香爐山深埋長隧洞TBM選型研究

倪錦初 朱學賢 凌旋 帖熠

摘要：隨著中國大規模基礎建設的推進，越來越多的深埋長隧洞采用TBM施工，而TBM選型是TBM施工方案中關鍵問題之一。以滇中引水工程香爐山隧洞為例，重點從穿斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質洞段施工難易程度、卡機風險，以及超前加固和超前地質預報操作便利性等方面進行綜合分析，推薦優先選用兩臺敞開式TBM，并針對具體地質情況、施工特點，提出了TBM相應的功能配置。研究成果可為類似工程提供借鑒。

關 鍵 詞：TBM選型; 不良地質條件; 深埋長隧洞; 香爐山隧洞

中圖法分類號： TV554 ? 文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.01.024

0 引 言

隨著中國大規模基礎設施建設的開展，水利隧洞、鐵路隧道、公路隧道等現代隧洞工程迎來了建設高峰，隧洞工程呈現出規模越來越大、長度越來越長、施工難度越來越高的趨勢。受地形、地質條件限制和設備制造技術發展，隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，簡稱TBM）在隧洞工程中應用的比例也越來越高。如正在規劃設計中的引江補漢工程，單隧洞長度約194 km，初步規劃采用9臺TBM施工，TBM施工長度約占整個隧洞長度的2/3。

對于深埋長隧洞，地質條件的復雜性決定了工程施工的艱難性，根據地質條件、隧洞功能特性、結構設計要求進行合理的TBM設備選型是工程成敗的關鍵問題之一。如西北某引水工程引水隧洞出口側的TBM選用雙護盾式，隧洞大阪上南緣斷裂帶軟弱巖體在極高圍巖壓力作用下發生大規模塌方和快速塑性變形，致使TBM多次嚴重卡機，三年多時間內僅艱難掘進300多米。

本文以滇中引水工程[1]香爐山深埋長隧洞挖掘需要的TBM選型研究為例，從地質條件、工期、造價、施工環境等方面綜合比較，重點從TBM施工斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質洞段[2]施工難易程度、卡機風險，以及超前加固和超前地質預報操作便利性等方面進行選型分析，為今后類似工程TBM選型提供借鑒。

1 TBM選型控制因素及現狀

1.1 TBM類型及特點

當隧洞工程確定采用TBM施工后，就要對TBM進行選型。目前TBM主要分為敞開式、雙護盾式和單護盾式等[3]。敞開式TBM利用支撐機構撐緊洞壁的反作用力，實現掘進功能所需的反推力和反扭矩，一般用于巖石穩定性好、軟弱圍巖較少的隧洞[4]。護盾式TBM在主機外設置了護盾，主機在護盾保護下進行掘進作業[5]。單護盾TBM只能依靠已安裝的管片提供前進反力，雙護盾TBM則結合了敞開式TBM和單護盾TBM的優勢，在圍巖軟弱破碎時采用單護盾模式掘進，在圍巖完整并具有足夠的強度時采用雙護盾模式掘進。隨著工程實踐經驗的增加和TBM設備制造水平的提高，各類TBM的應用界限逐漸打破，如通用緊湊型TBM、雙模式TBM、復合式TBM[6]等均是吸取各基本類型TBM的優點組合而來的新類型。

1.2 TBM選型控制因素

通常認為，敞開式TBM主要應用于巖石強度較高、（堅硬或中硬巖）能夠提供支撐靴足夠推力的巖體中。護盾式TBM同樣可以用于巖石強度較高巖體，在軟巖洞段圍巖無法提供撐靴反力時，可利用輔助油缸通過支撐已安裝好的管片提供推力進行掘進。

敞開式TBM的護盾相對較短，在軟巖變形或巖爆洞段卡機的可能性相對較低。如卡機，可從護盾后進行超前加固穩定后再繼續掘進，因此在不良地質洞段脫困處理相對靈活。敞開式TBM只有一個不長的頂護盾，掘進后圍巖處于暴露狀態，開挖后便于觀察圍巖情況和進行超前地質預報。

護盾式TBM的盾體較敞開式TBM長2～3倍，在軟巖變形或巖爆洞段卡機的可能性相對較高。護盾式TBM主機外圍由護盾包裹，管片安裝在護盾內，從機頭到洞尾均處于封閉狀況，施工人員除從機頭和護盾的觀測孔中察看巖層狀況外，只能從巖渣來判斷。

對于敞開式TBM，初期支護、二次襯砌施工與掘進可同步進行，但由于工序多、互相有干擾，施工效率相對較低。雙護盾式TBM掘進和管片安裝可同時進行，施工效率相對較高，掘進速度相對較快。

