鄧銘江， 譚忠盛

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設管理局， 新疆 烏魯木齊 830000； 2. 北京交通大學， 北京 100044)

0 引言

隨著我國基礎設施建設的發(fā)展，TBM在水工隧洞、鐵路隧道及城市軌道交通隧道等工程領域的應用越來越廣泛[1-3]。近年來，越來越多特殊的地形地貌、復雜地質、超大埋深和超長隧洞(道)工程在我國開工建設，如新疆、陜西等地區(qū)正在實施的水利水電和鐵路等工程項目[4-5]。這些隧洞(道)工程往往具有極硬巖、突水突泥、強巖爆、大斷層、大變形、高地熱等復雜地質特征。不同的隧洞地質條件復雜多變，如果TBM不能適應隧洞的地質特征，就會引起較大的施工風險，嚴重時甚至會出現(xiàn)設備損毀和人員傷亡[6]。

國內外學者對TBM適應性進行了一些分析和探討。J. Zhao等[7]結合新加坡某隧道工程，通過提高設備的地質適應性應對復雜多變地層，取得了良好效果。J. Hassanpour等[8]評價了2種預測設備性能的模型，通過對實際工程實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，提出新的改進模型，用于分析不同地質條件與設備性能參數(shù)的關系。R. Ribacchi等[9]分析了巖體質量對雙護盾TBM掘進的影響，指出不同巖體條件機械性能會有很大的不同。劉春[10]從地質條件、掘進機性能、施工方法等方面研究了TBM的適應性。張金榮[11]結合隧道設計、施工方案、工期及風險分析，對大瑞鐵路高黎貢山隧道開敞式TBM的地質適應性開展了研究。李建斌等[12]闡述了雙護盾TBM的技術特點及地質適應范圍，分析了其優(yōu)缺點，并對長大鐵路隧道使用的可行性進行了研究。

雖然對TBM適應性的研究已取得了一定的成果，但仍然缺乏科學、可靠的適應性評價理論和方法，尤其是針對超特長隧洞TBM集群施工的適應性方面研究很少。由于設備不適應導致的嚴重工程問題屢見不鮮[13],因此開展超特長隧洞TBM集群試掘進階段適應性研究具有重要意義。

北疆供水二期工程隧洞穿越的工程地質和水文地質條件復雜，具有埋深大、超特長特點。其中，喀雙段隧洞長283.27 km，是目前世界上已建和在建的最長輸水隧洞。隧洞穿越區(qū)域的主要地質問題有破碎帶塌方、涌水涌泥等。本文首先對集群TBM試掘進階段揭露的地質進行分析，然后對它們的適應性進行分析和評價。研究成果可為后續(xù)施工提供經驗借鑒，并為類似工程建設與TBM制造提供指導。

1 試掘進施工方案及安排

根據(jù)北疆供水二期工程的地質條件，采用敞開式TBM施工，并在局部不良地質地段輔以鉆爆法施工。西二、喀雙和雙三隧洞共采用20臺敞開式TBM和3臺盾構施工，其中主洞采用18臺，掘進約393 km，支洞采用2臺，掘進約12 km。3條隧洞施工總體布置及標段劃分示意圖見圖1—3。截至目前，支洞施工已完成，10臺TBM正在進行主洞掘進，3臺TBM正在安裝調試。集群TBM試掘進施工進度表見表1。累計掘進已達43.83 km。根據(jù)現(xiàn)有的施工進度安排，到2019年9月，剩余的5臺TBM和3臺盾構將會全部開始掘進。試掘進階段TBM施工進度圖見圖4。

圖1 西二隧洞施工總體布置及標段劃分示意圖 (單位： km)

圖2 喀雙隧洞施工總體布置及標段劃分示意圖 (單位： km)

圖3 雙三隧洞施工總體布置及標段劃分示意圖 (單位： km)

表1 集群TBM試掘進施工進度情況

圖4 試掘進階段TBM施工進度圖(單位： m)

2 施工揭露的地質情況及工程難題

2.1 西二隧洞地質情況

根據(jù)試掘進試驗，西二Ⅱ標、Ⅵ標和Ⅷ標揭露的隧洞地層巖性主要為奧陶系中上統(tǒng)哈巴河組黑云母石英片巖、二云石英片巖，華力西期變質黑云母花崗巖夾閃長巖、黑云母斜長花崗巖。巖體構造以塊狀構造為主，實測得到Ⅱ、Ⅲ類圍巖的巖石飽和單軸抗壓強度主要為40～150 MPa。將各標段施工揭露的圍巖類別與勘察設計給出的圍巖類別進行對比，結果見圖5。

圖5 西二隧洞勘察設計與施工揭露圍巖類別占比

Fig. 5 Comparison between surrounding rock conditions of XE Tunnel provided in design and those exposed in tunneling

2.2 喀雙隧洞地質情況

喀雙Ⅱ標、Ⅳ標和Ⅴ標揭露的隧洞地層巖性主要為華力西期花崗巖、凝灰質砂巖、泥盆系凝灰?guī)r，花崗巖石英含量為20%～30%，其他類巖石石英含量為5%～10%。實測得到Ⅱ、Ⅲ類圍巖的巖石飽和單軸抗壓強度主要為70～170 MPa，局部最高達197 MPa。將各標段施工揭露的圍巖類別與勘察設計給出的圍巖類別進行對比，結果見圖6。

