香炉山深埋长隧洞TBM选型研究

2022-04-01倪锦初朱学贤凌旋帖熠

人民长江 2022年1期

倪锦初朱学贤凌旋帖熠

摘要：随着中国大规模基础建设的推进，越来越多的深埋长隧洞采用TBM施工，而TBM选型是TBM施工方案中关键问题之一。以滇中引水工程香炉山隧洞为例，重点从穿断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质洞段施工难易程度、卡机风险，以及超前加固和超前地质预报操作便利性等方面进行综合分析，推荐优先选用两台敞开式TBM，并针对具体地质情况、施工特點，提出了TBM相应的功能配置。研究成果可为类似工程提供借鉴。

关键词：TBM选型; 不良地质条件; 深埋长隧洞; 香炉山隧洞

中图法分类号： TV554 文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.024

0 引言

随着中国大规模基础设施建设的开展，水利隧洞、铁路隧道、公路隧道等现代隧洞工程迎来了建设高峰，隧洞工程呈现出规模越来越大、长度越来越长、施工难度越来越高的趋势。受地形、地质条件限制和设备制造技术发展，隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简称TBM）在隧洞工程中应用的比例也越来越高。如正在规划设计中的引江补汉工程，单隧洞长度约194 km，初步规划采用9台TBM施工，TBM施工长度约占整个隧洞长度的2/3。

对于深埋长隧洞，地质条件的复杂性决定了工程施工的艰难性，根据地质条件、隧洞功能特性、结构设计要求进行合理的TBM设备选型是工程成败的关键问题之一。如西北某引水工程引水隧洞出口侧的TBM选用双护盾式，隧洞大阪上南缘断裂带软弱岩体在极高围岩压力作用下发生大规模塌方和快速塑性变形，致使TBM多次严重卡机，三年多时间内仅艰难掘进300多米。

本文以滇中引水工程[1]香炉山深埋长隧洞挖掘需要的TBM选型研究为例，从地质条件、工期、造价、施工环境等方面综合比较，重点从TBM施工断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质洞段[2]施工难易程度、卡机风险，以及超前加固和超前地质预报操作便利性等方面进行选型分析，为今后类似工程TBM选型提供借鉴。

1 TBM选型控制因素及现状

1.1 TBM类型及特点

当隧洞工程确定采用TBM施工后，就要对TBM进行选型。目前TBM主要分为敞开式、双护盾式和单护盾式等[3]。敞开式TBM利用支撑机构撑紧洞壁的反作用力，实现掘进功能所需的反推力和反扭矩，一般用于岩石稳定性好、软弱围岩较少的隧洞[4]。护盾式TBM在主机外设置了护盾，主机在护盾保护下进行掘进作业[5]。单护盾TBM只能依靠已安装的管片提供前进反力，双护盾TBM则结合了敞开式TBM和单护盾TBM的优势，在围岩软弱破碎时采用单护盾模式掘进，在围岩完整并具有足够的强度时采用双护盾模式掘进。随着工程实践经验的增加和TBM设备制造水平的提高，各类TBM的应用界限逐渐打破，如通用紧凑型TBM、双模式TBM、复合式TBM[6]等均是吸取各基本类型TBM的优点组合而来的新类型。

1.2 TBM选型控制因素

通常认为，敞开式TBM主要应用于岩石强度较高、（坚硬或中硬岩）能够提供支撑靴足够推力的岩体中。护盾式TBM同样可以用于岩石强度较高岩体，在软岩洞段围岩无法提供撑靴反力时，可利用辅助油缸通过支撑已安装好的管片提供推力进行掘进。

敞开式TBM的护盾相对较短，在软岩变形或岩爆洞段卡机的可能性相对较低。如卡机，可从护盾后进行超前加固稳定后再继续掘进，因此在不良地质洞段脱困处理相对灵活。敞开式TBM只有一个不长的顶护盾，掘进后围岩处于暴露状态，开挖后便于观察围岩情况和进行超前地质预报。

