超長深埋高地應力TBM隧道修建關鍵技術

洪 開 榮

(1.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001)

我國西部大部分區域位于青藏高原，山高谷深，在西部改善交通提升效能、跨域調水、保護生態等重大基礎設施建設中，必將遇到大量超長(長度>15 km)、超深(埋深>500 m)、超高(水平地應力>20 MPa)的隧道工程。受板塊碰撞和構造運動的影響，該區域地質極其復雜、地形地貌險峻、氣候環境惡劣，因此，隧道工程建設技術難度大、建設環境差，輔助坑道設置也困難。國內外類似工程建設經驗表明，深埋高地應力隧道采用隧道掘進機(TBM)施工是高效建設的主要途徑，具有一定的優勢，但在勘察、設計、施工和運營各階段也面臨巨大挑戰[1-2]。

TBM工法已廣泛應用于鐵路隧道、公路隧道、水利隧洞等建設。20世紀50年代，我國開始了TBM技術研究與應用，天生橋電站是我國最早引進國外TBM技術施工的隧洞工程，然后在甘肅引大入秦、山西引黃入晉、掌鳩河引水、遼寧大伙房引水、青海引大濟湟、錦屏水電站、遼西北供水、甘肅引洮、遼寧引松、引漢濟渭、新疆ABH、蘭州水源地、新疆EH等工程得到推廣應用。20世紀90年代末期，我國在建設西康鐵路秦嶺隧道時引進了TBM技術，然后在西安—南京鐵路磨溝嶺隧道與桃花鋪1號隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道等特長隧道工程中得到了應用。21世紀近10年內，公路建設方面在新疆、四川等地也采用了TBM技術，整體上我國取得了很多寶貴的TBM隧道建設經驗。

長期以來，工程技術人員和業內專家對TBM隧道技術進行了大量的研究分析。文獻[3-4]對國外TBM技術發展進行了全面系統分析；文獻[5-8]對我國TBM技術發展，從“研發探索和試用、國外設計制造和國外施工、國外設計制造和自主施工、聯合設計制造和自主施工、國產化和面向國內外施工”五個階段進行了系統記述；文獻[9-10]對我國近年來TBM技術創新與實踐進行了分析。文獻[11-12]結合TBM在引松供水工程總干線四標段工程施工情況，研究了TBM的各項技術特點與主要設計參數，分析了TBM掘進各種地層(特別是灰巖地層)的特點及工程適應性。文獻[13-16]結合引漢濟渭、新疆ABH和錦屏水電站等工程在復雜不良地層(特別是高地應力巖爆)中的超前地質預報和預防處理施工，分析了巖爆發生的時空特征規律、三維地震波法和微震監測在TBM隧道中的應用價值，提出了TBM高地應力巖爆的防控目標、準則、技術方案及“裝備-掘進-支護”三者協同的“3-4-3-3”分級防控理論技術體系，總結了相關不良地層(特別是巖爆地層)的實際施工經驗。文獻[17-20]針對大瑞鐵路高黎貢山隧道的地質特征(軟弱破碎帶卡機、高壓突涌水等施工風險)、工程重難點和TBM應用情況，提出了高適應性TBM的針對性設計方案，研究了TBM超前地質預報、鋼筋排和鋼拱架聯合噴射混凝土及時支護、復雜地質TBM掘進參數等系列技術。文獻[21-24]在充分調研國內外眾多TBM工程基礎上，結合西部區域的地質特點，探討了TBM隧道施工適應性及選型技術，提出了TBM選型和針對性措施等結論與建議。

一系列的研究和應用，有力地促進了我國TBM技術的發展，但針對超長深埋高地應力隧道TBM建造技術，需要更為深入的研究。本文較為系統地分析了超長深埋高地應力下TBM隧道施工技術的主要問題，提出了超長深埋高地應力TBM隧道“防巖爆、控變形、防坍塌、治涌水”需要考慮的關鍵因素，給出了各種不良地質隧道的掘進控制、支護理念和應對措施，并對TBM智能掘進技術進行了分析與展望，以期為超長深埋高地應力隧道TBM施工提供一些借鑒和指導。

1 超長深埋高地應力TBM隧道的主要問題

TBM類型可分為敞開式、單護盾、雙護盾三種類型。敞開式TBM并不是沒有護盾，只是它的護盾是分塊式、非全圓、可徑向伸縮的護盾，而單、雙護盾TBM的護盾為全圓形剛性護盾。同時，敞開式TBM與雙護盾TBM主要是依靠撐靴提供掘進推力，而單護盾TBM依靠管片結構提供掘進推力；當雙護盾TBM采用單護盾形式掘進時，其掘進推力也只能靠管片結構提供掘進推力。隨著裝備技術的發展，在護盾式TBM的基礎上，結合盾構具有主動穩定掘進面特點，目前已開發出了利用螺旋輸送機和中心皮帶出渣的“雙模”TBM，既可實現單護盾TBM模式下的掘進，也可實現土壓平衡方式的掘進。此外，結合噴錨支護的特點，開發出了敞開式“雙結構”TBM，既可采用管片支護，也可采用錨噴支護。

隧道工程選擇TBM工法，首先，要能夠發揮TBM施工速度的優勢，按隧道圍巖分級，Ⅱ—Ⅳ級圍巖TBM的施工速度可以達到鉆爆法的4倍以上，但不良地質會經常導致TBM“被卡”“被困”[25-28],嚴重影響施工效率，一般認為若隧道的Ⅴ、Ⅵ級圍巖占比超過15%，就不宜采用TBM施工；其次，要結合隧道長度、設置輔助坑道條件、工期要求等綜合分析選擇TBM法的合理性。另外，隧道所處的環境對人員體能、設備效能的影響，也是選擇TBM工法的重要因素。對于超長深埋高地應力隧道，不可避免會遇到各種各樣的不良地質，如何解決不良地質中TBM施工的問題就成為關鍵。

對于超長深埋高地應力隧道，需要高度重視TBM本身屬性對施工的影響：①穩定掘進面的缺陷性，與現代盾構技術不同，TBM不具備主動穩定掘進面的能力；②支護施作的滯后性，無論是敞開式TBM，還是護盾式TBM，從刀盤前端到護盾尾部這一區域的圍巖是處于無支護狀態；③超前處置的局限性，由于護盾內及緊鄰護盾尾部位布置了拱架安裝機、錨桿裝機、內置皮帶的主梁等，致使超前鉆孔、超前管棚、超前注漿等都受到制約。

1.1 地質勘察問題

TBM工法的高效優勢極其依賴地質條件，因此地質勘探和超前地質預報非常重要[29-33]，需要盡可能地在工程前期與施工中摸清前方各種不良地質的性態、位置、規模。超長深埋隧道一般都是穿越艱難險峻的高山地區，甚至是高原高寒地區，受客觀條件的影響，其野外地勘難度極大；而高空物探，其準確性不足以支撐TBM工法選擇。在TBM環境下干擾源多，影響地質超前預報的便捷性與準確性；同時，TBM掘進速度較快，日進度可達60 m以上。因此，及時性是評價TBM地質超前預報效用的關鍵性指標。

除上述原因導致隧道工程的地質不確定性外，巖土體還具有壓硬性(變異性)、應變與應力路徑關聯性等特點。許多TBM隧道因地質不確定性與過程的多變性帶來了不少問題，在國內，如錦屏電站隧洞工程因巖爆問題棄用TBM、掌鳩河引水隧洞因變形問題最后改為鉆爆法等；在國外，如萊索托引水工程遇到突涌問題，被迫重新改造TBM；圣哥達基線隧道TBM遇到的復雜地質，造成工期、造價極大地超出了預期。

1.2 巖爆問題

巖爆與其他的巖體破壞形式不同，其顯著特征是爆落的巖塊具有明顯的彈射性。巖爆的沖擊能量對隧道施工人員與施工設備具有更大的傷害，且不確定性更明顯；但巖爆發生后，圍巖自身又具有很好的穩定性。隧道工程發生巖爆的原因復雜，與巖體的應力狀態、強度、儲能特性及巖體結構完整性相關，也與隧道的開挖方式相關[34-39]。到目前為止，還沒有一套完整的理論可以準確地解析巖爆機理；大量工程經驗表明，發生巖爆至少應具備兩個條件：①巖體具有較好的儲能特征;②隧道圍巖的強度應力比相對較低。

在超長深埋高地應力隧道中，對于具有較好儲能特性的巖體，無論是硬質巖，還是軟質巖，都有發生巖爆的可能。由于TBM設備龐大，且沿隧道軸向長度可達200 m以上，TBM法應對巖爆不可能像鉆爆法一樣撤離設備與人員躲避巖爆。巖爆不僅會嚴重降低TBM施工效率、造成支護結構破壞、增大工程造價，甚至可能會造成TBM設備毀壞、人員傷亡等重大事故。如引漢濟渭秦嶺隧洞，在長達十多公里隧洞段頻繁發生巖爆(其中強烈巖爆段近5 km)，盡管在技術上取得了突破，確保了人員與TBM設備的安全，但TBM的施工進度仍受到較大的影響，且工程費用大幅增加。

1.3 軟弱圍巖的變形問題

超長深埋高地應力隧道的軟弱圍巖，突出的問題是隧道變形。高地應力軟弱圍巖的變形屬于壓剪破壞形式，表現出明顯的塑性蠕變與流變特征，稱之為擠壓變形；超長深埋隧道還經常會遇到深層火成巖的蝕變，發生擠壓性變形。擠壓性變形的主要特點為在一定的支護下“隧道變而難塌，巖體碎而不散”。