圖6 喀雙隧洞勘察設計與施工揭露圍巖類別占比

Fig. 6 Comparison between surrounding rock conditions of KS Tunnel provided in design and those exposed in tunneling

2.3 雙三隧洞地質情況

雙三Ⅱ標、Ⅲ標揭露的隧洞地層巖性主要為粉砂巖、砂礫巖、硅質礫巖、安山巖、局部夾凝灰質砂巖、砂巖、沉凝灰?guī)r、石英閃長斑巖和鈣質礫巖等，石英含量一般為1%～15%。實測得到Ⅱ、Ⅲ類圍巖的巖石飽和單軸抗壓強度主要為50 ～ 120 MPa，最高達150 MPa。將各標段施工揭露的圍巖類別與勘察設計給出的圍巖類別進行對比，結果見圖7。

圖7 雙三隧洞勘察設計與施工揭露圍巖類別占比

Fig. 7 Comparison between surrounding rock conditions of SS Tunnel provided in design and those exposed in tunneling

由圖5—7可知： 西二、喀雙和雙三隧洞施工揭露的圍巖類別與勘察設計階段給出的圍巖類別比例基本相符，個別標段有一定出入，但相差不大。

2.4 主要工程難題

2.4.1 長距離掘進關鍵設備耐久性

本工程主洞18臺TBM掘進距離均超過15 km，其中10臺掘進長度超過20 km，最長的西二Ⅷ標TBM5達到26.24 km；中間沒有檢修支洞的有7臺，最長的喀雙Ⅷ標TBM9達到20.7 km。由于長距離的掘進，必須提高刀盤、主驅動、支撐與推進系統(tǒng)、護盾等關鍵設備和部件的可靠性與耐久性。

2.4.2 穿越斷層破碎帶

根據(jù)各隧洞揭露的圍巖特征，均存在有不同程度的斷層破碎帶，嚴重影響TBM的順利掘進。當掘進到破碎帶時，容易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、掉塊，甚至有較大范圍的坍塌，也容易引起刀盤被淹埋、旋轉困難和卡機等問題。撐靴在通過時容易出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，導致無法撐緊巖壁。斷層破碎帶圍巖軟硬不均，影響刀具使用壽命，同時刀盤旋轉振動和整機擺動大，對掘進方向的控制、噴錨支護作業(yè)等帶來很大困難。

2.4.3 圍巖突涌水

隧洞穿越富水地層及富水斷層破碎帶施工時，極易發(fā)生突涌水災害，其施工難度大、風險高。當水壓高、地下水靜儲量大時，地下水會瞬間突出，表現(xiàn)為突水現(xiàn)象；如果水壓較小，或者靜儲量較小，則表現(xiàn)為涌水現(xiàn)象。試掘進施工穿越富水段時，出現(xiàn)大量基巖裂隙水涌出，導致出渣中含水量增大，影響皮帶機的運行，降低掘進速度，同時污水淤泥堆積，影響行走軌道的鋪設。

2.4.4 長距離掘進獨頭通風及運輸

據(jù)統(tǒng)計，目前國內外 TBM 獨頭掘進通風距離一般為 10 km 左右，最大不超過 15 km[14]。本工程掘進區(qū)間普遍較長，大多數(shù)超過了20 km，而中間沒有檢修支洞和通風豎井的最長區(qū)間是喀雙Ⅶ標TBM8(達19.67 km)，這對施工通風、出渣、物料和人員運輸、供排水系統(tǒng)以及設備的可靠性、高效性提出了非常高的要求。

2.4.5 反坡排水

很多標段的隧洞施工方向屬于順坡掘進，反坡排水。因隧洞距離長、埋深大、斷面大，且隧洞涌水量較大，刀盤后部的液壓系統(tǒng)、主軸承潤滑及密封系統(tǒng)、輔助皮帶輸送機等均應注意防水。一旦油液含水量超標，將導致整個液壓系統(tǒng)工作能力下降，加劇主軸承腐蝕磨損，嚴重影響施工進度，故施工期反坡隧洞排水系統(tǒng)設置顯得尤為重要。

2.4.6 破巖與掘進效率

TBM各標段圍巖均以Ⅱ、Ⅲ類為主，最高的巖石飽和單軸抗壓強度達170～197 MPa，花崗巖的石英含量高達20%～35%。由于巖石強度高、石英含量大、掘進距離長，導致滾刀磨損嚴重，刀具消耗大，直接影響施工進度。因此，對TBM滾刀快速破巖、高效掘進提出了更高的要求與挑戰(zhàn)。

3 集群TBM適應性分析

根據(jù)試掘進階段面臨的主要問題，集群TBM試掘進階段適應性分析主要包括： 對主要圍巖類別的適應性分析、對不良地質條件的適應性分析和掘進穩(wěn)定性分析等3個方面。

3.1 對主要圍巖類別的適應性

根據(jù)試掘進階段揭露圍巖地質情況統(tǒng)計，西二、喀雙和雙三隧洞的Ⅱ、Ⅲ類圍巖占比都達到90%以上，因此，對Ⅱ、Ⅲ類圍巖的適應性是評價TBM適應性的重要方面。

3.1.1 掘進參數(shù)

見表2。

表2 西二、喀雙和雙三隧洞Ⅱ、Ⅲ類圍巖TBM掘進參數(shù)