對圍巖條件較好的隧洞，敞開式TBM只需要初期支護或較小的二次襯砌工程量即可保證隧洞穩定，經濟性相對較好。對圍巖條件較差的隧洞，敞開式TBM施工隧洞的初期支護、二次襯砌工程量較大，需與護盾式TBM施工隧洞的管片進行具體對比。

敞開式TBM除頂護盾以外，均暴露在圍巖之外，施工中的粉塵、廢棄漿液如不能很好地控制，則施工環境較差。近幾年，當采用鋼筋排等新技術后，敞開式TBM頂盾后操作空間的施工安全得到了保障。護盾式TBM機頭緊貼掌子面，掘進、管片安裝、豆礫石回填和灌漿等主要作業均在封閉的狀態下進行，施工過程中受巖爆、受煙塵、粉塵、廢棄漿液的影響較小，施工環境較好。

1.3 TBM選型現狀

由于行業和工程類型不同，隧洞結構、功能和設計理念等方面存在差異，不同行業在TBM選型方面還存在一定差異[7]。在國內，鐵路行業中基本應用敞開式TBM，水利行業中應用雙護盾式TBM較多。

總體上來說，TBM選型主要根據各類型TBM設備自身特點，結合地質條件、工期、造價、施工環境[7]等方面綜合分析確定。在地質條件方面，以往TBM選型重點關注占比較大的隧洞圍巖條件，而忽略占比較小的不良地質洞段，從而導致TBM掘進困難，造成工期嚴重滯后，投資大量增加。

如引大濟湟工程引水隧洞，TBM施工段以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，占到45.32%，在開挖過程中可能遇到地應力引起的巖爆，地下水引起的涌水、涌泥、片幫、塌方等，從主要圍巖條件TBM的適應性、不良地質洞段施工安全和施工進度等方面考慮，兩臺TBM均選擇雙護盾式TBM。隧洞出口側的TBM在掘進不久后就在圍巖收斂、塌方情況下發生十余次卡機，雖采取了多種處理措施，但TBM還是被嚴重卡機，工程被迫停工。為使隧洞盡快貫通，后在隧洞進口段增加一臺NFM-TBM進行掘進，同時對出口側的TBM進行改造，重新定做了TBM護盾。對支撐盾、伸縮盾、后護盾等改造完成后，TBM重新啟動掘進，最終兩臺TBM掘進至貫通點K16+003處。

由引大濟湟工程TBM選型可以看出，占比不大的不良地質洞段往往對TBM施工順利與否起關鍵作用，因此應該重視從不同類型TBM在不良地質洞段施工的卡機風險，以及出現卡機后處理的難易程度等方面進行選型分析。

2 香爐山隧洞TBM選型

2.1 香爐山隧洞施工方案

滇中引水工程是解決滇中地區嚴重缺水的特大型跨流域調水工程，工程主要包括水源工程和輸水工程兩個部分。結合控制節點、行政區劃、水價分析，投資分攤要求等，將輸水工程線路劃分為大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪紅河五大段。香爐山隧洞位于大理Ⅰ段，起點在麗江市玉龍縣石鼓鎮沖江河右岸山體內，終點在鶴慶縣松桂與積福村附近，整個隧洞穿馬耳山脈，全長62.596 km。隧洞設計引水流量135 m3/s，圓形斷面，凈斷面直徑8.3～9.5 m，設計水深7.1 m。

香爐山隧洞沿線屬高、中山地貌區，地面高程一般為2 400～3 400 m，隧洞最大埋深1 450 m。隧洞段沿線主要出露泥盆系、二疊系、三疊系、第三系及第四系地層，局部地段不連續分布侵入巖脈。隧洞在深埋大的石英片巖、碳酸鹽巖、玄武巖等堅硬完整巖體中且地下水貧乏洞段可能產生中強巖爆。

香爐山隧洞區褶皺、斷裂發育，沿線穿越大栗樹斷裂（F9）等13條大斷（裂）層，易產生中等-極嚴重擠壓變形等問題。

香爐山隧洞沿線可溶巖地層分布較廣，地表、地下巖溶形態發育齊全。發育有白漢場（Ⅰ）、拉什海（Ⅱ）、鶴慶西山（Ⅳ）、清水江-劍川（Ⅴ）等多個巖溶水系統。隧洞穿越寬厚斷裂破碎帶、碳酸鹽巖、玄武巖、向斜核部等富水洞段可能會產生較大滲水、甚至涌水突泥問題[8]（主要為斷裂帶），以及高外水壓力問題[3]。

由于香爐山隧洞埋深大，難以通過布置施工支洞全部采用鉆爆法施工。結合香爐山隧洞沿線地形條件和圍巖情況等，擬采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案[9]，主要通過隧洞進出口以及設置施工支洞，采用鉆爆法開挖規模較大的4條區域性斷裂及部分圍巖較差洞段，其余洞段采用2臺TBM施工，TBMa、TBMb分別由上、下游相向掘進，掘進長度分別為14.68 km和20.64 km。

