复杂地质环境T B M施工研究方向及方法浅谈

李晓晗，王 心

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳111000；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000）

复杂地质环境T B M施工研究方向及方法浅谈

李晓晗1，王 心2

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳111000；2.辽宁省白石水库管理局，辽宁朝阳122000）

针对我国在复杂地质条件的T B M施工过程中，面临的七项有待于攻克的难题，本文提出了T B M选型综合评价体系、施工环境变化特征与演化规律、盘形滚刀破岩机理与防控措施、刀具运行监测系统、围岩失稳机理与防控方案、长距离掘进配套设备、深埋破碎地层T B M适应性以及T B M施工综合评判指标与风险防控体系构建等八项关键技术的研究方向和研究方法。

复杂地质环境；T B M；关键技术；研究方向

1 前言

自上世纪五十年代罗宾斯发明第一台全断面掘进机（T B M）以来，由于其具有掘进速度快、连续作业、效率高、对围岩扰动小、成洞质量高、施工安全、污染小等一系列优点，在国际上得到了越来越广泛的应用。英法英吉利海底隧道、瑞士洛克伯格和哥特哈德山底隧道、南非莱索托水工隧洞、瑞士费尔艾那铁路隧道以及国内的引大入秦、引黄入晋、西康铁路秦岭隧道、大伙房水库输水、锦屏二级电站等工程，都是世界著名的T B M施工工程。

随着隧道施工技术的不断发展，硬岩T B M在水利水电、铁路及公路交通、矿山巷道等施工建设中发挥了越来越大的作用。但面对复杂的地质环境，T B M依旧面临很多有待于攻克的难题：

1.1 地质适应性差

不同类型的T B M有不同的特点，适用于不同地质环境，T B M型式选择的适当与否决定了工程进度甚至关乎工程的成败。

1.2 复杂地质条件对T B M施工影响

一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用T B M辅以必要的支护措施进行掘进，但若遭遇特殊断层、软硬兼具围岩段、涌水涌泥、岩溶、高地应力、岩爆、围岩变形等多变地质状况，将对T B M施工造成严重甚至是灾难性的影响。

1.3 围岩失稳对施工的影响

遇到不良地质、围岩失稳可能造成T B M无法正常掘进甚至被卡、被埋，对施工造成严重破坏及巨大的损失。

1.4 刀具消耗费用对施工成本的影响

刀具消耗费用是T B M施工占成本比较大的一个项目，地质情况越复杂、围岩强度越高、石英含量越高，刀具消耗费用也越高，据统计在秦岭隧道坚硬的片麻岩地段掘进，刀具消耗费用占掘进总成本的近三分之一。

1.5 刀具检查及更换作业时间长

设备掘进过程中，每间隔3～5个循环就需要停机进行一次刀具检查，地质情况极特殊的情况下每2～3个甚至1个循环就要检查一次刀具，一般情况下刀具检查时间占总设备作业时间的7%左右，对掘进效率影响非常大。正常情况可每天利用设备维修时间进行刀具更换，但若遇硬度或石英含量较高的围岩洞段，更换刀具数量达10把以上，需占用大量正常掘进的时间进行刀具更换，对设备利用率造成严重影响。

1.6 出渣的影响

出渣是制约T B M施工进度的因素之一。T B M掘进过程中出渣量大，对出渣设备效率要求比较高。根据工程特点合理的选择出渣方式及出渣设备对施工进度将起到非常关键的作用。施工过程中，因出渣效率低、设备故障对T B M施工造成的影响是非常严重的。特别是复杂地质条件下的长距离、大断面隧道掘进，出渣的问题尤为突出。

1.7 设备掘进过程中同步衬砌问题

在复杂地质条件下，要实现T B M掘进过程中的仰拱及边顶拱的同步衬砌，需要解决衬砌与掘进进度匹配、T B M掘进与衬砌运输相互干扰、出渣及通风设备影响等难题，才能保证T B M运渣、通风、高压供电、照明通讯、供水、排水各工序顺畅衔接。T B M掘进过程中的同步衬砌问题，直接影响到施工周期和施工成本。

2 研究方向

鉴于上述T B M施工过程中亟待解决的问题，开展复杂地质条件下T B M施工关键技术研究方向和方法具有非常重要的意义。借鉴国内外T B M施工的经验与教训，可以从以下方面进行有针对性的研究：

