TBM施工风险与装备设计（上）

陈 馈，冯欢欢

CHEN Kui,FENG Huan-huan

(中铁隧道集团 盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001)

地壳经历了漫长的地质时期，在强烈的构造应力和外应力的作用下，形成了一个复杂的地质环境，大埋深、破碎带密集、软硬岩兼具、地应力高、突涌水、高岩温等则是TBM 穿越复杂地质环境所经常遇到的地质风险[1～4]。开敞式TBM施工硬岩时效果较好，具有较快的施工进度，但在软弱围岩中施工效果较差，易造成撑靴破坏支护成果，从而引起二次坍塌，这是开敞式TBM在软弱围岩地层中最难解决的问题。双护盾TBM遇到地应力变化大、破碎、块状围岩时如不能及时迅速通过，刀盘和护盾有被卡住的危险；一旦出现卡机，则处理起来非常困难，经常会导致长时间停机。在高压涌水时易造成管片断裂，从而引发人员及设备安全事故[5～10]。无论是开敞式TBM，还是双护盾TBM 在施工软弱围岩的过程中都会存在一定的风险，然而，目前关于TBM施工风险的分析与研究相对较少，寻求诱发TBM施工风险的因素，并采取适当措施去避免，这便是本文的主要研究内容。

1 TBM施工风险起因

TBM 作为常用的隧道施工专用设备，能够为地下空间的开发与利用，提供先进的技术与装备支持，但其面对众多潜在的风险，如果处理不当，则也会带来严重的甚至灾难性的后果。开敞式TBM 存在的常见风险有：易坍塌、立拱及回填量大、撑靴及拱架失效、易造成设备及人员伤害（图1）。双护盾TBM 存在的常见施工风险有卡刀盘、卡前盾、卡支撑盾、卡尾盾、管片漏水或断裂等。

图1 TBM常见施工风险

引发TBM 施工风险的因素主要有：地质的复杂性、TBM 的不适应性、人认知的局限性、责任性、方案和措施的不合理性等，可归纳为“地质风险、设备风险、人为风险”，其所占比例分别约为40%、30%、30%。

1.1 地质水文条件

详细、可靠的地质水文资料是TBM 工程项目成功的基本条件，它对项目采用TBM 施工的可行性、TBM 的选型、TBM 主要参数设计、辅助施工设备的选择和应急预案的制订等方面都有着重要影响，直接决定了工程的成败。

1.1.1 影响TBM施工的地质因素

1）岩石的坚硬程度 岩石的单轴抗压强度越低，TBM 掘进速度越高，掘进越快；岩石的单轴抗压强度越高，掘进速度越低，掘进越慢。但是，岩石的单轴抗压强度太低，掘进后围岩的自稳时间极短甚至不能自稳。只有当岩石的单轴抗压强度值在一定范围内时，TBM 掘进才既能够保持一定的速度，又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数TBM 适用于岩石单轴抗压强度值在30～150MPa 之间的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。

2）岩石结构面的发育程度 一般情况下，当岩石为节理较发育和发育时，TBM 掘进效率较高；因为节理不发育，岩体完整，破岩困难；节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，支护工作量增大，同时岩体给撑靴提供的反力低，造成掘进推力不足，因而也不利于掘进效率的提高。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，掘进速度有增高的趋势。但当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧道工程岩体已不具自稳能力，在此类围岩中进行掘进施工，其掘进速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低。

3）岩石的耐磨性 岩石的耐磨性对刀具的磨损起着决定作用。岩石坚硬度和耐磨性越高，刀具、刀盘的磨损就越大。换刀量和换刀时间的增大，势必影响到TBM 应用的经济效益和掘进效率。刀具、刀圈及轴承的磨损或损坏，对TBM使用成本起很大的影响。岩石的硬度、岩石中矿物颗粒特别是高硬度矿物颗粒如石英等的大小及其含量的高低，决定了岩石的耐磨性指标。一般来说，岩石的硬度越高，对刀盘刀具等的磨损越大、掘进效率也越低。

