天山胜利隧道TBM选型及不良地质预防研究

李亚隆

（中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119）

1 隧道设计概况

1.1 工程概况

新疆乌尉高速天山胜利隧道全长22.035 km，属特长隧道，隧道进口高程2 770 m，出口高程2 900 m，前11.90 km为1.6%的上坡，后10.135 km为-0.5%的下坡，洞身最大埋深约1 112.6 m。运营通风设置通风竖井3处，最深竖井达705.7 m。该隧道采用对向掘进，进出口端各承担11.017 5 km的施工任务。初步设计采用三洞方案 （三洞＋三竖井，中导洞TBM），隧道主洞施工通过中导洞开辟主洞辅助工作面，详情如图1所示。

图1 天生胜利隧道纵断面图

1.2 地表水

天山胜利隧道出口段位于乌斯台沟，属于乌拉斯台河水系，为乌拉斯台郭勒河上游河流，河流长度约11.33 km，沟口以上集水面积44.81 km2，该河流径流的年内分配极不均匀，径流量主要集中在6～9月，主要为冰川融水及雪水。

1.3 地下水

隧道地下水类型可分为基岩风化裂隙水和多年冻土区地下水2种类型。区内地下水径流趋势是由北向南，排泄于山前冲、洪积平原区。

1.4 地质

隧道洞身围岩主要为变质粉砂岩、细砂岩、板岩、片岩、片麻岩、绢云母石英片岩、花岗片麻岩、黑云母花岗岩及断层碎裂岩，围岩级别为Ⅱ～Ⅴ级，Rc最大值为90 Mpa。不良地质如下。

（1） 断层破碎带。存在涌水、软岩大变形的可能。隧址区对线路有影响的构造主要有F7断层破碎带，其中F7断层破碎带长度160 m，断层破碎带围岩主要为风化花岗闪长岩和石英片岩接触段，受断裂影响岩体破碎，Rc=30 MPa，[BQ]计算值为225，围岩等级为Ⅴ级。设计揭露到该断层破碎带带，钻探深度374.50～378.00 m，受构造挤压作用强烈，破碎带处岩石极为破碎，岩石为糜棱岩，手易掰断，断层富水程度为中等—强水区。

（2） 涌水。局部地段地下水丰富，水位较高，山体裂隙水较发育，由于花岗岩破碎，裂隙水发育，可能会产生较大涌水。

（3） 岩爆及大变形。隧道洞身最大埋深达1 112.6 m，区域地质构造活动较为活跃，局部围岩主要以花岗岩等硬质岩石为主，地下风机房、竖井及横通道等地下洞室错综复杂，容易引发岩爆及软岩大变形等高地应力问题，对隧道的施工安全有较大的威胁。

2 TBM设备选型

2.1 TBM国内调研

根据调研情况，目前，国内直径8 m左右的大型TBM设备多采用敞开式TBM，这主要考虑到大直径TBM设备在掘进过程中所需的推力要远大于一般直径的TBM设备，而衬砌管片所能提供的推力有限，在掘进过程中掘进推力在很大程度上要由围岩上的撑靴来提供，因此采用单护盾式TBM不太可行。而双护盾式盾构虽然能够通过其尾部的两个撑靴共同提供掘进推力，但是在地层适应性上存在一定的限制，在复杂条件下，若TBM自身设计的超前预处理措施无法解决地层问题时仍需要采用导坑超前进行钻爆法开挖预处理的方式通过，这时采用带护盾的TBM有所限制，常规小直径隧道 （约≤5 m） 时，复杂地质条件对TBM掘进以及结构安全的影响则要远小于大直径TBM （≥8 m），这也是小直径隧道多采用双护盾TBM，而大直径隧道采敞开式TBM的一个主要原因。

2.2 TBM选型

与敞开式TBM掘进相比，双护盾式TBM掘进的优势主要在于二次衬砌的快速化施工和软弱围岩段的快速掘进，根据本项目的地质条件，软弱围岩段基本处于断层破碎带或其影响带，在这种复杂地质条件下，8 m直径左右的洞室掘进采用双护盾式TBM通过时仍需要采取可靠、充分的超前预处理措施，这与采用敞开式TBM、超前预处理后掘进通过并不具备太大优势，两种设备均有相应的措施顺利通过断层破碎带及其影响带，不同之处在于双护盾式TBM通过地层弱加固、快速掘进、二衬及时跟进的方式保证结构的安全，而敞开式TBM通过地层强加固、慢速掘进、加强初期支护的方式保证结构的安全，在施工效率上双护盾式TBM略优。

本项目除了断层破碎带外并不存在其余的软弱围岩段落，双护盾式TBM需要配套的拼装设备系统、管片预制等相应的工程和设备措施，工程费用上大大高于敞开式TBM掘进。因此，本次项目设计推荐采用地层适应性更强的敞开式TBM进行设计，以达到施工效率最大化和地层适应性最好的目的。

