影响双护盾TBM掘进效率的地质因素及对策研究

杨继华 魏建鹏 王志强 杨风威 齐三红

收稿日期：2023-04-27；接受日期：2023-06-23

基金项目：黄河勘测规划设计研究院有限公司自主研究开发项目（2020-ky04，2022-ky03，2023-ky14）

作者简介： 杨继华，男，正高级工程师，博士，主要从事隧洞与地下工程勘察、设计及研究工作。E-mail：yangjihua68@sohu.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0188-06

引用本文：杨继华，魏建鹏，王志强，等.影响双护盾TBM掘进效率的地质因素及对策研究

［J］.人民长江，2024，55（6）：188-193，210.

摘要：针对地质因素影响TBM掘进效率的问题，以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，采用现场调查、数据统计的方法，分析了岩石单轴抗压强度、岩体完整性、岩石石英含量、地应力、地下水等对TBM施工的影响，并针对各种地质因素提出了TBM施工对策。结果表明：① 当岩石单轴抗压强度Rc在50～80 MPa时，TBM施工速度最高，日进尺可达30 m以上；当Rc低于50 MPa时，施工速度随强度的降低而降低；当Rc大于80 MPa时，TBM施工速度随Rc的增加而降低。② 当岩体完整性系数Kv在0.40～0.60时，施工速度最高；当Kv大于0.60时，施工速度随着Kv的增加而降低；当Kv小于0.4时，施工速度随着Kv的降低而降低。③ 岩石的石英含量越低，地应力水平越低，地下水越少，对TBM施工越为有利。研究结果可为类似工程的TBM地质适宜性评价及施工方法提供参考。

关  键  词：输水隧洞； 双护盾TBM； 施工效率； 地质因素； 兰州市水源地建设工程

中图法分类号： TV554+.2

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.026

0  引 言

随着中国水利高质量发展战略的实施，针对部分地区生活工业用水、生态用水、灌溉用水短缺的问题，各地兴建或规划了大批的引调水工程，如陕西引汉济渭工程［1］、湖北引江补汉工程［2］、吉林中部引松供水工程［3］、云南滇中调水工程［4］、新疆北疆供水工程［5］等。这些引调水工程线路穿越山岭地区时，往往布置有深埋长隧洞工程，如青海省引黄济宁工程引水隧洞全长74.40 km［6］，兰州市水源地建设工程输水隧洞全长31.5 km［7］。深埋长隧洞地表地形条件复杂，难以布置施工支洞和竖井等施工通道，这时TBM施工就成为最优选择。隧洞TBM施工具有独头掘进距离长、掘进速度快、安全、环保等特点，在深埋长隧洞中得到了越来越广泛的应用。国内外TBM施工实践表明，TBM掘进效率主要受设备性能、人员技术水平及管理水平、地质条件等3个主要因素的影响［8-10］。前两个因素为主观因素，可以通过设备优化改造、人员培训等做到最优；而地质因素为客观因素，需根据揭示的地质条件调整对策。

针对地质因素对TBM掘进效率的影响和对策问题，较多的学者和工程技术人员开展了相关研究。陈浩［11］以中天山铁路隧道为背景，分析了隧道围岩等级、各地质参数与TBM掘进效率的相关性，并提出了相应TBM支护方式；冠文等［12］采用室内全尺滚刀切割试验的方法，研究了贯入度对滚刀破岩效率的影响；杨志勇［13］针对大瑞铁路高黎贡山铁路隧道平导开敞式TBM突泥涌水问题，提出了采取增设高位支洞和管棚工作室、超前探测的处理方式；陈方明等［14］以N-J水电站引水隧洞TBM施工为背景，采用多种判据对岩爆倾向性进行了研究，并提出了岩爆段的施工措施；喻伟等［15］以深圳地铁隧道双护盾TBM施工为背景，采用数值模拟的方法，分析了隧道穿越断层带围岩的应力、变形特征，在此基础上提出了隧道的加固措施。

但以上研究多集中在影响TBM的某一地质因素方面，对具体工程多项地质因素对TBM掘进效率的影响进行系统研究的较少。本文以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，采用数据统计的方法，在分析岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、岩石石英含量、地应力对TBM掘进效率影响的基础上，根据TBM设备性能、地质条件提出针对性的处理措施。

