特长隧道TBM掘进施工方案研究及应用

杨佳庆

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 401135)

随着我国经济和科技的高速发展，道路建设呈现出覆盖范围更大、涉及范围更广以及施工环境更加多样化的趋势[1]。在道路建设过程中，对于较大规模的山体障碍，采取绕行的方式不仅会增加建设成本，也会影响线路的整体规划，造成已建成项目无法有效利用，降低施工成果的有效利用率[2]。因此在条件允许的情况下，进行山体隧道挖掘是一种较为合适的应对方式。现阶段TBM(tunnel boring machine)掘进是隧道挖掘过程中一种较为常用的施工方式[3]。与其他施工方式相比，该方式可在加快施工进程的同时保持较高的施工质量，并且节约一定施工费用。除此之外，TBM具有更高的安全性，其智能化程度较高，对于危险分析更加精准。以大数据为依托，可实现对隧道数据的全面研究，在此基础上进行隧道掘进、岩土运输以及围岩支护施工[4]。由于TBM掘进的作用机理是通过机械方式对岩体进行掘进，因此没有爆破作业产生的荷载波，不会对周围造成大规模冲击，实现将施工干扰最小化，进一步提高施工的安全性，适用于复杂的隧道围岩环境。这种机械掘进方式仅对局部范围的岩体进行作业，减少了工期结束后的环境修复工作，实现对环境的保护[5]。相关实践证明，采取TBM掘进施工方案对于隧道类工程的开展及推进具有重要意义[6]。

以隧道施工位置的岩性状态和特征为基础，对施工过程中的TBM运行参数进行调整，以此提高施工方案的合理性，并进行实际应用，验证方案的应用效益。通过研究，相关结论可为类似隧道施工工程提供参考。

1 TBM掘进方案设计

根据已知TBM对施工环境以及地质因素的要求，以基础设备操作作为掘进方案制定的基础，对TBM的掘进和加固工作进行研究，并制定施工方案。

1.1 围岩状态分析

对施工岩体进行掘进之前，根据工程地质图纸和围岩情况进行详细分析，对工程地质条件进行判断，分析围岩状态并根据分析结果选择合理的掘进位置及TBM运行参数。

根据结构和受力大小对围岩强度和刚度进行计算，确保满足相应规范要求[7]。由于当围岩的应力强度超过其极限阈值的上限时会出现岩体屈服现象，岩体截面受外在荷载作用影响，岩体形态上会出现明显塑性变形，破坏围岩原本平衡，使稳定的结构出现变化。当岩体无法承载接受到的荷载强度时会出现岩体坍塌现象，产生施工安全问题。因此本研究采用强度计算准则进行判断，确保围岩截面的平均应力在允许范围内，同时能够达到围岩的屈服强度。

影响隧道状态的因素有很多，如隧道围岩的初始应力状态、岩体地质因素、掘进形状和尺寸以及隧道掘进的施工技术等，基于力学分析假定为前提：①围岩为均质的、各向同性的连续介质；②只考虑自重产生的初始应力场；③隧道形状以规则的圆形为主；④隧道位于地表下一定的深度处。

对围岩的强度计算分为两种，岩体分别是无孔岩体和有孔岩体。对无孔的中心受控围岩，以毛截面的平均应力作为其屈服状态间接结果，围岩应力强度不能大于围岩中心应力值与围岩毛截面面积之比。不等式如公式(1)所示。

(1)

式中，N为围岩的中心应力值；s为围岩的毛截面面积；f为围岩应力强度。在隧道掘进施工过程中，其垂直层面加载方式下围岩受到的点荷载强度为

式中，Is为点荷载强度；P为破坏荷载；De为破坏截面积的等效圆直径；D为两加载点距离；Wf为破坏面上垂直于加荷点连续的平均宽度。

随着中心力的增加，截面应力由于达到材料的屈服强度而不再继续增加，并发展为塑性变形，直到全截面的应力达到均匀[8]。此时围岩的中心应力值与围岩的净截面面积之比小于或等于围岩应力强度，设si表示围岩的净截面面积，其净截面的平均应力计算不等式如公式(2)所示。

(2)

式中，N为围岩受到的中心压力。为防止由于挤压作用导致后期加固时施工空洞被破坏，对孔壁的承压进行计算，不等式如公式(3)所示。

(3)

