双护盾TBM在杭州第二水源输水工程的应用与挑战

余国军

(杭州钱南原水有限公司， 杭州 311200)

“一带一路”合作倡议的提出与进一步的实施部署，需要大量长大隧道工程的配套建设。隧洞全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是集掘进、排碴、衬砌、防灾等功能为一体的隧洞自动化掘进重型成套装备，与传统钻爆法相比，具有“机械化自动化程度高、掘进速度快、成洞质量高、施工扰动小、综合经济社会效益高、安全文明环保”等显著优势[1-3]。特别是在长-径比达到或超过600～1 000 m的深长隧洞建设方面，具有显著优势，已成为国际惯例中占有优先地位的施工方法。

随着隧洞修建水平的不断提高，我国隧道建设重点将向地形地质更为复杂的西地区转移，今后将修建大量的艰险山区隧道(洞)和跨江越海隧道(洞)。杭州第二水源输水通道工程江南线建设范围自千岛湖配水工程闲林取水口下游江南方向输水隧洞末端开始，以隧洞形式穿越闲林水库东南侧山体黄梅坞林场，在金家岭附近穿越320国道，一路往东穿过馒头山、灵龙山和龙山，至花山隧洞，之后以管道形式沿袁富路向东，在双浦附近穿过富春江，最后穿过浦阳江后至萧山义桥渔浦，线路全长约26.2公里，估算总投资40亿元。隧道沿线岩体条件十分复杂，围岩石英含量高，岩体裂隙发育，完整性差，极易导致刀具磨损破坏，塌方、卡机、突水突泥等灾害爆发风险高，甚至造成卡机事故等。针对上述复杂岩体条件，隧洞采用双护盾TBM进行开挖，这也是双护盾TBM在华东地区的首次应用与实践。杭州第二水源输水通道作为浙江省重大民生工程，在奠定了钱塘江南岸区域的以千岛湖、钱塘江互为备用的双水源供水格局，增强了该区域的供水保障能力的同时，也面临着由复杂岩体地质条件所带来的一系列严峻挑战。本文在归纳三类最常用的TBM机型的基础上，结合杭州第二水源输水通道的地质特点，对工程所采用的CREC69号双护盾TBM的地质适用性进行分析。特别针对围岩完整性差、穿越大量断层带以及下穿G320国道与杭富地铁所存在的主要挑战，提出了相应的施工对策。

1 三种TBM类型适用性与特点

广义上，TBM主要分为三种不同的机型，分别为敞开式、单护盾与双护盾型，分别适用于不同的地质条件。其特点及地质适用性如下。

1.1 敞开式TBM

敞开式TBM适用于稳定行良好的坚硬地层，具有较快的掘进速度。在遭遇小范围完整性与稳定性较差的围岩时，敞开式TBM可通过安装锚杆、立钢拱架、加钢筋网/排及注浆喷混等方法加固，以增强围岩的稳定性；当遭遇软弱围岩及断层破碎带时，则可用附带的辅助设备，主要包括超前钻机及灌浆设备等预先加固前方围岩，使之强度达到自稳强度后掘进通过[4]。

1.1.1 优点

1)完整性及强度较高的围岩条件下，掘进效率高。

2)护盾较短且可以收缩，在应对断层破碎带或软弱收敛地层时，卡盾风险较低。

1.1.2 缺点

1)在岩爆高发区域掘进时，人员与设备裸露在围岩下，安全性差。

2)在破碎或软弱地层掘进时，支护及清渣工作量大，掘进效率较低。

1.2 单护盾TBM

单护盾TBM以管片衬砌作为初期或永久性支护，主要用于软弱围岩占比较高，尤其是IV、V类围岩占比较高的地层。由于围岩过于软弱破碎，撑靴不足以提供足够的掘进支撑反力，单护盾TBM通常不配备有撑靴，通过盾体尾部的推进油缸在管片上的支撑获得前进推力[5]。

1.2.1 优点

1)支护工作与洞壁没有任何接触，可在完全护盾盾壳内完成，安全性较高。

2)无撑靴，适用于IV或V类围岩。

1.2.2 缺点

1)安装管片无法与掘进过程同步进行，停机率高，施工工序较为复杂。

2)强度及完整性较高的条件下掘进速度较慢。

1.3 双护盾TBM

双护盾TBM，又称伸缩护盾式TBM。双护盾TBM系统在纵向上可分为三部分：①带刀盘的前护盾；②中间部分的伸缩护盾；③后接触护盾，带有用于安装管片的尾盾。把伸缩护盾、接触护盾(支撑盾壳)和盾尾合称为后护盾。

相比开敞式TBM，双护盾TBM具有全圆的护盾。与单护盾TBM相比，双护盾TBM在坚硬完整的围岩条件下，可以在安装管片的过程中开展掘进。其按照硬岩掘进机配上一个软岩盾构功能进行设计，既可用于硬岩，又可用于软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。伸缩护盾形式是双护盾TBM的独有的技术特点，是实现软硬岩作业转换的关键。双护盾TBM具有两种掘进模式：即双护盾掘进模式和单护盾掘进模式。双护盾掘进模式适用于稳定性好的地层及围岩有小规模剥落而具有较稳定性的地层，单护盾掘进模式则适应于不稳定及不良地质地段。