高地應力軟弱圍巖隧道采用鉆爆法時，由于支護方法不當或支護剛度不協調，會發生隧道斷面侵限或支護結構破壞的現象，支護結構常需拆換，造成工程成本加大，并嚴重影響工期。采用TBM法除了上述問題外，還經常會出現刀盤“卡死”、護盾“抱死”的現象[40-46]。如青海引大濟湟隧洞工程，場區實測地應力達32 MPa，雙護盾TBM的護盾經常被“抱死”、管片結構嚴重錯臺，不得不采用輔助工法進行TBM脫困。

1.4 地層坍塌問題

破碎地層主要有斷層破碎帶和節理密集帶兩類。在破碎地層中采用鉆爆法時，為防止坍塌，一般都要施作超前小導管或管棚，必要時注漿改善圍巖性態，為隧道開挖和支護創造條件。采用TBM施工時，破碎圍巖表現出“間隙性坍塌，無支難穩”的特征。如掘進面破碎巖體塌落，致使刀具異常破壞，甚至刀盤“被卡”；如護盾頂部破碎巖體坍塌，導致護盾收縮或護盾“被困”[47-49]，造成支護不能安裝到位。在大瑞鐵路高黎貢山隧道，因連續遇到破碎巖體坍塌，致使多段的初支凈空不滿足設計要求。

1.5 富水構造帶突涌水問題

富水構造帶大致可以劃分為4種類型：①富水斷層帶，對于正斷層，破碎巖塊間少有細顆粒充填，極易發生突水；對于逆斷層，其上盤一般為強烈破碎巖體，極易產生突泥涌水。②富水褶皺，無論是背斜還是向斜，其巖體都相對破碎，擠壓作用越嚴重，巖體越破碎；富水褶皺一般為向斜構造，隧道穿越核部時突水問題將會極其突出。③節理密集帶，巖體節理發育、且相互切割，致使巖體破碎，一般情況下節理密集帶是一個相對封閉的含水構造，其風險為突發坍塌伴隨涌水，但其涌水量一般會較快的衰減直至枯竭。在以上三類富水構造帶的明顯特征是“突涌坍塌相伴，不加固就成災”。④基巖的構造裂隙，基巖的構造裂隙對隧道的穩定性基本無影響，一旦發生突水，其流量與水壓的衰減速度慢，其危害性不容忽視。

深埋隧道的富水構造帶水壓高，在采用TBM施工時，富水構造帶會造成TBM刀盤“壓死”、TBM盾殼“抱死”、撐靴支撐力不足等問題，惡化隧道施工環境，嚴重影響TBM掘進，甚至造成人員傷亡、TBM被掩埋和損毀。在引大濟湟、引紅濟石、引漢濟渭秦嶺隧洞和高黎貢山隧道都發生過不同程度災害，給TBM施工帶來極大困難。引漢濟渭秦嶺隧洞在較為完整花崗巖地段因基巖裂隙突水，險些發生TBM水淹事故。

2 隧道解重構理念與方法

古代人們修建隧道的方法是采用“火燒水澆”或“金屬鑿鑚”挖出巖土體，借助巖土體的自穩能力而建造。隨著社會的發展，人類用“打眼放爆”的方式開挖巖土體，同時利用木材“支撐”修建隧道,見圖1，這就是傳統意義上的“礦山法”。隨著噴錨技術發展和發揮圍巖承載能力理念的提出，“支護”替代“支撐”，“新奧法”由此而生，新奧法原理見圖2。圖2中，Pa為圍巖徑向壓力,Ua為圍巖徑向位移。從圖2可以看出，“新奧法”本質上仍然是荷載-結構關系，只是“坍塌荷載”變為難以量化的“圍巖壓力”，體現了允許圍巖發生一定徑向位移的理念。

圖1 礦山法時代的隧道

圖2 新奧法原理圖

隧道開挖必然會使自然狀態下的地層在隧道周邊一定范圍內巖土體(以下借用傳統的概念，稱為“圍巖”)賦存環境發生改變，特別是圍巖的應力與圍巖的性態等，這一過程稱為“解構”。隧道修建過程中需要采用打設錨桿、噴射混凝土、架設拱架等技術措施(以下借用傳統的概念，稱為“支護”)，改善和控制圍巖賦存環境的變化，這一過程稱為“重構”。從廣義上看隧道工程的修建，解構與重構不能完全割裂劃分為兩個階段，因此將圍巖賦存環境變化的區域統稱為隧道場，把致使圍巖賦存環境變化的過程統稱為解重構。隧道場的概念示意見圖3。

圖3 隧道場的概念示意

隧道力學理論重點關注隧道場的應力狀態變化[50](圖4,A、B、C為三個不同半徑上的測點；曲線1、2、3分別為A、B、C點的徑向切向應力)，而隧道工程現場重點關注支護結構的形態變化(如周邊收斂、拱頂下沉)。如何使理論與現場達到相互統一協調，是隧道場解重構理論方法的出發點與落腳點。

圖4 隧道場圍巖應力變化規律

巖土體的性態與金屬等晶格構造材料的性態具有顯著差異[51]，巖土體基本服從摩爾-庫倫準則，而金屬材料基本服從屈瑞斯卡準則，見圖5。圖5中，c為黏聚力，φ為摩擦角。由于巖土體是由顆粒堆積和膠結而成，具有明顯的壓硬性和拉脆性，即巖土體受壓后的強度與剛度都會提高；而土體基本沒有抗拉能力，巖體的抗拉強度一般為受壓強度的1/10左右。此外，巖土體又具有雙強度特征，具有黏聚力與摩擦力兩重特征，在其受力過程中，通常是黏聚力發揮作用早于摩擦力，且黏聚力衰減較快、摩擦力衰減較慢，表現出巖土體的硬化與軟化特性。因此，隧道場解重構理論方法，就是要研究如何利用巖土體的壓硬性與雙強度特征。

圖5 巖土體與金屬材料屈服準則

在大瑞鐵路高黎貢山TBM隧道段現場，聯合武漢大學進行了原位測試，測試斷面和測點布置見圖6，得到重構過程中隧道場圍巖應力、圍巖波速度以及圍巖位移的變化規律等[52]。高黎貢山隧道全長34.5 km，由正洞和貫通平導組成，正洞與平導的線間距為30 m；進口段正洞采用直徑9.03 m的敞開式TBM 施工，平導采用直徑6.39 m的敞開式TBM施工，該段隧道圍巖為燕山期花崗巖，隧道埋深250 m，按TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[53]劃分測試段圍巖為Ⅲ級，隧道斷面及支護設計見圖7。現場測得此處水平最大主應力σ1為11.68 MPa，水平最小主應力σ3為3.47 MPa，水平最大主應力方向與洞軸線交角26.96°。同時，進行了巖樣單軸及常規三軸壓縮試驗，得到高黎貢山此隧道花崗巖的偏應力-應變曲線,見圖8。由圖8可見，通過計算分析得到單軸抗壓強度為91.14 MPa，彈性模量為41.42 GPa，泊松比0.16，黏聚力為19.68 MPa,內摩擦角為52.4°。

圖6 測試斷面及測點布置

圖7 TBM隧道斷面與支護(單位：cm)

圖8 花崗巖偏應力-應變曲線

實測主應力變化值見表1。在正洞解重構過程中，當TBM掘進面離測試面約12 m時(相當于1.3倍洞徑)，主應力發生變化明顯；當掘進面超過測試面15 m后(相當于1.6倍洞徑)主應力調整趨于穩定。

表1 解重構過程中距離洞壁2 m的圍巖最大/最小主應力變化值

根據摩爾-庫倫準則，假定圍巖的c、φ值不變，結合現場實測數據，隧道場解重構過程中的圍巖力學狀態關系見圖9，以自然狀態下為基點進行安全性評價，TBM掘進面超過測試面2.5 m時，其安全性下降了37%；TBM掘進面超過測試面15 m時(測試面支護已完成)，其安全性僅下降了25%。

圖9 圍巖應力變化的安全性分析

實際上隧道場解重構過程中，圍巖的性態會發生變化，特別是圍巖的c、φ值會發生變化。圍巖的波速度值是反映巖土體綜合性能的重要指標，隧道場圍巖波速度變化見圖10。圖10中，紅色曲線表示掘進面與測試斷面的距離為15 m;綠色曲線表示掘進面與測試斷面的距離為-5～15 m;藍色曲線表示掘進面與測試斷面的距離為20 m。由圖10可見，如掘進面距離測試面大于15 m，圍巖的波速度基本無變化，隨著掘進面不斷接近測試斷面，圍巖波速度顯著下降，既是掘進面超過測試面20 m，圍巖波速度依然出現了較大下降，且影響深度(距離隧道壁)近9 m。解重構過程圍巖深部位移見圖11。由圖11可見，圍巖位移明顯是TBM掘進面距測試面為-5～10 m的范圍，且深部穩定后，隧道淺部圍巖還會發生位移。

圖10 隧道場圍巖波速度變化

圖11 解重構過程圍巖深部位移

由于圍巖的黏聚力衰減較快，而摩擦力衰減較慢，假定圍巖在發生可控變形內圍巖的摩擦角不變，可把圍巖波速度的變化率(v/v0)當作黏聚力的變化率。根據摩爾-庫倫準則，綜合圍巖的應力與性態，以圍巖自然性狀況的性態為基點，高黎貢山TBM隧道在解重構過程中，當TBM掘進面超過測試斷面2.5 m時，其安全性減小了68.3%；掘進面超過測試斷面15 m時，其安全性減小了68.8%，見圖12。

圖12 隧道解重構安全性分析

以上研究表明，現代隧道工程理論，特別是計算方法不考慮圍巖性態的變化，只關注圍巖應力的變化是不夠的，特別是深埋隧道。隧道場解重構理論方法的出發點就是要揭示隧道場解重構過程中圍巖應力和性態的變化規律，建立綜合考慮效率、經濟的隧道工程技術體系，達到主動控制隧道場圍巖性態的變化、誘導隧道場圍巖應力的調整。

