孫正良

(成都市路橋工程股份有限公司，四川成都610041)

1 TBM優(yōu)勢及典型施工情況

TBM能實現(xiàn)快速、高效、優(yōu)質(zhì)和安全施工，總工期和綜合效益優(yōu)于鉆爆法，也意味著較低的工程投入。不良地質(zhì)條件往往伴隨大量破碎巖石，使隧道處于不穩(wěn)定狀態(tài)，或者巖石過硬，降低掘進速度。采取全斷面開挖方法，圍巖狀況不會影響設(shè)備運行的絕對值，但會波及到所使用TBM的類型和隧道直徑。

近年來，國內(nèi)TBM法施工遇到了各種不良地質(zhì)條件的制約，面臨著開挖方法在經(jīng)濟方面的挑戰(zhàn)和施工時間上的競爭。機型確定以后，組織管理水平跟不上，就會遭到來自各方面的壓力和挫折;反之，TBM施工業(yè)績驕人，有很好的示范和推動作用。

秦嶺鐵路隧道(1997—1998)總長18.4 km，開挖橫斷面近61 m2，隧道巖性主要為混合片麻巖、混合花崗巖、含綠色礦物混合花崗巖;洞身穿過13條斷層。隧道最大埋深約1 600 m，埋深超過1 000 m地段長約3.8 km。伴隨高地應(yīng)力、巖爆、地?zé)?、斷裂帶涌水、圍巖失穩(wěn)等不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，工程建設(shè)任務(wù)十分艱巨。

由于巖石堅硬，單軸抗壓強度最大可達425 MPa，石英含量很高，采用TBM法相向施工很艱難，刀具更換頻繁、刀盤嚴重磨損，設(shè)備振動劇烈，磨損速率較快，正常掘進0.5 h，艱難時達到每循環(huán)耗時5 h，而新奧法打通平導(dǎo)比使用大直徑的TBM方法進行開挖花費少，更可靠。初期支護為錨噴，二次支護為馬蹄型帶仰拱的模筑混凝土復(fù)合襯砌。Ⅱ線平行導(dǎo)坑于1995年1月18日開工，平導(dǎo)單口平均月進度為200～250 m，平導(dǎo)比Ⅰ線隧道提前10個月貫通。

西南線桃花鋪隧道，圍巖特別破碎，小規(guī)模塌方司空見慣，常遇到破碎圍巖卡死刀盤，頂部塌腔高度至8 m，底部積渣量大，頂部支護工作量驚人，采用了幾乎所有的支護類型，甚至是超前鉆機預(yù)前支護，一個麥氏錨桿孔眼鉆孔加注漿，耗時3 h，嚴重滯后工期，大塌方的一個月進尺僅3 m。即便如此，最高月進尺仍達到551.82 m。錦屏二灘引水隧洞TBM，是目前國內(nèi)最大直徑硬巖掘進機(12.4 m)，巖性適中，但存在埋深大、巖爆傾向嚴重、涌水多等典型特征，掘進時，由于刀盤直徑大，少許的擾動導(dǎo)致底拱部位積渣清理困難，刀牙破損嚴重，局部軟巖和塌方，常常伴隨8 m高的塌腔，后配支護、噴錨、掛網(wǎng)、軌道鋪設(shè)等跟隨工序進展緩慢，由于出渣量大，石渣輸送環(huán)節(jié)多，皮帶急停造成的工程延誤頻繁，整體掘進速度優(yōu)勢沒有很好發(fā)揮。前不久，兩臺設(shè)備均因工期壓力和巖爆擔(dān)憂停止掘進，改由交通洞多斷面鉆爆開挖施工剩余段。

新疆中天山吐庫二線隧道情況與秦嶺類似，巖石硬脆且有破碎，伴隨斷裂帶，支護作業(yè)增加，刀盤磨損劇烈，每單循環(huán)作業(yè)小時達到創(chuàng)紀錄的12 h，由于振動，老化設(shè)備磨損劇烈，主軸承隔板、主軸承密封多次損壞，耐磨環(huán)磨損修復(fù)更換。至今累計掘進8 km左右，施工進展緩慢，由施工初期月成洞400多m逐漸減退至120 m，至出口仍剩余4 714 km。