1)双护盾掘进模式：在山岭段隧道中，TBM通过II类、III类、有一定自稳能力的Ⅳ类围岩时，采用双护盾掘进模式，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘掘进提供反力，在主推进油缸的作用下，使TBM向前推进。此时TBM作业循环为：掘进与安装管片→撑靴收回换步→再支撑→再掘进与安装管片，具体见下图。双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快。

2)单护盾掘进模式：TBM通过Ⅴ类、自稳能力较差的Ⅳ类围岩且撑靴不能提供足够的掘进反力时，采用单护盾模式掘进。这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护盾处于收缩位置，单护盾TBM就相当于一台简单的盾构。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供，TBM掘进与管片安装不能同步。作业循环为：掘进→辅助油缸回收→安装管片→再掘进。

1.3.1 优点

1)工作模式相对灵活。

2)硬岩条件下每个掘进行程中的中断时间短，掘进效率高。

3)相比敞开式TBM，更适用于软弱破碎围岩。

4)在高地应力、岩爆高发区域掘进时，施工操作均在护盾盾壳内进行，安全性高。

1.3.2 缺点

1)护盾盾体较长，在软弱收敛性围岩条件下掘进时，有较高的卡机风险。

2) 相比敞开式TBM，护盾及管片占据了整个隧道边墙，不易观察围岩条件。

2 工程概况及TBM选型

杭州市第二水源千岛湖配水工程从千岛湖淳安县境内取水，通过千岛湖进水口、输水隧洞、分水口等工程措施，输送千岛湖原水，分配水量至沿线的建德、桐庐、富阳等区域，实现水位、水量控制，提高杭州及沿线城乡供水水质和保证率，杭州市区形成千岛湖、钱塘江、东苕溪联合供水、互为备用的多水源供水格局，并为实现分质供水打下基础。进水口设计流量38.8 m3/s，97%保证率设计年配水量为9.78亿m3。其中，江南线输水线路全长约26.13 km，隧洞段位于杭州市西南部，地处浙西中低山丘陵和浙北平原的交接地带，分山岭段、平原段和过江段。山岭段由千岛湖配水工程闲林配水井下游江南方向流量测井至花山出口阀门井，线路总长约13.13 km，其中山岭段隧洞长13.026 km。

2.1 工程地质

隧洞沿途穿越的地层繁多复杂，表部覆盖层以第四系残坡积、洪坡积、冲洪积含碎石粉质粘土、含泥砂砾卵石为主；下伏基岩以泥盆系及志留系地层为主，岩性以石英砂岩、长石石英中细粒砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及泥岩等为主。围岩整体较为软弱，岩石试验强度30～150 MPa。沿线围岩完整性较差，III类与IV类围岩合计占比90%以上，IV类围岩占比超过52%。

沿线地貌形态分为三个亚区，即中低山丘陵区、山麓沟谷区、平原区。中低山丘陵区属西南天目山的余脉，海拔在100～500 m之间，最高峰为与富阳交界处的如意尖(海拔537 m)；平原区为冲积、冲洪积、冲海积、冲湖积等多种成因形成的堆积平原，区内水网密布，河渠纵横，地面高程一般为2.0～10.0 m。区内出露基岩地层主要为奥陶系的灰岩、粉砂岩，志留系的砂岩、粉砂岩，泥盆系的砂岩、泥岩，石炭系的结晶灰岩、生物屑灰岩，二叠系的灰岩、硅质页岩，侏罗系的熔结凝灰岩，白垩系的砾岩、砂砾岩，侵入岩体，第四系粘土和砂砾石。

图1 江南线(山岭段)总路线图

2.2 水文地质

隧道沿线地下水类型以基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水和第四系松散堆积物孔隙水为主。其中，基岩裂隙水常常沿构造带或构造相互结合的部位形成地下水富水区，而其他区域富水性较差。碳酸盐岩类裂隙溶洞水主要有石炭系和二叠系的中厚层、块状灰岩形成含水系统，多分布于隧洞区域西北部及中部一带，该区域岩溶地貌较为发育，赋水条件较好，地下水相对富集。第四系松散堆积物孔隙水主要赋存于全新统和更新统的冲积、冲洪积、冲海积、冲湖积、坡洪积等多种成因形成的堆积物中，地下水类型以潜水为主，上更新统冲积砂砾石层和全新统冲积粉细砂层具有一定的承压性，上更新统冲积砂砾石层富水性较好，全新统冲积砂砾石层和部分地段的粉细砂层富水性中等，其余土层富水性较差。

2.3 TBM的选型及应用

综合杭州第二水源输水通道(江南线)山岭段沿线的工程地质及水文地质信息可知，隧道沿线围岩强度较低，完整性差，IV类围岩占比高，部分区域地下水富集，岩溶地貌较为发育。鉴于双护盾式TBM在复杂地层的长隧道开挖方面的广泛应用，以及对多种岩体地质条件良好的适应性，结合杭州第二水源输水通道(江南线)山岭段上述工程及水文地质情况，该隧洞采用TBM为中铁工程装备生产的CREC696号双护盾TBM。这也是双护盾TBM在华东地区的首次应用。CREC696号双护盾TBM的部分基本设计参数如表1所示。