3 超長深埋高地應力TBM隧道巖爆對策

一般情況下，超長深埋高地應力隧道選擇TBM工法時，隧道穿越的圍巖大部分完整性較好且巖石強度較高，其巖爆問題將會較為突出。正如前述，巖爆發生與否主要與圍巖的應力狀態、圍巖內部微裂紋和巖體的儲能能力有關，巖爆具有明顯的不確定性和彈射性，對TBM施工人員與設備的安全威脅極大。因此，TBM隧道施工應從“監測預警-裝備配套-掘進控制-支護防治”協同考慮巖爆的防控問題。

3.1 巖爆預測與預警

3.1.1 巖爆預測

超長深埋高地應力隧道的巖爆預測是TBM隧道可研與設計階段的關鍵性問題，不僅關系到TBM的選型及其針對性設計，更涉及到隧道工期目標制定的可行性、工程投資概算的合理性。

目前世界上對隧道巖爆的預測基本上都是按照強度應力比確定，并根據式(1)計算值，將巖爆劃分為輕微、中等、強烈與極強烈四個等級。我國勘察設計階段基于巖石強度應力比的爆等級評價依據見表2，也是我國現行TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[53]對巖爆等級的劃分標準，并依此對不同等級的巖爆確定相應的支護參數。

(1)

式中：S為強度應力比；Rc為巖石飽和單軸抗壓強度，MPa；σm為原態地層最大主應力，MPa。

表2 基于巖石強度應力比的巖爆等級劃分

巖體破壞且脫離母巖的巖塊發生彈射，才屬于巖爆的范疇，而表2僅給出了巖體的強度破壞原因，而不能表達其彈射能力。正因為如此，在大量的實際隧道工程中一般性的巖石強度破壞問題，也可能會被描述為巖爆問題，如巖體結構面因剪切強度不足而破壞，盡管這一過程會產生微震或聲發射現象，很顯然這一破壞形式不具備巖爆的彈射性。

20世紀90年代，一些學者與技術人員通過對太平驛電站引水隧洞的花崗巖室內試驗[54]，獲得了巖石的三軸應力-應變試驗曲線，并結合巖石破壞時的聲發射現象,提出了從能量的角度判別巖爆的準則，即用巖石破壞后釋放的彈性能與破壞過程中非彈性變形所消耗的能量的比值W(以下稱為能耗比)為

(2)

式中：We為巖石破壞后釋放的彈性能；Wp為巖石破壞過程中消耗的非彈性能。

不同圍壓下花崗巖的應力-應變曲線與聲發射測試圖見圖13。

圖13 不同圍壓下花崗巖的應力-應變曲線與聲發射測試圖

顯然當能耗比等于1.0時，巖體破壞后區釋放與消耗的能量相等，沒有足夠的能量使巖塊產生彈射，因而即使破壞也不會產生巖爆。考慮巖體裂紋的產生與擴展導致破壞的過程中, 還會因摩擦等原因消耗能量，故可將此值取為1.5作為是否發生巖爆的臨界值。太平驛引水隧洞花崗巖在不同圍壓下的能耗比見表3。由表3可見，鑒于太平驛隧洞的巖石性態，如果圍壓大于5 MPa，則不會發生巖爆。從隧道工程角度分析，由于隧道場解構后圍巖表面的徑向應力為零，當前技術方法要提供5 MPa的圍壓幾乎是不可能。因此，重構仍難以杜絕巖爆的發生，尤其是因TBM支護的滯后性更難杜絕巖爆的發生。

表3 太平驛引水隧洞花崗巖在不同圍壓下的能耗比

設計階段的巖爆預測，除了目前普遍采用的原位地應力測試和室內巖石強度試驗外，還應當通過三軸應力-應變試驗得到巖體的儲能特性，只有二者相結合才能做出更可靠的預判。

3.1.2 巖爆的預警

超長深埋高地應力隧道的巖爆預警是TBM隧道施工階段的關鍵性問題。然而，施工過程中不可能在現場頻繁地進行地應力、巖體強度與儲能特征測試，巖體內部微裂紋也是難以獲得的。因此，施工現場要精準預報巖爆是極其困難的。在隧道場解重構過程中，巖爆有一個孕育過程，在設計預測的基礎上，通過監聽對巖體破裂聲進行巖爆預警是有可能的，這樣有利于人員和設備在巖爆發生前進行規避。在太平驛引水隧洞施工中，主要是通過“聽聲音”進行巖爆預警，即通過“耳聽”巖體內部裂紋擴展時聲音的頻度、清脆或沉悶進行判斷，有效地規避了巖爆發生時人員傷亡與設備毀壞。隨著現代技術的發展，馮夏庭、唐春安等做了大量研究，開發了微震監測技術，為巖爆的預警提供了更準確高效的技術與方法。

微震監測系統是通過監測巖體破裂時微震事件的各項指標，建立理論模型，經過工程現場的不斷迭代逼近進行巖爆預警。一般通過微震事件的聚集位置判斷巖爆位置，通過微震事件的能級和頻度判斷巖爆的強弱，引漢濟渭秦嶺隧洞微震監測團隊基于24 h內微震事件提出的巖爆預警評判準則見表4。

表4 基于微震監測的巖爆預警評判

引漢濟渭秦嶺隧洞全長89.3 km，隧洞最大埋深2 050 m, 近35 km的隧洞段采用直徑8.05 m的敞開式TBM施工。隧洞穿越的巖性主要為石英巖、花崗巖與閃長巖，巖石平均單軸抗壓強度185 MPa,最高強度達307.9 MPa，實測洞身最大水平地應力超過60 MPa，與隧洞軸線的交角約70°。為此，針對TBM隧道施工特點所研制的微震監測系統，克服了TBM設備各種條件的制約與信號源的干擾，盡管持續不斷的中等與強烈級巖爆嚴重影響了施工進度，且工程造價劇增，但確保了巖爆段未發生人員傷亡與設備毀壞事故。

3.2 巖爆時空規律

TBM隧道發生巖爆的時空規律，對如何防控巖爆具有重要地指導意義。對引漢濟渭秦嶺隧洞中相對完整的788組巖爆數據分析，得到了巖爆的發生時間(掘進后的時間)、發生位置(到掌子面的距離)和影響范圍三個方面的TBM隧道巖爆特征規律[55]。

不同等級巖爆發生時間統計見表5。由表5可見，90%以上巖爆發生在TBM掘進后24 h以內，且22.3%～40%巖爆發生在TBM掘進后10 h以內，而掘進后10～24 h時段內發生巖爆的頻率最高，約9%的強烈巖爆發生在掘進后24～48 h。因此，巖爆的重點防控時間應在TBM掘進后24 h以內。

表5 不同等級巖爆發生時間統計 %

不同等級巖爆發生位置統計見表6。由表6可見，近90%的巖爆發生在與掘進面相距15 m以內的范圍，且超過30%的強烈級以上巖爆發生在距掘進面5 m以內，僅有約10%的中等級以下巖爆發生在距掘進面5 m內。將發生在護盾后部的巖爆稱為“滯后性巖爆”，輕微-中等級巖爆滯后性明顯高于強烈-極強級巖爆。護盾式TBM比敞開式TBM的護盾長，且護盾式TBM的護盾為完整圓筒，剛度大，因此，僅從巖爆的安全防護考慮，護盾式TBM具有較大的優勢。

表6 不同等級巖爆發生位置統計 %

不同等級巖爆發生位置與日進尺關系見表7。由表7可見，TBM掘進日進尺對巖爆發生時間基本沒有影響，但對發生的相對位置影響很大。敞開式TBM護盾在軸向長度最短，一般也有6 m左右，控制日進尺時，發生在護盾部位的強烈巖爆概率可提高47.2%。

表7 不同等級巖爆發生位置與日進尺關系 %

3.3 巖爆隧道TBM選型

巖爆隧道TBM選型主要考慮TBM裝備對巖爆的防控能力、支護結構或管片結構對巖爆的防控能力、施工效率與經濟性等因素。無論是采用哪種類型的TBM，發生在掘進工作面的巖爆對刀盤、刀具的損傷都是一樣的；巖爆地層掘進面不存在穩定性問題，因此，雙模TBM不應作為巖爆隧道的選項。對于發生在護盾部位的巖爆，由于敞開式TBM護盾為浮動式，浮動油缸的壓縮具有一定的吸能作用；而單護盾與雙護盾TBM的護盾剛性相對大，其吸能效果更好。工程經驗表明，對于中等及以下的巖爆，護盾具有足夠的防控能力；對強烈或極強巖爆，TBM護盾需要進行特殊設計。

根據TBM隧道巖爆的時空規律，正常掘進下，滯后性巖爆發生的概率達60%左右。盡管護盾具有較好的防護作用，但由于TBM支護滯后的屬性，通常隧道在護盾范圍內是沒有支護的，難以采用技術措施來遏制巖爆的發生或降低巖爆等級。由于TBM超前處理的局限性，采用超前支護或超前鉆孔釋放應力等措施工效低、不經濟，且護盾越長施工難度越大；另一方面，在護盾部位發生巖爆，爆落的巖塊會聚集在護盾周圍，嚴重時會造成護盾“抱死”，護盾越長其嚴重程度越大。因此，巖爆地層一般不宜選擇護盾式TBM。

巖爆地層圍巖相對完整，巖爆發生后，隧道仍然能夠自穩。因此，巖爆隧道的支護主要作用有2個：①防護作用，承受滯后巖爆的沖擊力與爆落巖塊形成的荷載，以防止彈射巖塊落入隧道內對施工人員與施工設備造成傷害；可提高TBM施工效率，其主要形式為連續鋼筋排與拱架。②防控作用，從隧道場解重構理論與巖爆機理方面，改善隧道場圍巖應力狀態，降低其能耗比，從而達到遏制巖爆或降低巖爆的等級，比較經濟與效率較高的支護形式為預應力錨桿(索)。因此，巖爆隧道宜優先選擇敞開式TBM。

