高地应力条件下TBM施工的应对措施及设备适应性改造

吴 涛， 赵 鹏 斌， 马 发 明

(中国安能集团第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

随着深埋隧洞TBM技术的应用，高地应力引起的破坏已不容忽视，其直接威胁到施工人员及设备的安全，延误施工进度，严重者可致洞室变形破坏，最终影响工程的投入使用。国内外深埋隧洞的施工均面临高地应力等地质灾害，虽有共同之处，但也各具特点。笔者结合工程与设备的实际情况，分析归纳了高地应力地质条件下围岩破坏的形式以及对施工产生的不利影响，提出了施工应对措施；并根据施工中存在的设备适应性问题，有针对性地提出了改造建议。

西藏旁多水利枢纽工程地处拉萨河中游，是拉萨河干流水电梯级开发的龙头水库，工程开发以灌溉、发电为主，兼顾防洪及供水。工区全线位于海拔4 000 m以上，被誉为“西藏三峡”。[1]该工程的灌溉输水洞为无压隧洞，其主洞段近10 km采用开敞式TBM施工，开挖直径为4 m，逆坡掘进，坡度为1‰。TBM掘进段属高山地形，洞身穿越的恰拉山山顶高程约5 400 m，最大埋深1 300余m，埋深大于500 m的洞段主要为新鲜花岗岩。工程场地附近岩体结构较完整，岩质坚硬，性脆；构造相对稳定，尤其是深埋地段受地质构造影响小，无断层及褶皱构造，无或地下水很少[2]。

2 高地应力条件下的围岩破坏形式

地下洞室施工期间，由于岩体开挖破坏了其原始地应力状态，使得岩体内的能量得以释放，进而引发一系列与地应力释放相关联的破坏现象。地应力释放产生的破坏直接影响到TBM的正常施工[3]。笔者对其进行了分析。

2.1 地应力试验分析结果

设计单位实施的钻孔地应力试验结果表明：最大水平主应力大于垂直应力、最小水平主应力，三向主应力关系为SH>Sh≥SV，且以水平主应力(NE26°)作用为主。由地勘试验得图1显示的掘进里程最大主应力分布关系，89.1%的掘进洞段岩体最大主应力超过20 MPa，属于高地应力等级范围。根据《水力发电工程地质勘察规范》GB50287-2016中的岩爆烈度分级表，结合强度应力比计算成果可以判定：TBM掘进过程中，37.3%的掘进洞段具有发生中等岩爆等级风险。掘进方向岩体最大主应力分布情况见图1。

图1 掘进方向岩体最大主应力分布情况示意图

2.2 高地应力破坏具有的特点

以该工程为例，在高地应力条件下，随着掘进段埋深的增加，岩体应力增大，强度应力比减小，岩爆风险增大。结合围岩岩性、岩质类型及完整性等情况，笔者总结出TBM掘进段围岩破坏的形式主要表现为应力卸荷和岩爆。

经现场统计分析得知高地应力破坏具有以下特点：(1)埋深小，强度应力比值大的区域其节理、裂隙构造相对发育，围岩完整性相对较差，多以应力卸荷破坏为主；(2)埋深大，强度应力比值小的区域裂隙不发育，围岩完整性好，多以岩爆破坏为主。

2.3 应力卸荷破坏

高地应力条件下，围岩节理、裂隙的存在使岩体成为不连续介质，不能承受传递较大的剪应力及拉应力而造成沿节理、裂隙面的破坏，进而引发局部失稳，主要发生在边顶拱120°范围。TBM施工过程中，部分洞段围岩受刀盘及护盾的扰动，边顶拱围岩出现并持续沿结构面卸荷，从护盾末端出露已形成垮塌空腔，必须及时进行处理后方可继续掘进；部分洞段从护盾末端出露，虽然整体稳定性较好，但若遇边顶拱不利结构面组合，在重力及持续卸荷作用下，极易在主机及后配套区域形成塌方。如图2所示，在掘进里程7 300 m右侧顶拱11～15点位置发生应力卸荷垮塌，垮塌高度达4 m。由此可见，应力卸荷对人员和设备的危害特别大。掘进里程7 300 m边顶拱应力卸荷垮塌情况见图2。

