双护盾TBM在深埋长大水工隧洞的应用可行性研究

李心睿，孙博，何坤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 工程概况

西藏某水电站引水隧洞全长约30km，隧洞开挖直径约9m，隧洞垂直埋深普遍较大，最大埋深约1600m，工程区海拔近3000m。引水隧洞沿线山体雄厚，山势陡峻，引水隧洞围岩以片麻岩及混合片麻岩为主，总体为坚硬岩，裂隙较发育，以片麻理及长大裂隙为主。该引水隧洞作为高原地区深埋长大隧洞，主要工程地质问题具有复杂性和特殊性，经初步分析隧洞主要存在围岩稳定、高地应力、高压突涌水问题等工程地质问题。

2 基于围岩类别（RMR）的TBM选型方法

TBM性能的发挥在很大程度上依赖于工程地质和水文地质条件，如岩体裂隙等级、岩石单轴抗压强度和断裂韧性将决定TBM掘进速率和工程成本；隧洞埋深、围岩等级、涌水大小等涉及掘进后的支护方案[1]。

根据国内外大量深埋长大隧洞工程TBM法施工研究成果，目前通常采用RMR方法进行机型选择。具体方法如图1所示：以敞开式TBM为基准，假设其最高适应权值为100%，不同RMR分值下敞开式TBM和双护盾TBM适用权值见图中蓝色与红色曲线。

图1 基于RMR的TBM选型图

某水工隧洞围岩类别按RMR方法进行划分，两种TBM的性能权值见表1。由表可知，该隧洞选用双护盾TBM比敞开式TBM在效率上要高32.84%，所以选择双护盾TBM是合适的。

基于RMR的TBM选型分析 表1

3 双护盾TBM主要改进措施

与传统双护盾TBM相比，对于深埋长大水工隧洞施工，需要TBM进行如下改进：

①在双护盾TBM基础上，实现在大变形区段能敞开式作业即增加喷混凝土台车，及时封闭围岩；

②在双护盾TBM尾护盾的尾部增加钢拱架安装、锚杆功能设备，以适应大变形地层；

③超前钻机系统分别配置在伸缩盾、盾尾等多个位置，要求能满足超前注浆加固要求，减少围岩变形量；

④预留快速处理卡机通道、平台及出渣通道设计，保证卡机快速处理；

⑤超前地质探测功能要完善，能满足日常作业要求，噪声小、效率高；

⑥盾体外侧润滑系统，降低围岩收敛的卡机风险。

4 双护盾TBM在不良地质条件施工应对措施

针对深埋隧洞常见的岩爆、大变形、断层破碎带及突泥突水地段，双护盾TBM具有较强适应性，下面逐一分析各种类型不良地质洞段应对措施[4～5]。

4.1 岩爆地段双护盾TBM施工对策

轻微岩爆和中等岩爆对TBM施工影响不大；

强烈岩爆和极强岩爆发生时，可能会导致顶部围岩坍塌，坍塌围岩压住刀盘和护盾，使护盾变形，特别是伸缩护盾和尾护盾，且TBM通过后可能使管片变形，产生较大的裂纹、错台，极端情况下可能使管片失去支护效果，对施工人员和设备造成极大的安全隐患。常规TBM在岩爆发生前难以进行超前预测和处理，岩爆发生后往往只能停机等待，极大影响掘进效率。

双护盾TBM配置超前地质预报系统、超前钻机后，可对高地应力区掌子面前方围岩进行预测和预处理，降低岩爆影响。主要手段：

①加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。综合运用多种方法（如超前钻探、声反射、地温探测）判断可能发生岩爆高地应力的范围；

②改善围岩应力，加强回填灌浆，尽可能减少岩层暴露时间，减少岩爆的发生概率。必要时，打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而降低掌子面应力，使高应力向围岩深部转移。施工时可在掌子面前方打设超前钻孔，部分释放掌子面应力；

③对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化，从而消除或减缓岩爆程度；

④加强施工监测及时采取对应处理措施

轻微岩爆：对护盾式TBM施工和管片衬砌结构基本没有影响，施工过程中主要采取加强刀盘喷水，降低岩石强度，并改装中型或以上管片，及时填充豆砾石缓冲岩爆压力，水泥浆滞后灌注。

中等岩爆：在轻微岩爆处理方式基础上，打超前钻孔，并注水释放围岩应力，同时采用重型管片衬砌。

强烈或极强岩爆：在中等岩爆处理基础上，安装钢制管片，增强管片抵抗岩爆的能力，同时预留更多的缓冲空间。

4.2 大变形地段双护盾TBM施工对策

软岩大变形容易导致TBM盾体包裹，推进变慢，严重的导致卡机；各个方向变形量不均容易导致TBM伸缩护盾和尾护盾产生不塑性变形，影响后续TBM施工；对于裂隙比较发育的软岩，常会发生围岩大变形，导致管片变形、破损，甚至完全失去防护能力。常规TBM采用小范围扩挖，能够解决一定程度的变形，但拉月隧道极高应力区面临变形量大的情况，需要更加强大的扩挖能力和强行通过能力，同时对已开挖洞段的支护要求更高。

新型双护盾面临软岩大变形洞段可采取以下手段：

①采用扩挖刀加大开挖直径，并及时检查扩挖边刀的磨损情况；

②各种变形级别情况下的分类应对

轻度变形：TBM正常掘进，加强围岩收敛监测，快速通过；采用轻型管片衬砌；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；正常填豆砾石，水泥浆滞后灌注。