3.4 巖爆地層TBM施工技術

防止巖爆的發生或降低巖爆等級，避免巖爆對施工人員、設備的傷害和支護結構的破壞是TBM隧道施工的關鍵，TBM隧道施工防控巖爆應從掘進控制、支護技術與避險措施等三方面進行。

3.4.1 掘進參數控制

在TBM掘進參數的控制方面，主要應結合巖爆發生的部位、時間以及巖爆造成的影響等多方面進行控制，主要措施有：

(1)對于掘進面正面發生巖爆的狀況，巖爆會造成掘進面不平整，對刀具形成異常損壞，因此掘進時不宜采用高轉速。掘進刀具受力波動大，其推力也應適當加以控制，一般情況下刀盤轉速不宜高于3 rpm，掘進推力應控制在刀具承載力的70%以內，即采取“低轉速、小推力”的模式掘進，尤其是強烈巖爆時更要控制到位。

(2)對于隧道洞壁發生巖爆的狀況，結合支護結構防控巖爆的能力，在輕微及中等級別的巖爆段掘進，宜采用“高轉速、大推力”模式快速掘進，以避免刀盤“被卡”、護盾“被困”。在強烈及以上級別巖爆段掘進，應控制施工進度，盡可能讓巖爆發生在護盾部位，降低支護施工的安全風險和支護結構的破壞率，宜采用“大推力、低轉速”模式掘進，有利于防止護盾“被困”。

(3)如采用護盾式TBM施工，由于采用了管片結構，其安全風險相對較低。因此，對于隧道洞壁發生巖爆的狀況，應采用“高轉速、大推力”模式快速掘進。如采用雙護盾TBM施工，應采用單護盾模式掘進。

3.4.2 支護技術

防控巖爆是巖爆隧道的支護主要目的。護盾式TBM的支護就是管片襯砌，敞開式TBM的支護主要為錨桿、掛網、鋼筋排、噴射混凝土與鋼拱架等，但應結合微震監測結果進行分級支護。根據巖爆的形成機理以及隧道場解重構理論方法，應優先考慮采用預應力錨桿(索)構建圍巖三維應力狀態。此外，強化巖爆孕育過程中圍巖裂紋產生或擴張的能量消耗，降低能耗比。

輕微巖爆的巖塊多為薄片狀，塊體較小，且彈射沖擊能量小，基本上不會造成施工裝備的傷害。因此，支護主要以防護為主，一般采用“短錨+網片+噴混”支護。圍巖出露護盾后，應立即掛網，并施作錨桿，一般應采用脹殼式錨桿，長度一般不大于2.5 m。同時，要做到支護速度與TBM掘進速度同步，以防止巖塊彈射傷及作業人員。由于敞開式TBM的特點，噴射混凝土工序一般在后部進行。輕微巖爆段TBM的施工進度，一般只有非巖爆段的80%左右。

中等巖爆的巖塊大多為片狀或和薄塊狀，并具有一定體積，巖塊彈射具有一定的沖擊能量，極易對施工人員造成較大傷害，砸壞施工裝備。因此，支護應以防控為主，一般采用“錨桿+鋼筋排+鋼拱架+噴混”支護。施工步序為，先在護盾內置的儲存倉預置鋼筋排，鋼筋排一端由鋼拱架支撐，另一端由護盾支撐，鋼筋排隨TBM掘進連續滑出，當達到一個施工步距或半個施工步距時，立即架設鋼拱架；然后，在鋼拱架和鋼筋排防護下施作預應力錨桿，錨桿應布置在兩榀拱架之間,錨桿長度一般不大于4.5 m。同樣，噴射混凝土工序將在后部進行，如拱架背后存在較多巖爆形成的巖塊，噴射混凝土完成后，還應進行背后注漿固結巖塊。中等巖爆段TBM的施工進度一般只有非巖爆段的60%左右。

鋼拱架的間距和型號應根據等級內巖爆沖擊能量的大小進行調整，巖爆頻度與沖擊能量越大，要求鋼拱架的斷面尺寸越大、間距越小。引漢濟渭TBM隧洞段在中等巖爆下，鋼拱架由原計劃的H100調整為H150、鋼拱架間距為0.9 m(局部間距為1.8 m)、錨桿為長3.5 m的脹殼式錨桿。

強烈巖爆的巖塊大多為塊體，其體積相對較大，巖塊彈射沖擊能量大，會對施工人員、施工設備與支護結構造成較大的傷害與破壞。因此，在強烈巖爆地段采用敞開式TBM施工，必須貫徹“控制進度、強化防控、主動支護”的原則。根據微震監測巖爆預警結果統計分析，強烈巖爆的預警準確率較高，首先，要主動控制TBM掘進的日進尺，充分發揮TBM護盾的巖爆防護能力；其次，要強化“錨桿+鋼筋排+鋼拱架”的防控能力。尤其要強化預應力錨桿(索)的作用，如NPR錨索等，錨固劑應采用錨固快、錨效高的環氧樹脂，大預應力錨索可以對圍巖施加較高的圍壓，并利用錨桿(索)的高耗能特性遏制巖爆或降低巖爆的等級。錨桿(索)的長度一般不大于6 m，支護施工工序與中等巖爆段基本相似，但在錨桿(索)施工完成后，應立即在鋼拱架間噴射混凝土。強烈巖爆段支護工作量大，要控制日進尺，強烈巖爆段的施工進度為一般巖爆段的30%左右。

在引漢濟渭TBM隧洞工程施工中，強烈巖爆地段采用了H150鋼拱架、鋼拱架間距為0.45 m(局部間距為0.9 m)、錨桿為長3.5 m的脹殼式錨桿。但因錨桿長度不夠、預應力不足，多次發生強烈巖爆致使支護結構破壞。根據敞開式TBM的特點，如無滯后性強烈巖爆，即使在護盾范圍內發生了強烈巖爆，其支護結構可能僅需承受承爆落巖塊形成的荷載。

極強巖爆的巖塊多為大塊體，其體積巨大，彈射出來的巖塊沖擊能量極大，無論是護盾，還是支護結構都不足以防控極強巖爆，極易造成施工人員與設備的傷害，甚至具有“毀滅性”。如在錦屏水電站隧洞工程施工中，遇到滯后性極強巖爆，導致TBM被毀和多人傷亡。因此，在極強巖爆段采用TBM施工，必須采用技術措施降低巖爆級別至強烈巖爆以下，按相應巖爆分級進行施工。

巖爆發生機理表明，降低巖爆級別的技術途徑有：①主動調整隧道場圍巖應力狀態，如施作超前鉆孔、鉆爆法施工超前導洞等釋等放應力；②改善隧道場圍巖性態，如施作超前預應力錨桿(索)，降低圍巖的能耗比。在TBM隧道中，采用鉆爆法施工超前導洞，效率低、成本高，且風險大；施作超前鉆孔相對容易，可在孔內進行爆破造成巖體局部破裂，則有可能降低巖爆等級，是比較安全的方法。

在引漢濟渭TBM隧洞工程，采用水錘鉆進行了3次超前鉆孔釋放應力試驗。以第2次超前鉆孔為例，本次鉆孔段里程為K40+768.5—K40+816.0 ，在隧洞隧道拱部85°范圍打設了5個孔徑102 mm、孔深46～47.5 m、傾角5°～7°的超前鉆孔，總計耗時近3.5 d。分析同段落鉆孔前后微震監測的單日最大能量釋放量與單日累計能量釋放量見圖14。由圖14可見，同一區段鉆孔后，其單日微震事件單次最大釋能量較鉆孔前減少約61.9%；單日微震事件的累計最大釋能量較鉆孔前降低了85.2%；超前鉆孔釋放應力對降低巖爆等級有明顯的效果。目前該工法只有一個工程的經驗，需要在其他工程中進一步驗證。

圖14 同地段超前鉆孔前后單日最大、累計釋能量對比

何滿潮等[56]的研究與發明，NPR錨索不但可以提供恒阻力，而且具有較強的吸能潛力。在隧道解重構過程中，如施作超巖前預應力錨索，既可以較好地維持隧道場圍巖處于三維應力狀態，又可以在巖爆孕育過程中消耗應變能，降低圍巖能耗比，從而達到遏制或降低巖爆等級的目的。因此，超前NPR錨索可以作為另一種降低爆等級的技術措施。

3.4.3 施工避險措施

巖爆隧道采用TBM施工時，為規避滯后性強烈巖爆造成的設備損壞與人員傷亡，應采取如下避險與應急措施：

(1)巖爆地段作業人員應穿戴鋼頭盔、防彈衣、防砸手套、防砸鞋等防護用品，并對設備的重要部件進行防護。

(2)巖爆地段的支護以快速為主，并盡可能采用機械作業代替人工作業，減少作業人員數量、縮短支護施工時間。

(3)充分用好微震監測的預警，預警表明可能會發生強烈巖爆時，作業人員應撤離進入專設的防護區，待解除預警后再恢復施工。

(4)如出現大規模滯后性巖爆，應暫停施工，人員立即撤離至TBM安全保護區。同時，TBM設備應儲備必要的醫療用品、飲用水、干糧等應急物資。

3.5 巖爆隧道TBM針對性設計

TBM法與鉆爆法有明顯的不同。鉆爆法在巖爆預警后，設備人員可方便撤離，TBM是大型施工裝備，龐大且造價高，即使預知會發生巖爆，也不可能將TBM設備撤離，為保障施工人員與設備的安全，滿足建設質量、工期、投資的要求，巖爆隧道TBM裝備必須進行針對性設計。

