陳曉東

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

甘肅省大型跨流域引調(diào)水引洮供水一期工程總干渠洞長(zhǎng)大于15.0km的2座長(zhǎng)隧洞，各采用1臺(tái)直徑Ф5.75m的護(hù)盾式全斷面巖石隧洞(隧道)掘進(jìn)機(jī)(Shield Type Full Face Rock Tunnel Boring Machine-TBM)施工。2座長(zhǎng)隧洞工程地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，施工難度大，是近年來(lái)國(guó)內(nèi)引調(diào)水、鐵路及礦山工程長(zhǎng)隧洞(隧道與巷道)TBM施工技術(shù)取得優(yōu)異成效的典型工程。

7#新寨嶺隧洞全長(zhǎng)17.29km，采用單護(hù)盾TBM(Single Shield TBM)為主，鉆爆法及“凍結(jié)法”特殊工法為輔施工，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)首臺(tái)單護(hù)盾TBM施工技術(shù)的成功應(yīng)用。進(jìn)出口兩工作面總長(zhǎng)13.29km采用TBM掘進(jìn)，占76.9%；鉆爆法掘進(jìn)總長(zhǎng)3.70km，占21.4%；“凍結(jié)法”掘進(jìn)總長(zhǎng)0.30km，占1.7%。TBM掘進(jìn)及空推滑行拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌總長(zhǎng)13.89km，占80.3%，其余為現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。進(jìn)口工作面TBM掘進(jìn)段布設(shè)1座豎井及2座斜井施工輔助支洞，作為含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖先行鉆爆法掘進(jìn)工作面。

9#高峰隧洞全長(zhǎng)18.28km，采用雙護(hù)盾TBM(Double Shield TBM)施工，除進(jìn)出口及含漂石礫巖段總長(zhǎng)1.78km為鉆爆法掘進(jìn)之外，其余長(zhǎng)16.50km采用雙護(hù)盾TBM自出口向上游掘進(jìn)，占90.3%，TBM掘進(jìn)及空推滑行拼裝預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌總長(zhǎng)18.18km，進(jìn)出口加強(qiáng)段現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，中部距出口5.63km處布置1座施工輔助斜井支洞，作為少量含漂石礫巖段先行鉆爆法掘進(jìn)及上游長(zhǎng)12.65km段通風(fēng)工作面。

兩座長(zhǎng)隧洞輸水流量設(shè)計(jì)32.0m3/s，加大36.0m3/s，縱坡1/1650，TBM掘進(jìn)及空推滑行拼裝預(yù)制C45鋼筋混凝土管片襯砌段為圓型斷面，是隧洞主要斷面及支護(hù)襯砌型式，凈洞徑Ф4.96m，標(biāo)準(zhǔn)縱橫剖面如圖1所示。襯砌管片采用不等邊菱形六邊型體型，厚280.0mm，洞身全圓分塊4塊，拼裝形成“蜂窩狀龜背式”環(huán)向平面相接、縱向凹凸面鑲嵌自鎖自適應(yīng)變形的整體平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，底拱90°范圍管片下部充填M15水泥砂漿，側(cè)頂拱270°范圍管片背部充填粒徑5.0～10.0mm豆礫石并低壓灌漿固結(jié)，結(jié)石強(qiáng)度C15。

1 工程地質(zhì)研究

7#長(zhǎng)隧洞最大埋深350.0m，穿越中生代白堊系(K1hk)及新生代新近系(N2L)內(nèi)陸河湖相紅色碎屑沉積中厚層狀地層。新近系地層長(zhǎng)13.53km，占78.3%，為隧洞穿越的主要地層，屬Ⅴ類軟-極軟巖，巖性以泥質(zhì)粉(細(xì))砂巖、砂質(zhì)泥巖及疏松粉(細(xì))砂巖為主，單軸飽和抗壓強(qiáng)度多小于5.0MPa。