1  工程概况

兰州市水源地建设工程引黄河刘家峡水库的优质水源向兰州市供水，其中约31.5 km的输水隧洞为其主要建筑物。输水隧洞为有压隧洞，开挖洞径5.48 m，衬砌后洞径4.60 m，隧洞采用两台双护盾TBM和钻爆法联合施工。其中TBM1掘进段长约10.699 km，TBM2掘进段长约12.525 km［16］。其施工布置如图1所示。

输水隧洞平均埋深400～600 m，最大埋深930 m。隧洞沿线共发育3条区域性断层F3、F4、F8，宽度60～100 m，以及10余条小规模次级断层，宽度一般小于5 m。隧洞沿线穿越的地层岩性分布如下：5号施工支洞桩号K0+558～K0+833及K2+900～ K3+260段为加里东中期石英闪长岩（δο32）；5号施工支洞桩号K0+833～ K2+900、K3+260～ K3+544及主洞段T5+860～T8+765段为前震旦系马衔山群（AnZmx4）黑云石英片岩和角闪石英片岩；主洞段T8+765～T11+759为加里东中期花岗岩（γ32）；主洞段T11+759～T17+030、T24+685～T30+600段为白垩系下统河口群（K1hk1）砂岩与泥岩互层、砂砾岩等；主洞段T17+030～T24+685段为奥陶系上中统雾宿山群（O2-3wx2）变质安山岩、玄武岩等。

根据室内岩石试验结果，石英片岩单轴饱和抗压强度为16.5～175 MPa，石英闪长岩为11～147 MPa，花岗岩为127～134 MPa，砂岩、砂砾岩、泥岩为11～85 MPa，安山岩、玄武岩为34～94 MPa。隧洞沿线的地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，隧洞总体位于地下水位以下。隧洞所在区域3个方向地应力场特征为σH（最大水平主应力）>σh（最小水平主应力）>σV（垂直主应力），最大水平主应力方向NE40°～70°，与输水隧洞轴线方向小角度相交，最大水平主应力侧压力系数为1.5～2.9。隧洞围岩分类方面，采用GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》的方法进行分段围岩分类［17］，TBM施工段各类围岩统计见图2。

TBM施工段穿越的地层多，断层分布多，岩性从极软硬到坚硬岩均有分布，TBM掘进中可能面临断层硬岩掘进效率低、断层及破碎带围岩失稳塌方、软岩大变形、涌水等工程地质问题。

2  地质因素对TBM掘进效率影响及对策

2.1  岩石单轴强度

2.1.1  TBM破岩机理

根据TBM工作原理，在TBM掘进过程中，推进油缸对刀盘施加一定的推力，刀盘上配备的盘形滚刀贯入开挖面岩石一定的深度（称为贯入度），岩石在滚刀的挤压作用下产生微裂纹并向两侧扩展，当相邻滚刀间的裂纹贯通后会形成岩片掉落，TBM完成滚刀破岩过程（图3）。刀盘在电机的驱动下旋转前进，实现TBM

的持续掘进。

2.1.2  岩石强度对TBM掘进的影响

由TBM破岩机理可以看出，TBM掘进速度（PR）主要受TBM刀盘转速（RPM）和滚刀贯入度（P）的影响，可由式（1）表示：VPR=RRPM×P（1）

式中：VPR为TBM掘进速度，mm/min；RRPM为TBM刀盘转速，r/min；P为TBM贯入度，mm/r。

由式（1）可看出，提高TBM刀盘转速及贯入度均可提高TBM掘进速度。但国内外的TBM实践表明，当刀盘线速度超过一定值时，很难使相邻滚刀间裂纹连通，降低了破岩效率。根据试验分析，在掘进过程中，TBM滚刀的线速度控制在小于等于150 m/min为宜，由此可以推算刀盘容许最大转速，如该工程刀盘直径为5.48 m时，刀盘转速应低于8.7 r/min，因此无法通过进一步提高刀盘转速来提高TBM掘进速度。而TBM刀盘贯入度与TBM推力直接相关，但受滚刀最大承载力的影响，如目前常用的17寸滚刀最大承载力250 kN，19寸滚刀最大315 kN，因此TBM推力也不能持续增加。