图2 CREC696号TBM

表1 CREC696参数表

3 双护盾TBM施工的挑战及对策思考

3.1 双护盾TBM施工穿越断层破碎带的挑战

杭州第二水源输水通道隧洞沿线穿越7条断层带，如表2所示。其中外何家附近 F2断裂带系昌化—普陀东西向大断裂的次级羽状断裂，断层带宽度约200～300 m，断层处岩体压破碎，完整性较差。

表2 隧道沿线断层统计表

TBM掘进中穿越大的断层带时，可能有突涌水、突泥、坍方等不良地质，如果刀盘被卡住，一般情况下常会影响TBM的正常掘进，这样即使不会对工期造成大的拖延，但也常常会导致TBM掘进速度下降。尽管断层带沿隧道长度呈局部分布，若在开挖期间预报不足，或事先对困难估计不足或了解不够，仍可能造成意外事故。

图3 隧洞穿F2断裂带侵入岩体示意图

对策：针对杭州第二水源输水通道沿线断裂带的挑战，隧道超前地质预报技术的应用尤为重要。

在前期地质勘察工作的基础上[6]，采用地震波法结合激发极化法的超前地质预报技术[7-8]。激发极化法技术对岩体含水情况敏感，作业时间短，不影响TBM施工。可判断掌子面前方30 m范围内的富水地层或含水地质构造。地震波法需利用TBM停机时间段进行探测，同样不影响TBM施工，可用于掌子面前方60～100 m范围内的岩体地质构造探测[9-11]。通过激发极化与地震波法两种探测方法，结合前期钻勘资料，进一步查清掌子面前方的断层破碎带机器含水情况，为预防和规避隧洞涌水、突泥和塌方等风险提供及时可靠的地质信息，以便提前采取措施，做好施工准备，减少因不良地质造成的非正常停机。

3.2 双护盾TBM下穿G320国道及杭富地铁的挑战

TBM将下穿G320国道，该处覆盖层厚度一般9～1 m左右，弱风化岩体厚度约2.5～5 m，设计隧洞底高程28 m左右，预计上覆岩体厚约15 m。该段地层为志留系中统康山组，岩性中细粒砂岩夹粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及粉砂岩为主，节理裂隙发育，以陡倾角为主，节理面多充填薄层方解石，局部铁锰质渲染，岩体整体完整性较差，工程地质条件一般～较差。

受断裂构造F6影响，断层带内岩体以碎裂岩、糜棱岩及断层泥为主，预计宽度10～20 m左右，两侧受其影响，岩体多挤压破碎，完整性差，TBM施工风险较大。

金家岭浅埋段埋深较浅约30.2 m，岩体裂隙发育，完整性差，且下穿杭富城铁，最近距离约7 m，对基础变形敏感。且围岩岩石中石英含量高，最高可达95%以上，抗风化能力强，预计在隧洞掘进中会多次甚至长距离遭遇。上游东坞山银铅锌矿与外何家侵入岩位于同一地质构造带，构造体水质极差，PH值仅为2.88，存在外水入渗可能。此外，杭州第二水源输水通道的隧洞围岩中IV类围岩占比高达52%，V类围岩主要分布在断层破碎带，突水突泥风险较高[9]。

图4 TBM下穿G320国道示意图

对策：对于TBM下穿G320国道及杭富地铁的挑战，利用TBM配备的超前地质钻机，通过盾体预留孔及时对盾体上方围岩实施注浆加固，或对涌水部位进行止水注浆，避免造成因围岩失稳导致的地表沉降与大规模塌方。针对围岩收敛变形大的区域，启动TBM刀盘扩挖功能，扩挖直径可增大100 mm，同时可以通过盾体上预留的减摩孔向盾壳和围岩之间注入油脂、膨润土等减摩剂，减小TBM卡机风险。同时实施地表灌浆加固处理，确保顺利通过。此外，加强洞内安全监测及地表的监控量测。如，在护盾处安装应力应变传感器，降低由围岩收敛带来的卡机风险；又如与杭富地铁节点处还应增加地铁隧道沉降监测工作等。

4 结语

杭州第二输水通道工程(江南线)山岭段隧洞是华东地区应用双护盾TBM的隧道工程，该段地质条件较为复杂，尽管前期勘察期间经过大量的地质调查，由于地质条件的复杂性、多变性、不确定性以及勘察手段的局限性，勘察成果难以保证施工需要，因此应配合施工期间那些针对性强、手段多样、准确度较高的地质超前预报方法。在现场TBM掘进施工期间，根据洞渣尺寸、渣块形状、推力大小、掘进速度等参数辅助进行地质判断。进入不良地质洞段前，充分做好设备保养和材料的储备工作，尽量避免TBM长时间非正常停机，造成围岩变形、坍塌后的卡机情况发生。