极端恶劣地质条件下TBM施工技术与管理探讨

齐梦学

(中铁十八局集团隧道工程有限公司， 重庆 400700)

0 引言

在国内，全断面岩石掘进机(简称TBM，tunnel boring machine)经历了独立自主创新研制、引进设备与施工单位、引进设备自主施工、国内外合作生产、自主品牌产品应用等几个阶段，目前迎来了大范围的推广应用。截至2018年底正在施工和即将投入使用的TBM设备数量将达到甚至突破60台，并且大量潜在工程正在前期论证和可行性研究过程中。TBM的应用覆盖了水利水电、轨道交通、铁路、矿山、综合管廊、公路等行业[1]。TBM法隧道的地质条件不可避免地呈现多样化，具有良好工程适应性的TBM项目会越来越多，同时由于TBM施工的普及以及连续掘进长度的增大，遭遇不良地质甚至恶劣地质条件的概率也会越来越大。

在极强岩爆、极高岩温、强蚀变、严重破碎围岩、大变形等极端恶劣地质条件下，TBM施工的安全、进度、成本与投资都会受到极大的影响。西南铁路桃花铺1号隧道TBM曾遭遇大塌方，停机约1个月； 青海引大济湟工程隧洞(长约24 km)出口端TBM历经9年累计掘进11 km，卡机数十次[2]； 南疆铁路吐库二线中天山隧道2台TBM施工时，除了第1年掘进顺利外，受地质条件及设备老化的双重影响，后期掘进步履维艰； 大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工存在“三高四活跃”地质问题[3-4]； 陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞越岭段遭遇了岭南大流量突涌水，被迫停机处理[5]，岭北大断层施工采用矿山法导洞开挖上半断面、TBM法掘进下半断面的方法[6]； 西北某输水隧洞2台敞开式TBM施工面临着超长、强蚀变、高地应力、大埋深等“一超二强三高四大”问题。TBM施工具有广阔的应用前景，但同时要做好迎接极端恶劣地质条件的挑战。

不同机型TBM工程适应性的局限性，导致TBM法施工技术对工程地质和水文地质的依赖程度远远高于钻爆法施工。以往TBM应用数量很少，在TBM工法选用过程中非常谨慎，“挑肥拣瘦”地找地质条件最适合的洞段采用TBM法施工，其余洞段全部采用钻爆法施工。目前TBM在单项工程中连续掘进的长度越来越大，并且由于大埋深等建设环境的影响，甚至无法设置更多的辅助通道，这就对TBM设备及施工技术提出了更高的要求。

近十年来，关于不良地质条件下TBM施工技术的研究很多，例如： 文献[7-9]分别从设计和施工角度研究了不良地质条件下的补强支护及施工技术措施； 文献[10]研究了强岩爆时钻爆法开挖上半断面释放应力后TBM半断面掘进技术。然而，关于极端恶劣地质条件下TBM施工技术与施工管理方面的研究尚未形成体系，例如： 围岩大变形时TBM被卡的风险很高，处理方式五花八门，能够进行系统性快速处理的措施比较少，或者效果差强人意； 自稳能力极差的破碎围岩洞段TBM刀盘前方形成巨大塌腔，增大了施工风险，但可供参考的有效超前处理措施很少； 遭遇极强岩爆时TBM尚无独自应对的能力； 大流量突涌水、涌泥、涌砂时，采取TBM施工不具备处置能力，无法有效封堵，只能通过长时间排放或采取矿山法、冷冻法施工后TBM再通过； 极端恶劣地质条件下，参建各方常常焦虑、烦躁，甚至盲目指挥和决策，导致更大的风险和损失。

极端恶劣地质条件下的TBM施工是我们需要面对的严峻挑战，需要相关部门、企业、科研院所共同努力，分别从不同的角度深入系统地进行研究。在适宜的地质条件下发挥TBM快速施工的优势，同时也能够保证恶劣地质条件下持续掘进，尽量避免或减少TBM长时间受阻或者停机，才能保证TBM更好地为隧道建设服务。本文从地质勘察与工程总体筹划、施工技术、施工管理3个方面对极端恶劣地质条件下TBM的施工技术与管理措施进行研究，希望能为后续的TBM工程项目施工提供参考。