3 TBM施工不良地质预防及处理措施

3.1 主要不良地质

隧道主要不良地质是涌水、高地应力产生的岩爆及大变形等。

隧道围岩的断层破碎带、岩体侵入接触破碎带、节理密集带、富水带等较为发育，岩体较破碎—破碎，围岩级别较低，F6、F7断层破碎带及岩性接触带等围岩段属中等富水区，涌水量大，开挖可能导致涌突水现象；隧道最大埋深超过1 200 m，且部分岩体为花岗岩等硬质岩，隧道开挖后可能会产生岩爆，其中，SZK02钻孔ZK79＋320和YK79＋350附近产生应力集中，存在中等岩爆的可能；隧道穿越断层破碎带，地层岩性局部为软岩，可能存在高地应力现象，因此隧道深部软质岩存在大变形的可能。

3.2 TBM施工预防及处理措施

3.2.1 涌水

涌水对施工影响较大，严重的涌水可能造成施工中断，威胁施工人员人身安全，在确保安全的前提下，以满足TBM设备掘进为条件，实施堵、排相结合的综合处理措施。

（1） 探水。坚持实施超前地质预报，采取钻探＋物探等多种探测手段，多种探测方法相互印证的综合预报方法。

（2） 排水。TBM设备上布置强大的排水系统，TBM排水系统分为正常掘进排水系统 （小方量） 和应急排水系统（大方量）。涌水正坡段由TBM排水系统直接引排至平导中部的梯形排水沟；反坡地段采用移动泵站的排水方法。隧道洞身线路纵坡为人字坡，进口段12.615 km为2%的上坡，出口段8.285 km为-0.5%的下坡，出口段反坡地段2 190 m需反坡排水，设泵站接力排水，引排至正坡洞中部的梯形排水沟。洞口梯形排水沟在路基外侧设置污水处理系统后引排至路基排水沟。

（3） 堵水或引排。涌水点出护盾后，根据设计实施封堵、引排措施或是封堵和引排相结合的综合措施。

3.2.2 岩爆

TBM工法本身是防治岩爆非常有效的手段。由于采用机械掘进开挖，对围岩的扰动非常小，同时，开挖面为圆形，开挖轮廓非常圆顺，不易产生应力集中现象，这两方面因素本身对减少岩爆的发生和降低岩爆的发生等级非常有效。

在岩爆段施工坚持“防治结合”的原则，根据施工中岩爆的不同级别分别采取不同的施工方法和措施进行预防和处理，主要应对措施有。

（1） 根据地质资料，加强设备的能力储备，主要提高设备的扭矩、推力，尽量减少刀盘外露面积，减少盾体长度，刀盘配置扩挖功能。

（2） 采取向岩面喷水、喷雾或深孔注水办法，降低表面脆性或降低岩石硬度。

（3） 采用涨壳式预应力锚杆、钢纤维混凝土等新材料、新工艺试验，防止或者减弱岩爆发生及其造成的影响。

（4） TBM尾盾上设置钢筋排支护系统，防止落石造成的损失，初喷完成后，对初支背后的松散体注浆加固。

（5） 对TBM后配套采取搭设防护棚等措施进行防护，确保人员及设备安全。

（6） 对于中等—较弱的岩爆，及时喷锚网支护，减少围岩暴露时间，减少岩片剥落造成的安全隐患。

（7） 针对强岩爆地段，采用TBM自带的超前钻机钻孔，对开挖面周边进行弱爆破以超前释放部分地应力，然后TBM掘进通过。

（8） 必要时采取加密拱架间距、加大拱架型号、加密锚杆间距等参数，加强支护强度。3.2.3 高地应力、围岩大变形

（1） 主驱动采用电液混合驱动技术，提高脱困扭矩。若围岩变形过大，导致刀盘被卡，可通过设备上配置的液压马达驱动对设备进行脱困。

（2） 后配套设计预留足够的围岩变形量空间，保证后配套顺利通过。

（3） 围岩松散地段，撑靴处预加固。TBM掘进断层破碎带地层时，撑靴无法撑紧洞壁，需要对撑靴处围岩进行预加固。

（4） 通过增加垫块的方式，可实现刀盘的扩挖功能，刀盘直径可扩挖量为10～300 mm。扩挖后为保证TBM机刀盘圆心处于同一水平面，抬升主驱动，必要时按照扩挖要求进行TBM机主驱动抬升的专项设计，如图2所示。

图2 撑靴部位预加固图

4 结语

综上所述，考虑到该工程项目尚未施工，以上敞开式TBM选型和不良地质预防处理措施可为高速公路长大隧道施工提供参考。除敞开式和护盾式选择外，其他辅助系统的选择也是整个TBM选型的关键；要结合项目工期合理配置TBM的出渣和运输设备方式，充分发挥各类TBM掘进速度快的作用。同时，要加强TBM的驻厂监造，提高加工质量，确保项目施工顺利完成。