含水疏松粉(細(xì))砂巖為7#長(zhǎng)隧洞新近系地層中的特殊巖層，間隔帶狀分布9段總長(zhǎng)3.14km，占新近系地層總長(zhǎng)23.2%，占隧洞全長(zhǎng)18.2%，埋深92.0～292.0m。洞底以上層厚一般15.0～70.0m，局部大于200.0m。試驗(yàn)研究表明，巖體完整性系數(shù)0.6～0.8較好，黏粒含量7.0%，粉粒含量小于25.0%，主要粒徑0.04～0.3mm，級(jí)配與膠結(jié)差，細(xì)粒碎屑結(jié)構(gòu)，成巖性極差，顆粒級(jí)配累計(jì)曲線如圖2所示。含水率7.7%～17.2%，飽和吸水率13.1%～24.8%(均值18.1%)，密度2.07～2.25g/cm3，孔隙率15.6%～33.3%，基本呈飽和狀態(tài)，密度小，多孔隙，結(jié)構(gòu)疏松。滲透系數(shù)6.5×10-5～3.5×10-4cm/s，透水率2.6Lu，浸水3.0～6.0h完全崩解成粉末狀，弱透水，遇水極易軟化，浸水極易崩解，失水易干縮龜裂，具典型泥質(zhì)膠結(jié)特征，干濕效應(yīng)極為明顯，水理性極差，松弛變形極為強(qiáng)烈。單軸飽和抗壓強(qiáng)度0.66～1.2MPa，抗剪強(qiáng)度C=22.8～76.5kPa，Ф=32.3°～50.5°，強(qiáng)度應(yīng)力比0.1～0.4，允許承載力0.2MPa，巖性極其軟弱，強(qiáng)度極低，具各向異性，變異性大，塑性變形強(qiáng)烈，具典型極軟巖塑性變形剪切破壞力學(xué)特征[1]。

圖2 含水疏松粉(細(xì))砂巖顆粒級(jí)配累計(jì)曲線

地下水對(duì)疏松粉(細(xì))砂巖性狀、強(qiáng)度影響、軟化與潛蝕作用，以及穩(wěn)定性破壞誘導(dǎo)極為顯著，抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線如圖3所示。當(dāng)含水率接近或達(dá)到飽和時(shí)，松弛變形與液化效應(yīng)強(qiáng)烈，強(qiáng)度下降60.0%～70.0%，內(nèi)摩檫角減小10.0%～20.0%，降幅極為顯著；含水率大于7.5%后強(qiáng)度隨含水率增大急劇下降，大于13.0%后降幅趨緩，進(jìn)入“屈服”狀態(tài)。試驗(yàn)研究及掘進(jìn)實(shí)踐表明，巖體含水率小于13.0%時(shí)無(wú)水滲出；13.0%～15.0%時(shí)產(chǎn)生滴滲水；接近或大于14.0%時(shí)掌子面不能自穩(wěn)，變形破壞加劇。

圖3 含水疏松粉(細(xì))砂巖抗壓強(qiáng)度隨含水率變化曲線

疏松粉(細(xì))砂巖遇承壓地下水、含水率增大、巖體臨空及擾動(dòng)時(shí)，極易液化形成突泥、涌砂，以及破壞性大變形與坍塌等主要突出工程地質(zhì)問(wèn)題。TBM掘進(jìn)易發(fā)生“栽頭”、卡機(jī)及姿態(tài)偏移等事故，因刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，亦可能對(duì)圍巖形成一定程度液化，發(fā)生地基滲透變形?？傮w分析評(píng)價(jià)，含水疏松粉(細(xì))砂巖工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣，地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)極高[1- 2]。