1 地质勘察与工程总体筹划

1.1 地质勘察尽量详细、准确

地质条件是隧道建设重要的影响因素，也是TBM选型的基础。地质勘察成果直接决定隧道施工工法的选择以及TBM的选型，并影响工程总体筹划。

部分工程地质勘察工作详细且准确度高，例如： 隧洞全长526 km的西部某长隧引水工程，平均1～2 km布设1个地质钻孔，并经初步分析后局部加密探孔，该工程第2台TBM自2017年9月中旬开始掘进，至2018年8月底累计掘进9 400 m，实际揭露围岩与施工图地质勘察成果的吻合度约为70%，平均月进尺820 m，详细而准确的地质勘察成果为TBM合理选型提供了可靠依据，为TBM持续、均衡、快速施工奠定了基础。

然而，由于技术水平、工期、成本等原因，很多隧道工程的地质勘察不够详细，准确度较低。全长41 km的西部某输水隧洞，洞身段绝大部分未进行详细的地质勘察，出口段敞开式TBM已经掘进的2 800 m洞段实际揭露围岩与施工图地质勘察成果的吻合度只有29.7%，并且出现了未预见的严重蚀变、长距离极破碎围岩，TBM掘进施工严重受阻，平均月进尺仅110 m。由此可见，地质勘察成果的准确度对TBM顺利施工有着重要的影响。

显然，我们需要创造条件，促使地质勘察结果能够尽量详细、准确，为隧道设计、施工与TBM选型提供有力的支撑。

1.2 科学认识TBM的工程适应性

TBM不是万能的，虽然提出过“全天候TBM”的设计理念，但实际上具备应对所有地质条件的能力、满足所有建设要求的“全能型”TBM，尚未成为现实。TBM施工具有显著的优势，但也存在明显的不足。

适宜的地质条件下，TBM可以持续、均衡、快速施工，即SPS作业法。SPS作业法在辽西北供水工程2段4标得到应用，在实践过程中通过不断探索、改进和完善，全标段TBM平均月进尺为616 m，纯掘进时间利用率为59.76%[11]； SPS作业法推广应用于吉林引松工程2标段，TBM提前14个月贯通，平均月进尺643 m，纯掘进时间利用率为56.85%[12]。

地质条件不清晰且在极端恶劣地质条件下时，TBM施工可谓“寸步难行”。西部某输水隧洞出口段，TBM掘进第2—6个月(第1个月仅掘进2 d，忽略不计)平均月进尺390 m，最高月进尺503 m，自第7个月开始遭遇未知的严重蚀变岩，之后是极破碎围岩，涌泥、涌砂现象非常严重，至第26个月平均月进尺仅42 m，该洞段的TBM适应性极差，不适合采用TBM施工。

秉承科学、客观的理念，根据地质勘察成果全面论证TBM的工程适应性，合理选择工法、正确选型、科学配置，才能扬长避短，真正发挥TBM快速施工的优势。

1.3 合理选择TBM机型

TBM选型不当，其工程适应性必然降低。例如： 西部某输水隧洞，TBM遭遇极度破碎围岩后，施工极其缓慢，长时间处于停机状态。有人提出当初应该选用双护盾TBM，依据是已有某工程采用双护盾TBM，虽然存在塌方等不良地质，但总体施工进度很好。忽略了具体的地质条件和不同机型对地质条件的适应性，空谈机型选择是不可取的。西部某输水隧洞掌子面完全不具备自稳能力，涌泥、涌砂现象严重，甚至出现由刀盘经主梁作业孔大量涌出混凝土状的土、石、水混合物的现象(如图1所示)，现有任何型式的TBM在该洞段都不具备处置能力。因此，TBM选型需要综合考虑整体地质条件、地质分布、施工区段划分和局部极端恶劣地质等因素，而不能以点代面。

图1 土、石、水混合物自TBM主梁作业孔涌出Fig. 1 Mud gushed from working hole of TBM main beam

不同类型的TBM地质适应性不同，需要依据地质条件和建设要求等合理选型。根据现有的技术可知，敞开式TBM适用于围岩整体性较好的隧道，采取必要的辅助措施可以应对短距离恶劣地质洞段；单护盾TBM主要适用于围岩自稳能力较差的脆性围岩或软岩地层隧道；双护盾TBM适用于总体围岩自稳能力较好、自稳能力较差洞段比例不大、塑性变形较小的隧道，其突出特点是综合成洞速度快(并非是地质适应性明显强于敞开式TBM)[13]。护盾式TBM采用管片衬砌，虽然可以一次成型，但受隧道埋深、水压、地应力、结构和防排水设计等因素影响很大，需在设计检算中予以重视，因此，其应用受到了限制。

