

（2）由于深埋隧道地质勘察深度不够，详细资料缺乏不详以及TBM 地层适应性差，TBM 施工过程中超前地质预报极为重要，应该加强隧道沿线地质的超前预报工作。

（3）卡盾是TBM 施工过程中最重要灾害之一，特别是深埋隧道对卡盾的处理更为艰难。对深埋软岩地层而言，TBM 施工易导致围岩大变形而发生卡盾。当围岩为完整硬岩时，TBM 发生卡盾的可能性不大。

将TBM 应用于深埋长隧道具有其特殊的优势与不足。在解决关键岩石力学问题的基础上对TBM施工加以改进以应用于深埋长隧道建设，既保留了其原有的优点，同时满足工程需要，便可以解决深埋长隧道开挖支护中的诸多困难。TBM 开挖支护技术将成为深埋长隧道建设的首选和重要发展方向。

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