9#長(zhǎng)隧洞最大埋深456.0m，圍巖巖性復(fù)雜多變，新元古代-新生代、堅(jiān)硬-極軟、Ⅱ-Ⅴ類均有分布，呈軟-硬交替相間特征，軟巖總長(zhǎng)10.62km，占58.1%，其中：Ⅱ-Ⅲ類堅(jiān)硬-較硬巖為前震旦系(AnZ1mx3)地層，總長(zhǎng)7.66km，占41.9%，主體巖性為花崗片麻巖、大理巖及片巖，抗壓強(qiáng)度60.0～95.0MPa，穿插前寒武系(∈1)輝綠巖及花崗閃長(zhǎng)巖侵入體；Ⅳ類較軟-軟巖為古近系(Egy)山麓堆積粗碎屑含漂石礫巖地層，長(zhǎng)4.07km，占22.3%；Ⅴ類軟-極軟巖為古近系(Egy)與新近系(N2L)地層，總長(zhǎng)6.55km，占35.8%，巖體性狀與7#長(zhǎng)隧洞主要圍巖基本類似。

含漂石礫巖地層呈單斜厚-巨厚層狀，泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度、層間結(jié)合、抗風(fēng)化及穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)較為松散，遇水易軟化崩解。顆粒較粗，粒徑不等且相差懸殊，孔隙率15.0%～20.0%，泥含量10.0%～15.0%，礫及砂含量70.0%～80.0%，礫石粒徑一般1.0～20.0cm，漂石含量15.0%～20.0%，小直徑一般0.2～0.4m，大直徑一般0.5～1.2m，最大2.1m，成分以高強(qiáng)花崗巖及花崗片麻巖為主。主要工程地質(zhì)問(wèn)題為遇水軟化崩解、外力或機(jī)械作用時(shí)易形成次棱角狀礫石、漂石與孤石，易產(chǎn)生變形坍塌，漂石塌落脫離巖壁形成空洞，并帶動(dòng)周邊坍塌造成斷面超挖，以及TBM掘進(jìn)大直徑漂石及孤石破碎與滾刀“弦磨”。

7#長(zhǎng)隧洞全線不同程度存在地下水，總體呈斷續(xù)不均及多層狀分布，滴滲狀或線狀出露，泥質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖構(gòu)成相對(duì)隔水層，疏松粉(細(xì))砂巖、砂礫巖及砂巖為相對(duì)透水層，向斜構(gòu)造核部相對(duì)富水，呈壓力股狀流水。疏松粉(細(xì))砂巖中賦存地下水具多層狀，最大涌水量50.0～60.0L/(m·min)，最大承壓水頭74.0m。9#長(zhǎng)隧洞長(zhǎng)約12.0km段位于地下水位以下，一般為滴滲狀出露，斷層與裂隙密集帶、溶洞及不整合接觸帶呈線狀或股狀流水，前震旦系地層地下水呈脈狀不連續(xù)分布，并有靜儲(chǔ)量短暫性突涌水，一般小于50.0L/s，最大95.0L/s，含漂石礫巖地層最大涌水量300.0L/s。

2 TBM設(shè)備技術(shù)性能

2臺(tái)NFM1411/260/052- 053型直徑Ф5.75m硬巖護(hù)盾式TBM(Hard Rock Shield TBM)由法國(guó)法瑪通公司(NFM)設(shè)計(jì)，并與中國(guó)北方重工(NHI)沈陽(yáng)重型機(jī)械集團(tuán)有限責(zé)任公司(SHMG)聯(lián)合生產(chǎn)制造，由主機(jī)、后配套及移動(dòng)式加利福尼亞道岔平臺(tái)三大系統(tǒng)構(gòu)成，大推力及大扭矩設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)月進(jìn)尺能力平均630.0m，最高1600.0m。TBM設(shè)備主要技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