式中，d为围岩孔洞削弱处的直径，h为岩层厚度。孔壁的承压能力应在围岩应力强度之内，应选择合适的岩层厚度位置进行TBM掘进施工。根据隧道TBM掘进施工中存在的非线性响应特性，得到恢复力与变形存在以下关系：

F=K(x+βx3)

根据牛顿第二定律，得到围岩段振动方程为

对上式进行相关推导，变换得到动荷载诱发的突变模型，并导出其失稳条件，根据失稳条件确定岩层厚度

式中，

w0为初始自振率，η为黏滞阻尼系数，c为阻尼比，m为围岩质量，L为长度，b为宽度，Ω为非线性系数，Pmax为最大幅值。在满足上述计算要求的位置，进行TBM掘进施工。

1.2 掘进参数选择

根据围岩状态对TBM运行推力、刀盘转速以及撑靴压力等掘进参数进行选择。

TBM运行推力计算公式为

Ft=Fμ+Fc+Fd

式中，Fc为刀盘额定推力，Fd为后配套系统动力，Fμ为护盾摩擦力。

进行TBM掘进施工时，应满足隧道主应力围岩的应力范围在其极限以下，因此分别采用边缘屈服准则和部分发展塑性准则作为约束条件，对TBM掘进施工参数进行调整。

1.2.1 边缘屈服准则

该准则将围岩截面边缘的最大应力作为指标，对达到围岩屈服应力的应力强度进行计算，并将结果作为围岩的应力极限值[9]，在达到极限值之前，围岩处于弹性阶段，相应不等式如公式(4)所示。

(4)

式中，s″为截面处弯矩；φ″为截面面积；M″为截面模量。

1.2.2 部分发展塑性准则

该准则以围岩截面塑性形变量为指标，对引发极限形变的应力强度进行计算，并将计算结果作为围岩应力的极限值。在到达极限应力值之前，围岩处于弹塑性阶段[10]。通过对围岩截面模量的计算，对其塑性发展情况进行分析，相应不等式如公式(5)所示。

(5)

式中，μ为截面塑性发展系数，通常采用15%计算参数。

以边缘屈服准则和部分发展塑性准则为基础，使运行推力和撑靴压力在围岩应力强度承受范围内，在掘进机进入工作状态后确认刀头接近围岩，根据围岩的中心应力值与截面处的弯矩之比，计算围岩应力极限值，设置在围岩应力强度承受范围内的刀盘转速，进行掘进施工。启动叶片洒水功能，在岩体表面洒水降温，避免由于温度过高引发火灾或TBM运行故障。

1.3 TBM掘进状态调整

随着隧道掘进的不断推进，围岩状态会发生变化。当围岩受到的中心压力变大并且临近负荷极限时，需要减小TBM运行推力，以免发生围岩坍塌事故；通过对围岩受力和变形状态的观察与分析，得出满足工期前提下较为合理的撑靴压力值;在进行TBM施工时，掘进施工是依靠刀盘旋转切削岩体进行的，刀盘旋转速度影响着围岩掘进载荷，因此须对围岩状态变化进行分析，预测前方围岩情况。通过对TBM运行推力、刀盘转速和撑靴压力等参数及时进行调整，并适当建立加固设施，保证设备运行安全、施工顺利开展。通过对围岩稳定性进行计算，判断其状态。

1.3.1 平面内的稳定计算

对于主应力围岩平面内稳定性的计算，通过对其荷载进行计算判断是否存在超负荷情况，并将分析结果作为判断稳定性的依据[11]。在计算过程中，以围岩边缘屈服准则与应力关系为基础建立计算公式，并允许截面边缘存在一定发展塑性。

对于绕虚轴弯曲的主应力围岩，有

(6)

式中，κ为平面内围岩的稳定系数；Nmax为围岩受到的最大中心压力；φ为围岩的最大弯矩；M为在弯矩作用下平面内围岩的毛截面模量；λ为截面塑性发展系数。

1.3.2 平面外的稳定计算

对于主应力围岩平面外稳定性的计算[12]，以围岩的弹性稳定理论与应力的相关关系为基础，建立相应不等式如公式(7)所示。

(7)

式中，κ′为稳定系数；M′为影响系数，取值范围为0.7～1.0；λ′为受弯围岩的稳定系数；φ′为等效弯矩系数。当围岩内存在无端弯矩时，横向荷载强度取值为0.5，当围岩内无端弯矩数量大于最大荷载数量时，横向荷载强度取值为0。根据状态计算结果进行换步和调向操作，确保开挖的安全性和效率。