以上为TBM正常掘进时的速度，而在TBM施工中往往更关注施工速度（AR），一般用日进尺表示，其计算公式见式（2）：VAR=VPR×U×24（2）

式中：VAR为TBM施工速度，m/h；U为TBM利用率，当天掘进时间与当天工作时间的比值。

由式（2）可以看出，TBM施工速度除了受掘进速度的影响外，还受TBM利用率的影响。

在兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM施工中，采用室内试验及数据分析的方法研究岩石强度与TBM掘进速度的关系。在TBM盾尾未安装管片时通过人工手持钻机采取标准直径原状岩样，通过室内岩石压力机测试岩石的单轴抗压强度（Rc）（图4）。TBM掘进速度、刀盘转速、贯入度等参数可从TBM控制计算机上直接读取，也可通过数据下载进行分析（图5）。

通过以上方法，采集了多组数据分析岩石单轴抗压强度与TBM施工速度的关系，如图6所示。可以看出，在兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工过程中，岩石单轴抗压强度（Rc）对TBM施工速度影响较大，当Rc在50～80 MPa时，施工速度最高，日进尺可达30 m以上；当Rc低于50 MPa时，施工速度随强度的降低而降低；当Rc大于80 MPa时，TBM施工速度随Rc的增加而降低。分析原因如下：当Rc在50～80 MPa时，岩石强度不是太高，TBM能获得较高的贯入度，掘进速度较高，同时围岩稳定性较好，一般不会因为围岩失稳影响TBM掘进，此时施工速度较高；随着Rc的增加，TBM贯入度降低，施工速度随之降低；当岩石强度降低时，虽TBM贯入度增加，但围岩稳定性降低，可能出现掌子面塌方等现象，需停机处理，降低了TBM利用率，进而降低了TBM掘进速度。

2.1.3  对策分析

在兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工中，针对岩石强度对TBM施工速度的影响，主要采取了以下措施：（1） 在坚硬岩石条件下，为提高TBM的掘进速度，采用窄刃的滚刀，在相同的推力条件下，可提高刀盘贯入度，进而提高掘进速度。如刀刃宽度由19 mm降为16 mm，贯入度可提高15%。

（2） 在软弱围岩条件下，为减少TBM掘进对围岩稳定的影响，采用低推力、低转速、低贯入度的掘进方式，尽量减少对围岩的扰动。

2.2  岩体完整性

2.2.1  岩体完整性对TBM掘进的影响

由上节的TBM破岩机理可以看出，相邻滚刀间形成裂纹并连通是破岩的关键，但如果岩体中本身存在结构面（节理、片理、层理等），会使滚刀破岩更为容易，进而提高破岩效率。

岩体中结构面的发育情况可用岩体完整性系数（Kv）表示，其取值范围为0～1，数值越大说明节理越发育。

在兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工过程中，通过护盾的观察窗口和掌子面观察估算岩体完整性系数，并读取施工速度参数进行相关性分析，结果如图7所示。由图可以看出，当Kv在0.40～0.60时，TBM施工速度最高；当Kv大于0.60时，施工速度随着Kv的增加而降低；当Kv小于0.4时，施工速度随着Kv的降低而降低。分析原因如下：当Kv在0.40～0.60之间，岩体中结构面对滚刀破岩起到辅助作用，提高了破岩效率，同时岩体也有一定的完整性，一般不会因为岩体破碎影响围岩的稳定性；Kv大于0.60时，岩体破碎程度增加，稳定性变差，可能因为围岩失稳导致TBM停机，降低了TBM利用率，进而降低了施工速度；当Kv小于0.4时，岩体的完整性增加，此时，更多依靠滚刀造成的裂纹破岩，破岩效率较低，降低了施工速度。

2.2.2  对策分析

对于完整岩体，一般其单轴抗压强度也较高，此时采用的对策与硬岩对策基本相同，即采用窄刃滚刀提高贯入度。对于破碎岩体，由于其稳定性较差，除了采用合理的掘进参数减少对围岩的扰动之外，还要维护好TBM设备，连续掘进通过破碎围岩段，减少避免围岩失稳塌方造成TBM掘进受阻或卡机的风险。