(1)TBM刀盤除按常規強度剛度設計外，還應按抗沖擊荷載進行設計。護盾要按防控強烈巖爆要求進行針對性設計。

(2)巖爆會擠壓刀盤，爆落的巖塊甚至會導致刀盤“被卡”，巖爆地層的TBM工作扭矩要求大于一般巖石地層，其驅動系統也應進行針對性設計。

(3)必須配置機載微震監測系統，TBM控制室應能全天候顯示微震事件，以便TBM主司機及時形象地了解微震事件發生的頻度、能級及部位，實時掌握巖爆預警信息。

(4)對于極強巖爆需要進行超解決前鉆孔或施作超前錨桿(索)，TBM需要配備高效率的超前鉆機。采用敞開式TBM時，對于強烈巖爆需及時噴射混凝土，TBM需要配置前置式噴射混凝土系統。在此特別提出，目前的TBM設計，仍未解決其錨桿鉆機打徑向孔的問題，致使錨桿效能不能得到很好地發揮，有待相關專家學者進一步研究。

(5)巖爆地層的TBM設計與一般巖石地層不一樣。敞開式TBM的護盾是浮動支撐的，發生在護盾部位的巖爆會導致護盾內縮；同時，隨著TBM掘進，爆落的巖塊脫離護盾后會擠壓鋼筋排，從而導致支護不能緊貼隧道開挖輪廓，致使隧道空間變小,支護結構“侵限”。因此，TBM刀盤開挖直徑需進行針對性設計。

4 超長深埋高地應力TBM隧道軟巖變形對策

高地應力軟巖隧道的變形控制是世界級難題。鉆爆法施工時，變形控制不到位會導致隧道斷面侵限、支護結構破壞等，嚴重影響隧道施工效率，增加工程造價，甚至造成安全風險，見圖15。當然軟巖隧道大變形是一個相對概念，高地應力下軟巖隧道是否發生大變形與隧道支護體系的強度剛度等密切相關。國內外學者的理論研究與實踐表明[57-58]，在不考慮膨脹巖這一特殊原因外，軟巖隧道的大變形主要是因為高地應力作用下的巖體剪切變形。TBM隧道施工發生大變形時，除了像鉆爆法一樣產生侵限、支護破壞外，TBM隧道開挖尺寸不像鉆爆法一樣可以根據需要隨時調整，還會造成TBM護盾被“抱死”等問題，嚴重影響TBM的施工效率。盡管TBM隧道地質條件一般相對較好，但超長TBM隧道很難完全規避軟巖變形問題。因此，必須正視TBM隧道高地應力軟巖變形問題。在萬家寨、引大濟湟、引紅濟石等引水隧洞中，高地應力軟巖變形問題都非常突出，TBM施工受到了極大影響。

圖15 高地應力軟巖隧道變形

4.1 高地應力軟巖變形的TBM應對理念與方法

軟巖的定義一直是國內外爭論的問題，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義。國際巖石力學學會將軟巖定義為單軸抗壓強度在0.5～25 MPa的巖石；在隧道工程領域，國際上也提出了“工程軟巖”的概念，是指在工程力作用下產生顯著塑性變形的巖體，強調了軟巖的工程屬性。按照新奧法原理，為抵抗軟巖變形，需要支護提供抗力，如抗力不足，軟巖變形會導致隧道結構變形超出允許值而產生侵限，甚至導致支護結構破壞(發生擠壓性破壞)。根據隧道場解重構理論方法與巖土體的壓硬性，可以歸結到軟巖剛度不足且軟巖剛度與支護剛度不協調，致使圍巖與支護的變形協同而不協調。

4.1.1 軟巖變形控制理念與方法

軟巖在自然狀況下受到約束處于穩定狀態，但隨著隧道場解構，其賦存環境發生了變化，致使發生擠出變形。要控制其變化：①采用強大的支護結構進行“強支硬頂”限制變形、抵抗變形；②采用可收縮或壓縮的“讓壓支護”，被動地讓圍巖發生部分變形，通過支護結構變形消耗部分擠壓形變能，最終達到抗變；③采用主動支護，主動提高軟巖剛度，改變軟巖的應力狀態，使軟巖剛度與拱架噴射混凝土支護剛度相匹配，最終達到控變。當然，對于采用TBM施工的隧道，還需考慮“擠壓變形”是否會造成護盾被“抱死”的問題。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道與渭武高速公路木寨嶺隧道，采用兩種不同理念進行施工。蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19.2 km，為雙洞單線隧道，隧道洞身最大埋深約700 m；巖性主要為板巖及炭質板巖，最大水平主應力為27.16 MPa，與隧道軸線的夾角為14°～19°，強度應力比為0.2。渭武高速公路木寨嶺隧道全長15.2 km，最大埋深629 m，設計速度80 km/h，雙向雙洞4車道，主要巖性同樣為板巖及炭質板巖。

鐵路木寨嶺隧道最困難的嶺脊段采用的施工方法，先行施工貫通導洞應力釋放，采用“三臺階+仰拱”的開挖方法，采用傳統的“錨噴網+拱架”被動支護方式，支護為三層，施作二次襯砌，見圖16。為了達到隧道斷面不侵限、隧道整體結構穩定的要求，在隧洞斷面修改為圓形的情況下，單線鐵路隧道開挖直徑達15.78 m。首層支護收斂量達724 mm，第二層支護收斂量達227 mm，第三層支護收斂變形量仍然達到140.5 mm。盡管該施工方法解決了“錨噴網+拱架”支護頻繁拆換的難題，并取得了明顯的效果，但其施工進度每月僅18 m。

圖16 蘭渝鐵路木寨嶺鐵路隧道結構斷面與嶺脊段圍巖

高速公路木寨嶺隧道開展了“主動支護為主+被動支護協同”的控制圍巖大變形試驗研究[59]，總體思路是采用“三臺階+仰拱一體化”開挖法。主動支護采用40 T預應力恒阻錨索(NPR錨索)，長度分別為5.3、10.3 m，縱向按0.6 m間距長短間隔布置，環向間距為1.0 m；被動支護為“鋼拱架+網噴混凝土”，拱架為H175型鋼，噴混凝土厚度250 mm，見圖17。錨索的施工時間安排在隧道開挖后、被動支護施工前，第一時間對圍巖施加預應力，及時構建三維應力狀態,主動改善圍巖性態，提高了圍巖的剛度(改變了圍巖的c、φ值)。監控量測數據表明，隧道的最大收斂量小于300 mm(單側)，隧道場圍巖剛度與鋼架網噴支護剛度相匹配，從而隧道場的變形整體相協調，且被動支護結構未見破壞狀況，月施工進度可達50 m。

圖17 渭武高速木寨嶺隧道恒阻錨索控制變形

4.1.2 軟巖大變形的預測

預測大變形的目的是為了確定該類隧道解重構的開挖方法與支護參數。目前，國內外關于隧道軟巖大變形的預測，基本上都是建立在利用軟巖強度應力綜合比S值(考慮了巖體完整系數影響)的基礎上，并以此對隧道大變形進行定性分級。

(3)

式中：Kv為巖體完整系數。

我國鐵路隧道對于軟巖大變形分級也是依據圍巖強度應力比進行劃分的。TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》[53]和Q/CR 9512—2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術規范》[60]中將大變形分為三級，等級越高變形越大，但分級標準有所差異，具體分級標準詳見表8。

表8 隧道大變形分級對比

對于TBM隧道，除了要對圍巖變形進行分級外，還必須要對圍巖變形是否會造成護盾被“抱死”進行判斷，為TBM是否采用擴挖技術提供依據。通過對高地應力軟巖變形卡機事故的分析，并結合監控量測的數據，提出了擠壓性圍巖卡機判識準則，見圖18。

圖18 擠壓性圍巖卡機判識準則

4.1.3 TBM隧道軟巖變形控制的總體思路

由于TBM支護的滯后性，無論是敞開式TBM,還是護盾式TBM，在護盾范圍內施作支護難度大、效率低，因此，高地應力軟巖TBM隧道變形的控制原則為“空間換時間、快掘早支護、主動控變形、監控調剛度”。以刀盤刀具的擴挖拓展變形空間，防止圍巖變形致使護盾“抱死”；快速掘進以減少護盾內無支護段的暴露時間，盡早提供施工支護條件；盡快施工預應力錨索(桿)，達到主動控制變形的目的；通過監控量測分析隧道被動支護的變形趨勢，以被動支護允許變形量的60%作為控制條件，必要時增加預應力錨索(桿)提升圍巖剛度，使圍巖剛度與被動支護的剛度相協調。

4.2 高地應力軟巖隧道TBM選型

超長深埋高地應力軟巖隧道選擇何種類型TBM應主要考慮如下因素：①軟巖變形的量級是否會造成護盾很容易“抱死”；②采用何種支護方式能夠控制隧道的變形，保障支護結構不發生破壞；③從施工效率與經濟性進行評估。

雙護盾TBM的撐靴是直接作用在無支護的圍巖上，高地應力軟巖隧道不應選擇雙護盾模式。單護盾TBM采用的管片結構，其掘進推力依靠管片支護提供，因此，從這一點分析選擇單護盾TBM是有利的。對軟巖大變形隧道，護盾式TBM的護盾相對于敞開式TBM較長，未支護的圍巖裸露時間也長，護盾更容易被“抱死”。結合引大濟湟工程的經驗，大變形等級達到Ⅲ級時，不宜選擇護盾式TBM。

要充分考慮“錨噴支護”的控變能力與管片結構“強支硬頂”的抗變能力。對比歐洲圣哥達基線隧道與布倫納基線隧道，早期施工的57 km的圣哥達基線隧道采用了敞開式TBM施工，由于巖爆和大變形問題，施工效果沒有達到預期。正在建設的64 km的布倫納基線隧道，為解決同樣的巖爆與大變形問題，正線隧道在奧地利端采用了兩臺單護盾TBM，支護結構為“400 mm厚管片結構+470 mm厚二次襯砌”，致使TBM開挖直徑達10.34 m(隧道內凈空直徑僅為8.1 m)；在意大利端采用了兩臺雙護盾TBM，支護結構為“450 mm厚管片結構+580 mm厚二次襯砌”，TBM開挖直徑達10.65 m，其效果有待進一步驗證，但從經濟上分析，國內是難以接受的。