4）岩体主要结构面 当岩体主要结构面的走向与隧道轴线间夹角小于45°，且结构面倾角较缓（≤30°），隧道边墙拱脚以上部分及拱部围岩因结构面与隧道开挖临空面的不利组合而出现不稳楔块，常发生掉块和坍塌，影响TBM 工作，降低TBM 工作效率，甚至危及TBM 安全。

5）围岩的初始地应力状态 当围岩处于高地应力状态下，且围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时，极有可能发生岩爆灾害，灾害严重时，将危及TBM 及施工人员的安全；若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形。二者均将给TBM 的掘进施工带来极大的困难。

6）岩体的含水出水状态 岩体的含水出水状态对TBM 工作效率的影响视含水量和出水量的大小及含、出水围岩的范围，同时还要视含、出水围岩是硬质岩还是软质岩。一般地说，富含水和涌漏水地段，围岩的强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度降低要大得多，致使围岩的稳定性降低，影响TBM 工作效率。此外，大量的隧道涌漏水，不仅会恶化TBM 工作环境，降低TBM 工作效率，同时还可能会造成人员及设备伤害事故。

1.1.2 TBM施工地质风险

TBM 施工的主要地质风险可分为4 类：①大埋深高地应力条件下岩爆、坍塌及围岩大变形风险；②破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险；③掌子面或周边围岩的渗漏水、涌水风险；④瓦斯渗漏风险。因地质风险而引发的工程事故如图2 所示。

图2 TBM施工遇到的常见地质风险

1.2 TBM装备

1.2.1 TBM装备风险

TBM 装备的选型和设计，不仅决定了TBM在施工过程中能否正常发挥施工功能，而且也直接影响了施工风险发生的机率。与TBM 装备风险相关的因素主要有：①TBM 选型，开敞式还是护盾式；②刀盘的结构形式；③刀具配置与刀型；④刀间距设计；⑤地层处理系统设计；⑥支护系统设计等。装备设计不合理则可能诱发一些工程风险的发生，如主轴承或密封损坏、刀盘损坏（开裂、磨损）、刀具非正常磨损等，如图3。

图3 TBM主轴承、刀具损坏事故

1.2.2 装备性能要求

技术先进、质量可靠的TBM 装备和经验丰富、服务专业的TBM 制造商是TBM 施工项目成功的关键因素。隧道工程风险不仅需要丰富经验应对，还需要先进技术支持和可靠备件供应；TBM 装备技术先进，才能确保施工更安全、效率更高、可靠性更好；产品质量可靠也是保证工期的关键因素之一。

1.3 TBM施工队伍

1.3.1 人为风险因素

TBM 施工经验丰富、管理科学、专业高效的施工队伍是TBM 施工项目成功的根本因素。由于施工人员认知的局限性、施工组织及管理责任心不足、施工方案和措施不合理等原因，直接增加了TBM 的施工风险。

1.3.2 施工队伍素质需求

为了规避TBM 施工过程中因人为因素造成的施工风险，要求TBM 施工队伍素质高、能力强：①经验丰富，地下工程的风险需要丰富的经验应对；②管理科学，TBM 施工项目工期紧，科学的管理才能充分发挥TBM 的效能，节约成本、创造效益；③专业高效，TBM 施工工序安排紧凑，一环扣一环，高效先进的TBM 装备需要高效的专业作业人员，是保证工期的关键因素之一。

2 台湾雪山隧道TBM施工风险案例分析

2.1 工程简介

雪山隧道（图4），原名坪林隧道，全长12.9km，是台湾第一、亚洲第二、世界第五长公路隧道。1991年7月开工，2006年6月16日通车；历时15年竣工，比预计的1998年通车晚了8年。雪山隧道由东行线和西行线2 个主隧道和1 条“导坑”隧道组成，中间有3 对通风竖井，2 条主隧道之间，有28 座人行联络隧道和8 座车行联络隧道。

图4 雪山隧道示意图

2 条主洞采用直径11.74m 双护盾TBM 施工，1 条与主隧道平行、相对主隧道中间下方的平行导洞采用直径4.8m 双护盾TBM 施工。3台TBM 均由头城往坪林方向(1.255%上坡)施工。