由表2可知： 1)在Ⅱ類圍巖中TBM的平均推力基本都達到設計值，轉矩達到最大值，刀盤轉速較高；2)在Ⅲ類圍巖中，推力和轉矩均有余量，刀盤轉速較低，但掘進速度較高。

3.1.2 掘進月進尺

西二、喀雙和雙三隧洞試掘進階段，各臺TBM掘進的月進尺見圖8—10。

由圖8—10可知： 1)西二隧洞最高首月進尺為310 m，最高月進尺為789 m； 2)喀雙隧洞最高首月進尺為433.08 m，最高月進尺為762.69 m； 3)雙三隧洞最高首月進尺為987 m，最高月進尺為1 280 m。通過分析月進尺數(shù)據(jù)可知，敞開式TBM可以在Ⅱ、Ⅲ類圍巖中實現(xiàn)快速掘進，表明其適應性非常高。

(a) 西二Ⅱ標TBM1

(b) 西二Ⅵ標TBM4

(c) 西二Ⅷ標TBM5

(b) 喀雙Ⅳ標TBM2

(c) 喀雙Ⅳ標TBM3

(d) 喀雙Ⅴ標TBM4

(e) 喀雙Ⅴ標TBM5

(a) 雙三Ⅱ標TBM1

(b) 雙三Ⅲ標TBM2

3.2 對不良地質條件的適應性

3.2.1 對斷層破碎帶的適應性

3.2.1.1 穿越節(jié)理裂隙帶及小規(guī)模斷層

試掘進期間各標段均多次穿越節(jié)理裂隙帶及小規(guī)模斷層，采用一些輔助措施后都可順利通過，表現(xiàn)出TBM具有較好的適應性?，F(xiàn)以喀雙段Ⅴ標TBM4為例進行分析。

喀雙Ⅴ標試掘進階段圍巖總體上強度高、完整性好，僅局部有裂隙發(fā)育，并存在剝落、掉塊情況。在KS118+718 ～ +767段，共出現(xiàn)破碎圍巖段49 m，圍巖主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結合差，巖體本身呈塊狀和碎石狀結構，致使圍巖沿節(jié)理或層面松動、錯落，甚至出現(xiàn)較大范圍的失穩(wěn)、坍塌、塌落?？﹄pⅤ標破碎圍巖段情況見圖11。

在掘進過程中，渣量隨著掘進速度的增加而明顯增多，且大塊狀渣也隨之增多。處理方法是將支護由隨機錨噴改為錨網噴、鋼拱架聯(lián)合支護方式，并在破碎圍巖露出護盾后立即停機，開始處理危石，待危石處理完畢后，架立全環(huán)型鋼拱架(H150)，之后在頂部護盾和鋼拱架之間插入鋼筋排，再繼續(xù)架立下一榀鋼拱架(見圖12)，使TBM順利通過破碎圍巖地段。

圖11 喀雙V標破碎圍巖段情況

(a)

(b)

Fig. 12 Support consisting of shaped steel arch and steel bar panel adopted in Section Ⅴ of KS tunnel

3.2.1.2 穿越較大規(guī)模斷層

TBM穿越規(guī)模較大的斷層時，出現(xiàn)了多次圍巖失穩(wěn)、塌方事件，甚至形成較大的塌腔體。

1)西二Ⅱ標

當TBM1掘進到XE6+840 ～ +850時，發(fā)生了較大塌方，塌方量達1 248.2 m3(見圖13)。塌方原因：主要是穿越破碎帶時，由于刀盤切削作用和振動影響，致使圍巖沿節(jié)理和裂隙面松動、錯落，最終導致大面積失穩(wěn)和坍塌。對于塌腔段處理的方法有： 采用噴混凝土加固、加密拱架支護(見圖14)；待具備掘進條件后，采用較低轉速、小推力、大貫入度緩慢掘進通過。

圖13 西二Ⅱ標TBM1塌腔示意圖(單位： m)

Fig. 13 Schematic diagram of collapse cavity during TBM boring in Section Ⅱ of XE Tunnel (unit: m)

(a) 應急噴混凝土

(b) 加密拱架間距

Fig. 14 Photos of treatment measures for collapse cavities during TBM1 boring in Section Ⅱ of XETunnel

2)西二Ⅵ標

TBM4在穿越破碎帶段(XE110+171 ～ +44.5)時，發(fā)生多次塌方掉塊，各塌腔掉塊部位規(guī)模見表3。

表3 西二Ⅵ標TBM4段塌腔統(tǒng)計

為保證TBM安全施工，對塌腔體采取以下處理方案： ①利用應急噴射混凝土系統(tǒng)封閉破碎巖面，防止已揭露的圍巖進一步松動和掉塊； ②對塌腔體部位，采用副拱加強支護，即在原設計的HW150型鋼拱架頂部增設HW125型鋼支撐至巖面，同時增設副拱的縱向連接筋(見圖15)； ③型鋼拱架之間增設HW125型鋼縱向連接(見圖16)，環(huán)向間距為0.8～1.0 m； ④鋼筋排上方采用3 mm厚的鋼板封閉，在噴混凝土封閉鋼拱架之前，利用泵送C30細石混凝土對塌腔部位進行分層回填，隨后進行回填灌漿； ⑤根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，增加φ25 mm的隨機錨桿，長3.5～6 m。