2.1 T B M选型综合评价体系技术的研究

根据施工段地质特征对T B M恰当选型决定了工程能否顺利进行。国内自引进T B M施工技术以来，有成功的经验，也有过很多的失败的教训。国内T B M选型的技术研究早已开展，如茅承觉［1］对全断面岩石掘进机选型进行了全面探讨、殷耀章及高勇［2］对深埋长大隧洞T B M施工设备选型进行了深入探讨等，但如果能够建立以隧道设计参数、工程特性指标、地质条件适应性、影响掘进的地质因素、施工环境影响因素、掘进性能指标、工期及节点工期要求等各方面为评价指标的T B M设备选型综合评价体系，从多角度综合比选，科学的进行T B M选型，将对设备选型、施工产生非常积极的影响。

2.2 复杂地质环境下T B M施工环境变化特征及演化规律研究

对于复杂地质环境下的T B M施工，国内外有过非常多的研究，如尹俊涛等［3］从岩土力学和工程地质角度对T B M施工过程中遇到的诸多地质问题导致的卡机或管片变形等工程事故进行了剖析并对采取的工程措施进行了总结、尚彦君等［4］对国内外典型的三个T B M施工遇险实例进行了透彻分析与反思，但目前多数研究成果是针对已完工程的总结，如能够通过科学分析，对施工环境变化特征及演化规律做出深入研究，将对T B M施工起到很大的积极作用。如通过岩芯取样、超前钻探等手段，并对岩石成分进行分析，辅以超前地质预报等手段从微观和宏观两方面，针对地质工程特征，研究不同的围岩结构、物理特性和力学特性；针对地下水影响，研究地质体的可溶性、渗透性及突涌水特征；针对地温影响，研究超深特长隧道中高地温特性等，将会为后续T B M掘进研究提供工程地质赋存条件。

2.3 盘形滚刀破岩机理及防控措施研究

T B M盘型滚刀破岩机理是刀具研究的热点和难点，对滚刀破岩过程中滚刀与岩石的作用机理、滚刀在刀盘上的定位与滚刀磨损的相关性等国内已经有过较多的探讨与研究，如张照煌等［5］在深入研究了岩石在盘型滚刀作用下的形变和剥落特点的基础上建立了岩石在盘型滚刀作用下的力学模型、宋克志等［6］指出了影响盘形滚刀与岩石相互作用的因素主要是机械因素和地质因素、满林涛等［7］利用A B A Q U S软件建立了滚刀破岩的有限元模型分析滚刀破岩机理。但采用试验的方式就滚刀机械机构和材料对滚刀磨损性的关联、为刀具磨损预测公式和磨损模型的建立奠定理论基础等的研究工作国内尚未开展。如能够利用较先进的试验仪器，采用C A I岩石磨蚀伺服实验仪等试验仪器并研制岩粉磨蚀实验装置，开展刀具磨蚀性实验和滚刀岩粉磨蚀实验，建立T B M刀具磨损预测模型，将为国产T B M发展刀盘及刀具设计打下基础。根据工程施工过程中盘形滚刀的实际数据对比所建立的模型，以此评判模型的正确性，并可以计算出恰当的换刀时机，对T B M施工也将带来积极的影响。

2.4 刀具运行监测系统研究

针对刀具检查占用时间较长的问题，采取视频、光电、温感等有效手段，实现对滚刀运行过程的实时监控，及时了解滚刀运行状况及磨损情况，减少刀具检查时间，及时发现刀具运行的异常情况，避免刀具弦磨现象出现，可以大大提高设备掘进效率，加快施工进度，同时也可以有效减少刀具消耗量，降低工程施工成本。

2.5 破碎地层围岩失稳机理与防控方案研究

进行破碎地层理论建模，进行岩机作用有限元分析，探索破碎地层围岩压力和围岩抗力的大小和分布情况，评价围岩稳定性，提出适用于T B M施工的围岩质量评价指标；建立T B M破碎带围岩弹塑性有限元模型，研究不同埋深、不同岩性、不同应力场的围岩和变形响应规律，结合现场支护结构应力应变试验，分析支护结构变形规律，建立T B M扰动下围岩失稳与支护模型，优化支护方案。将对节约工程投资、提高工程质量有重要意义。