3 單護(hù)盾TBM施工關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)踐

3.1 施工實(shí)踐

單護(hù)盾TBM于2009年12月29日在隧洞出口工作面開(kāi)始掘進(jìn)，2010年1—4月在新近系地層中正常連續(xù)掘進(jìn)總長(zhǎng)2.46km，月進(jìn)尺330.2～934.7m，逐月增加，日進(jìn)尺一般20.0～50.0m、最高66.0m，月進(jìn)尺平均614.5m，最高近1.0km。5月底進(jìn)入含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層，含水率持續(xù)10.0%以上并逐步增加，圍巖軟化、液化、滲透與壓縮變形等問(wèn)題突出，不斷遭遇突泥、涌砂、大變形與坍塌等惡劣地質(zhì)，以及TBM姿態(tài)難以控制等主要問(wèn)題，一般日進(jìn)尺2.4～8.0m，最高連續(xù)5d掘進(jìn)進(jìn)尺164.0m，日均32.8m。10月6日掌子面突遇高強(qiáng)特大規(guī)模突泥、涌水及涌砂地質(zhì)災(zāi)害，圍巖含水率急劇增至23.0%以上(達(dá)飽和吸水率)，地下水呈線狀-股狀流水，最大50.0～60.0L/(m·min)。期間刀盤(pán)多次被壓被卡與脫困處理，并在洞內(nèi)狹小空間對(duì)設(shè)備進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)改造，取得一定成效，5—12月總進(jìn)尺351.7m，掘進(jìn)速度大幅下降，受諸多因素制約，掘進(jìn)極為困難，TBM掘進(jìn)于12月底停止，累計(jì)掘進(jìn)總長(zhǎng)2.82km，安全通過(guò)含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層長(zhǎng)456.0m。之后，TBM設(shè)備解體拆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)至進(jìn)口工作面施工，并結(jié)合掘進(jìn)實(shí)踐及技術(shù)改造取得的成效，對(duì)設(shè)備主機(jī)刀盤(pán)及盾體整體進(jìn)行了針對(duì)性全新優(yōu)化設(shè)計(jì)制造。

進(jìn)口工作面TBM于2011年7月28日空推滑行拼裝首環(huán)襯砌管片，8月17日掘進(jìn)，連續(xù)貫通3座含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖先行鉆爆法掘進(jìn)施工輔助支洞工作面。由于TBM掘進(jìn)進(jìn)度快，3座支洞工作面僅完成特殊極軟巖地層掘進(jìn)總長(zhǎng)541.5m，占控制總長(zhǎng)的70.0%，表明鉆爆法在含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖及類似地層中掘進(jìn)效率低，適應(yīng)性差。2012年4月30日之前，9個(gè)月正常連續(xù)掘進(jìn)總長(zhǎng)11.07km(含長(zhǎng)601.4m空推滑行)，月進(jìn)尺基本穩(wěn)定在700.0m以上，日進(jìn)尺一般46.0～57.6m，最高80.8m(位于新近系地層)，月進(jìn)尺平均1230.1m，最高1869.4m，6個(gè)月突破1.1km，連續(xù)4個(gè)月突破1.2km。成功穿越新近系地層總長(zhǎng)7.36km，安全通過(guò)含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層6段總長(zhǎng)754.8m，日進(jìn)尺一般20.0～32.8m，最高51.9m，僅發(fā)生小規(guī)模卡機(jī)1次，僅10d處理即脫困。

表1 TBM設(shè)備主要技術(shù)性能參數(shù)

2012年4月27—29日在含水率最高達(dá)15.4%的特殊極軟巖地層中正常掘進(jìn)進(jìn)尺155.7m，日均51.9m。4月30日，進(jìn)口工作面遭遇長(zhǎng)達(dá)10.0h以上時(shí)間的重大停電事故，TBM在富水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層中長(zhǎng)時(shí)間失去動(dòng)力，導(dǎo)致正常掘進(jìn)被迫中斷，隨時(shí)間延續(xù)，圍巖含水率持續(xù)升高，發(fā)生嚴(yán)重突泥、涌砂、變形及坍塌，進(jìn)而造成TBM機(jī)頭被“抱死”卡機(jī)。供電恢復(fù)后采取加強(qiáng)排水與清碴減載，以及大推力28000.0kN(接近極限值)與脫困扭矩強(qiáng)推等多種措施仍無(wú)法脫困，TBM掘進(jìn)停止。

