复杂地质环境对TBM掘进速度的影响

李厚峰

摘要：基于引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的施工实践，对比研究了岭南、岭北两台TBM在截然不同的地质环境下的掘进效率，认为目前以围岩类别来判断TBM的掘进效率是不够严谨的。实际研究表明，围岩的岩性特别是围岩杭压强度、完整性、地下水等地质因素才是影响掘进效率的主要地质因素。在此基础上，对复杂地质环境TBM的进度指标和TBM的地质适应性进行了研究。

关键词：隧道施工;TBM施工进度;复杂地质环境;引汉济渭工程

中图分类号：TV554⁺.1 文献标志码：A

1 TBM施工概述

TBM（Tunnel Boring Machine）是用于岩石地层的全断面隧洞掘进机的简称，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧洞施工装备。TBM能将掘进、支护、出渣等施工工序并行且连续作业，具有快速、优质、经济、安全、环保等优点，被称为“掘进机之王”。TBM施工虽然优点突出，但有一定局限性：一是一次性资金投入大;二是TBM技术支持要求高;三是TBM对地质条件要求比较高，特别是遇到复杂地质条件时，TBM将面临严峻考验，施工处理措施没有钻爆法靈活。

2 引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段地质概况和计划进度指标

引汉济渭秦岭隧洞长98.3km，最大埋深2012m，采用钻爆法、TBM分段施工方案。其中，穿越秦岭岭脊段34km采用2台TBM设备由岭南、岭北相向掘进，其余64.3km的浅山区采用钻爆法分段施工。

TBM施工的岭南段围岩为印支期花岗岩、华力西期闪长岩，属于硬岩或极硬岩。岭北段围岩为千枚岩、变质砂岩，属于中等硬度岩石。

招标设计阶段，设计单位按照传统经验和方法对围岩类别进行了划分，并且依据围岩类别提出了TBM的掘进指标（见表1）。

3 岭南、岭北TBM进度比较分析

3.1 岭南、岭北TBM月进度对比

岭南、岭北试掘进的逐月进度对比见图1，可以看出，前8个月岭南与岭北虽然进度不同，但稳中有增的趋势是相同的。为探讨导致岭南月进度远远落后岭北的原因，就岭南、岭北的岩石物理力学指标进行了系统分析研究。

3.2 岭南与岭北围岩情况对比

岭南TBM实际掘进过程中岩石采样主要指标变化情况见图2、图3。可以看出：岭南岩石的抗压强度基本在150MPa以上，平均为180MPa;岩石的完整性较好，完整系数基本在0.75以上。

在岭北TBM掘进中，对围岩抗压强度进行了检测（见图4），其中桩号K62+578-K55+91一共检测41组，平均抗压强度为68.4MPa，最大抗压强度为109.6MPa（在桩号K59+387-K59+300之间）。由表2可知，抗压强度为40～80MPa的围岩占比达80%，属于中等硬度岩石。

可以看出，岭南TBM施工段的围岩抗压强度比岭北围岩抗压强度高出约120MPa，石英含量较高。这些地质因素的巨大差别是导致岭南TBM掘进速度大幅下降的主要原因。

4 影响TBM掘进速度的主要地质因素

4.1 岩石抗压强度对TBM掘进速度的影响

为了研究岩石抗压强度对TBM掘进速度的影响，分别对岩石的抗压强度、完整性进行了系统检测，并进行统计分析，研究这些指标和掘进速度的关系。由图5可以看出，掘进速度与岩石抗压强度具有一定的负相关性。抗压强度小于150MPa时掘进速度大于1.5m/h，抗压强度大于170MPa时掘进速度小于1.0m/h，这区间强度越高，掘进速度越低，抗压强度超过200MPa时掘进速度接近0.6m/h，这时TBM一个循环将大于3h，掘进速度大大降低。因此，可以得出十分明确的结论，岩石的单轴抗压强度对TBM掘进速度影响较大。

4.2 岩石完整性对TBM掘进速度的影响

现场研究发现，围岩的完整性、岩石结构面的发育程度是决定TBM效率的又一重要因素。对于节理较发育或发育岩石，TBM掘进效率较高;对于完整岩石，TBM破岩困难，掘进效率则较低。由图6可得出大致的结论，随着岩石完整程度的提高，TBM掘进速度迅速下降，两者基本成负相关。

4.3 高压集中涌水对TBM掘进速度的影响

岭南TBM在2015年11月进入K29+950富水地段后，施工难度进一步增大：一是发生了几次高压集中大流量涌水，排水难度陡增，TBM掘进进度放缓;二是设备长期在水的浸泡和潮湿的环境中机械锈蚀加快，排水设备故障频发;三是TBM在富水地段反坡施工掘进效率大大下降。据统计，在贫水地段，TBM连续5个月月进度在230～280m之间，进入富水地段后月进度大幅下降，连续8个月小于200m，2015年11月—2016年8月，平均月进度为135m，3-4月被淹停机2个月。岭南TBM掘进进度与涌水量关系见图7。

5 复杂地质环境下TBM有关问题讨论

（1）TBM利用率在20%～30%是可以接受的。TBM总的施工时间是纯掘进、换步、刀具更换、保养维护、故障处理、后配套系统维护、管片和轨道铺设等多项时间的总和，因此要十分重视TBM作业时间的利用率。无论是喷锚支护、岩爆处置、正常设备维护，还是其他环节发生故障，都会致使TBM停机，导致利用率下降，为此应对TBM各工序时间加强控制，岭南实测TBM各工序时间见表3。

引汉济渭秦岭隧洞工程TBM利用率偏低有其特殊性：一是隧洞埋深大、支洞长，皮带机出渣长达6km，易发生皮带机故障;二是排水难度大，隧洞涌水量大、点多，水泵较多，管线特长，加之反坡掘进施工排水故障频发，导致停机;三是机械、电气、液压故障;四是正常的维护保养时间每天4～6h。

据了解，国内类似工程如西康铁路秦岭I号隧洞平均利用率为20.2%，中铁十八局在锦屏电站的TBM利用率为22.36%，均低于30%，引汉济渭岭北TBM的利用率在30%左右。因此认为，引汉济渭工程TBM的利用率在20%一30%是合理的，不能片面追求高利用率，要防止设备长时间超负荷掘进。

（2）岭南TBM特硬围岩进度为200m/月左右是正常的。实践证明，围岩的抗压强度、完整性等是制约TBM掘进效率的主要地质因素。岭南TBM施工段埋深大，岩石平均强度高达180MPa，完整性好，孔隙率低，石英含量高，耐磨值高，加之长距离的出渣和反坡排水系统，使其综合施工难度堪称世界第一，因此在超硬、特硬围岩的地质环境下，进度为200m/月左右是正常的。

（3）TBM对围岩地质的适应性必须高度重视。通过引汉济渭工程2台TBM在不同地质环境中的掘进实践，可以总结出如下结论：单轴抗压强度是影响TBM掘进的关键因素之一，强度为30～60MPa的中等硬度围岩最适合TBM掘进，强度为60～150MPa的围岩TBM掘进效率下降，强度大于150MPa时TBM掘进效率会大大下降。另外，岩石完整性对TBM掘进效率造成了一定的影响。因此，TBM适合在中等硬度岩石中掘进，在极硬围岩中掘进效率会大大降低，长隧洞在选择TBM施工方案时，应对围岩的地质因素进行针对性研究，统筹决策，以真正发挥TBM的施工优势。