2.6 T B M长距离掘进配套设备关键技术研究

连续皮带机是T B M长距离隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用连续皮带机出渣情况下的同步衬砌工艺，实现连续皮带机顺利穿行同步衬砌台车在国内的兰渝铁路西秦岭隧道工程已经有过成功的应用，如徐双永等［8］对该工程T B M掘进同步衬砌技术进行了详尽论述，对今后类似工程施工将起到积极的借鉴作用。研究T B M掘进速度与岩碴运输能力的匹配关系、胶带与碴土的相互作用原理，建立皮带机的动力学模型，通过连续皮带机动力学仿真优化连续皮带机的性能参数；分析皮带机运行故障案例，提出解决皮带机支架快速加装延伸、皮带偏离定位基准、皮带清扫、断带等问题的有效解决方案；研究T B M长距离施工喷射混凝土性能、制作工艺、设备等关键技术，隧道铺底作业工法及配套设备等关键技术，T B M掘进隧道同步成型衬砌工法及配套设备等关键技术，这些目前均为较新的课题。

2.7 深埋破碎地层T B M适应性研究

基于深埋破碎地层的复杂地质条件和岩石机器相互作用机理，研究T B M适应性设计的关键要素，是建立深埋破碎地层T B M适应性设计理论基本框架；研究刀盘刀具配置和掘进模式转换设计，建立高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层T B M破岩适应性设计理论与方法，是基于破碎地层围岩变形的T B M护盾及推进系统设计的准则；研究复合地层刀盘和驱动系统的推力、弯矩和转矩特性，为破碎地层T B M主参数设计提供理论依据。这些研究将对T B M国产化产生深远影响。

2.8 T B M施工综合评判指标和风险防控体系构建

综合分析地质条件、扰动区围岩力学响应、岩机相互作用、施工安全性、围岩稳定性等T B M适应性影响因素的性质和特征，定义T B M与各影响因素的适应度，依据层次性、效度和简明性原则，构建高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层T B M适应性评价体系，并根据复杂的地质条件和施工中面临的风险因素，进行有效的风险管理与控制。将减少施工中多种问题的出现及避免工程事故的发生。

3 研究方法

针对目前国内在建T B M隧道工程施工过程中遇到的疑点、难点问题，借鉴国内外既有工程经验，提出以下研究方法以供参考：

3.1 结合其它课题研究成果，采用理论分析、物理实验、数值模拟等方法，来研究高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层条件下的刀具磨损机理、支护机理以及长距离隧道有限空间内皮带机出渣等问题，提出刀具磨损预测公式、安全支护模型和T B M适应性评价标准，构建高风险地段T B M施工综合评判和风险防控体系。

3.2 基于滚刀破岩机作用综合试验平台，研究不同滚刀磨蚀性评价指标和滚刀磨蚀性分级，为滚刀磨损预测模型提供基础指标。

3.3 采用有限元或其它数值分析软件进行开挖面围岩稳定性分析，得出T B M扰动下开挖面失稳模型，从模型失稳主要因素入手，分析控制扰动的措施，采用T B M施工数据回归得出合理的T B M掘进参数。

3.4 采用适应关联、模糊综合评价、工程经验反馈等方法，对影响深埋破碎地层T B M掘进的主要因素进行规范化和量化，提出能有效反映T B M适应性的评价指标及体系。利用模糊数学评判方法和反馈分析理论，研究T B M综合性能的预测和评估方法，建立深埋破碎地层T B M适应性及施工安全评价模型。在此基础上，依托工程实例并通过软件编程，构建高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层T B M适应性评价决策系统和预测评价及验证完善。

4 结语

随着国家水利、电力、交通、运输等方面的大力发展，隧道工程将越来越多，特别是超深、长、大隧道逐渐占据越来越大的比例，不可避免穿越环境恶劣的复杂、不良地质洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解决复杂地质条件下T B M施工关键技术，将对国内T B M施工技术水平的提高以及T B M国产化都将产生不可估量的作用，同时也对促进西部、西南部及山区经济发展，确保铁路、公路、水利水电、大规模调水工程、国防工程等基础设施建设的顺利开展，产生深远影响。

［1］茅承觉.全断面岩石掘进机（T B M）选型的探讨［J］.建设机械技术与管理，2006（08）：57-62.