护盾式TBM的盾体较敞开式TBM长2～3倍，在软岩变形或岩爆洞段卡机的可能性相对较高。护盾式TBM主机外围由护盾包裹，管片安装在护盾内，从机头到洞尾均处于封闭状况，施工人员除从机头和护盾的观测孔中察看岩层状况外，只能从岩渣来判断。

对于敞开式TBM，初期支护、二次衬砌施工与掘进可同步进行，但由于工序多、互相有干扰，施工效率相对较低。双护盾式TBM掘进和管片安装可同时进行，施工效率相对较高，掘进速度相对较快。

对围岩条件较好的隧洞，敞开式TBM只需要初期支护或较小的二次衬砌工程量即可保证隧洞稳定，经济性相对较好。对围岩条件较差的隧洞，敞开式TBM施工隧洞的初期支护、二次衬砌工程量较大，需与护盾式TBM施工隧洞的管片进行具体对比。

敞开式TBM除顶护盾以外，均暴露在围岩之外，施工中的粉尘、废弃浆液如不能很好地控制，则施工环境较差。近几年，当采用钢筋排等新技术后，敞开式TBM顶盾后操作空间的施工安全得到了保障。护盾式TBM机头紧贴掌子面，掘进、管片安装、豆砾石回填和灌浆等主要作业均在封闭的状态下进行，施工过程中受岩爆、受烟尘、粉尘、废弃浆液的影响较小，施工环境较好。

1.3 TBM选型现状

由于行业和工程类型不同，隧洞结构、功能和设计理念等方面存在差异，不同行业在TBM选型方面还存在一定差异[7]。在国内，铁路行业中基本应用敞开式TBM，水利行业中应用双护盾式TBM较多。

总体上来说，TBM选型主要根据各类型TBM设备自身特点，结合地质条件、工期、造价、施工环境[7]等方面综合分析确定。在地质条件方面，以往TBM选型重点关注占比较大的隧洞围岩条件，而忽略占比较小的不良地质洞段，从而导致TBM掘进困难，造成工期严重滞后，投资大量增加。

如引大济湟工程引水隧洞，TBM施工段以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，占到45.32%，在开挖过程中可能遇到地应力引起的岩爆，地下水引起的涌水、涌泥、片帮、塌方等，从主要围岩条件TBM的适应性、不良地质洞段施工安全和施工进度等方面考虑，两台TBM均选择双护盾式TBM。隧洞出口侧的TBM在掘进不久后就在围岩收敛、塌方情况下发生十余次卡机，虽采取了多种处理措施，但TBM还是被严重卡机，工程被迫停工。为使隧洞尽快贯通，后在隧洞进口段增加一台NFM-TBM进行掘进，同时对出口侧的TBM进行改造，重新定做了TBM护盾。对支撑盾、伸缩盾、后护盾等改造完成后，TBM重新启动掘进，最终两台TBM掘进至贯通点K16+003处。

由引大济湟工程TBM选型可以看出，占比不大的不良地质洞段往往对TBM施工顺利与否起关键作用，因此应该重视从不同类型TBM在不良地质洞段施工的卡机风险，以及出现卡机后处理的难易程度等方面进行选型分析。

2 香炉山隧洞TBM选型

2.1 香炉山隧洞施工方案

滇中引水工程是解决滇中地区严重缺水的特大型跨流域调水工程，工程主要包括水源工程和输水工程两个部分。结合控制节点、行政区划、水价分析，投资分摊要求等，将输水工程线路划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪红河五大段。香炉山隧洞位于大理Ⅰ段，起点在丽江市玉龙县石鼓镇冲江河右岸山体内，终点在鹤庆县松桂与积福村附近，整个隧洞穿马耳山脉，全长62.596 km。隧洞设计引水流量135 m3/s，圆形断面，净断面直径8.3～9.5 m，设计水深7.1 m。

