深埋長隧道TBM施工關鍵問題探討

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 北碚區 400700）

一、關于TBM技術

TBM施工方法是一種普遍運用于隧道開挖中的方法，曾有人將用于挖掘隧道運用的機械分為盾構和掘進機（TBM），前者主要開掘以土為主的隧道，后者主要開掘以巖石為主的隧道，但隨著開挖方法的發展與綜合運用，這種區分越來越淡化，現將兩者都認為是掘進機。掘進機開挖隧道主要兩種方式，一種是擠壓，另一種是削切。前者通過將刀盤上的滾刀壓進巖石使其破碎，后者利用巖石不抗剪的特性剪碎巖石，然后兩者均是通過刀盤上的鏟斗齒撿起石渣然后將石渣放在主機皮帶上進行傳輸運送，最后將這些石渣送至洞外，這一過程中主要運用專門的運輸車。

相對于較早運用的傳統的爆破方法而言，TBM有很多優點，但也存在很多問題，顯而易見的優點有這種技術具有較高的安全性，比起爆破工作環境更加安全；利用機械切割節約勞動力；爆破中出現的噪聲、飛揚塵土都可以在TBM中得到改善，更加環保。該技術存在的問題也有如下幾個：設備相對昂貴，比起爆破方式TBM方式耗費成本巨大，且對這樣的設備運輸也是一大困難，適應性比較差不能改變其開挖半徑等。

英吉利海峽隧道的建成表明了TBM技術的成熟，隨后我國引進并發展該項技術，并運用于國內隧道的開挖工程中，比如我國云南西洱河水電站引水隧道、引大入秦總干渠38號隧道等。

二、關于深埋隧道

關于深埋隧道，很多人會簡單的理解為是根據《公路隧道設計規范》中規定的計算方法確定分界的厚度，其實不然。深埋隧道與淺埋隧道的區別表現在很多方面。最主要的一點是兩者開挖后的力學特點不同。淺埋隧道的力學特點是完成建造之后該隧道將承受所有覆蓋在其上面的土壓力，深埋隧道的力學特點是并不承受所有的土壓力而只承受一部分的土壓力。

在現實生活實踐中，常常不需要用那么復雜的方式來劃分，通常認為對于 H埋深超過50m的是深埋隧道。

三、深埋長隧道TBM施工中的關鍵問題

深埋長隧道在開挖過程中常面臨著水、地壓強較高，地面溫度較高等問題。其中有三個問題最為突出:大變形(卡盾)問題、巖爆問題和未準確探測前方地質而發生的涌水等事故。而目前我國的TBM技術相對于國外水平來說還相對落后，但是隨著時代的發展，更深更長的隧道逐漸被需要，TBM技術的完善與發展被提上日程。以下將具體分析深埋長隧道出現的問題。

1.深埋長隧道的支護與TBM

（1）雖然目前已經出現了更為先進的 TBM技術但是現實操作中仍然以傳統的爆破技術為主。為滿足某些構造相對特殊的地質層，我們技術人員采用了分部開挖工法。上文已經提到TBM技術開挖隧道存在著適應性較差的問題，而傳統的爆破法就可以有效避免這一問題。這種方法適應性比較強，可以針對各種性質的地形進行變換。由于爆破技術是運用較早和相對原始的技術，所以技術工人對爆破技術的掌握更加熟練，形成了一套嚴謹合理的操作體系。相對TBM的昂貴設備而言也可以節省很多成本。但是爆破會延長工期，導致工期進度較慢，程序操作上也繁瑣復雜。對人力的要求比較高，操作人員勞動強度大。

（2）對于深埋長隧道的支護，目前主要采用聯合支護體系。根據地質層的軟硬程度不同采取的支護方式也不同。然而這樣的聯合也難以應對如巖石爆破、應力性坍塌等的控制要求。

（3）類似于地鐵等這樣的淺埋隧道常常用到 TBM技術，該技術上文也已經介紹過了，可以破巖、剪巖并將操作余留的碎石碎渣運輸出洞外。一般情況下在進行選擇的時候，實踐中我們會根據經驗進行，例如隧道長度與半徑比例超過1200時會考慮采用TBM技術。支護上來談TBM運用管片支護，強度高可以滿足各種控制要求。