香爐山隧洞施工方法分段列于表1，施工方案如圖1所示。

2.2 香爐山隧洞TBM施工段工程地質

2.2.1 TBM施工段工程地質、水文條件

（1） 地形地貌。TBMa-1施工段布置于白漢場-九河槽谷和汝南河槽谷間的汝寒坪一帶，沿線地面高程2 758～3 150 m，隧洞埋深740～1 000 m，最大埋深1 135 m;TBMa-2施工段及TBMb施工段布置于汝南河槽谷以南至核桃箐一帶，沿線地面高程2 500～3 418 m，隧洞埋深一般600～1 300 m;TBMb-2施工段長木箐北山一帶最大埋深1 450 m，TBMb-1段核桃箐一帶埋深約450 m。

（2） 巖性。TBM施工段均位于微新巖帶，北衙組（T2b）、中窩組（T3z）灰巖、白云巖等屬較完整巖體，玄武巖（Pβ、Nβ）屬較完整-完整巖體，局部完整性較差，黑泥哨組（P2h）、青天堡組（T1q）、松桂組（T3sn）等砂、泥頁巖屬較破碎-較完整巖體。其中TBMa-1施工段主要穿二疊系玄武巖;TBMa-2施工段及TBMb-2施工段除了穿玄武巖外，還穿越砂泥巖、灰巖及白云巖、砂泥巖等;TBMb-1施工段主要穿越灰巖地層。

（3） 地質構造。TBM施工段沿線褶皺主要有汝寒坪背斜、汝寒坪向斜、大陡山背斜向斜、宣化關向背斜、后本箐向斜、獅子山背斜、馬鞍山背斜等，褶皺走向以NNE～NE為主，與線路多呈大銳角及中等角度相交。

TBM施工段避開了龍蟠-喬后斷裂（F10）等3條全新世活動斷裂，穿越的斷裂主要有下馬塘-黑泥哨斷裂（FⅡ-32）等十幾條規模不等的斷層。

受褶皺及斷裂控制，沿線地層總體走向呈NNE～NE向，傾向NW或者SE，傾角多25°～50°，近東西向斷裂帶附近地層受構造影響局部變陡，地層走向總體與線路呈中等角度至大角度相交。

（4） 巖溶與水文地質。根據地表測繪及鉆孔資料分析，TBM施工段穿越的灰巖、白云巖為強烈巖溶化地層;灰巖夾泥質灰巖為中等巖溶化地層;玄武巖及各時代的侵入巖為裂隙性中等透水地層;砂、泥巖為相對隔水層。

斷裂破碎帶賦存一定規模的斷層脈狀水，因破碎帶構造巖成分復雜，其富水及透水性差異性大，同一條斷層的縱向與橫向透水性差異較大。近東西向斷裂組多屬縱向裂隙性中等透水至強透水、橫向阻水斷裂帶，僅局部斷裂段屬相對隔水至弱透水斷裂帶;近南北向斷裂組縱向多屬裂隙性中等透水至強透水斷裂帶。

（5） 地應力。TBM施工洞段主要為中等-高地應力水平，局部大埋深洞段為高-極高應力水平。香爐山隧洞TBM施工段剖面概化見圖2。

2.2.2 TBM選型相關地質條件

香爐山隧洞TBM施工段圍巖類別以Ⅲ、IV類為主，飽和抗壓強度大部分為30～80 MPa，較完整，可能存在的不良地質問題主要有：高地應力條件下的硬巖中等巖爆、軟巖（含斷層帶）嚴重至極嚴重大變形、高外水壓力以及可溶巖、斷裂帶、向斜的涌水突泥等。香爐山隧洞TBM選型相關地質條件如表2所列。

2.3 香爐山隧洞TBM類型比較與選擇

從表2可以看出，香爐山隧洞TBMa和TBMb施工段主要圍巖的飽和抗壓強度和巖石完整性可提供TBM撐靴反力[10]，大部分洞段開挖后也能保持自穩，選用敞開式TBM和護盾式TBM均可。

TBMa和TBMb施工段均不同程度穿越斷層、軟巖大變形、涌水突泥等不良地質洞段[11]，敞開式TBM和護盾式TBM在通過這些洞段時施工難度均較大，尤其在軟巖（含斷層）大變形洞段，由于敞開式TBM比護盾式TBM護盾短，卡機概率相對較低，如需采用超前預加固措施[12]，敞開式TBM操作更為方便。