綜上所述，根據隧道場解重構理論方法，從變形控制技術、施工可控性以及工程經濟性綜合分析，高地應力軟巖TBM隧道宜選擇敞開式TBM。

4.3 高地應力軟巖隧道TBM針對性設計

高地應力軟巖隧道的早期變形速率大，極易發生TBM護盾“被困”現象。若TBM裝備施作支護能力不夠，還會造成隧道斷面凈空不足、支護結構破壞等。因此，應用于高地應力軟巖隧道施工的敞開式TBM需要進行針對性設計。

為了避免TBM護盾“被困”，TBM開挖直徑需要針對性地考慮護盾段無支護的變形量，或者將刀盤弧形區的滾刀刀座進行專門的設計(圖19)，使之能增大TBM開挖直徑，達到“以空間換時間”的目的。

圖19 邊刀擴挖示意

主動支護是控制變形量的關鍵，應重點考慮TBM裝備施作主動支護能力與快捷性問題：①要具有施作長錨索(桿)的能力；②應滿足圍巖出露護盾后能及時施作主動支護，真正實現從發揮圍巖的承載能力到挖掘圍巖的承載能力。此外，還需要配備前置式混凝土噴射系統。

對Ⅲ級大變形的隧道，TBM應設計主驅動與刀盤抬升裝置。特殊設計可以抬升150～250 mm，結合刀具擴挖技術，TBM開挖輪廓可以擴大300 mm以上。

4.4 高地應力軟巖隧道TBM施工技術

高地應力軟巖隧道TBM施工應緊緊圍繞防止護盾“被困”與變形侵限兩大難題建立技術體系，同時建立TBM“被困”后的脫困技術。

4.4.1 TBM掘進技術

超長深埋高地應力軟巖隧道TBM施工時，應充分利用其“變而難塌，碎而不散”的特征，防止TBM的護盾“被困”。

采用“大推力、高轉速”模式掘進，刀盤轉速宜采用5～6 r/min，貫入度應在10 mm以上，實現快速掘進，以減少護盾部位未支護巖體的暴露時間，降低護盾“被困”可能性。

敞開式TBM掘進時，應利用浮動油缸頂升護盾至頂部，盡量使其緊貼開挖輪廓，減小變形速率。

在進入“大變形”地段前，應及時調整刀具使其具有一定的擴挖能力；對于較長段落的大變形地層，必要時要啟用主驅動與刀盤提升裝置。這兩項技術措施主要是降低護盾“抱死”的可能性。

4.4.2 TBM支護施工技術

采用敞開式TBM施工時，圍巖出露護盾一定距離后，應立即采用環氧樹脂錨固劑施作徑向預應力錨桿(索)，提高圍巖剛度和構建圍巖三維應力狀態。圍巖出露護盾的距離滿足設計的鋼拱架間距時，及時安裝鋼拱架支撐鋼筋排，完成一個施工步距后立即噴射混凝土。

及時進行監控量測，分析“拱架+噴混凝土”支護的變形趨勢，判識其變形是否會超出允許值。若超過允許值應加強預應力錨桿(索)，進一步提高圍巖剛度，確保圍巖剛度與“拱架+噴混凝土”支護剛度匹配，達到整體變形的協調。

采用護盾式TBM施工時，應及時回填豆粒石，并根據管片結構的變形狀況，確定是否要及時注漿充填。

4.4.3 TBM脫困技術

高地應力軟巖隧道，可能會造成TBM護盾“被困”致使TBM無法向前掘進，此時需要采用輔助方法進行TBM的脫困。首先通過隧道頂部開孔開挖小導洞，然后利用小導洞進行兩側同步擴展，解除圍巖對護盾的擠壓，擴挖過程中應邊擴挖邊支護，確保擴挖過程的安全。擴挖完成后，TBM慢速向前掘進，并同步安裝拱架和鋼筋網。TBM脫困后，應回填上部空腔。

5 超長深埋高地應力TBM隧道破碎地層對策

超長深埋高地應力隧道采用TBM施工時，如何安全穿斷層破碎帶及節理密集帶等不良地層是關鍵[61]。與高應力軟巖隧道地層變形不同，破碎地層最明顯的特征是“坍穩交替，無支不穩”。

5.1 破碎地層對TBM施工的影響

在破碎地層采用TBM施工，由于TBM本身的屬性，主要有以下幾方面的影響。

(1)刀盤“被卡”。在斷層破碎帶或節理裂隙密集帶，由于局部坍塌會在刀盤周邊及前方形成塊狀堆積體，不規則交錯巖體卡在滾刀與掌子面、刮渣口與周邊巖體之間，致使刀盤無法轉動而影響掘進。此外，巖塊和松散礫狀渣料壓緊運輸皮帶，致使刀盤無法轉動。

(2)護盾 “被困”。由于破碎地層在護盾區域持續坍塌，導致大量松散巖塊與渣體堆積在護盾周邊，使護盾“被困”，TBM無法向前掘進。

(3)錨噴支護施作不到位。采用敞開式TBM施工，松散堆積體擠壓護盾不影響掘進，但會影響后部支護的施作，導致支護侵限，嚴重時可能導致支護破壞和堆積體墜入隧道內。同時由于支護背后大量的松散堆積體和可能存在空洞，需要及時固結和回填。

(4)撐靴不能有效工作。利用撐靴提供掘進推力的TBM，撐靴處圍巖破碎、整體強度低，或者因坍塌無法支撐撐靴，致使撐靴不能提供掘進所需的推力。同時若兩側圍巖強度差異大，導致撐靴兩側的反力差異大，則TBM掘進方向難以控制。

總之，在破碎地層中采用TBM施工，無論發生哪一種情況，都會直接影響TBM的施工效率，甚至會存在較大的安全隱患。

5.2 破碎地層TBM針對性設計

破碎地層TBM應主要考慮如何提升其“防卡、去抱”能力的針對性設計，如超前處理能力、刀盤扭矩、撐靴部位處理等。

超前鉆注設備設計，傳統TBM裝備在主機區不能常態化配置鉆注系統，目前已開發出利用主機大梁空間布置跟管式鉆機。正常狀況下將鉆機隱藏在大梁內，不影響其他施工工序，一旦需要使用，鉆機就能很快伸出，并固定在可升降拼接式環形導軌上，且鉆孔時就位快、定位準，可用于超前鉆注或打設管棚，解決傳統設計超前處理效率低、干擾大的問題。

破碎地層TBM的快速支護極其重要，需要對鋼筋排布設、拱架、噴射混凝土、錨桿等施工裝置進行針對性設計，對主驅動的扭矩也應進行針對性設計。

為確保撐靴能及時提供有效的掘進推力，在撐靴支撐部位，當破碎圍巖坍塌規模較小時，TBM應具備噴射混凝土回填功能。當破碎圍巖坍塌較大時，應采取模筑混凝土回填。因此，在覆蓋撐靴工作區域，需設置支模、拆模裝置。

刀盤開挖直徑的設計，與巖爆地層類似，破碎地層的局部坍塌會致使敞開式TBM的護盾收縮與鋼筋排下沉，導致支護難以安裝到位；而采用刀具擴挖方式不能解決這一問題，因此需要進行針對性設計。而對于護盾式TBM，由于護盾是剛性的，且管片是在護盾內安裝，因此不存在安裝的侵限問題。

5.3 破碎地層TBM施工技術

超長深埋高地應力隧道在破碎地層段采用TBM施工時，首先應判斷是否會發生刀盤“被卡”、護盾“被困”，即確定是否需要進行超前加固。通過工程案例的總結分析，建立以圍巖完整性和超前地質鉆孔滲水量為判斷依據的“卡機”圍巖判識準則，見圖20。

圖20 破碎圍巖“卡機”判識準則

5.3.1 破碎地層TBM施工的超前處理

對于會造成刀盤“被卡”、護盾“被困”的破碎圍巖，必須進行超前預處理加固圍巖。根據破碎圍巖坍塌可能造成的后果，處理方式可采用刀盤內或護盾尾超前加固。

(1)刀盤內超前加固。對于會造成刀盤 “被卡”的破碎圍巖，需要在刀盤內對破碎巖體進行快速、低強度的固結。刀盤內超前加固，一是通過盤形滾刀的刀孔，打設長度3～5 m徑向玻璃纖維錨管，二是通過刀盤與護盾間的切口打設長度2～3 m斜向玻璃纖維錨管；通過玻璃纖維錨管進行超前化學注漿，注漿材料一般采用聚氨酯類化學漿液，確保刀盤不被“卡死”。

(2)護盾尾超前加固。對于會造成護盾 “被困”的破碎圍巖，需要進行護盾尾的超前加固。超前加固的主要方法，通過護盾尾拱部斜向前方打設超前管棚，并通過管棚進行注漿加固。注漿材料一般為快凝的硫鋁酸鹽水泥漿，受設備的制約，其傾角相對較大(一般為5°～9°)，管棚的長度宜控制在15～20 m，打設范圍為拱部不小于90°。當不能成孔時，可采用鉆桿代替管棚并進行注漿，必要時還需進行刀盤內注漿。

5.3.2 破碎地層TBM掘進及支護技術

TBM掘進通過破碎地層是建立在破碎狀況不惡劣或已進行超前預加固的基礎上，掘進過程應遵循“短進尺、強支護、連續均衡掘進”的方針，要防止長時間停機致使地質條件進一步惡化，加大不良地質處治難度。施工過程要重點加強掘進參數和及時支護的管控。