2.巖爆

當深埋隧道周圍的巖石層出現了塑性形變與彈性形變而易裂、易碎時，也會并發許多危險因素，比如出現較大的變形等。巖爆是開挖隧道中常見的一種災害，所有的隧道洞都有一個最大的承受值，當壓力過大超過隧道洞的承受值就會發生這樣的災害。最近這些年，巖爆的發生率有所提高，比如在秦嶺隧道的開挖過程中就頻繁出現巖爆的情況。在前文中筆者已經為大家介紹過了TBM的工作原理，利用滾刀對巖石進行擠壓從而達到破碎巖石的目的。爆巖發生時會對開挖機械造成不同程度的損傷。

3.超前地質預報探測問題

針對前文提過的TBM的隱患與問題，在這里筆者再著重給大家介紹一下適應性的問題。說到這個適應性問題，就不得不談一下超前地質預報探測的問題。由于現實中的變化因素較多，作出一份比較嚴謹可靠的預測報告幾乎是不可能的。這些變化因素包括斷層、高地應力、涌水等。在隧道的地質超前探測中常用到的手段是地質雷達與超前探鉆。前者用于傳統的爆破模式，后者多用于TBM掘進距離小于20米的情況下。

4.卡盾

除了巖爆外另一種TBM施工過程中也常出現的問題就是卡盾。深埋長隧道面臨著高地應力的問題，工程開始實施后這些力將會改變他們的分布。地下洞在開挖過程中也會存在一些問題，例如施工面會發生沉降現象，操作面后方則會發生變形拉開與操作面的距離。根據多年的隧道開挖經驗來看，在TBM的施工過程中護盾會出現向前推進的現象。

5.深埋長隧道軟硬巖與TBM施工的問題

（1）軟巖

軟巖顧名思義容易受到外力壓力等變形，當實際的變化量超過預期的變化量時，護盾與周圍的巖石進行接觸并相互發生力的作用，其中摩擦力在掘進過程中是最容易形成的，這個外力無法避免時又無法減小，將會導致開挖機械收到很大程度的損壞。

（2）硬巖

上文提到隧道洞有一定限度的承受力，當應力超過這個程度，巖石將會實現斷裂性質由脆性到塑性的轉變。

對于深埋長隧道 TBM施工中遇到的問題是在日常生活隧道掘進中普遍遇到的，隨著掘進技術的成熟，針對這些問題也相應探求出了解決方案。學習先進技術取長補短，將傳統的爆破技術與TBM技術相結合，對于不同的地質構造采取不同的方式掘進。同時在開掘隧道的過程中也要注意以下幾個細節性問題，例如隧道施工的通風問題，隧道通風關系到了操作人員的人身安全與TBM的操作安全，是尤為需要注意的一點，另外關于運輸的問題也需要格外關注，由于TBM的高效性，對其掘進速度有較高的要求，要強化運輸車的運行規章制度，加強調度制度，制定完善一套科學合理的運作體系。

總結：在科技與高新設備不斷更新發展時代，對速度的要求也隨之增高，俗話說的好“要想富，先修路”，道路的發展關系著一方經濟的發展，對速度的提高同時帶動著對道路隧道完全與實用性的提高。隧道開挖技術也不斷發展，由過去傳統的爆破技術到今天TBM掘進技術，我們驚嘆于技術的發展，同時也深刻的認識到不足，相對國外先進的TBM技術，我國的該技術仍然處于初步不夠成熟的狀態，雖然引用該技術給隧道開挖節省了大量勞動力，使之更加高效率，但是也存在種種問題，我相信，通過本文的介紹，大家會對TBM與深埋長隧道有一定的認識與了解，我也相信，在不久的未來，本文提到的種種問題都會迎刃而解，讓我們拭目以待。

[1]周亞峰,蘇凱,伍鶴皋. 深埋 TBM 隧洞滲流動態演化機制[J]. 中南大學學報(自然科學版),2016,47(12):4231-4239.

[2]田龍平,陳皓. TBM 隧道施工監控量測現狀及發展趨勢[J]. 華東公路,2014,(05):68-71.

[3]吳世勇,王鴿,徐勁松,王堅. 錦屏二級水電站 TBM 選型及施工關鍵技術研究[J]. 巖石力學與工程學報,2008,(10):2000-2009.