進(jìn)出口工作面單護(hù)盾TBM掘進(jìn)及少量空推滑行拼裝襯砌管片成洞總長(zhǎng)13.89km，占隧洞全長(zhǎng)的80.3%，成功穿越總長(zhǎng)10.18km深埋新近系Ⅴ類軟-極軟巖地層，安全通過(guò)7段總長(zhǎng)1.21km含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層，最高月進(jìn)尺1869.4m，超越設(shè)備設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)造了單護(hù)盾TBM施工世界最高記錄，居世界領(lǐng)先水平。正常連續(xù)施工13個(gè)月成洞總長(zhǎng)13.54km，日進(jìn)尺20.0～57.6m，月均進(jìn)尺1041.4m，含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層日進(jìn)尺一般20.0～32.8m，最高51.9m?？紤]設(shè)備停機(jī)間斷非正常時(shí)段，總計(jì)21個(gè)月月均進(jìn)尺仍達(dá)661.4m，在工程地質(zhì)環(huán)境極為復(fù)雜、性質(zhì)極為惡劣、安全風(fēng)險(xiǎn)極高的特殊極軟巖地層中，仍取得優(yōu)異成效，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。單護(hù)盾TBM掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.2 單護(hù)盾TBM設(shè)備全新設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)改造研究[2]

3.2.1刀盤(pán)

單護(hù)盾TBM設(shè)備主機(jī)刀盤(pán)全新優(yōu)化設(shè)計(jì)為正反轉(zhuǎn)雙向掘進(jìn)與出碴，擬制盾體及后方襯砌管片全圓滾動(dòng)；刮碴口配置雙向鏟刀，鏟斗側(cè)面增設(shè)活動(dòng)式鏟牙封堵裝置，對(duì)進(jìn)碴量及皮帶機(jī)輸碴量均衡控制；減重至60.0t，減小盾體接地比壓，降低下沉“栽頭”風(fēng)險(xiǎn)；前伸外露長(zhǎng)度縮減至765.0mm，降低載荷及驅(qū)動(dòng)扭矩；旋轉(zhuǎn)接頭優(yōu)化，以及過(guò)渡區(qū)4把擴(kuò)挖邊刀刀座改為墊塊可分別加高15.0、25.0、50.0mm三種型式，最大擴(kuò)挖洞徑增加100.0mm至Ф5.85m。

表2 單護(hù)盾TBM掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)

3.2.2盾體

盾體全新優(yōu)化設(shè)計(jì)為前盾上部前伸400.0mm，有效降低“壓刀盤(pán)”載荷及阻力矩；底部增加1根主推油缸，總數(shù)增至17根，并在中盾與尾盾間增加1組穩(wěn)定器，增強(qiáng)機(jī)頭校姿調(diào)向及脫困能力，防止機(jī)頭下沉“栽頭”；前盾頂部增設(shè)活動(dòng)窗口，便于坍塌碴體清理；尾盾底部146.0°范圍盾體適當(dāng)“外撇”，調(diào)向時(shí)(主要是豎直向)襯砌管片可直接坐落于基巖面；盾尾上部設(shè)置2個(gè)簡(jiǎn)易撐靴，擬制盾尾“上翹”及后方襯砌管片全圓滾動(dòng)；灌漿設(shè)備增至3套，水泥罐吊機(jī)改為螺旋輸送機(jī)直接輸入，提高效率。