主洞（东线）于1993年7月23日开工，先在洞口以钻爆法开挖732m，1996年5月采用TBM 施工，东线TBM 共掘进3925m、处理和故障停机5 次计374 天。

主洞(西线)于1993年7月23日开工，先在洞口以钻爆法开挖881m，1996年8月采用TBM施工，西线TBM 施工期间共掘进456m。处理和故障停机总计10 次计961 天。TBM 于1997年12月在开挖456m 时，通过上新断层带的剪裂带交错区时，位于隧道截面左上方，未被探测到的地下蓄水突然爆出，冲毁无螺栓连接的管片衬砌，此时TBM刀盘后方约30m处也出现750L/s、水压达18bar 的涌水（图5），涌水及岩碴造成已安装的管片断裂，其上方有约7000m3岩块等掩埋了TBM 主机和它后面90m 长的后配套系统。

图5 雪山隧道涌水事故

2.2 风险分析

隧道南口方向3.6km 范围断层，显示出最坏的岩石构造，它被5 个大型断层和众多剪切区所交叉，并有丰富的地下水。地质资料不准确、装备设计考虑不周、面对软弱围岩工况的应对能力不足等是雪山隧道使用TBM 施工失败的主要原因。

2.1.1 地质风险

1）地质资料与实际有较大出入：雪山隧道在沿12.9km 长的隧道线上，仅施做了69 个岩芯钻孔（累计钻深2271m），这些钻孔大部份和其它辅助调查都是在东线洞口段范围内进行，而且只有很少的岩芯钻孔穿过了覆盖层到达隧道高程（隧道一般埋深小于300m，最大埋深750m）。由于勘察周期短，勘察投入小，因此最终提供的地质勘察资料与实际有较大出入，严重的断裂和剪切带以及极大的地下涌水给施工带来了灾难。

2）辅助导坑未起到保驾护航的功能和作用：雪山隧道设立导坑隧道的目的不仅仅是为了探测基岩的结构状况，也是为了超前排出山体涌水以降低山体地下水位和水压。此外，也可在必要的时候由导洞处理两台主洞TBM 前方的岩层。导洞工程完成之后即可作为避难洞和排水洞使用。实际上由于导洞施工的严重滞后，未通过导洞进行过地质探测、排水、加固等措施，导洞没有起到保驾护航的作用。

2.1.2 TBM装备风险

1）设备设计欠考虑地质适应性。主要表现为：①护盾长度过长，增加了盾体被卡的机率以及护盾摩擦力，可通过缩短护盾长度、将护盾设计为锥形和增设扩挖机构来减少护盾摩擦力；②刀盘扭矩不足，直接导致刀盘脱困能力达不到需求；③未增设超前钻孔和注浆系统，当遇到软弱围岩时，无法提前加固围岩；④无刀盘进岩量控制系统，造成停机清碴几率大大增加。

2）导坑隧道选用双护盾TBM是错误的。主要原因为：①使用双护盾TBM 很难探测到围岩的岩性；②使用双护盾对围岩的支护较为困难，无法对正洞软弱围岩进行处理；③双护盾通过断层、软弱破碎地带时自身能力不强，掘进速度不高，起不到超前的作用；④导坑隧道应选开敞式TBM。开敞式TBM 在观测围岩、超前探测、通过断层、软弱破碎带以及地应力较大围岩、排水、对主洞的支持、自身掘进速度快等方面具有较强优势。

2.1.3 人为风险

TBM 施工管理队伍缺乏应对软弱围岩的能力和措施。隧道施工中，遇到各种类型的不同地质，而可能形成地质灾害的不仅仅只是由地质原因造成的，围岩被开挖过程中，它的初始稳定被破坏，包括开挖方式、开挖进度、支护手段和类型都影响着围岩重新稳定过程。人为扰动因素，也是造成TBM 灾害的原因和主体。

雪山隧道TBM 施工现场的一个明显问题是缺少经验丰富的隧道施工技术人员。法国斯卑巴蒂诺尔公司撤走之后，台湾工程人员需要独自应付TBM 施工。受聘的俄罗斯TBM 操作人员习惯于接受指令，不能发挥主观能动性，不能及时对工况的变化做出应对措施。

（未完侍续）