圖15 HW150型鋼拱架頂部增設HW125型鋼副拱

Fig. 15 Adding HW125 steel support on top of HW150 steel arches

圖16 HW150型鋼拱架之間增設HW125型鋼連接

Fig. 16 Adding HW125 steel to connect HW150 steel arches

3)喀雙Ⅱ標

TBM1在試掘進階段分別遭遇2次隧洞塌方致使刀盤楔嵌卡機的事件，2次塌方隧洞均無地下水涌出，故首先使刀盤脫困后再進行下一步處理，處理時間共139 d。

第1次塌方卡機，人工清渣已經完全無法脫困，因此采取整機后退的方式脫困。TBM整機后退16.5 m后塌方體才穩(wěn)定，再進行超前鉆孔。預測塌方體高度為15 m以上，采取超前水泥灌漿固結的方式處理。

灌漿前需設置混凝土止?jié){墻，止?jié){墻施工需要的人員、材料和設備均需從刀盤的刀孔進入，刀孔尺寸為40 cm×60 cm，通道空間受限嚴重，施工極為緩慢，但仍可進行作業(yè)。為消除后期施工的安全隱患，需將已知形成的塌腔進行回填處理(見圖17)，防止其再次塌落造成二次災害。

圖17 喀雙Ⅱ標TBM1塌腔回填處理(單位： m)

Fig. 17 Backfilling of collapse cavity caused in TBM1 boring in Section Ⅱ of KS Tunnel (unit: m)

塌腔混凝土回填要由止?jié){墻上部向塌腔內進行鉆孔，形成輸送通道。在對塌腔鉆孔時發(fā)現(xiàn)，塌腔內已填滿塌落的石渣，塌腔范圍為洞身頂部26～30 m，原計劃采用自流平混凝土回填，后改為高濃度水泥漿灌注，固結塌腔內松散石渣。

第2次塌方卡機，同樣采取整機后退的方式脫困，僅后退1.5 m后TBM刀盤脫困。進一步探明前方地質，預測拱頂塌腔高度為4～ 6 m，并且沒有繼續(xù)塌落的跡象，故采取“慢掘進、強支護、勤監(jiān)測”的方式通過。

3.2.2 對撐靴無法撐緊洞壁的處理

西二隧洞Ⅱ標、Ⅵ標和Ⅷ標，喀雙隧洞Ⅱ標、Ⅳ標和Ⅴ標都出現(xiàn)過因撐靴無法撐緊而引起 “打滑”的現(xiàn)象。

3.2.2.1 西二Ⅵ標

TBM4在試掘進期間，因軟巖地質段巖石單軸抗壓強度低，造成撐靴“打滑”現(xiàn)象，無法支撐TBM推力。采取的措施是低速掘進，減少出渣量，保證掌子面的穩(wěn)定，避免大范圍失穩(wěn)。當洞壁側墻圍巖強度低于30 MPa時，在撐靴支撐部位布置枕木堆(見圖18)，增大撐靴支撐面積，同時減少推力和刀盤轉速，防止設備下沉。當洞壁側墻圍巖強度低于25 MPa時，枕木不能滿足撐靴支撐需要，巖體變形較嚴重，甚至出現(xiàn)垮塌，需要對撐靴部位軟巖進行人工清理后澆筑混凝土墻，以增加巖體強度，確保撐靴部位巖壁滿足支撐要求(見圖19)。

圖18 西二Ⅵ標TBM4軟巖段撐靴部位墊枕木

Fig. 18 Sleepers under grippers of TBM4 to cope with soft rock mass in Section Ⅵ of XE Tunnel

圖19 西二Ⅵ標TBM4軟巖段撐靴部位澆筑混凝土墻

Fig. 19 Concrete wall cast under grippers of TBM4 to cope with soft rock mass in Section Ⅵ of XE Tunnel

3.2.2.2 西二Ⅷ標

TBM5在試掘進期間出現(xiàn)過多次撐靴位置塌方導致圍巖松散，現(xiàn)場處理方法是將周圍的松散巖體鑿除，繼而澆筑混凝土(見圖20)。因混凝土強度增長需要齡期，嚴重影響掘進速度，故在混凝土中加入早強劑，確保盡快提高混凝土的強度，使TBM能夠盡快通過塌方段。

(a)

(b)

Fig. 20 Measures taken under grippers of TBM5 to cope with soft rock mass in Section Ⅷ of XE tunnel

3.2.2.3 喀雙V標

TBM5在掘進過程中，遇到破碎巖體而產生塌方，形成小型塌坑，在邊墻出現(xiàn)較為嚴重的坍塌、掉塊現(xiàn)象。撐靴無法撐緊巖壁，在通過時出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，TBM無法正常向前推進。在撐靴及其前方位置，采用鋼板和木板相結合的方式立模，并采用C30混凝土回填灌漿(見圖21)?；靥詈蠹皶r對混凝土進行充分振搗，使混凝土充填均勻密實，并與圍巖形成一個整體，在混凝土達到一定強度后可為撐靴提供穩(wěn)定受力面。同時，隨著掘進向前推進，繼續(xù)施作鋼拱架、鋼筋排及錨桿等進行圍巖支護。

(a)

(b)

Fig. 21 Measures taken under the grippers of TBM5 to cope with soft rock mass in Section Ⅴ of KS Tunnel