2 TBM類型制約

開敞式掘進機適用于中硬巖、單軸抗壓強度10～260 MPa的適中范圍，局部的坍塌、涌水，可以方便地接近，支護容易，處理難度不大，特別破碎的圍巖掘進速度大受影響，跟隨作業(yè)的緩慢會嚴重抵消掘進的優(yōu)勢。特別堅硬的巖石則會延緩掘進速度并加速設(shè)備的損傷和部件的磨損。

雙護盾掘進機適用于圍巖相對完整、收斂趨勢不大、局部破碎的地質(zhì)條件，管片跟隨，一次成洞，掘進機快速掘進優(yōu)勢可以得到很好發(fā)揮，山西引黃入晉、山西引大入秦工程驕人業(yè)績得到很好證明，但遇到圍巖收斂特別明顯的地質(zhì)條件，極易卡住刀盤進退不得，嚴重滯后工期。引大濟煌、引紅濟石、新疆八一大阪等工程工期嚴重滯后。

單護盾掘進機針對掌子面不太穩(wěn)定、局部破碎的圍巖，推進油缸頂靠管片端面提供向前推進的支反力，操作不慎容易將管片壓潰，整體掘進速度不快。

雖然已經(jīng)采用TBM開挖過10 m以上洞徑的隧道，但限定洞徑及TBM的直徑仍是明智之舉。大伙房輸水隧洞采用8.03 m直徑，業(yè)績很好，進展神速。錦屏洞徑12.4 m，但支護工作量大增，進展不快，大斷面掘進的制約由此可見一斑。洞徑受限的原因源于:隨著洞徑增大，TBM在硬巖掘進方面的潛力減弱;機器自重加大導(dǎo)致步進速度非常緩慢而艱難;大尺寸的TBM主要部件受技術(shù)條件的限制，例如:軸承和刀盤;不穩(wěn)定現(xiàn)象的強烈程度也會隨之增強，撐靴回收后，洞壁圍巖大片坍塌;設(shè)備結(jié)構(gòu)剛性不足導(dǎo)致運行振感強烈，油箱振動劇烈;大斷面巖性不均，垮塌傾向較大，各向異性，支護難度增加。

開挖直徑12～12.5 m以內(nèi)，不同巖性條件尚有純熟經(jīng)驗可資利用。超過13.5～14 m的開挖直徑，開挖經(jīng)驗欠缺。隧道設(shè)計者應(yīng)該考慮到這些限制條件，減小隧道斷面，甚至考慮與其他隧道開挖平行進行。

設(shè)備的價格導(dǎo)致直接施工的成本比較大。達不到預(yù)期目的，沒有按時完成，極大影響施工。選擇良好信譽、資深的服務(wù)商提供最周到、優(yōu)良的設(shè)備以及技術(shù)服務(wù)很重要。越簡單的設(shè)備可靠性越高。

3 TBM的選型關(guān)注點

鑒于國內(nèi)地質(zhì)條件的復(fù)雜性，建議更廣泛地使用護盾式TBM而非敞開式，如果本地化生產(chǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)，制造成本及制作周期矛盾必將緩解。隨著開挖直徑的增加，使用和適用范圍也有區(qū)別。使用單護盾還是雙護盾，由設(shè)計情況和TBM的尺寸及面臨的地質(zhì)限定條件決定，而非TBM類型。單雙護盾TBM的選擇由隧道斷面的設(shè)計和在隧道整個施工沿線是否進行超前襯砌決定，除了技術(shù)層面，還有其他因素。TBM乃非標產(chǎn)品，可通過合理設(shè)計和使用，規(guī)避不良地質(zhì)狀況所帶來的重大風(fēng)險。使用復(fù)合式TBM并非克服隧道掘進局限性方法;應(yīng)看主流和主要矛盾，設(shè)計相應(yīng)的TBM。承包商專業(yè)知識的重要性，人才培養(yǎng)至關(guān)重要，應(yīng)給予重點的指導(dǎo)和技術(shù)人員適當(dāng)?shù)年P(guān)注。工期的考慮必須充分估計到工程投標、設(shè)聯(lián)、臨建、選型、設(shè)備制造監(jiān)造各環(huán)節(jié)以及遠途運輸給工期帶來的影響，如果在不良地質(zhì)下開挖，要充分考慮意外及差額;不能將風(fēng)險轉(zhuǎn)嫁給承包方，此觀點也適用于鉆爆法。TBM采取的設(shè)計和特殊的制造性能，直徑越大，相應(yīng)跟隨系統(tǒng)機構(gòu)的作業(yè)效率也應(yīng)隨之匹配，現(xiàn)代化主機與落后的配套匹配，反之亦然;從有資質(zhì)的TBM制造商那里訂購一臺專門的TBM遠遠不夠;制造方必須與承包方密切合作，跟蹤設(shè)備運行并監(jiān)控機器的設(shè)計制造細節(jié)，改進原有設(shè)計，TBM性能才能得到最大程度的發(fā)揮。