掘進參數的控制，根據破碎地層的特點，TBM施工應盡可能地提高掘進速度，并減小對圍巖的擾動，應采用“低轉速、大推力”的方式掘進，一般刀盤轉速不宜超過3 r/min。

支護連續緊跟，對于破碎地層，圍巖露出護盾后，應及時施作“連續鋼筋排+拱架”支護，隨掘隨支防止破碎體墜入隧道內，必要時要緊跟噴射混凝土。

在破碎圍巖坍塌導致撐靴不能有效工作時，應進行特殊處理。如撐靴部位處圍巖局部坍塌時，采用噴射混凝土或噴射高強快凝砂漿快速封閉圍巖，并填充塌腔；如坍塌范圍較大時，則應在施作“拱架+鋼筋排”支護后，安設模板進行模筑混凝土充填塌腔。

5.3.3 破碎地層TBM掘進通過后的處理

TBM掘進通過破碎地層后，必須處理支護背后存在松散的塌落巖塊，以保證支護結構的穩定性。

徑向固結注漿，在破碎地層采用TBM施工，無論是敞開式TBM，還是護盾式TBM，其支護背后一般會存在松散的塌落巖塊。因此，要進行徑向固結注漿，漿液選擇一般為普通水泥漿，徑向注漿深度根據松散巖塊的堆積厚度確定，以保證初支背后密實。

初期支護的排水，一般情況下，隧道設計中很少考慮初期支護承受地下水壓力，TBM掘進破碎地層時，需要進行徑向固結注漿，可能會造成初期支護承受額外的水壓。因此，應打設泄水孔排水，防止初期支護承受地下水壓而破壞。

6 超長深埋高地應力TBM隧道富水構造帶對策

超長深埋高地應力隧道在富水構造帶采用TBM直接掘進，其最大威脅是高壓地下水突涌。在富水基巖裂隙中，由于水壓的突然釋放，盡管圍巖完整不至發生坍塌問題，但也會發生淹機事故。富水構造破碎帶，在水動力的作用下，破碎巖體會類似于泥石流一樣發生突涌現象，對TBM施工會產生極大的危害，影響TBM施工效率，甚至會導致機毀人亡等重大事故。

6.1 富水斷層破碎帶與節理裂隙密集帶預處理

在富水的斷層破碎帶或節理裂隙密集帶采用TBM直接掘進時，必須先進行超前加固，一般采用護盾尾部帷幕注漿或護盾頂部洞室帷幕注漿。

護盾尾部帷幕注漿的基本方法與破碎地層的護盾尾超前注漿相類似。注漿材料應為快凝材料，如水泥-水玻璃雙液漿、硫鋁酸鹽水泥漿或化學漿，為防止注漿造成護盾“被困”，護盾部位注漿要采用高壓低流量的方式進行。

護盾頂部洞室帷幕注漿。要先在護盾頂部施工洞室，基本方法與擠壓性圍巖脫困相似；洞室施工完成后，沿洞室周邊打設超前長管棚，并行帷幕注漿，以保證TBM掘進不發生坍塌與突涌現象。

由于受TBM隧道空間的制約，超前處理工效相對較低，若遇大規模、長距離的富水構造破碎帶，可采用鉆爆法施作迂回坑道，通過迂回坑道對TBM前方富水構造破碎帶進行超前處理。

6.2 富水基巖裂隙處理

正如前述，一般情況下基巖裂隙水突出不會影響隧道的穩定性，且基巖裂隙幾何尺寸相對小、隱蔽性強，一般難以超前探測準確。因此，對于富水基巖裂隙，通常是在TBM掘進通過后，視情形進行處理。

在TBM上坡(順坡)施工發生基巖裂隙突水時，由于隧道可順坡排水，一般不會影響TBM的掘進，不需要立即進行堵水。通常情況下，根據地下水流失對環境及后續施工工序的影響程度，在掘進完成后進行必要的注漿堵水處理。處理時根據裂隙的產狀與涌水點分布，遵循“先外圍后核心，快凝固堵裂隙”的原則。

TBM下坡(反坡)施工發生基巖裂隙突水時，在排水能力能滿足不發生水害的情形下，一般不需要進行及時處理，其后續處理與上坡施工相同。如排水能力不足，應利用超前鉆注系統及時處理，通常是在護盾尾部打設超前注漿孔進行迎水強制注漿，注漿材料應為快凝材料或化學注漿材料，并盡可能降低涌水量，為后續施工創造條件。

6.3 富水構造帶TBM針對性設計

對于富水構造帶，TBM的針對性設計應圍繞排水設備與超前鉆注設備兩項內容進行。排水設施總抽排能力宜按照隧道設計預測的分段最大涌水量考慮，并預留富余能力，TBM超前處理能力應按其處理效率與經濟性綜合考慮。

TBM裝備應配置用于全斷面超前處理的鉆機和注漿系統，受TBM屬性的影響，其超前注漿加固與堵水施工干擾大、實施周期長，超前鉆孔與注漿系統設備的超前能力不宜短，一般其超前鉆孔深度不應少于40 m。同時，注漿設備應當具備雙液注漿功能。

TBM后配套隨機自帶的應急泵站，應采用高壓電機、大流量、大揚程水泵，盡可能減少應急時的中途泵站數量，必要時可配合施工布局采用分級抽排。TBM的排水管宜按照涌水量計算配置大小管徑，通常采用小管徑排水，出現較大突涌水時啟用大管徑。

6.4 富水構造帶TBM掘進與支護技術

TBM在富水基巖裂隙處的掘進與支護，一般按照完整基巖方式進行掘進與支護。TBM在富水破碎帶的掘進與支護，應按照“先堵水加固、后排水降壓、再快掘強支”的原則進行。

在超前注漿堵水與加固圍巖后，需在隧道的頂部或TBM兩側打設超前排水孔，盡可能降低水壓對TBM掘進的影響。每一注漿循環的掘進必須預留一定厚度的注漿體作為下一注漿循環的止漿墻。

TBM掘進與一般破碎帶加固后的方式一樣，應采用“低轉速、中等推力”的方式勻速掘進，控制對加固體的擾動，并盡快對注漿加固體進行支護，防止形成新的滲水通道。

對于富水破碎帶，在超前注漿堵水與加固后，一般采用“型鋼拱架+鋼筋排+噴射混凝土”的方式進行支護，但必須利用前置噴射混凝土系統進行及時封閉。

7 色季拉山鐵路隧道TBM工法選擇與選型

山嶺隧道的施工方法基本上有鉆爆法和TBM法兩類。TBM工法在一般地質條件下具有施工速度快、安全性相對高的優勢，且如前所述，對于局部不良地質TBM施工也有相應技術。總體來講，超長深埋高地應力隧道選擇TBM工法施工是國際趨勢；但是遇到重大不良地質條件時，其整體施工速度會明顯下降。因此，對可能嚴重影響TBM效率發揮的富水破碎帶、大變形地層等，如增設輔助坑道對這類不良地質采用鉆爆法處理，在經濟、工期等方面具有明顯優勢時，則應選擇采用“鉆爆法+TBM法” 組合模式。由于TBM價格昂貴，且一般應在一個隧道工程中基本攤銷，TBM隧道的造價一般均會高于鉆爆法。總之，超長深埋高地應力隧道的工法選擇，應從具體隧道工程的地質與環境條件入手，綜合考慮工程安全、建設工期、環境保護、勞動保護及工程經濟等因素進行比選。

7.1 案例分析

大瑞鐵路高黎貢山隧道位于云南省保山市，全長34.5 km，最大埋深1 155 m，為單線鐵路隧道。隧道地處印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓帶，地質極為復雜，具有“三高四活躍”的特點。隧道進口端約21.2 km主要采用鉆爆法施工，設貫通平導、斜井1座、豎井2座等輔助坑道。隧道出口端主要采用TBM施工，結合出口端車站隧道設置與TBM始發掘進的需要，正洞出口約741 m采用鉆爆法施工，其余12 546 m采用直徑9.03 m敞開式TBM施工；貫通平導10 623 m采用直徑6.39 m敞開式TBM施工。出口端地層巖性以燕山期花崗巖、白云巖、白云巖夾石英砂巖為主，但TBM隧道段需穿越4條總長約200 m的大斷層和兩段總長347 m的蝕變巖帶，還需穿越長度達840 m的物探異常帶，其縱斷面見圖21。

圖21 高黎貢山隧道縱斷面

截至2021年6月30日，出口端正洞隧道已施工7 429 m，正洞TBM自2018年2月1日始發共掘進6 688 m，期間在富水斷層破碎帶、富水節理裂隙密集破碎帶、全風化巖層、蝕變巖段共發生14次TBM“被卡”“被困”事件，處理耗時達432 d；TBM掘進的各級圍巖長度見表9，實際揭示Ⅳ、級Ⅴ圍巖占比達74.4%，TBM綜合掘進進度為170 m/月。若不考慮脫困時間，TBM實際掘進進度為265 m/月，高黎貢山隧道正洞TBM掘進段圍巖與進度統計見表9。

表9 高黎貢山隧道正洞TBM掘進段圍巖與進度統計

假如隧道出口段不采用TBM法施工，而是采用鉆爆法施工，參照該隧道鉆爆法工區各級圍巖的實際進度，同樣的時間，鉆爆法進度只有3 698 m，相差2 990 m；若要達到目前采用TBM施工進度，則應增加一個鉆爆法工作面進行正洞施工，也就是需要增設1個輔助坑道。根據高黎貢山隧道所處的地形地貌條件，輔助坑道長約4 500 m，按同期開工建設，輔助坑道顯然還未進入正洞施工。目前正洞TBM施工段還剩余5 858 m，按綜合掘進指標170 m/月分析，TBM可能還需掘進時間34.5月；若全部12 456 m隧道采用鉆爆法，按TBM施工周期完成施工，則需設置增設2個輔助坑道，共計5個作業面組織施工，而輔助坑道的長度均不小于4 500 m。無論從經濟方面，還是工期都處于劣勢，且施工組織難度更大，不利于棄渣與環境保護。因此，高黎貢山隧道出口端選擇TBM工法是合理的。