1.4 制定科学合理的工程总体筹划

对于工程整体而言，工程总体筹划包括总体施工方案、施工区段划分、施工方法、大型临时工程、工期与进度计划、安全质量和环境保护目标等内容。结合当前的技术发展水平，根据适当超前的原则，制定科学合理的工程总体筹划，对于顺利推进隧道工程建设、实现工程目标意义重大，也会决定TBM在该工程的应用效果。

科学合理的工程总体筹划，应充分考虑TBM对地质条件的适应性、可以实现的进度指标与工期目标、不良地质和极端恶劣地质条件下的施工预案等。

2 施工技术

限于当前的TBM设备技术与施工技术发展水平，在极端恶劣地质条件下TBM尚无“放之四海而皆准”的应对措施，但也并非完全无法应对。宏观上，可以从以下5个方面开展TBM在极端恶劣地质条件下的施工技术研究工作。

2.1 超前地质预报

由于当前技术发展水平、工期、投资等的影响，导致前期地质勘察成果存在偏差，甚至缺乏有效的勘察手段而无法准确推断地质情况，这是客观存在的事实，无法回避，必须正视。鉴于地质条件对TBM施工的直接影响，TBM施工过程中非常有必要实施超前地质预报，这是隧道施工地质勘察工作的必要补充，特别是在可能存在极端恶劣地质的情况下，更应该增加超前地质预报的频率和方法，采用多种方法相互印证，尽可能准确地探明前方地质条件，为TBM掘进施工提供很好的指引。

开工前的地质勘察成果、TBM掘进施工过程中实际揭露的围岩状态和超前地质预报相结合，物探、钻探和地质素描相结合，可以大大提高对前方地质条件判断的准确性。

可供选用的隧道施工超前地质预报方法有很多。与钻爆法相比，TBM施工中的超前地质预报工作存在的主要影响因素为： TBM结构庞大，作业空间狭小，特别是难以接近掌子面；大量金属结构及电气系统形成强大的电磁干扰。钻爆法施工中应用良好的超前地质预报方法在TBM施工中不一定适用，即便有可行的方法，其准确度仍有巨大的提升空间，需要相关企业、院校、科研机构继续开展科技研发工作。TBM施工参建各方应鼓励创新，慎重选择有潜力的预报方法，提供现场验证和提升的机会，提高预报的准确性，为TBM施工提供服务。

2.2 合理选择掘进参数和施工工艺

稳定性好、相对均质的围岩条件下，TBM掘进参数存在明显的规律，并且能够保证TBM长时间稳定运行，经过实践和总结，现场操作人员很容易掌握。极端恶劣地质条件下，随着TBM掘进，TBM无法稳定运行，掘进参数变化频繁，如何适时调整掘进参数以适应不断变化的围岩，并非一朝一夕就能够积累到成熟的经验，并且很多情况下仅仅依靠调整掘进参数也无法成功应对恶劣地质条件，还要适时调整施工工艺和施工组织。针对恶劣的地质条件，以下经验可供借鉴： 1)TBM在极完整特硬岩中掘进时，适当增大TBM掘进推力、刀盘转速，辅以适宜的滚刀配置，能够显著提高掘进效率。2)极端破碎地质条件下，首先应创造条件实施超前加固，同时适当降低推力、转速，有利于减少对围岩的扰动，有助于降低严重坍塌的风险。在敞开式TBM施工中，合理使用钢筋排、适用的钢瓦片或钢管片能够有效防止护盾后方坍塌[14-15]。3)掌子面与拱顶严重坍塌洞段，很容易导致刀盘被卡，刀盘脱困转矩通常配置为额定转矩的1.5倍，电液混合驱动技术可以提供额定转矩2倍甚至更高的脱困转矩，值得选用[16]。另外，为防止TBM运行中刀盘被卡，需要合理的转速，以适当提高刀盘运行的冲击力，但需要注意合理控制转速提升的时机和幅度。4)极端软弱破碎围岩往往导致撑靴无法撑紧洞壁，需要事先加固撑靴对应的围岩，可以应急采取喷射混凝土、小导管注浆、模筑混凝土的方法，最好不选用支垫沙袋、枕木等方式。5)存在刀盘和(或)护盾被卡风险地质条件下掘进时，切忌长时间停机。