香炉山隧洞沿线属高、中山地貌区，地面高程一般为2 400～3 400 m，隧洞最大埋深1 450 m。隧洞段沿线主要出露泥盆系、二叠系、三叠系、第三系及第四系地层，局部地段不连续分布侵入岩脉。隧洞在深埋大的石英片岩、碳酸盐岩、玄武岩等坚硬完整岩体中且地下水贫乏洞段可能产生中强岩爆。

香炉山隧洞区褶皱、断裂发育，沿线穿越大栗树断裂（F9）等13条大断（裂）层，易产生中等-极严重挤压变形等问题。

香炉山隧洞沿线可溶岩地层分布较广，地表、地下岩溶形态发育齐全。发育有白汉场（Ⅰ）、拉什海（Ⅱ）、鹤庆西山（Ⅳ）、清水江-剑川（Ⅴ）等多个岩溶水系统。隧洞穿越宽厚断裂破碎带、碳酸盐岩、玄武岩、向斜核部等富水洞段可能会产生较大渗水、甚至涌水突泥问题[8]（主要为断裂带），以及高外水压力问题[3]。

由于香炉山隧洞埋深大，难以通过布置施工支洞全部采用钻爆法施工。结合香炉山隧洞沿线地形条件和围岩情况等，拟采用“TBM法+钻爆法”的施工方案[9]，主要通过隧洞进出口以及设置施工支洞，采用钻爆法开挖规模较大的4条区域性断裂及部分围岩较差洞段，其余洞段采用2台TBM施工，TBMa、TBMb分别由上、下游相向掘进，掘进长度分别为14.68 km和20.64 km。

香炉山隧洞施工方法分段列于表1，施工方案如图1所示。

2.2 香炉山隧洞TBM施工段工程地质

2.2.1 TBM施工段工程地质、水文条件

（1）地形地貌。TBMa-1施工段布置于白汉场-九河槽谷和汝南河槽谷间的汝寒坪一帶，沿线地面高程2 758～3 150 m，隧洞埋深740～1 000 m，最大埋深1 135 m;TBMa-2施工段及TBMb施工段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一带，沿线地面高程2 500～3 418 m，隧洞埋深一般600～1 300 m;TBMb-2施工段长木箐北山一带最大埋深1 450 m，TBMb-1段核桃箐一带埋深约450 m。

（2）岩性。TBM施工段均位于微新岩带，北衙组（T2b）、中窝组（T3z）灰岩、白云岩等属较完整岩体，玄武岩（Pβ、Nβ）属较完整-完整岩体，局部完整性较差，黑泥哨组（P2h）、青天堡组（T1q）、松桂组（T3sn）等砂、泥页岩属较破碎-较完整岩体。其中TBMa-1施工段主要穿二叠系玄武岩;TBMa-2施工段及TBMb-2施工段除了穿玄武岩外，还穿越砂泥岩、灰岩及白云岩、砂泥岩等;TBMb-1施工段主要穿越灰岩地层。

（3）地质构造。TBM施工段沿线褶皱主要有汝寒坪背斜、汝寒坪向斜、大陡山背斜向斜、宣化关向背斜、后本箐向斜、狮子山背斜、马鞍山背斜等，褶皱走向以NNE～NE为主，与线路多呈大锐角及中等角度相交。

TBM施工段避开了龙蟠-乔后断裂（F10）等3条全新世活动断裂，穿越的断裂主要有下马塘-黑泥哨断裂（FⅡ-32）等十几条规模不等的断层。

受褶皱及断裂控制，沿线地层总体走向呈NNE～NE向，倾向NW或者SE，倾角多25°～50°，近东西向断裂带附近地层受构造影响局部变陡，地层走向总体与线路呈中等角度至大角度相交。

（4）岩溶与水文地质。根据地表测绘及钻孔资料分析，TBM施工段穿越的灰岩、白云岩为强烈岩溶化地层;灰岩夹泥质灰岩为中等岩溶化地层;玄武岩及各时代的侵入岩为裂隙性中等透水地层;砂、泥岩为相对隔水层。