根據對TBM的認知，在Ⅴ級圍巖占比達39.2%的情況下仍采用TBM工法施工是不可能的。因此，在超長深埋隧道進行工法選擇時，既要考慮其地質的適應性，也要考慮隧道本身所處工程環境特征，特別是超長深埋高地應力隧道的輔助坑道設置條件。

為進一步比較分析，以高黎貢山隧道出口端僅有的一次迂回導坑解困TBM為例。平導TBM在“10.22”遇到富水蝕變巖，造成坍塌及TBM部分被掩埋，打設超前探孔時“頂出鉆桿”后擠出的蝕變巖泥柱見圖22。為解決TBM被困問題，在平導TBM后部打設迂回導坑，迂回導坑平行正洞(凈距60 m)，開挖面積18.6 m2，長594 m。同區段導坑鉆爆法與正洞TBM法的施工進度對比表見表10。

圖22 高壓地層擠出的蝕變巖泥注

表10 同區段導坑鉆爆法與正洞TBM法進度對比

從表10可以看出，盡管迂回導坑開挖面積僅為正洞開挖面積(64 m2)的29.2%，但同類圍巖下TBM法的日進度也是鉆爆法的2～3倍。即使考慮TBM兩次遇到的蝕變巖卡機脫困用時，其綜合進度仍高出鉆爆法22.8%。此外，從揭示的地質情況看，即使正洞與迂回導坑只相距60 m，其地質條件差異也很明顯，迂回導坑沒有遇到蝕變巖地層，且正洞Ⅴ級圍巖的長度是導坑的1.73倍，也說明了該隧道地質的復雜性。

該案例進一步說明，超長深埋高地應力隧道應綜合分析各種不良地質造成TBM “被卡”“被困”的可能性及嚴重程度等，并結合輔助坑道設置條件、環境保護要求等，理性地認知TBM工法的地質適應性，只有這樣才能正確評價TBM工法的合理性。

7.2 色季拉山隧道工法選擇與TBM選型

色季拉山鐵路隧道全長37 956 m，最大埋深1 696 m，軌面最大高程3 356 m。隧道主要穿越喜山期花崗巖、閃長巖，局部為片麻巖，巖石平均強度在80～90 MPa，最高強度達196 MPa；隧道穿越3條大斷層及16條節理密集帶，可能存在軟弱圍巖與花崗巖蝕變帶，見圖23。色季拉山隧道圍巖統計見表11。由表11可見，色季拉山隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖占比達95.8%，Ⅴ、Ⅵ圍巖占比僅為4.2%。

圖23 色季拉山隧道縱斷面圖

表11 色季拉山隧道圍巖統計

從各種級圍巖沿隧道長度的分布來看，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖集中在三段，有利于采用TBM施工；而Ⅴ、Ⅵ圍巖主要集中在洞口段和中部的兩個大斷層，兩個中部大斷層具有相對較好的輔助坑道設置條件，因此隧道進出口段與兩個大斷層采用鉆爆法施工也是有利的。根據地形地貌條件，若設置其他斜井或豎井等輔助坑道，不但坑道長度均接近5 km，且洞口海拔高、新修施工道路長，從工期、經濟、施工組織等方面上分析，均不利于采用鉆爆法施工。綜上所述，該隧道采用“鉆爆法+TBM法”施工，見圖24。

圖24 色季拉山隧道施工組織布置

地質鉆探實測資料顯示，在隧道埋深1 450.5 m處的最大水平主應力達45.52 MPa，與隧道軸線的交角為8°～37°，地層水平應力均大于垂直應力，除斷層附近與埋深較淺段的巖石強度應力比大于5之外，其余的巖石強度應力比在2.07～2.88，見表12。按照巖爆等級的巖石強度應力比劃分標準，該隧道TBM段的巖爆為中等-強烈。根據引漢濟渭引水隧洞巖爆的發生狀況，盡管其巖石強度應力比均大于2.75，但仍連續長距離發生強烈-極強巖爆，且強烈巖爆段累計長度超過了5 km。據此預計色季拉山隧道的強烈-極強巖爆將會是主要問題，故該隧道不宜選擇護盾式TBM。

表12 各鉆孔實測巖石強度和最大水平應力

同時，TBM段隧道需穿越低電阻率異常帶16處(節理密集帶)，總計寬度約3 865 m，占TBM隧道段長度的12.51%，平均寬度約240 m，最大寬度約500 m。節理密集帶陡傾角、巖體破碎且富水，從TBM選型考慮，也不宜選擇護盾式TBM或單護盾雙模TBM。

根據設計文件，色季拉山隧道TBM段還可能存在軟弱圍巖與花崗巖蝕變帶，在高地應力的賦存環境下，其大變形問題也不容忽視，從TBM選型來講，可以選擇單護盾TBM。

綜上所述，色季拉山隧道TBM選型從地質適應性、風險可控性、工期合理性、造價經濟性方面綜合分析，最終選擇了敞開式雙結構TBM，并進行了針對性設計。

7.2.1 地質超前探測與預警系統

色季拉山隧道的巖爆是工程施工最主要難題，綜合國內外相關研究，結合引漢濟渭秦嶺隧洞的微震監測在巖爆地段的預警效果，該TBM配備了微震監測系統，還針對性地設計了水錘鉆機用于超前鉆孔。

色季拉山隧道富水節理密集帶是工程施工另一個重要難題。綜合國內外的相關研究，結合高黎貢山隧道不良地質體超前探測實際效果，該TBM配備了激發極化法電阻率變異探水、HSP法探巖的地質預報系統，同時在TBM兩側設置了超前鉆探驗證裝備。

7.2.2 超前鉆注系統與前置噴混凝土

該裝配配置了頂部120°范圍的超前鉆注系統，超前鉆機采用水錘鉆機，可打設直徑102 mm、長度50 m、傾角5°～7°的超前鉆孔，專用的超前注漿系統可注單液、雙液漿，并設計了前置式噴射機械手。為有效地預防滯后性巖爆的發生，增設了預應力錨桿或NPR錨索施作平臺。

7.2.3 TBM開挖直徑

預測巖爆沖擊力、爆落巖塊以及節理密集破碎帶的坍塌，會擠壓護盾與鋼筋排，從而影響支護安裝輪廓，綜合分析相關情況，TBM開挖直徑確定為10.33 m，見圖25。此外，在刀盤設計考慮了刀具擴挖能力，以“空間換時間”，從而降低局部地段高地應力下軟弱圍巖與蝕變帶發生大變形造成護盾“被困”的可能性。

圖25 敞開式TBM開挖直徑關系

7.2.4 結構設計

色季拉山隧道進口端TBM，針對性地進行了防控巖爆的護盾剛度與強度設計。為了有效地解決滯后性巖爆對施工安全及支護結構破壞問題，盡可能降低工程造價，色季拉山隧道進口段TBM預留了雙支護結構安裝設備接口。該裝備主要用做“拆卸式可調剛度支護+NPR錨注”的施工。總體思路是，強烈巖爆段先在護盾內預拼裝可調剛度的鋼管片，隨著TBM向前掘進鋼管片滑出護盾。一方面防止護盾范圍內爆落的巖塊墜落到隧道內；另一方面防止滯后性巖爆傷害施工人員與設備，待鋼管片全部滑出護盾后，立即撐緊鋼管片使之安裝到位并固定，利用其預留的孔洞打設預應力錨桿(索)，如NPR錨索。在TBM撐靴到達鋼管片位置前，進行注漿固結鋼管片背后的巖塊，并拆除鋼管片循環利用。

8 結論

超長深埋高地應力TBM隧道修建技術是我國高質量發展階段面向國家重大需求的新挑戰。解決高地應力硬巖巖爆、深埋軟弱地層、破碎地層、富水構造帶等不良地質地段嚴重影響TBM施工安全、效率與工程造價的問題，是超長深埋高地應力TBM隧道成功修建的關鍵技術。同時，要客觀地認識TBM在不良地質地段的施工效率，從而達到科學評價TBM工法。本文通過對超長深埋高地應力TBM隧道工程的研究與實踐，可得出以下結論：

(1)超長深埋高地應力TBM隧道修建方法應擺脫傳統隧道的“荷載-結構”思維模式，全面認知隧道解重構過程中圍巖與應力的變化規律，采取主動支護方法，從而構建圍巖剛度與支護剛度相協調的隧道場。

(2)超長深埋高地應力隧道采用TBM施工時，對于高地應力硬巖巖爆，應借助微震監測掌握巖爆的時空規律，采取“極強巖爆降等級、強烈巖爆護盾防控、中等巖爆支護防護”主動應對的施工技術。對于深埋軟弱地層，采取“TBM擴徑開挖以空間換時間、大推力低轉速快掘進、主動支護控變形”的技術方法。對于破碎地層，采取“跟蹤迭代及時預報、適度超前固結、快速掘進通過、連續支護緊跟”的技術方針。對于富水構造帶，采取“物探預報鉆探驗證、強化超前處理與排水降壓、低轉速中等推力勻速掘進、支護緊跟及時封閉”的技術。

(3)隧道工程具有地質不確定性、過程的多變性，要求決策必須迅速。隨著5G、AI、大數據等技術的發展，建議盡快開展TBM隧道智能技術的研究，進一步完善“地質性態、裝備狀態、結構形態”的感知技術，提升TBM支護裝備自動化能力。在已有TBM工程大數據基礎上，通過智能互聯形成大數據平臺，著力研究智能算法，逐步推進TBM隧道智能建造技術發展。