3.2.3前盾前伸技術(shù)研究

盾體前盾上部前伸“刀盤(pán)戴帽”防護(hù)措施是最重要的優(yōu)化技術(shù)改造，刀盤(pán)盤(pán)體外露面積減小，坍塌體主要由前伸盾支撐，盾體下部敞開(kāi)進(jìn)碴，對(duì)有效降低刀盤(pán)上部圍巖坍塌體“壓刀盤(pán)”荷載，使刀盤(pán)與坍塌體摩擦阻力矩小于驅(qū)動(dòng)扭矩，進(jìn)而防止刀盤(pán)被壓及被卡作用成效顯著。出口工作面設(shè)備優(yōu)化改造時(shí)，在前盾盾體上部切口212.0°范圍外部增設(shè)前伸護(hù)盾，前伸量(即刀盤(pán)防護(hù)長(zhǎng)度)560.0mm，掘進(jìn)洞徑增加90.0mm，由Ф5.75m增至最大Ф5.84m，邊刀改為加高撕裂刀，如圖4所示。并重點(diǎn)對(duì)盾體前伸后刀盤(pán)可降低驅(qū)動(dòng)扭矩量，以及前伸盾結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元分析計(jì)算研究，成果見(jiàn)表3。坍塌體荷載為0.1MPa(塌落高度約4.5m)時(shí)，可降低驅(qū)動(dòng)扭矩392.0kN·m；前伸盾可承受最大荷載2.0MPa，相應(yīng)位移5.0mm。盾體全新設(shè)計(jì)前盾直接采取上部212.0°范圍前伸400.0mm型式，正常洞徑仍為Ф5.75m，邊刀擴(kuò)挖最大洞徑Ф5.85m，如圖5所示。

圖4 前盾前伸優(yōu)化改造(單位：mm)

坍塌體形成荷載/MPa0.060.100.140.180.221.00可降低驅(qū)動(dòng)扭矩量/(kN·m)235.0392.0548.0705.0862.03920.0

圖5 全新設(shè)計(jì)前伸盾型式(單位：mm)

4 雙護(hù)盾TBM施工實(shí)踐

雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)堅(jiān)持“穩(wěn)中求進(jìn)”總原則，“四班”工作制，通常上午班重點(diǎn)進(jìn)行設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、刀具更換維修及材料儲(chǔ)備，保持設(shè)備處于高效狀態(tài)，為后續(xù)正常連續(xù)掘進(jìn)創(chuàng)造良好條件。2009年12月10日空推滑行拼裝起始環(huán)管片，2010年2月26日掘進(jìn)，6月27日與中部施工輔助斜井支洞先行鉆爆法掘進(jìn)工作面貫通，2011年10月26日全線掘進(jìn)貫通，歷時(shí)23個(gè)月。完成掘進(jìn)及少量空推滑行(長(zhǎng)920.0m)拼裝襯砌管片成洞總長(zhǎng)18.18km，連續(xù)穿越深埋堅(jiān)硬-極軟巖相間交替及復(fù)雜多變地層，日進(jìn)尺一般20.0～50.0m，最高86.7m，月進(jìn)尺平均790.5m、最高1464.0m,最低362.9m、14個(gè)月大于750.0m，10個(gè)月大于900.0m，7個(gè)月大于1.0km，進(jìn)尺較為平穩(wěn)均衡。雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)主要技術(shù)參數(shù)

古近系泥質(zhì)粉砂巖及砂礫巖極軟巖地層TBM掘進(jìn)中，發(fā)生頂部輔推油缸缸體爆裂事故導(dǎo)致停機(jī)，圍巖持續(xù)變形坍塌嚴(yán)重，尾盾被壓，進(jìn)而導(dǎo)致卡機(jī)，經(jīng)42d坍塌體清理卸載脫困。在堅(jiān)硬-極軟相間交替及復(fù)雜多變圍巖工程地質(zhì)環(huán)境、前震旦系硬巖及古近系含漂石礫巖軟巖地層中突遇最大95.0L/s與300.0L/s大涌水主機(jī)被淹，以及極軟巖大變形坍塌卡機(jī)情況下，TBM掘進(jìn)取得優(yōu)異成效，成功穿越總長(zhǎng)6.55km古近系與新近系軟-極軟巖地層，安全通過(guò)長(zhǎng)4.07km含漂石礫巖軟巖地層，以及最大寬達(dá)19.0m、塌落拱高達(dá)20.0m的多條斷層破碎帶及其影響帶，僅23個(gè)月時(shí)間隧洞全線即掘進(jìn)貫通并同步襯砌成洞，居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