断裂破碎带赋存一定规模的断层脉状水，因破碎带构造岩成分复杂，其富水及透水性差异性大，同一条断层的纵向与横向透水性差异较大。近东西向断裂组多属纵向裂隙性中等透水至强透水、横向阻水断裂带，仅局部断裂段属相对隔水至弱透水断裂带;近南北向断裂组纵向多属裂隙性中等透水至强透水断裂带。

（5）地应力。TBM施工洞段主要为中等-高地应力水平，局部大埋深洞段为高-极高应力水平。香炉山隧洞TBM施工段剖面概化见图2。

2.2.2 TBM选型相关地质条件

香炉山隧洞TBM施工段围岩类别以Ⅲ、IV类为主，饱和抗压强度大部分为30～80 MPa，较完整，可能存在的不良地质问题主要有：高地应力条件下的硬岩中等岩爆、软岩（含断层带）严重至极严重大变形、高外水压力以及可溶岩、断裂带、向斜的涌水突泥等。香炉山隧洞TBM选型相关地质条件如表2所列。

2.3 香炉山隧洞TBM类型比较与选择

从表2可以看出，香炉山隧洞TBMa和TBMb施工段主要围岩的饱和抗压强度和岩石完整性可提供TBM撑靴反力[10]，大部分洞段开挖后也能保持自稳，选用敞开式TBM和护盾式TBM均可。

TBMa和TBMb施工段均不同程度穿越断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质洞段[11]，敞开式TBM和护盾式TBM在通过这些洞段时施工难度均较大，尤其在软岩（含断层）大变形洞段，由于敞开式TBM比护盾式TBM护盾短，卡机概率相对较低，如需采用超前预加固措施[12]，敞开式TBM操作更为方便。

在主要围岩洞段，护盾式TBM掘进速度较敞开式TBM快，但由于两TBM施工段均有存在卡机风险的断层和软岩大变形洞段，如出现卡机，其脱困处理工期难以预计。

香炉山隧洞为输水隧洞，为保证过水能力，采用敞开式TBM施工时需采用糙率较小的二次混凝土衬砌结构，此外两TBM施工段埋深普遍较大，初期支护和二次衬砌结构均较强，其支护衬砌工程量造价与护盾式TBM的管片支护相当。

敞开式TBM空间较护盾式TBM开放，施工环境较护盾式TBM差，但更有利于进行超前地质预报和观察围岩状况。

综上分析比较，从香炉山隧洞TBM施工段主要围岩来看，选用敞开式TBM和护盾式TBM式均可;对于断层、软岩大变形不良地质洞段，采用敞开式TBM卡机概率相对较小，更有利于进行超前预加固、超前地质预报[13]和观察护盾后的围岩状况[14]。由于不良地质洞段[15]的施工是TBM施工的关键，该工程所用两台TBM优先选用敞开式。

对长大断裂带、长距离软岩大变形和富水[16]等不适宜TBM施工的洞段[17]，选择任何TBM机型试图一次性直接掘进通过都是有难度的，通常需在TBM设计和工程施工上采取措施尽量减少其不利影响，且需充分重视对不良地质问题的预测预报和超前处理。

2.4 香炉山隧洞TBM主要功能配置

香炉山隧洞TBM施工段的地质条件总体上适宜TBM施工，但要重视对断裂带及软岩大变形、突水涌泥、岩爆等TBM适应性较差的不良地质洞段研究，并对TBM设备进行相应的设计和配置[18]。

（1）掘进功能配置。由于隧洞中局部有岩爆情况，刀盘应具有足够的刚度和强度，刀盘预留超前钻孔位置和雾化喷水装置[19]，通过施打超前地应力释放孔和喷水软化围岩来减少岩爆。主轴承采用变频电机驱动，具有正反转功能和点动功能，配置足够的扭矩和推力，并有脱困模式，以应对软岩变形段，设计寿命不小于15 000 h，单机掘进长度不小于25 km。