中度变形：加强围岩收敛监测，加扩挖刀具进行适量扩挖、减少停机时间，快速通过；更换为中型管片，提高管片应对变形的能力；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；先进行底部、中部豆砾石回填，待围岩收敛基本完成后进行顶部豆砾石填充，水泥浆滞后灌注。

重度变形：加大扩挖量，持续加强围岩收敛监测，除必要的维护工作外，尽量减少TBM停机，在围岩收敛卡机前尽快通过；更换重型管片，保证在重度变形的围岩下管片具有足够的强度；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；只进行底部填豆砾石，稳定管片保证隧道轴线，中部和顶部滞后填充豆砾石，尽可能多的给围岩收敛预留空间，水泥浆滞后灌注。

严重变形：使用最大扩挖量的扩挖刀具，尽可能多地预留收敛空间，持续加强围岩收敛检测，非必要情况不停机，尽可能快速通过；采用特制钢管片，加大收敛空间预留；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；只进行底部填豆砾石，稳定管片保证隧道轴线，中部和顶部滞后填充豆砾石，尽可能多地给围岩收敛预留空间，水泥浆滞后灌注；采用让压锚杆进行对管片进行加固，使管片和围岩形成联合受力，增加稳固性。

③一旦发生卡机现象，施工人员必须马上作出处理措施，防止TBM变形受损。如机头已被卡死，处理措施：首先采取加大推进力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，以减少机身与围岩间的擦力，看能否解困；如果上述方法不能解困，则需要通过拉开伸缩护盾开个窗口，通过此窗口对TBM机身进行扩挖；对扩挖区进行有效支护，并对围岩进行监测。解困后迅速回填豆砾石，并进行固结灌浆加固，防止围岩继续变形，影响隧道质量。

4.3 断层破碎带地段双护盾TBM施工对策

TBM通过断层破碎带时，局部坍塌的大石块，可能卡住刀盘或护盾，使TBM刀盘无法转动、TBM无法向前掘进；撑靴的反作用力降低，撑靴护盾侧滚，可能造成TBM非正常停机等现象；破碎的岩渣可能卡住伸缩护盾等设施；掘进过程中出现TBM刀盘下沉，姿态难以纠正，且影响隧道成洞质量；断层破碎带洞段施工可能使TBM掘进方向偏移，管片安装接缝超标，出现大的错台和裂缝；TBM通过断层破碎带后，如果管片回填豆砾石、水泥灌浆不饱满或不及时造成管片下沉、开裂，出现TBM后配套不能顺利通过。

常规双护盾TBM主要采用钢筋混凝土管片，新型双护盾在结构上进行了管片分级的设计。主要分为以下几种方案：

①断层带小于5m的方案

双护盾TBM不停机快速通过，安装重型管片，正常回填灌浆。

②断层带大于5m小于15m倾角较大的方案

这种断层稳定，无坍塌，断层倾角大，掘进时对刀盘的顶部及侧部压力不大，但是需要关注伸缩护盾内外盾之间是否有岩渣卡住。可采取双护盾TBM不停机快速通过，控制刀盘喷水的流量，安装重型管片，及时进行豆砾石灌注、水泥浆灌注等措施。

③断层带大于5m小于15m倾角较小的方案

首先，TBM进入局部坍塌位置的断层带前先停机，使用TBM超前钻机系统进行化学灌浆法（聚氨酯泡沫、水玻璃等）和双浆液法进行预胶结处理；采用单护盾模式进行掘进并关闭刀盘喷水系统；TBM掘进时以低转速、大扭矩参数掘进；封闭部分刀盘铲牙，减少超方量；安装重型管片，及时进行豆砾石回填、水泥浆灌注；将TBM检修、皮带机维护、刀盘维护与换刀等工作提前完成，尽可能减少过断层期间停机；TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆；若断层破碎带部位存在地下水：采取“以排为主”的原则，打排水孔排水，若水量变较大时，及时通过流速仪、流量仪测量、观察水流变化情况，并确定专项处理方案。

④断层带大于15m局部坍塌的方案

这种断层带较大，围岩破碎，不稳定，掘进时围岩对刀盘顶部及侧部压力大，存在局部坍塌压住或大石块卡住刀盘风险。

TBM进入此种断层带前先停机，先分段进行处理、再掘进。在断层带大于5m小于15m倾角较小的方案措施基础上TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆，并对灌浆区域进行变形观测跟踪。

⑤断层带大于15m塌方严重的方案

采用常规钻爆法对TBM上部岩体进行揭顶开挖，辅助TBM通过断层破碎带；TBM在空载状态下直接步进通过，通过后恢复掘进，对超挖部分进行回填注浆。

4.4 突涌水地段双护盾TBM施工对策

在TBM配置时就考虑加强伸缩护盾、尾护盾、喂片机区域的水泵管路布置，采用“一用一备”、隧道内回水、排水管路连接至洞外，按较大排水量进行排水管路设计；在TBM施工布置时尽可能采用上坡掘进避免下坡掘进。主要利用定位底管片预制的排水沟自流排水[3]。

5 结语

本文基于采用基于围岩类别（RMR）的TBM选型方法，对比预测了敞开式和双护盾TBM在本工程水工隧洞中的掘进效率，认为双护盾TBM具有更好的适应性。同时，进行了提出了双护盾TBM主要改进措施，并对改进后双护盾TBM的施工方法进行了论述，增强双护盾TBM适应性，扩大双护盾TBM应用范围，提高双护盾TBM在不同不良地质条件下掘进效率。可以看出，双护盾TBM经过针对性改进后，在本工程等类似的高海拔地区深埋长大水工隧洞可行的。