图2 掘进里程7 300 m边顶拱应力卸荷垮塌

2.4 岩爆破坏

高地应力条件下，完整、坚硬的硬脆性围岩内应力平衡重新分配时，所储藏的应变能突然释放造成围岩破裂是一种动力失稳现象，其常见的破坏方式为：层状剥落、弹射甚至抛射。

该工程发生的最大岩爆级别为中等，具体表现形式为：(1)掘进过程中，在护盾下方可明显听见刀盘区域有清脆的围岩爆裂声，出露护盾位置的围岩已发生劈理破坏并呈现持续剥落现象；(2)出露护盾位置的围岩整体稳定，随着掘进洞壁(包括底拱部位)持续出现脱层、剥落等现象并向外侧发展；(3)出露护盾位置的围岩整体稳定，掘进过程中突然会出现岩石碎片从围岩体内剥离、崩出，此种破坏具有不确定性，危险性极大。一般岩爆持续的时间可达5 d，前2日的表现尤为突出。如图3所示，在掘进里程3 850 m撑靴位置右侧洞壁发生岩爆，出现大面积崩塌，厚度达2 m。由此可见，岩爆严重威胁到施工人员、设备的安全。掘进里程3 850 m右侧撑靴外侧岩爆崩塌情况见图3。

图3 掘进里程3 850 m右侧撑靴外侧岩爆崩塌

3 高地应力地质条件对TBM施工的影响分析

高地应力地质条件对TBM施工影响较大，主要表现在以下几个方面。

3.1 TBM掘进功效降低

TBM利用刀盘刀具挤裂岩石的方式破岩，破岩难度亦随着岩体内应力的增加而增大。根据运行统计，高地应力段TBM施工功效降低程度高达52%；因长期受岩体高应力作用，刀盘的整体耐受力严重降低，因TBM刀盘、刀箱疲劳损坏而引发停机事故造成工期延误。此外，岩石应力的不规律性极易引发滚刀发生偏心受力破坏，加之刀具更换频率增加，对施工进度影响较大。

3.2 地质问题的处理难度大

在高地应力洞段，掌子面位置高地应力引起塌方易造成护盾支撑不足进而引发主机前段卡机，一旦卡机，需立即停机进行处理；护盾后侧的高地应力卸荷及岩爆会造成设备损坏，进而引起塌方，一旦塌方，亦需立即停机进行处理。另外，受小断面设备作业空间的限制，卡机及塌方的处置难度增大，经统计分析，高地应力区域地质问题的处理工序占总时长的29.5%。

3.3 无法精准有效组织围岩支护

洞室开挖成型后，由于无法准确量测其围岩应力，进而无法准确预判应力释放卸荷程度。支护过程中，出露护盾位置的围岩若出现应力破坏，则需采取加强支护处理。出露围岩整体性较好，若未采取支护处理，一旦破坏加剧引起塌方其后果不堪设想；若预判存在高地应力破坏而采取加强支护的方式进行处理，但从后评价分析此相当一部分处理属过度支护。因此，现场经验不足导致无法精准有效组织围岩支护施工而造成资源浪费，工期延误。

4 高地应力洞段施工采取的应对措施

高地应力破坏防护的重要内容是精准预判掘进前方的围岩地质条件并预分析应力分布情况。该工程利用TSP、微震监测等技术，结合现场情况综合研判了掘进前方岩体的性质，提前发出岩爆风险预警，并适时调整掘进参数并加强支护措施以避免高地应力破坏[4]。

4.1 超前预报

利用TSP200超前地质探测仪探明前方围岩波速、完整性及含水情况。通过对超前钻机钻探、皮带出渣情况和掘进参数等因素的变化进行分析，综合判断前方的地质条件。而后采取微震监测手段，通过已布置的传感器实时监测岩体的稳定性并分析确定岩爆空间位置信息，进而预报岩体卸荷和岩爆等地应力分布情况。基于上述监测分析结果，可有针对性地提出相应的应对措施及建议。

4.2 支护处理原则及措施

结合该工程取得的相关经验，高地应力洞段安全处置控制原则主要有两个方面：一是尽可能地改善掌子面前方的围岩应力状态，可采取超前导洞应力释放预处理对策，从源头上实现对岩爆发生的可能性和发生程度的控制，减缓并加固施工安全和及时性方面的压力，减小加固支护的工程量；二是提高洞室围岩的抗冲击能力，即采用钢拱架与锚网喷联合支护的手段，及时加固围岩结构，尽量减小开挖岩层的暴露面并缩短暴露的时间，通过加强支护系统，达到延缓或抑制岩爆发生的目的[5]。

