復雜地質環境對TBM掘進速度的影響

李厚峰

摘要：基于引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM的施工實踐，對比研究了嶺南、嶺北兩臺TBM在截然不同的地質環境下的掘進效率，認為目前以圍巖類別來判斷TBM的掘進效率是不夠嚴謹的。實際研究表明，圍巖的巖性特別是圍巖杭壓強度、完整性、地下水等地質因素才是影響掘進效率的主要地質因素。在此基礎上，對復雜地質環境TBM的進度指標和TBM的地質適應性進行了研究。

關鍵詞：隧道施工;TBM施工進度;復雜地質環境;引漢濟渭工程

中圖分類號：TV554⁺.1 文獻標志碼：A

1 TBM施工概述

TBM（Tunnel Boring Machine）是用于巖石地層的全斷面隧洞掘進機的簡稱，是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線隧洞施工裝備。TBM能將掘進、支護、出渣等施工工序并行且連續作業，具有快速、優質、經濟、安全、環保等優點，被稱為“掘進機之王”。TBM施工雖然優點突出，但有一定局限性：一是一次性資金投入大;二是TBM技術支持要求高;三是TBM對地質條件要求比較高，特別是遇到復雜地質條件時，TBM將面臨嚴峻考驗，施工處理措施沒有鉆爆法靈活。

2 引漢濟渭秦嶺隧洞TBM施工段地質概況和計劃進度指標

引漢濟渭秦嶺隧洞長98.3km，最大埋深2012m，采用鉆爆法、TBM分段施工方案。其中，穿越秦嶺嶺脊段34km采用2臺TBM設備由嶺南、嶺北相向掘進，其余64.3km的淺山區采用鉆爆法分段施工。

TBM施工的嶺南段圍巖為印支期花崗巖、華力西期閃長巖，屬于硬巖或極硬巖。嶺北段圍巖為千枚巖、變質砂巖，屬于中等硬度巖石。

招標設計階段，設計單位按照傳統經驗和方法對圍巖類別進行了劃分，并且依據圍巖類別提出了TBM的掘進指標（見表1）。

3 嶺南、嶺北TBM進度比較分析

3.1 嶺南、嶺北TBM月進度對比

嶺南、嶺北試掘進的逐月進度對比見圖1，可以看出，前8個月嶺南與嶺北雖然進度不同，但穩中有增的趨勢是相同的。為探討導致嶺南月進度遠遠落后嶺北的原因，就嶺南、嶺北的巖石物理力學指標進行了系統分析研究。

3.2 嶺南與嶺北圍巖情況對比

嶺南TBM實際掘進過程中巖石采樣主要指標變化情況見圖2、圖3。可以看出：嶺南巖石的抗壓強度基本在150MPa以上，平均為180MPa;巖石的完整性較好，完整系數基本在0.75以上。

在嶺北TBM掘進中，對圍巖抗壓強度進行了檢測（見圖4），其中樁號K62+578-K55+91一共檢測41組，平均抗壓強度為68.4MPa，最大抗壓強度為109.6MPa（在樁號K59+387-K59+300之間）。由表2可知，抗壓強度為40～80MPa的圍巖占比達80%，屬于中等硬度巖石。

可以看出，嶺南TBM施工段的圍巖抗壓強度比嶺北圍巖抗壓強度高出約120MPa，石英含量較高。這些地質因素的巨大差別是導致嶺南TBM掘進速度大幅下降的主要原因。

4 影響TBM掘進速度的主要地質因素

4.1 巖石抗壓強度對TBM掘進速度的影響

為了研究巖石抗壓強度對TBM掘進速度的影響，分別對巖石的抗壓強度、完整性進行了系統檢測，并進行統計分析，研究這些指標和掘進速度的關系。由圖5可以看出，掘進速度與巖石抗壓強度具有一定的負相關性。抗壓強度小于150MPa時掘進速度大于1.5m/h，抗壓強度大于170MPa時掘進速度小于1.0m/h，這區間強度越高，掘進速度越低，抗壓強度超過200MPa時掘進速度接近0.6m/h，這時TBM一個循環將大于3h，掘進速度大大降低。因此，可以得出十分明確的結論，巖石的單軸抗壓強度對TBM掘進速度影響較大。