在圍巖完整性較差時，撐靴在撐緊巖面后，會對圍巖產生二次擾動，發(fā)生進一步塌落、掉塊等情況。為此，在邊墻部位增設鋼筋排，撐靴在通過時，直接撐在鋼筋排上，這樣能較好地降低對圍巖的二次擾動，也降低了施工安全風險。在撐靴通過后，清除圍巖表面浮石即可。

3.2.3 對隧道突涌水的處理

3.2.3.1 西二Ⅱ標

TBM1試掘進施工穿越富水段時，出現(xiàn)大量基巖裂隙水涌出(見圖22)，總出水量為339.3 m3/h，隧洞內也出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。渣土中含水量較大，掘進速度低。主梁下方堆積大量淤泥，對鋪設行走軌道影響較大，需人工清理。在架立拱架時，為了使拱架貼緊巖面，也必須對隧底的淤泥清理干凈，增加了拱架安裝時間。對洞壁出露的出水點，及時進行灌漿封堵，減少洞內水量。電氣及液壓等設備需進行防水、防潮保護，確保正常運轉。同時，在后配套尾部及主支洞交叉口處增大排水能力，隧洞沿線增設應急排水管路。

(a)

(b)

Fig. 22 Water inrush during boring of TBM1 in Section Ⅱ of XE tunnel

3.2.3.2 喀雙Ⅱ標

TBM1掘進至KS3+887時，洞壁左側發(fā)育1條裂隙，長度約為4 m，沿裂隙薄弱處呈噴射狀涌水，水壓力約為0.9 MPa，涌水量約為320 m3/h。涌水導致TBM施工軌道無法鋪設，刀盤旋轉帶出的水量巨大，施工困難，處理用時61 d。這次涌水的處理經歷了以下4個階段。

第1階段： 涌水點附近鉆泄壓孔，涌水點簡單處置后，采用聚氨酯材料灌注，但發(fā)現(xiàn)效果不明顯，且對水污染嚴重。

第2階段： 對涌水點采用1.2 m×1.2 m×0.1 m鋼板+土工布封堵，鋼板中間設置引流球閥，分別采用油溶性和水溶性聚氨酯材料灌注，但發(fā)現(xiàn)效果不明顯，且對水污染嚴重，最后放棄化學灌漿方法。

第3階段： 對涌水點澆筑C35混凝土(長1.9 m×高2.3 m×厚0.3 m)進行表面封堵，采用純水泥漿灌注，但是混凝土封堵未達到預期效果。

第4階段： 對滲漏通道進行超前鉆孔，采用水泥+水玻璃灌漿堵漏。第1次灌漿約1 h(因水玻璃用完)，涌水量減少50%以上，效果明顯，涌水點及周邊漿液流失較少；第2次灌漿用時1 h 10 min，封堵完成后，改用純水泥漿對深層圍巖進行加固灌漿，結果堵水效果明顯?？﹄pⅡ標TBM1涌水點處理如圖23所示。

(a)

(b)

圖23喀雙Ⅱ標TBM1涌水點處理

Fig. 23 Measures taken to cope with water inrush during boring of TBM1 in Section Ⅱ of KS tunnel

3.2.3.3 雙三Ⅲ標

當TBM2掘進到SS52+161～ +585時，發(fā)生少量涌水，總排水量為10～20 m3/h。掘進到SS52+160.8時，刀盤內出現(xiàn)大量涌水(見圖24)，瞬時流量約為400 m3/h，停止掘進，24 h后涌水量減至350～380 m3/h，TBM停機，啟動應急排水系統(tǒng)并進行堵水處理。經分析，刀盤前方涌水主要來自4條裂隙，沿裂隙呈股狀涌水，涌水量大、水壓較高、水流速度快。

(a)

(b)

Fig. 24 Water inflow during boring of TBM2 in Section Ⅲ of SS Tunnel

當掘進至SS52+160.815～ +033.687時，出現(xiàn)大范圍涌水，計15次(見表4)，期間停機堵水243 d。

表4 雙三Ⅲ標TBM2掘進涌水情況

刀盤前方發(fā)生涌水現(xiàn)象后，為保證設備及人員安全，指導下一步掘進施工，隧洞內先后采用EH4(大地電磁法)、CFC(復頻電導率法)、TST(地震波法)等進行了超前地質探測(見圖25)。結果顯示隧洞掌子面處于富水地段，且在SS52+160.815前方2 km范圍內圍巖含水量均較大。

針對TBM2掘進階段(SS52+161～ +033)隧洞滲水、涌水處分別采用以下方法進行堵水試驗： 水泥單液漿灌漿堵水、水泥+水玻璃雙液漿灌漿堵水及高分子聚合物化學灌漿堵水。下文重點介紹后2種處理方法。

藍綠色代表含水區(qū)。

圖25 EH4地質超前探測結果(單位： m)

Fig. 25 Geological prediction results by EH4 method (unit: m)

1)水泥+水玻璃雙液漿灌漿堵水

針對富水大裂隙帶，純水泥漿堵水效果不明顯，故改用水泥+水玻璃雙液漿。灌漿時，對原灌漿孔重新鉆孔，安裝灌漿塞?？變人看?、流速快，為了加速水泥與水玻璃反應，本次灌漿采用了0.5∶1水泥漿與水玻璃按照1∶1的比例進行灌漿堵水，灌漿壓力為1.0 MPa。雙液漿對小裂隙堵水效果明顯，2條較小裂隙封堵完成后無滲水現(xiàn)象。SS52+160.815處雙液漿灌漿試驗堵水前后對比見圖26。