2 TBM掘进施工方案应用

为证明施工方案的实用性，将所设计的施工方案应用于某4 276 m长的隧道建设中。根据围岩等级新规范，将隧道围岩分为Ⅱ级、Ⅲa级、Ⅲb级和Ⅳ级，其中围岩Ⅱ级、Ⅲa级、Ⅲb级和Ⅳ级的顺序衔接良好，由硬质岩到破碎岩体，可以体现不同围岩条件下掘进参数的影响。TBM相关参数如表1所示。TBM在不同围岩级别下的掘进参数如表2所示。

表1 TBM相关参数

表2 TBM在不同围岩级别下的掘进参数

2.1 不同段落分析

2.1.1 0～100 m段

因该段属于隧道初始阶段，周边须开展破碎岩体整平和脱落岩体运输等工作，在TBM运行同时采用人工挖掘施工法，以辅助的形式对周围岩体进行细节处理。TBM掘进时将浅部岩层直接挖至地面隧道外2 m处堆放，深部岩层由掘进机装入20 t运输车，运输至指定卸载点。对于TBM掘进过程中形成的隧道壁斜坡，采用风镐进行清理，去除斜坡表面的松动岩层以及陡坡，确保围岩表面为稳定的岩体结构。

施工隧道的围岩等级为Ⅴ级，采用低倍数运行模式进行施工，按照围岩应力强度计算公式将TBM运行的滚刀间距设置为50 mm，同时推力为320 kN、刀盘功率为2 200 kW、撑靴压力为520 kN。

2.1.2 100～1 000 m段

按照围岩强度计算结果，该段隧道施工的围岩等级为Ⅳ级，采用TBM掘进与人工风镐修整结合的方式进行施工。该段施工围岩与初始阶段围岩相比应力强度较好，可设置大于上一阶段的施工参数。将TBM掘进施工的滚刀间距设置为65 mm，同时推力为800 kN、刀盘功率为5 000 kW、撑靴压力为1 000 kN。

在垂直方向上，使用螺纹套管嵌套连接方式加固施工位置，在节点处采用环向绑扎的方式对钢筋进行固定。在隧道口进行混凝土搅拌工作，并在其中掺入防水剂(实际施工时加入增强型BR-5防水剂)，保证混凝土入模后在尽可能短的时间内达到预期强度，为施工连续开展提供基础。对破碎围岩采用30 mm强度等级为C20的混凝土进行加固，再采用螺纹锚建立加固网，实现短期内的破碎固定，在加固网的尖端设置15 cm×15 cm×1 cm规格的钢托板。受隧道围岩特性影响，金属网须具较高应力强度，实施过程中采用10#镀锌铁丝作为基础材料，采用菱形编织的方式在隧道围岩壁外侧建立金属网，通过该方式对隧道表面整体加固，对小规模的滑坡和脱落等情况也可起拦截作用，使负面影响降到最低。金属网网格大小为6 cm×6 cm，网格的金属结构中以1:1的比例间隔穿插钢筋与铁丝材料，其中钢筋内径5 mm、外径 7 mm，以此提高金属网性能。在隧道顶端加设隧道圈，规格为22#钢筋。掘进过程中未出现高浓度粉尘现象。

2.1.3 1 000～4 726 m段

该段施工隧道的围岩等级为Ⅴ级，采用与初始阶段相同的低倍数运行模式进行施工，将TBM运行的滚刀间距设置为50 mm，同时推力为320 kN、刀盘功率为2 200 kW、撑靴压力为520 kN。由于施工岩体存在一定破碎结构，其组织间应力强度相对于完整岩体明显弱化，因此在加固施工过程中对于已经出现或可能出现松动、破碎以及渗水的区段，采用加强支护的方式进行固定，将锚杆穿插融入金属网中以提高支护强度，在隧道顶层位置添加隧道圈，为高危岩体提供外力保护，降低意外风险。

对该段围岩进行砌壁加固，选取4.2 m段通过高单缝液压伸缩的方式在裂缝下端架设规格为4.2 m×3.6 m×6 cm的金属模板，以此实现对围岩全方位加固。掘沟加固段绑扎钢筋，下放模板进行加固，TDX-2.0运输装置输送混凝土，并将混凝土作为围岩砌壁的连接材料，实现隧道开采面围岩加固的目的。为避免由于混凝土固化稳定周期较长造成施工进度缓慢的情况产生，在每吨混凝土中添加 30 kg 防水剂，实现有效固化收缩。为加快立模速度，多个加固位置同时施工，以主要加固部位为基点实施加固工程并连接成网，实现对整体围岩的全方位加固处理。