TBM的設(shè)計和制造技術(shù)不斷發(fā)展進步，電驅(qū)動、刀盤及刀具布置、連續(xù)皮帶運輸已形成趨勢，能量最大程度得到合理利用，刀盤扭矩自適應(yīng)掌子面的變化，出渣快捷高效。每個隧道工程都有本身的特征并且每個專家級的承包商都有自己的傳統(tǒng)和觀點，需要在實踐中有不斷地創(chuàng)新并保持各自特色［1］。

4 TBM地質(zhì)條件的局限性

地質(zhì)條件差是減慢TBM掘進速度并阻礙其運行的因素。地質(zhì)條件與TBM使用類型、設(shè)計、特征和最終運行失誤有關(guān)。

通常地質(zhì)條件良好，TBM業(yè)績通常也好，引大入秦、引黃入晉、大伙房均提供了很好例證。但特殊情況下，實際進尺率低于預(yù)期或少于TBM制造商所斷言的比比皆是。地質(zhì)，水文條件的不確定，還有使用機器的不同類型(新的或翻新的)，不同的施組設(shè)計等都是考慮因素。

了解地質(zhì)概況的各個方面非常重要。規(guī)劃設(shè)計階段盡量做好地質(zhì)勘察，關(guān)鍵地段還應(yīng)詳細勘察。據(jù)此對TBM施工進展進行預(yù)測，決定選擇最佳施工方法或根據(jù)給定的隧道正確選型號。同時預(yù)先考慮其它意外因素，掌握施工主動。

反之，決策速度快于規(guī)劃，邊設(shè)計、邊施工、邊修改，導(dǎo)致施工過程出現(xiàn)預(yù)料之外因素不得不設(shè)計變更。加大施工投入，很被動。

對于全斷面機器開挖，可靠的掘進系統(tǒng)，適中的開挖巖石以及掘進強度、圍巖的完整性系數(shù)很關(guān)鍵。適當(dāng)?shù)目疾旎ㄙM很有必要，花在考察上的錢已經(jīng)在施工成本及時間上得到了補償。在可能的前提下，TBM的引導(dǎo)洞和主洞都要進行充分地超前探測，而不是二者選其一(錦屏1號洞與3號洞相距不過60 m，但開挖過程中發(fā)現(xiàn)還是有明顯差異，一定程度上影響了施工進程)。

5 影響掘進進程的地質(zhì)因素

影響TBM的運行相對重要或頻繁出現(xiàn)的不良地質(zhì)情況，應(yīng)加以考慮:可挖性的限制，開挖洞壁不穩(wěn)定性，開挖掌子面的不穩(wěn)定性，斷層及褶皺。由TBM進行隧道開挖，出現(xiàn)粘土可能面臨其他的不良地質(zhì)情況，軟弱圍巖會導(dǎo)致TBM下沉，還有強烈的地表涌水和瓦斯，巖石突爆，巖石和水溫高，喀斯特溶洞等不良地質(zhì)狀況。

5.1 貫入度的限制

TBM貫入度是指最大推力下進行巖石開挖，TBM的刀盤每轉(zhuǎn)所能達到的切深。如果TBM不能切入掌子面到一定深度，或者刀具磨損超過可接受的范圍，即稱巖石不具有可挖性。巖石的可挖性不能絕對地下定義，但也不能改用鉆爆法，可綜合考慮兩種方法的施工成本和時間。

巖石不可挖的情況下，可以限定每轉(zhuǎn)的貫入度;它也受巖石的耐磨性影響，隧道直徑，成巖厚度，都能限制每轉(zhuǎn)的貫入度。高磨損伴隨著低貫入度，頻繁換刀，增加每立方米巖石開挖的成本，還會消耗換刀時間。新疆中天山嚴酷條件下，12 h掘進一個循環(huán)，只見刀盤旋轉(zhuǎn)，不見進度。TBM的工時利用率絕對高，實際進尺卻沒有。