(a) 堵水前

(b) 堵水后

Fig. 26 Water-stopping effect of double grout grouting made at SS52+160.815

2)高分子聚合物灌漿堵水

對于涌水量較大的裂隙，利用高分子聚合物灌注效果明顯。灌漿孔直徑為φ60 mm，灌漿時不用專用的止?jié){塞，利用φ80 mm消防水管制作1.5 m長雙導管膜袋，并安裝至泄水孔后，向膜袋內注入雙組分材料，迅速膨脹后形成止?jié){塞，從而快速封堵涌水通道出口，穩(wěn)固后向長管內灌漿，隨著材料向滲水通道延伸，在裂隙內發(fā)生反應后體積迅速膨脹固化，達到封堵涌水通道的效果[15]。SS52+081處高分子聚合物灌漿堵水前后對比見圖27。

(a) 堵水前

(b) 堵水后

高分子聚合物封堵底部裂隙涌水時，在距離底部裂隙2 m處進行鉆孔，孔深為4.5 m，孔間距為1 m，保證鉆孔與涌水通道連通，對裂隙用纏繞麻絲的木楔封堵，完成裂隙封堵后，在泄壓孔安裝1.5 m長雙導管膜袋，安裝灌漿管路進行灌漿。灌漿時，先灌注膜袋，漿液在膜袋內反應形成阻塞后，再通過另外一條灌漿管對裂隙水進行封堵，雙組分材料在裂隙內快速反應、發(fā)泡，形成柱塞，減少水流，直至裂隙不漏水。

高分子聚合物灌漿堵水效果良好，但費用高。目前根據(jù)超前地質預報，對富水地段主要采用水泥+水玻璃雙液漿進行超前周邊注漿，深度為17～20 m，周邊布置12個孔，外插角為15°；特殊地段才進行高分子聚合物灌漿封堵。

3.3 關于長距離通風及皮帶運輸出渣問題

3.3.1 長距離通風

各標段TBM掘進的獨頭掘進距離都比較長，中間沒有檢修通道和通風豎井，且超過15 km連續(xù)掘進的區(qū)間有西二Ⅱ標TBM1(15.337 km)、西二Ⅲ標TBM2(15.15 km)、喀雙Ⅵ標TBM6(17.7 km)、喀雙Ⅶ標TBM7(17.9 km)和喀雙Ⅶ標TBM8(19.7 km)。由于獨頭通風的距離長，掘進產生的粉塵及設備產生的油煙等有害氣體不容易排出，故需要采用超長距離的隧道通風技術。

通過加設中轉風室接力通風延長總的通風距離。當隧洞掘進一定距離，正常第1級風機不能有效保障隧洞掘進工作面所需風量時，在隧洞一側加設1個洞室作為中轉風室，再在中轉風室外部砌筑1道密閉墻。中轉風室密閉墻一側(入風側)安裝硬質彎頭風筒通往中轉風室內，將外部風筒壓入的新鮮風引入中轉風室；在密閉墻另一側(出風側)安裝1個或多個硬質彎頭風筒及其配套的風機，可實現(xiàn)由此向多個分支隧洞同時通風。第1級風機將新鮮風壓入中轉風室，第2級、第3級等接力風機可依次將前一級風機送來的新鮮風壓入中轉風室，實現(xiàn)長距離隧洞安全通風，保障施工速度。

3.3.2 長距離連續(xù)皮帶運輸出渣

本工程TBM施工段落較長，斷面大，平均進尺為3.15 m/h，掘進速度快，出渣量大。連續(xù)皮帶機出渣具有效率高、成本低、故障率低等優(yōu)點，無需外部卸渣，施工管理簡單、人工成本低、維護成本低、耗電低、隧洞污染小，故采用皮帶機運輸出渣方式(見圖28)。

圖28 連續(xù)皮帶運輸

以全線TBM掘進長度(26 km)最長的西二段VⅢ標為例，根據(jù)工程項目的實際情況，采用1套主洞連續(xù)皮帶機和1套支洞固定皮帶機完成出渣任務，連續(xù)皮帶機的皮帶倉布置在TBM組裝擴大洞室，皮帶機位于隧洞右側，不影響掘進和其他作業(yè)。當TBM5掘進至P10支洞控制區(qū)后，轉場時將整個皮帶機出渣系統(tǒng)全部轉移至該支洞施工段，在支洞內安裝1套固定皮帶機，并在主支洞交叉口處設置轉渣器，繼續(xù)完成主洞后續(xù)段的出渣任務。支洞布置見圖1。當繼續(xù)掘進到P6支洞時將整個皮帶機出渣系統(tǒng)全部轉移至該支洞施工段，并將P10支洞段的固定皮帶機安裝至P6支洞，繼續(xù)完成下一掘進階段的出渣任務。

3.4 TBM掘進穩(wěn)定性分析

3.4.1 TBM完好率及純掘進時間占比

TBM完好率和純掘進時間占比是評價其對地質條件適應性的重要指標。根據(jù)西二、喀雙和雙三隧洞試掘進階段各標段掘進數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，得到設備完好率和純掘進時間占比見圖29—31。