4.2 巖石完整性對TBM掘進速度的影響

現場研究發現，圍巖的完整性、巖石結構面的發育程度是決定TBM效率的又一重要因素。對于節理較發育或發育巖石，TBM掘進效率較高;對于完整巖石，TBM破巖困難，掘進效率則較低。由圖6可得出大致的結論，隨著巖石完整程度的提高，TBM掘進速度迅速下降，兩者基本成負相關。

4.3 高壓集中涌水對TBM掘進速度的影響

嶺南TBM在2015年11月進入K29+950富水地段后，施工難度進一步增大：一是發生了幾次高壓集中大流量涌水，排水難度陡增，TBM掘進進度放緩;二是設備長期在水的浸泡和潮濕的環境中機械銹蝕加快，排水設備故障頻發;三是TBM在富水地段反坡施工掘進效率大大下降。據統計，在貧水地段，TBM連續5個月月進度在230～280m之間，進入富水地段后月進度大幅下降，連續8個月小于200m，2015年11月—2016年8月，平均月進度為135m，3-4月被淹停機2個月。嶺南TBM掘進進度與涌水量關系見圖7。

5 復雜地質環境下TBM有關問題討論

（1）TBM利用率在20%～30%是可以接受的。TBM總的施工時間是純掘進、換步、刀具更換、保養維護、故障處理、后配套系統維護、管片和軌道鋪設等多項時間的總和，因此要十分重視TBM作業時間的利用率。無論是噴錨支護、巖爆處置、正常設備維護，還是其他環節發生故障，都會致使TBM停機，導致利用率下降，為此應對TBM各工序時間加強控制，嶺南實測TBM各工序時間見表3。

引漢濟渭秦嶺隧洞工程TBM利用率偏低有其特殊性：一是隧洞埋深大、支洞長，皮帶機出渣長達6km，易發生皮帶機故障;二是排水難度大，隧洞涌水量大、點多，水泵較多，管線特長，加之反坡掘進施工排水故障頻發，導致停機;三是機械、電氣、液壓故障;四是正常的維護保養時間每天4～6h。

據了解，國內類似工程如西康鐵路秦嶺I號隧洞平均利用率為20.2%，中鐵十八局在錦屏電站的TBM利用率為22.36%，均低于30%，引漢濟渭嶺北TBM的利用率在30%左右。因此認為，引漢濟渭工程TBM的利用率在20%一30%是合理的，不能片面追求高利用率，要防止設備長時間超負荷掘進。

（2）嶺南TBM特硬圍巖進度為200m/月左右是正常的。實踐證明，圍巖的抗壓強度、完整性等是制約TBM掘進效率的主要地質因素。嶺南TBM施工段埋深大，巖石平均強度高達180MPa，完整性好，孔隙率低，石英含量高，耐磨值高，加之長距離的出渣和反坡排水系統，使其綜合施工難度堪稱世界第一，因此在超硬、特硬圍巖的地質環境下，進度為200m/月左右是正常的。

（3）TBM對圍巖地質的適應性必須高度重視。通過引漢濟渭工程2臺TBM在不同地質環境中的掘進實踐，可以總結出如下結論：單軸抗壓強度是影響TBM掘進的關鍵因素之一，強度為30～60MPa的中等硬度圍巖最適合TBM掘進，強度為60～150MPa的圍巖TBM掘進效率下降，強度大于150MPa時TBM掘進效率會大大下降。另外，巖石完整性對TBM掘進效率造成了一定的影響。因此，TBM適合在中等硬度巖石中掘進，在極硬圍巖中掘進效率會大大降低，長隧洞在選擇TBM施工方案時，應對圍巖的地質因素進行針對性研究，統籌決策，以真正發揮TBM的施工優勢。