由于洞室断面尺寸较小且设备自身占据隧洞的空间较大，导致超前导洞应力释放方案无法实施，而施工洞段的围岩最大岩爆等级为中等，也无需采取超前导洞的控制方式。结合现场实际，该工程采取了加强支护方式抑制应力释放的破坏。实践证明：由环形钢拱架、钢纤维喷混凝土、钢筋网片和锚杆构成的支护系统可在一定程度上抵挡剧烈的破坏性冲击，施工效果明显，安全整体可控。

4.3 调整掘进参数

由于掘进参数(推力、刀盘转速、贯入度、掘进速度等)受开挖尺寸、地质条件及撑靴支撑效果等因素的影响，该工程总结出高地应力条件下掘进参数调整的基本原则：“遇强推强，遇弱缓进、支护为先，安全第一”。具体为：岩爆区域，掘进岩体较硬、完整性较好，破岩难度较大，采取大推力、高转速的方式推进；塌方区域或地质破碎带围岩条件相对差，须视围岩变化情况采取小推力、低转速、缓掘进的方式推进；掘进速度必须与围岩支护进度相匹配，不可冒进。另外，需及时掌握并控制岩爆发生的部位，调整掘进速度，尽量将岩爆发生位置调整控制在护盾或已加强支护的区域，以减小不利影响。

5 设备适应性改造建议

高地应力地质条件下掘进机的设备适应性十分关键，随着TBM设备在施工中的应用，施工现场的需求与设备功能之间存在偏差。根据高地应力对掘进施工的制约情况，笔者对撑靴、护盾系统、支护系统等设备的适应性提出了改造建议，希望能为今后高地应力隧洞TBM设备选型提供参考。

5.1 增大撑靴面积

高地应力条件下，围岩内应力释放现象比较突出，而撑靴对岩面的挤压则会加剧围岩应力的释放而引发边墙垮塌，甚至撑靴损坏。

建议：增加撑靴接触岩面的面积，降低单位面积岩面的作用力，可在一定程度上降低边墙岩爆、塌方的发生率；另外，在TBM需较大推进力时，撑靴面增大将在很大程度上降低单位面积的反作用力，避免撑靴变形损坏。

5.2 护盾后端改造

掘进完成后，出露在护盾后方的围岩是加强支护的关键区域，也是支护施工中最为危险的区域。

建议：加长指形护盾的长度，并在后端主梁上设置拱架、钢筋网片、锚杆等初期支护综合作业区，实现机械化的流水作业，并尽量减少人员的投入；支护完成后，人员及相关支护设备应能及时退回护盾下方，从而在一定程度上确保施工安全。

5.3 支护系统的优化

5.3.1 锚杆钻机设置建议

锚杆支护在传统支护方式中已得到较好的应用，而该工程系统锚杆支护使用较少。实际配置的液压锚杆钻机因体型较大，受设备结构尺寸及操作空间限制，钻孔位置及角度无法根据出露的地质构造及时调整，无法满足锚杆支护的技术要求。

建议：施工中配置可灵活调节的风动钻机(小体积)，并在护盾后侧合理规划锚杆钻机操作平台，进而使防岩爆锚杆能够得到较好的应用。

5.3.2 应急喷混凝土设置建议

受开挖断面及主机段设备结构尺寸限制，设备规划将喷混凝土系统设置于后配套3号台车位，因此而造成喷混凝土位置相对滞后，施工时围岩开挖后只能进行钢拱架、网片临时加固，而无法及时喷混凝土封闭裸露面，需待掘进40 m后进行系统喷护。喷护前因围岩暴露时间长，加大了二次破坏的风险。

建议：在护盾后侧设置应急喷混凝土系统，及时对围岩裸露段进行初期封闭，从而为后续施工提供安全保障。

5.3.3 钢拱架设计优化

该工程考虑到传统锚杆无法实现拱架锁固功能，在现场将240°范围拱架优化为360°全断面拱架，并结合受力情况调整了拱架间距，合理布置了拱架间的连接方式，实现了拱架支撑的整体性。本实例中全断面拱架方式在实际施工中得到了较好的应用，效果显著。

6 结论及建议

深埋隧洞因地质条件复杂，环境条件恶劣，则其前期钻探、地质勘探工作不可能详尽。TBM施工中的超前地质预报工作尤为重要，但目前所采用的电磁、地震波等监测手段均无法提供掌子面作业条件，在设备区域内进行的相关监测，其监测结果的准确性将受到影响，会对围岩研判及处置工作指导存在偏差。笔者建议：今后类似工程要高度重视超前地质预报工作，研制更为先进、可靠的超前地质预报设备与方法，尽可能地了解掘进面的地质情况。