2.2 不同围岩等级分析

2.2.1 Ⅱ级围岩

根据地质资料及掘进出渣情况可知具体围岩特征，该段围岩主要为巨斑状花岗岩，微风化、弱岩化，整体性较好，中硬岩，多呈现青灰色、节理较发育。岩石整体性较差，围岩局部稳定性差，地下水较发育，多呈渗水状，掘进渣块整体均匀。单侧支撑靴支撑力最小值为25 222 kN，最大值为25 884 kN，均值为25 602 kN。

2.2.2 Ⅲa级围岩

该段围岩主要为巨斑状花岗岩，中硬岩，节理较发育，多岩屑充填，岩石整体性差，围岩局部稳定性差，渣块大小以5～10 cm为主，多呈片状，地下水较发育，多呈渗水状。单侧支撑靴支撑力最小值为25 401 kN，最大值为25 778 kN，均值为25 587 kN。

2.2.3 Ⅲb级围岩

该段围岩以巨斑状花岗岩为主，有多条闪长玢岩岩脉侵入，节理较发育，围岩较破碎，局部存在掉块现象，地下水较发育，呈渗水至滴水状，大小为15～30 cm，个别有40 cm以上。单侧支撑靴支撑力最小值为24 944 kN，最大值为25 151 kN，均值为25 054 kN。

2.2.4 Ⅳ级围岩

该段围岩主要由巨斑状花岗岩构成，岩石整体性较差，稳定性差，节理较发育，节理面多起伏、粗糙，右侧节理密集，岩体较破碎，存在掉块及小型塌方，地下水较发育，多呈渗水状。单侧支撑靴支撑力最小值为24 361 kN，最大值为256 154 kN，均值为25 184 kN。

3 隧道掘进施工方案效益分析

整个工程共计开展164 d，比预期工期缩短16 d。施工过程中未出现由于工程项目施工引起的人员安全问题，在缩短工期的同时实现了安全、高效的施工目的。同工期、相同工程量下，TBM方案与原有方案的施工数据如表3所示。

表3 TBM方案与原有方案的施工数据

由表3可知，在0～100 m段的隧道掘进阶段，采用TBM方案施工平均速度为42 m/d；在100～1 000 m段的隧道掘进阶段，施工平均速度为30 m/d。在围岩等级不同的情况下，采用不同的TBM运行参数，完成施工内容的前提下缩短了施工时间，具有较高的项目推进率。与其他隧道掘进施工方案相比，该TBM方案可减少人力消耗，人工作业环节主要集中在围岩加固阶段，其他施工内容主要通过人工操作机器方式进行。通常隧道掘进施工中的铁锹、洋镐等工程材料在该设计方案实施过程中应用较少，节省了施工设备采购的资金投入(经统计节省大约180万元)，具有较高经济效益。TBM掘进施工方案的成功应用，不仅具有经济效益，也具有社会效益。该方案相关效益价值主要表现在以下方面。

(1) 该工程在坚硬岩层层段通过调整TBM运行参数，提高工作效率并且保证施工质量。在施工过程中避免应用爆破等施工措施，未对施工区域的地质环境造成明显破坏。同时由于TBM具有施工区域精准、作用方式物理化的优势，因此在施工过程中未出现高浓度粉尘现象，不仅为施工人员的身体健康提供保障，也一定程度上降低了对环境的污染，在社会价值和环境价值方面均取得重要价值成果。

(2) 所提出施工方案的成功应用，为实际隧道掘进提供施工经验，为施工技术水平的提升提供积极作用，将隧道岩体围岩的动态变化作为调整施工方式和施工措施的依据，对于提高施工安全有着重要应用价值。

4 结语

TBM因具有较高的运行效率，在隧道建设施工中应用较为广泛。在此环境下，合理的TBM掘进施工方案是项目工程能够安全、顺利开展的重要保障。所提出的特长隧道TBM掘进施工方案及其应用的研究，以施工安全为基础、施工效率为目标，实现了对隧道施工进程的有效控制，取得了良好的施工效果。通过研究为同类隧道施工项目开挖工程提供参考，为提高TBM有效利用提供帮助。