合理选择掘进参数，需要TBM设备具有较大的能力裕度。需要事先开展相应地质条件下的施工预案研究，在TBM设计制造过程中充分结合可能遭遇的极端恶劣地质条件，合理提高TBM的功能与性能，预留相应的施工条件，否则施工中洞内改造TBM难度极大，甚至不具备实施条件。

2.3 实事求是，及时合理支护

遭遇极端恶劣围岩时，TBM施工需要依据当前实际地质条件，借鉴以往类似地质条件下相关机型TBM的施工经验，依靠专业人才，借助专家力量，实事求是地制定解决措施。方案研究过程中，既要有“天马行空”式的思路拓展，又要有脚踏实地、确保可行的实干精神；既要发散思维充分研讨，又要当机立断及时决策。

钢筋排支护技术是预防和减少围岩坍塌的有效措施，在多项工程中取得了优异的成绩； 化学灌浆起效快，对于破碎围岩加固、回填、止水具有一定的有益作用； 在施工实践中，密排钢架具有较好的支护效果； 钢瓦片在极端破碎围岩、蚀变岩、地下水丰富洞段能够有效防止坍塌或导水[16]……新技术、新工艺将会逐步涌现，多种措施结合才能更好地稳固围岩，充分发挥围岩自身的承载能力，起到“1 + 1 > 2”的效果。

2.4 加大超前处理技术研发力度

隧道施工中围岩出露后的处理属于事后处置，有一定效果但综合成本相对较高。超前加固、超前封堵等措施属于事前预防，是极其重要的施工手段，并且在钻爆法施工中应用相对成熟。由于TBM工法的局限性以及施工技术水平的限制，虽然多年来相关单位开展了很多TBM超前支护、超前封堵等事前预防技术研究，但在极端恶劣地质条件下尚未取得实质性进展。难题主要集中在2点： 一是超前钻孔，这是目前所能想到的超前处理措施的基础，如超前小导管、超前管棚、超前灌浆、超前锚杆、超前应力释放孔、超前钻探等都离不开超前钻孔，因作业空间所限，导致钻孔深度、间距、工效无法适应施工需求； 二是超前灌浆，还没有广泛适用的TBM止浆、灌浆施工技术。

TBM施工超前处理技术是应对极端恶劣地质条件最关键的措施，需要有重大突破才能真正解决超前钻孔与灌浆的问题。《一种敞开式TBM超前支护加固系统》《一种用于TBM隧道施工的超前小导管》等专利技术对TBM施工超前处理技术进行了有效探索，但仍需在实践中不断完善和提高。结合所面临的地质难题，相关单位需要积极创造条件，鼓励创新，在保证安全的前提下勇于试验，在摸索中实践，在实践中提高。

2.5 适时优化工法

TBM是一种隧道施工设备，与凿岩台车、湿喷台车等设备有一个共同属性，即为隧道施工服务。隧道施工的最终目标是安全建成质量合格的隧道，施工过程中应该充分考虑极端恶劣地质条件下相关工法的适应性、局限性，充分对比其优劣，选择最适用的工法，这是隧道施工安全与质量的保障，也是工期和成本控制的需要。针对选用TBM法施工的隧道，局部TBM无法有效应对的极端地质洞段，应果断决策，选择其他适应性更强的工法。实践证明，导洞矿山法开挖后TBM步进通过和钻爆法施工上半断面、TBM掘进下半断面等方法，在特定的地质条件下取得了显著的效果。

3 施工管理

3.1 安全优先，确保质量

安全是隧道施工的首要保障，首先要保证人员安全，其次要保证设备与构筑物的安全。极端恶劣地质条件下TBM施工存在诸多高风险源，务必把安全置于所有工作的首位。安全与质量密不可分，规范作业、质量合格是实现安全质量目标的重要保障。

关于施工安全与质量的论述很多，本文不再赘述。在此单独提出主要是强调“安全优先、确保质量”的施工理念。

3.2 选择具有丰富经验的施工企业承建高风险TBM法隧道工程

采用TBM法施工的隧道工程招标中会对投标人提出TBM施工业绩的明确要求，同时也会对项目经理和技术负责人提出相应的业绩要求。例如，某工程招标文件规定： “2013年1月1日至2017年12月31日承担过(已完工或在建)1个单项合同内含有采用TBM施工的掘进断面≥35 m2且TBM掘进总长度≥15 km隧洞工程的投标人得基本分1分，每增加1个上述业绩加1分，最多得7分。”由此可见，建设单位已充分认识到TBM施工的难度，因而将经验丰富作为选择中标人的重要因素。