TBM施工實(shí)踐中，針對(duì)圍巖特性、設(shè)備運(yùn)行狀況及遇到的具體問(wèn)題，主要采取超前地質(zhì)預(yù)判；加強(qiáng)排水，適時(shí)采取超前與真空加壓輔助排水；螺旋輸送機(jī)輔助出碴；盡可能“寧慢勿?！保S機(jī)啟動(dòng)刀盤(pán)防壓；強(qiáng)化設(shè)備掘進(jìn)扭矩、推力與姿態(tài)參數(shù)控制，堅(jiān)持低推力、低轉(zhuǎn)速與低貫入度“三低”原則，減輕圍巖擾動(dòng)；增大主推油缸壓差與鉸接油缸行程差；堅(jiān)持機(jī)頭適當(dāng)“寧高勿低”原則，避免下沉“栽頭”風(fēng)險(xiǎn)；及時(shí)清理刀盤(pán)刮碴口與盾體內(nèi)泥砂減載；適時(shí)封堵刀盤(pán)進(jìn)碴斗牙，控制出碴量在理論量的三倍以內(nèi)；優(yōu)化刀具配置，正刀區(qū)滾刀換刮刀或重型撕裂刀，降低驅(qū)動(dòng)扭矩，減輕圍巖擾動(dòng)，避免刀具“弦磨”；控制刀盤(pán)前部噴水，圍巖含水率較高時(shí)不噴水，減輕軟化；盾體外部注膨潤(rùn)土漿液或廢機(jī)油減摩降阻，防止卡機(jī)、利于脫困；掌子面前方圍巖化學(xué)、超細(xì)水泥、水泥-水玻璃漿液灌漿加固；全面提高管片拼裝、豆礫石充填與固結(jié)灌漿質(zhì)量；高度重視邊刀擴(kuò)挖措施，兩座隧洞分別長(zhǎng)3.10km與2.45km極軟巖地層洞徑擴(kuò)挖至Ф5.85m，適應(yīng)巖體塑性變形；含漂石礫巖地層采取姿態(tài)控制，平穩(wěn)均衡加大扭矩、推力、貫入度破碎漂石、孤石與防滾刀“弦磨”，以及前盾上部前伸刀盤(pán)防護(hù)減壓改造，增設(shè)高壓泵加大中下部8根主推油缸推力校姿，防機(jī)頭下沉“栽頭”推進(jìn)系統(tǒng)改造等諸多關(guān)鍵技術(shù)防卡機(jī)與脫困[3- 9]，保證正常掘進(jìn)。

長(zhǎng)時(shí)間停電及設(shè)備故障導(dǎo)致停機(jī)工程實(shí)踐充分表明，TBM在極軟巖地層中“寧慢勿停、快速連續(xù)”掘進(jìn)通過(guò)，以及隨機(jī)啟動(dòng)刀盤(pán)防壓，具極其重要性及必要性。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)兩座長(zhǎng)隧洞護(hù)盾式TBM在深埋、復(fù)雜多變、軟-硬相間交替，特別是工程地質(zhì)性質(zhì)極為惡劣的含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層掘進(jìn)中，取得諸多成功關(guān)鍵技術(shù)與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首臺(tái)單護(hù)盾TBM施工技術(shù)的工程應(yīng)用，TBM施工技術(shù)取得重大突破，為我國(guó)長(zhǎng)大隧洞(隧道與巷道)工程建設(shè)開(kāi)創(chuàng)并積累了成功經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐技術(shù)成果，全面提升了我國(guó)地下工程建設(shè)技術(shù)水平。單護(hù)盾TBM施工取得成洞月進(jìn)尺平均1041.4m及最高1869.4m的優(yōu)異成效，創(chuàng)造了單護(hù)盾TBM施工世界最高記錄，居于世界領(lǐng)先水平。雙護(hù)盾TBM施工也取得成洞月進(jìn)尺平均790.5m及最高1464.0m的優(yōu)異成效，僅23個(gè)月時(shí)間隧洞全線即掘進(jìn)貫通并同步襯砌成洞，居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。