由圖29—31可知： 1)試掘進階段各標段TBM平均完好率為89.9%，平均純掘進時間占比為29.6%； 2)西二、喀雙和雙三隧洞TBM平均完好率分別為84.5%、90.6%和94.6%，3段隧洞平均純掘進時間占比分別為31.1%、30.8%和26.8%，其中喀雙V標TBM4、雙三Ⅱ標TBM1的純掘進時間占比高達46.3%和45.2%?？偟目磥?，試掘進階段整機設備完好率較高，但掘進工時率還有待于進一步提高。

(a) 西二Ⅱ標TBM1

(b) 西二Ⅵ標TBM4

(c) 西二Ⅷ標TBM5

(a) 喀雙Ⅱ標TBM1

(b) 喀雙Ⅳ標TBM2

(c) 喀雙Ⅳ標TBM3

(d) 喀雙Ⅴ標TBM4

(e) 喀雙V標TBM5

(a) 雙三Ⅱ標TBM1

(b) 雙三Ⅲ標TBM2

3.4.2 TBM系統(tǒng)故障分析

3.4.2.1 主軸承密封圈漏油

西二段Ⅱ標、Ⅵ標與喀雙Ⅴ標共4臺TBM均出現(xiàn)主軸承密封圈漏油問題，檢查泄漏腔后發(fā)現(xiàn)內有泥砂，初步判斷主驅動唇形密封已損壞；拆卸檢查內密封，壓緊環(huán)內部有大量泥砂及碎石，第1道和第2道密封及泄露腔均有泥砂，隔環(huán)銹蝕嚴重。通過分析TBM掘進數(shù)據(jù)、油品檢測結果及水文地質情況，初步認為唇形密封損壞原因如下： 1)密封回彈量不足導致密封失效； 2)內外密封迷宮設計過于簡單，迷宮內油脂不能形成壓力，起不到封閉的作用； 3)主驅動內密封法蘭面與耐磨環(huán)面不同心，旋轉偏差過大，導致迷宮內注滿油脂后又被擠出，反復運動使泥砂吸入； 4)因主驅動內密封損壞，齒輪油內進砂，以及主驅動只安裝1個排氣閥，不能徹底將主驅動內壓力釋放，加快了磨損，導致外密封漏油。

3.4.2.2 液壓系統(tǒng)故障率高

1)潤滑系統(tǒng)齒輪油滲漏。如雙三Ⅲ標每掘進40～50 m，就要加注100 L齒輪油，不僅增加成本，而且污染嚴重。2)輔助系統(tǒng)液壓漏油嚴重。除主驅動的液壓及潤滑系統(tǒng)密封問題外，其他如拱架安裝機、錨桿鉆機等系統(tǒng)也都存在不同程度的油管漏油問題。

3.4.2.3 錨桿支護系統(tǒng)能力不足

錨桿支護是TBM施工過程中重要的支護手段，尤其是穿越斷層破碎帶，雖然試掘進過程中，大多試驗段能順利地通過，但也暴露出以下問題： 1)錨桿鉆機角度不足。大部分錨桿鉆機打設的最大角度為拱頂范圍180°，而在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中錨桿布置角度均達到了270°左右。2)注漿能力不足。大部分錨桿為砂漿錨桿，由于注漿量大，注漿設備故障率、管路磨損率較高，同時注漿能力也不足，在Ⅱ、Ⅲa類圍巖條件下基本滿足掘進要求，但在Ⅲb類及以下的圍巖條件，需停機等待注漿。3)錨桿鉆機角度設計不合理。由于錨桿鉆機基本無法垂直巖面，緊固錨桿的墊板與巖面常常存在較大的夾角，墊板與巖面存在夾角對錨桿受力不利。4)配件消耗大。大部分試掘進階段均存在錨桿鉆機配件消耗大的問題，如喀雙Ⅱ標，一個月的配件資金消耗，1/2以上出自錨桿鉆機的鉆頭、鉆桿及釬尾等。

3.4.2.4 支護無法及時跟進

試掘進的10臺TBM都出現(xiàn)噴射混凝土系統(tǒng)問題造成停機，導致支護無法及時跟進，影響掘進進度，主要表現(xiàn)為： 1)混凝土噴射泵故障率高。多個標段出現(xiàn)混凝土噴射泵損壞更換問題，說明其質量及可靠性需進一步提高。2)噴射混凝土范圍不足。每臺設備的噴射范圍均為260°，而隧洞設計要求在Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖的噴射范圍均在270°左右，不能滿足設計要求。3)機械臂結構設計不盡合理。雖然機械臂可以使用，但機械臂受力較大，經常出現(xiàn)錯齒、導向輪和承重輪磨損高、混凝土回彈率較高等問題。4)管路堵塞問題嚴重。試掘進初期，因噴混凝土管路過長，彎道過多，導致經常出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

3.4.2.5 撐靴無法提供支撐

多個標段試掘進階段存在不同程度的撐靴“打滑”問題，出現(xiàn)“打滑”問題分為2種： 1)通過極硬巖時，由于防滑釘大部分斷裂，斷裂的防滑釘無法嵌入巖石，反而減少撐靴與巖壁的接觸面積，導致?lián)窝セ?，無法提供足夠支撐力。2)通過軟巖或斷層破碎帶時，因巖體破碎塌落，撐靴無法撐緊巖壁，在通過時出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象。

3.4.2.6 各標段故障率統(tǒng)計

由上述分析可知，有的標段TBM完好率和純掘進時間占比較低。為分析設備各系統(tǒng)的故障率，對各標段TBM故障時間占總工序時間占比進行統(tǒng)計，結果見圖32。西二、喀雙、雙三隧洞各標段TBM不同類型各故障占比詳見圖33—35。