隨著隧道直徑的增加，會產(chǎn)生幾種不利影響:

(1)相等的貫入度，刀盤轉(zhuǎn)速會降低，刀具軸承和密封允許最大速度是150 r/min;

(2)隧道掘進每米換刀數(shù)量增加，額外花費時間;

(3)安裝在刀盤上的刀具平均磨損增加，必須減少每轉(zhuǎn)的貫入度;

(4)在極端情況下，以上三個因素的每一個都會提高另外一個因素的發(fā)生幾率，但并不是指大直徑的TBM;

(5)刀盤在2～2.5 mm/r貫入度是可挖性的上限指示信號，貫入度在3～4 mm/r以上，可以充分開挖。TBM的運行能力嚴格地受與機器性能相關(guān)各種結(jié)構(gòu)的影響;

(6)為保持充分的貫入度，甚至在巖石強度較高的情況下，經(jīng)常把滾刀推到最大強度。在此情況，如果TBM各環(huán)節(jié)未布置好就作業(yè)，機器就會出現(xiàn)反常振動，在滾刀和支撐結(jié)構(gòu)中就會產(chǎn)生裂痕，削弱刀盤剛度，因為在隧道中修理或更換刀具很困難，停機損失很嚴重。

5.2 開挖洞壁的不穩(wěn)定性

敞開式TBM，開挖圍巖的不穩(wěn)定性是一個限定性條件。當(dāng)圍巖不穩(wěn)定時，刀盤后面安裝拱架、掛網(wǎng)、定位撐靴，甚至是超前支護很困難。要采用方法克服不穩(wěn)定因素并定位支撐系統(tǒng)。

5.3 使用護盾式TBM的優(yōu)點

護盾式TBM既有單護盾，又有雙護盾，它并不像敞開式TBM在開挖時存在不穩(wěn)定現(xiàn)象，超前噴錨和襯砌可以在護盾的里面和鎧甲保護下進行。通過即時襯砌，減小不穩(wěn)定性發(fā)生。

中大直徑的隧道(6～12 m)，敞開式和護盾式TBM的運作方式和速度均不同，洞壁不穩(wěn)定的情況下，這種差異大幅增加，護盾式TBM更有利。

5.4 敞開式TBM有效地抵消開挖洞壁的不穩(wěn)定性

刀盤支撐后立即使用拱架，采用木頭支護和噴錨結(jié)合的方法穩(wěn)定并改造洞壁。這些支護行為，在國內(nèi)特別是在機器精密部件區(qū)域的噴錨，要求很長時間，容易損壞開挖設(shè)備。

傳統(tǒng)的開挖方法在TBM的前面進行頂頭。通過在TBM上面鉆孔和注漿鉆孔或安裝傘形拱架的方法在開挖掌子面前面進行預(yù)處理。

此處發(fā)生問題不同于其他局部限定性狀況。開挖洞壁的強烈不穩(wěn)定狀況可能牽涉到隧道的重要部位，特別是如果隧道是大直徑，要求巖石的質(zhì)量要好些。否則，在此情況如把TBM運出洞外，就會嚴重耽誤工期。

5.5 開挖掌子面的不穩(wěn)定性

開挖掌子面不穩(wěn)定狀態(tài)，容易引起破碎或風(fēng)化巖石大量塌落形成大塌腔，導(dǎo)致過度超挖，不及時支護，這種狀況不會停止。刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，皮帶表面巖渣堆積嚴重，運渣源源不斷導(dǎo)致刀盤前方形成大塌腔，護盾式TBM在功能上也有局限性。

由于積渣過多，封堵刀盤，如果設(shè)備沒有足夠的動力儲備系數(shù)和脫困扭矩，導(dǎo)致刀盤不能旋轉(zhuǎn)，直到刀盤前方積渣清除、足以脫困為止。

由于不穩(wěn)定狀態(tài)引起的超挖，在TBM前面形成凹洞，建議停止掘進，在此狀態(tài)可能導(dǎo)致失控之前及時處理。

為穩(wěn)固刀盤前方巖石，采取超前鉆桿中空注漿辦法，對于巖石具備微小裂隙情況收效較好，但細碎巖塊，則由于漿液不能及時灌注空隙，嚴重的回灌將刀盤前方刀具固結(jié)成一體，導(dǎo)致額外清理臺班。