上述做法充分说明了建设单位对施工企业经验的重视。有TBM施工业绩的企业，自然会积累一定的施工经验。适宜地质条件下的TBM施工经验能够保证施工进度，极端恶劣地质条件下TBM施工经验的重要性更加突出，类似地质条件下的业绩和经验越丰富，施工过程中的处置措施就会越合理，处理过程就会越顺畅。

3.3 各司其职，通力合作

极端恶劣地质条件下TBM施工存在着极高风险，需要科学判断、及时合理决策，需要参建各方以抢险姿态应对，尽最大努力避免发生重大安全事故，尽量缩短处理工期，快速应对方案不合理、不及时可能带来的灾难性的后果。

2016年5月底，陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞岭北敞开式TBM第2阶段施工突遇大断层，细小的岩石颗粒从护盾尾部下方呈流砂状涌出，刀盘前方出现大坍塌，邻近护盾的钢拱架严重变形，TBM被卡。参建各方高度重视，建设单位把握大方向，协调各方资源；施工单位迅速组织专家与设计单位共同探讨研究，及时提出导洞矿山法半断面开挖、TBM半断面掘进的处理方案；在建设单位的支持下，设计单位立即复核并调整施工图，施工单位同步细化实施性施工组织设计；监理单位按既定方案重点监控安全与质量。3个月后，TBM安全通过30 m严重的断层破碎带，恢复正常掘进。参建各方职责清晰、各司其职、发挥专长、及时决策、通力合作，研究阶段各抒己见，实施阶段坚决按既定方案执行。这种做法，值得在建和潜在存在极端恶劣地质条件的TBM法隧道施工借鉴，唯有如此才能及时有效地应对重大风险，才能促进TBM法在极端恶劣地质条件下合理应用。职责不清、定位不准、推诿扯皮、缺乏担当、没有大局意识、为了局部利益而斤斤计较、有研究无决策、有决策无执行，只能导致工程继续延误，造成更加严重的后果。

3.4 合理控制工期与投资

由于目前设备技术和施工技术水平的限制，极端恶劣地质条件下TBM施工工期、成本的可预见性较差。为了促进极端恶劣地质条件下TBM施工能够顺利进行，保证施工安全与质量，需要正确认识目前的技术水平，实事求是地合理控制工期和投资。

3.5 完善适应TBM施工特点的相关规范

钻爆法隧道施工有完善的设计、施工、定额等管理体系，但TBM法的相关规范尚未形成体系，在一定程度上制约了其发展。

建立健全的、适应TBM施工特点的设计和施工规范以及标准和定额等管理体系是促进TBM施工技术科学发展的需要。在研究和编制指导性文件过程中，需要兼顾各种工况条件，特别要关注极端恶劣地质条件。

4 结论与讨论

在隧道施工中TBM法正在被大力推广，相关的技术发展也进入一个新的阶段，广阔的前景与严峻的挑战并存。TBM法在极端恶劣地质条件下的施工技术、工程管理与钻爆法还存在明显差距，有待进一步提升。因此，推广TBM施工技术时需要慎重，使TBM在隧道建设中能够扬长避短。同时，要兼顾宏观与细节、技术与管理，系统研究，用舍行藏，既要努力创造条件充分发挥TBM的作用，又要及时准确判断TBM无法适应的工况，果断采用适宜的工法。

1)尽量提高地质勘察成果的准确性，正视勘察结果不全面的事实，科学认识各TBM机型的工程适应性及当前技术水平，优化组合各种施工方法，编制更加合理的工程总体筹划，实现隧道建设的安全、质量、工期等目标。

2)TBM施工中针对不同的地质条件应合理选择掘进参数，及时合理支护，适时优化工法；亟待实现超前地质预报、超前处理的重大技术突破，大幅提高TBM的工程适应性。

3)建立健全的TBM设备设计制造、TBM法隧道工程设计与施工系列规范性文件； 参建各方职责清晰、定位准确、发挥专长、各司其职、通力合作、强化决策与执行能力，努力提高TBM极端恶劣地质条件下的施工效率； 合理控制工期与投资，促进TBM施工技术的健康发展。