圖32 各標段TBM故障時間占比Fig. 32 Suspension time of each section caused by malfunction

圖33 西二隧洞TBM系統(tǒng)故障率

圖34 喀雙隧洞TBM系統(tǒng)故障率

圖35雙三隧洞TBM系統(tǒng)故障率

Fig. 35 Malfunction of different systems of TBM in SS Tunnel

由圖32可知： 喀雙Ⅱ標TBM1和西二Ⅷ標TBM5的故障時間占比相對最高，分別為27.5%和19%；西二Ⅵ標TBM4和雙三Ⅱ標TBM1故障時間占比相對最低，分別為4%和2.7%。結合圖33—35可知： 1)TBM系統(tǒng)的故障主要為機械故障、錨桿鉆機故障、液壓系統(tǒng)故障、電氣故障、皮帶機故障和濕噴系統(tǒng)故障等，其中機械故障占設備總故障的比例較高，為5.4%～53.9 %，主要原因是主軸承密封圈漏油； 2)錨桿鉆機故障占設備總故障的比例也普遍較大，達16.1%～40%，主要表現(xiàn)為鉆機導軌軸輪損壞、鉆頭和鉆釬損壞等，主要原因是由于Ⅳ、Ⅴ類軟弱圍巖段錨桿支護量大，鉆機損耗嚴重，同時也存在鉆機設計不盡合理、質量有待提高的問題。

3.4.3 TBM作業(yè)工時分析

TBM施工作業(yè)主要有純掘進、換步、支護、刀具檢查及換刀、正常維保、設備故障處理及其他作業(yè)等，其他作業(yè)主要包括交通運輸、鋪軌、高壓電纜等作業(yè)。TBM的純掘進作業(yè)工時率為純掘進時間與總施工時間的比值，它是衡量設備使用及管理水平的重要指標之一，并在很大程度上決定著工程的施工進度。為了更好地了解試掘進期間的各作業(yè)工時所占比例，對各標段的作業(yè)工時進行統(tǒng)計分析，結果見圖36—38。

由圖36—38統(tǒng)計結果可知:1)TBM的純掘進作業(yè)工時率平均為29.6%，最高為喀雙Ⅴ標TBM4(46.3%)和雙三Ⅱ標TBM1(45.2%)，最低為雙三Ⅲ標TBM2(8.5%)； 2)支護作業(yè)工時占比平均為18.2%，最高為西二Ⅱ標TBM1(35.4%)； 3)除了正常換步作業(yè)、正常維保、刀具檢查及更換外，堵水等輔助作業(yè)等工時占比較大，其中雙三Ⅲ標TBM2堵水工時占比最大，高達56.3%。在后續(xù)施工過程中，建議進一步優(yōu)化支護措施，優(yōu)化穿越富水區(qū)及斷層破碎帶的穿越方法，進一步加強設備管理，減少故障率，提高TBM的掘進作業(yè)工時。

圖36 西二隧洞TBM作業(yè)工時占比

圖37 喀雙隧洞TBM作業(yè)工時占比

Fig. 37 Percentage of working hours of TBM of KS Tunnel

圖38雙三隧洞TBM作業(yè)工時占比

Fig. 38 Percentage of working hours of TBM of SS Tunnel

4 結論與建議

北疆供水二期工程隧洞具有埋深大、洞線長的特點，通過對隧洞集群TBM試掘進階段的適應性分析，得到如下結論及建議。

1)準確的地質勘察和超前地質預報是高效掘進的前提。對試掘進階段揭露的地質情況進行了統(tǒng)計分析，結果表明勘察設計給出的各圍巖類別比例與施工揭露的情況基本一致，主要為Ⅱ、Ⅲ類圍巖。

2)敞開式TBM對Ⅱ、Ⅲ類圍巖具有很高的適應性，對節(jié)理裂隙帶及小規(guī)模斷層也能較好地適應，而對于規(guī)模較大的斷層破碎帶及富水地層，則適應性較差，還有待于從設備、支護及施工技術方面加以改進。

3)超特長隧洞集群TBM掘進需重點解決設備系統(tǒng)可靠性、獨頭通風及出渣、高效掘進及刀具耐磨、反坡排水等工程難題。

4)TBM系統(tǒng)平均完好率為89.9%，平均純掘進時間占比為29.6 %，其中雙三段Ⅱ標純掘進時間占比達到45.2%，最高月進尺達到1 280 m，創(chuàng)造了國內同類地層敞開式TBM掘進的最高記錄；但仍有一些設備故障率較高，有的還出現(xiàn)了主軸承密封圈漏油現(xiàn)象。隨著掘進進尺的不斷增加，TBM集群要達到設備系統(tǒng)90%的完好率、支撐40%以上的純掘進工時率的目標，還需要付出巨大努力。

5)進一步優(yōu)化隧洞支護結構的形式和參數(shù)，以適應各種復雜的地質變化，做到既能有效地支護圍巖，確保圍巖的穩(wěn)定性，又能加快施工進度，發(fā)揮TBM快速掘進的優(yōu)勢。

6)在后續(xù)施工中，探討在巖質條件較好、涌水量不太大的情況下TBM帶水掘進的可行性，并提出相應的輔助工法，以便安全快速地通過富水地層。