掘進時盡可能使護盾本身貼近掌子面，以支持開挖。但不宜過分撐緊洞壁，以免摩擦力無謂的消耗，削弱刀盤推力的貢獻，保持護盾與洞壁之間若即若離狀態(tài)。為使刀盤達到高效生產(chǎn)能力，根據(jù)皮帶巖渣堆積狀況，隨機調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速。

為快速填補塌腔，用樹脂和泡沫灌漿并回填超挖洞，以便生成類似于泡沫磚形式的人工巖體;通過刀盤內(nèi)部封堵鋼板的專用孔進行鉆孔和注漿，可以考慮加大輸送泵泵送能力。

超前采用新奧法施作不良地段隧道，掘進機步進通過并前行到新掌子面，繼續(xù)掘進，這比一味艱難掘進，效果和工期上掌握主動。

護盾內(nèi)預(yù)留孔處通過鉆孔注漿形成保護傘，還沒被證明有助于克服此種預(yù)期狀況。因為護盾內(nèi)安排的孔間距很大，并偏離掌子面，不可能進行充分有效的圍巖處理。常常是超前注漿、掘進過后懸掛著裸身的錨桿，砂漿蕩然無存，超前錨桿加固效果不佳。

遇到破碎地帶，盡量加快超前支護的速度，通過組織協(xié)調(diào)，加大投入，優(yōu)化支護工藝，在保證人員安全前提下，采取激勵政策，充分發(fā)揮戰(zhàn)場陣地爭奪氣勢，搶字為先，盡快封堵。聽之任之和消極怠工則會延誤支護最佳時機，導(dǎo)致更長時間、更大規(guī)模的坍塌，工期損失不可預(yù)料。

5.6 斷層帶

TBM刀盤被破碎圍巖包圍，TBM進行施工的隧道內(nèi)斷層帶交叉就意味著大事故并經(jīng)常伴隨有掘進速度的降低，會產(chǎn)生極大的困難。

開挖前采用超前探測方法，物探勘測方法預(yù)測的概率尚不高，倒不如利用鉆機從掘進機主梁內(nèi)部穿越刀盤打超前鉆，偵測前方不太遠區(qū)域，情況相對明了更為有效。

在判斷兩種斷層有可能交叉的情況下，頻繁遇到某種斷層會引起大事故:操作手不能正確判定是否斷層，往往通過停止機器和不斷旋轉(zhuǎn)刀盤的方法導(dǎo)致斷層使“TBM上方形成大塌腔”。但要防止注漿不徹底，TBM不愿后撤傾向，同時進入刀盤觀察注漿質(zhì)量。

5.7 擠壓性圍巖狀況

只要掌子面的短距離內(nèi)產(chǎn)生大量擠壓狀況，不到1 d TBM就會面臨困難，表現(xiàn)為刀盤被卡。引紅濟石、引大濟煌、新疆八一大阪以及云南那幫等工地或多或少出現(xiàn)類似問題。刀盤區(qū)域的處理相當(dāng)困難，嚴重耽誤開挖進度，甚至于隧道竣工后，還出現(xiàn)與地表突起或支護失敗相關(guān)的中長期擠壓［2］。

解決辦法是適當(dāng)超挖，增加TBM的刀盤直徑(擴大切割范圍)，調(diào)節(jié)護盾和開挖巖體之間的間隙，通常間隙只為6～8 cm到14～20 cm。刀盤與護盾直徑呈現(xiàn)倒錐形，前大尾小，有利于收斂時巖石應(yīng)力的釋放。拱架支護、掛網(wǎng)和噴錨工序必須嚴格到位，保證密貼洞壁，不得留出空隙，以免載荷疊加加劇洞壁的不穩(wěn)定性和地表扭曲變形、擠壓趨勢。

在此情況下，保持TBM在各種狀況下持續(xù)掘進，也是防止刀盤被卡的有效辦法。避免TBM的長時間停機，間隔4 h轉(zhuǎn)動刀盤。否則TBM受阻的風(fēng)險很高。

上述問題在國內(nèi)各TBM隧道工程程度不同均出現(xiàn)過，對癥施用將有所裨益。

［1］水利部科技推廣中心.全斷面巖石掘進機［M］.北京:石油工業(yè)出版社，2005.

［2］王在仁.敞開式全斷面隧道掘進機開挖軟弱破碎圍巖的施工方法［J］.鐵道建筑技術(shù)，2004(6):25-29.