［2］殷耀章，高勇.深埋长大隧洞T B M施工设备选型的探讨［M］.中国铁道建筑总公司，2002（10）.

［3］尹俊涛，等.T B M掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策［J］.工程地质学报，2005（03）：389-396.

［4］尚彦君，等.T B M施工遇险工程地质问题分析和失误反思［J］.工程地质学报，2007（12）：2004-2411.

［5］张照煌，等.岩石在盘型滚刀作用下的性能研究［J］.水利学报，2011（10）：1247-1251.

［6］宋克志，等.盘形滚刀与岩石相互作用研究综述［J］.铁道工程学报，2005，22（06）：66-69.

［7］满林涛，等.盘型滚刀破岩过程有限元数值模拟［J］.工程建设，2011（08）：1-5.

［8］徐双永，等.西秦岭隧道T B M掘进同步衬砌技术［J］.现代隧道技术，2011，48（02）：1-4.

图3 “具体要素-分项成熟度”自我评价雷达图

（1）企业三体系经过多年的运行与发展，体系的符合性已不是问题，也取得了一定成效，较好地支撑了企业经营生产工作的持续快速发展。但运行绩效还不太明显，总体成熟度还不算高，经综合分析评价，综合评价得分为2.667分，即规范化级偏上水平，与最佳实践级（5分）要求还有较大差距。

（2）企业对与三体系运行相关的管理发展不够平衡，有的相对较好，如在基础设施、工作环境、自然资源等方面优势明显，已达优秀级（4分）及以上水平。有的相对薄弱，如在知识信息和技术管理（2.25分）、监视与测量管理（2.375分）等方面，刚处于规范化级偏上一点水平。

（3）企业与三体系运行相关的规章制度比较完善，可以说该有的都有了，下一步的体系改进的重点主要为与其他相关管理体系的深度融合协调，建立系统化保障机制，提高体系执行力和运行的有效性。

（4）本文对三体系运行绩效及其成熟度的评价内容与方法进行了探讨。结果表明，利用相关标准要求对企业开展体系运行绩效及成熟度评价是可行的，其成果可对企业开展相关绩效评价和其他具体要素评价提供经验或参考。

6.2 几点建议

（1）成立企业级的自我评价小组和人员，明确其职责和权限，经最高管理者批准后实施。

（2）进一步完善体系运行绩效及成熟度评价内容和方法，积极开展其他具体要素的自我评价，以客观正确评价企业三体系绩效及成熟度情况。

（3）加强自我评价前期策划工作，积极开展评价后续活动的实施。

（4）加强战略与方针展开、沟通与考核工作，促进实现战略—经营—组织—管控的有效协调。

（5）建立相关职能和岗位工作标准，进一步明确各相关职能和权限，促进其协调运作。

（6）加强管理信息系统的整合力度，建立知识管理系统，建立统一开放的知识、信息管理平台，促进各类知识、信息的有条件共享和使用。

（7）加强过程监测工作，尤其是加强关键绩效的监测，以集中的界面进行显示和监测。

（8）加强制度执行文化、责任文化、学习和共享知识文化等企业文化建设，努力打造企业的软实力。

参考文献

［1］GB/T19001-2008/ISO9001：2008.质量管理体系要求［S］.

［2］GB/T24001-2004/ISO14001：2004.环境管理体系 要求及使用指南［S］.

［3］GB/T28001-2001.职业健康安全管理体系规范［S］.

［4］GB/T19004-2011/ISO9004：2009.追求组织的持续成功 质量管理方法［S］.

［5］GB/T19580-2012.卓越绩效评价准则［S］.

［6］全国认证认可标准化技术委员会，全国质量管理和质量保证标准化技术委员会等.《追求组织的持续成功 质量管理方法》理解与实施［M］.中国质检出版社、中国标准出版社，2012.

［7］中国质量协会，卓越国际质量科学研究院.卓越绩效评价准则实务（第二版）［M］.中国质检出版社、中国标准出版社，2012.

［8］G B/Z 19027-2005/I SO/T R 10017：2003.G B/T 19001-2000的统计技术指南［S］.

文献标识码： 文章编号：1672-2469（2015）05-0061-04

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.05.019

李晓晗（1970年—），男，高级工程师。