在主要圍巖洞段，護盾式TBM掘進速度較敞開式TBM快，但由于兩TBM施工段均有存在卡機風險的斷層和軟巖大變形洞段，如出現卡機，其脫困處理工期難以預計。

香爐山隧洞為輸水隧洞，為保證過水能力，采用敞開式TBM施工時需采用糙率較小的二次混凝土襯砌結構，此外兩TBM施工段埋深普遍較大，初期支護和二次襯砌結構均較強，其支護襯砌工程量造價與護盾式TBM的管片支護相當。

敞開式TBM空間較護盾式TBM開放，施工環境較護盾式TBM差，但更有利于進行超前地質預報和觀察圍巖狀況。

綜上分析比較，從香爐山隧洞TBM施工段主要圍巖來看，選用敞開式TBM和護盾式TBM式均可;對于斷層、軟巖大變形不良地質洞段，采用敞開式TBM卡機概率相對較小，更有利于進行超前預加固、超前地質預報[13]和觀察護盾后的圍巖狀況[14]。由于不良地質洞段[15]的施工是TBM施工的關鍵，該工程所用兩臺TBM優先選用敞開式。

對長大斷裂帶、長距離軟巖大變形和富水[16]等不適宜TBM施工的洞段[17]，選擇任何TBM機型試圖一次性直接掘進通過都是有難度的，通常需在TBM設計和工程施工上采取措施盡量減少其不利影響，且需充分重視對不良地質問題的預測預報和超前處理。

2.4 香爐山隧洞TBM主要功能配置

香爐山隧洞TBM施工段的地質條件總體上適宜TBM施工，但要重視對斷裂帶及軟巖大變形、突水涌泥、巖爆等TBM適應性較差的不良地質洞段研究，并對TBM設備進行相應的設計和配置[18]。

（1） 掘進功能配置。由于隧洞中局部有巖爆情況，刀盤應具有足夠的剛度和強度，刀盤預留超前鉆孔位置和霧化噴水裝置[19]，通過施打超前地應力釋放孔和噴水軟化圍巖來減少巖爆。主軸承采用變頻電機驅動，具有正反轉功能和點動功能，配置足夠的扭矩和推力，并有脫困模式，以應對軟巖變形段，設計壽命不小于15 000 h，單機掘進長度不小于25 km。

（2） 出渣功能配置。針對開挖斷面大、出渣量大的特點，采用出渣效率較高的皮帶機出渣系統，主機帶式輸送機設置防偏、刮渣、張緊、調速聯鎖裝置[20]。主機帶式輸送機和洞內帶式輸送機出渣能力協調，且應滿足最大掘進速度的要求。

（3） 支護功能配置。隧洞初期支護工程量大，TBM應配備高效的支護系統。鋼拱架安裝器采用液壓驅動，具有可靠制動及自鎖功能;錨桿鉆機具有反向同步功能、可靠制動及自鎖功能;混凝土噴射裝置軸向行程不應小于3個掘進循環長度，配置混凝土噴射防護罩。除了主機段配備超前鉆機外，在刀盤后（主梁內）預留配置超前鉆機的位置，同時配置高速攪拌器、混合器和高壓灌漿泵，具備對全掌子面進行灌漿止水功能。

（4） 超前地質預報功能配置。TBM主機段配備兩臺多功能液壓超前鉆，最大鉆深不小于50 m，可鉆孔取芯;針對巖爆、軟弱地層、地下水的超前地質預報物探系統，主要配置TBM機載TRT和激發極化法系統;在刀盤上和前護盾上預留超前預報設備安裝孔。

（5） 開挖直徑調節功能配置。刀盤邊刀具備長距離徑向擴挖2 cm×（5～15） cm的功能，護盾具備大距離伸縮、支撐圍巖能力的功能。

香爐山隧洞TBM主要技術參數需求初擬見表3。

3 結 語

香爐山隧洞跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，具有深埋、超長等特點，主要地質問題有斷層破碎帶、高地應力下軟巖大變形和局部巖爆、突水涌泥等，為目前在地殼活動性較強地區尚無先例的長距離深埋輸水工程。隧洞采用“TBM法+鉆爆法”的施工方案。從巖體所處的地質環境及巖體性狀分析，香爐山隧洞TBM施工段的TBM地質條件適宜性總體情況良好，但局部洞段的滲涌水、斷裂帶及軟巖大變形、硬巖巖爆等不利地質條件危害很大，應采取針對性工程應對措施。

從地質條件、工期、造價、施工環境等方面進行綜合比選，重點從不良地質卡機風險、超前預加固、超前地質預報操作便利性等方面考慮，推薦該工程優先選用兩臺敞開式TBM，并提出了相應的主要技術參數和功能配置。由于TBM施工段夾有細顆粒軟弱地層及部分巖溶地下水地層，后續可以研究采用雙模式掘進機施工的可行性。

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（編輯：胡旭東）