(2)單護(hù)盾TBM掘進(jìn)盡管在富水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層中遇高強(qiáng)特大規(guī)模突泥、涌水與涌砂，以及因長(zhǎng)時(shí)間重大停電事故造成卡機(jī)，但在采取主機(jī)盾體前伸與增強(qiáng)調(diào)姿能力為代表的多項(xiàng)優(yōu)化技術(shù)改造[2]，以及“寧慢勿停”、“三低”、刮刀或重型撕裂刀破巖、邊刀擴(kuò)挖等諸多關(guān)鍵技術(shù)后[3- 9]，仍完成掘進(jìn)并同步襯砌成洞總長(zhǎng)13.89km，占隧洞全長(zhǎng)的80.3%，成功穿越總長(zhǎng)10.18km新近系Ⅴ類軟-極軟巖地層，安全通過(guò)長(zhǎng)1.21km含水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層，取得優(yōu)異成效。TBM掘進(jìn)實(shí)踐充分表明，主機(jī)盾體前伸優(yōu)化技術(shù)改造對(duì)保證施工安全，以及技術(shù)性能與掘進(jìn)效率提升成效顯著，是護(hù)盾式與開(kāi)敞式TBM，以及盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)制造與工程運(yùn)用的重大技術(shù)創(chuàng)新。

(3)7#長(zhǎng)隧洞進(jìn)口工作面TBM停機(jī)后所增設(shè)多座施工輔助支洞工作面，遇含水率達(dá)14.0%以上飽和吸水率的疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層，以及突泥、涌水及涌砂地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，鉆爆法掘進(jìn)全面失敗。工程施工實(shí)踐充分表明，隧洞總體采用單護(hù)盾TBM施工技術(shù)方案是正確成功的。

(4)兩座長(zhǎng)隧洞TBM掘進(jìn)實(shí)踐表明，常規(guī)護(hù)盾式TBM在富水疏松粉(細(xì))砂特殊極軟巖地層遇高強(qiáng)大規(guī)模突泥、涌水及涌砂地質(zhì)災(zāi)害時(shí)，掘進(jìn)存在很大安全風(fēng)險(xiǎn)，新疆天山引水工程長(zhǎng)隧洞TBM掘進(jìn)實(shí)踐證明，常規(guī)敞開(kāi)式TBM(Open Type TBM)也不適應(yīng)富水強(qiáng)蝕變及新近系極軟巖地層，施工遇到很大困難。因此，對(duì)于新近系富水疏松粉(細(xì))砂巖、第四系飽水土及富水強(qiáng)蝕變巖等特殊極軟巖地層，應(yīng)采用常規(guī)護(hù)盾式TBM與盾構(gòu)機(jī)(Shield)相結(jié)合的新型雙模集成DSUC型多功能全斷面巖石隧洞(隧道)掘進(jìn)機(jī)(Double Shield Universal Compact Full Face Rock Tunnel Boring Machine-DSUC TBM)施工[10]，DSUC TBM集成常規(guī)護(hù)盾式TBM及盾構(gòu)機(jī)的雙重特性，為護(hù)盾式TBM及EPB(Earth Press Balance，土壓平衡盾構(gòu)機(jī))兩種掘進(jìn)模式的組合，通過(guò)模式轉(zhuǎn)換適應(yīng)軟硬地層掘進(jìn)，脫困能力強(qiáng)，設(shè)備利用率高，國(guó)內(nèi)地鐵與軌道交通工程已有應(yīng)用，是全斷面掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)。