（2）出渣功能配置。针对开挖断面大、出渣量大的特点，采用出渣效率较高的皮带机出渣系统，主机带式输送机设置防偏、刮渣、张紧、调速联锁装置[20]。主机带式输送机和洞内带式输送机出渣能力协调，且应满足最大掘进速度的要求。

（3）支护功能配置。隧洞初期支护工程量大，TBM应配备高效的支护系统。钢拱架安装器采用液压驱动，具有可靠制动及自锁功能;锚杆钻机具有反向同步功能、可靠制動及自锁功能;混凝土喷射装置轴向行程不应小于3个掘进循环长度，配置混凝土喷射防护罩。除了主机段配备超前钻机外，在刀盘后（主梁内）预留配置超前钻机的位置，同时配置高速搅拌器、混合器和高压灌浆泵，具备对全掌子面进行灌浆止水功能。

（4）超前地质预报功能配置。TBM主机段配备两台多功能液压超前钻，最大钻深不小于50 m，可钻孔取芯;针对岩爆、软弱地层、地下水的超前地质预报物探系统，主要配置TBM机载TRT和激发极化法系统;在刀盘上和前护盾上预留超前预报设备安装孔。

（5）开挖直径调节功能配置。刀盘边刀具备长距离径向扩挖2 cm×（5～15） cm的功能，护盾具备大距离伸缩、支撑围岩能力的功能。

香炉山隧洞TBM主要技术参数需求初拟见表3。

3 结语

香炉山隧洞跨越金沙江与澜沧江分水岭，具有深埋、超长等特点，主要地质问题有断层破碎带、高地应力下软岩大变形和局部岩爆、突水涌泥等，为目前在地壳活动性较强地区尚无先例的长距离深埋输水工程。隧洞采用“TBM法+钻爆法”的施工方案。从岩体所处的地质环境及岩体性状分析，香炉山隧洞TBM施工段的TBM地质条件适宜性总体情况良好，但局部洞段的渗涌水、断裂带及软岩大变形、硬岩岩爆等不利地质条件危害很大，应采取针对性工程应对措施。

从地质条件、工期、造价、施工环境等方面进行综合比选，重点从不良地质卡机风险、超前预加固、超前地质预报操作便利性等方面考虑，推荐该工程优先选用两台敞开式TBM，并提出了相应的主要技术参数和功能配置。由于TBM施工段夹有细颗粒软弱地层及部分岩溶地下水地层，后续可以研究采用双模式掘进机施工的可行性。

参考文献：

[1] 钮新强，吴德绪，倪锦初，等.滇中引水工程初步设计报告[R].武汉：长江勘測规划设计研究有限责任公司，2018.

[2] 苏利军.深埋长隧洞不良地质风险勘察设计应对体系[J].人民长江，2020，51（7）：148-151.

[3] 王梦恕.不同地层条件下的盾构与TBM选型[J].隧道建设，2006，26（2）：1-3，8.

[4] 吴世勇.锦屏二级水电站TBM选型及施工关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27（10）：2000-2009.

[5] 罗小刚.双护盾TBM选型设计与施工[J].四川建材，208，44（12）：213-214，216.

[6] 张晓伟.输水长隧洞TBM的类型选择[J].水利水电技术，2006，37（3）：12-15

[7] 李建斌.TBM构造与应用[M].北京：人民交通出版社，2019.

[8] 钮新强.复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞设需研究的关键技术问题[J].隧道建设（中英文），2019，39（4）：523-536.

[9] 朱学贤.滇中引水工程香炉山深埋隧洞施工长距离通风研究[J].人民长江，2021，52（2）：147-152.

[10] 朱杰兵.TBM施工中岩石可钻性测试与评价技术综述[J].人民长江，2019，50（8）：143-150.