2.3  岩石石英含量

2.3.1  岩石石英含量对TBM掘进的影响

TBM掘进时，滚刀与开挖面为滑动摩擦关系，长时间的滑动会造成滚刀刀圈的磨损，磨损程度受岩石矿物成分影响。其中石英作为岩石中的一种硬质矿物，其维氏硬度HV可达到800～1 100，而刀圈材料常用的H13合金钢HV仅为500～700，石英材料对刀圈的切削和犁沟作用造成刀圈的磨损［18］。刀圈磨损到一定的程度需要更换，兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM施工中对刀圈的更换标准如下：中心刀、正滚刀、边滚刀分别磨损20，30，15 mm时进行更换。

刀圈磨损对TBM施工影响较大，主要体现在两个方面：刀圈更换时需要TBM停机，频繁更换刀圈会大量占用掘进时间，降低TBM利用率，进而降低TBM施工速度；刀圈成本较高，大量更换时会显著提高施工成本［19-20］。

在兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM施工中，通过采取岩样进行矿物成分分析，获取岩石石英含量数据，并与刀圈更换量进行相关性分析，结果如图8所示。由图8可以看出，每把滚刀刀圈的掘进距离随着岩石石英含量增加而减少，砂质泥岩的石英含量为2%，每把刀圈平均可掘进约102 m，角闪石英岩的石英含量达到了84%，每把刀圈平均仅可掘进约8 m。

2.3.2  对策分析

针对TBM在石英含量高的地层进掘中刀圈磨损过快问题，对初始使用的刀圈硬度进行了测试，发现刀圈的洛氏硬度（HRC）在54左右，刀圈偏软，在与岩石的摩擦过程中更容易发生塑性去除，磨损速度快。在接下来的掘进中，采用了洛氏硬度（HRC）58～60的刀圈后，平均每把刀圈的掘进长度达到10 m以上，较之前有了一定程度的改善。

2.4  地应力

2.4.1  地应力对TBM掘进的影响

地应力主要影响隧洞围岩的稳定性，进而影响TBM的掘进。高地应力条件下，硬岩易发生岩爆，如国内的锦屏二级水电站引水隧洞TBM施工中，强烈岩爆造成了初期支护破坏、设备损毁、人员伤亡等严重后果［21］；对于软岩易发生围岩大变形，当采用护盾式TBM施工时，易发生卡机事故，如昆明上公山隧洞小直径双护盾TBM遭遇软岩变形连续卡机，造成工期延误、成本增加等后果［22］。

兰州市水源地建设工程输水隧洞最大埋深930 m，地应力以水平构造应力为主，地应力量值总体为中等地应力［23］。输水隧洞围岩有以石英闪长岩、石英片岩、花岗岩为主的硬岩，以及以砂质泥岩、砂砾岩为主的软岩，具备发生硬岩岩爆及软岩大变形的地应力条件和岩性条件。

采用GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录Q的判断方法对隧洞岩爆等级进行判定，隧洞硬岩洞段大部分围岩强度应力比大于7，岩爆等级为无岩爆，约5%的洞段围岩强度应力比在4～7，岩爆等级为轻微岩爆。该工程隧洞采用双护盾TBM施工，护盾后安装管片衬砌，轻微岩爆不会对隧洞内工作人员和设备的安全造成威胁，因此可不考虑岩爆对TBM施工的影响。

采用《水力发电工程地质手册》（2011）中软岩变形程度初步预测评价表对隧洞的软岩变形程度进行评价［24］，绝大部分软岩洞段基本稳定，无挤压变形，少量岩石单轴抗压强度小于5 MPa的软弱破碎围岩洞段为中等挤压变形，预测施工期的收敛变形为2.5%～5.0%。该工程隧洞开挖洞径为5.48 m，则施工期收敛变形量为13.7～27.4 cm，而TBM护盾与顶拱围岩的间隙仅为8 cm，因此可能发生由软岩变形造成的TBM卡机事故。卡机后，需要进行脱困处理，TBM利用率降为0，会严重影响TBM施工速度。

2.4.2  软岩变形对策分析

（1） 将TBM护盾设计成阶梯形，即后盾直径小于前盾直径，可减少护盾与围岩的接触面积以减少围岩与护盾的摩擦阻力，进而降低卡机风险。该工程的双护盾TBM采用了前盾直径5.40 m、后盾直径5.30 m的设计。

（2） 对于判断可能发生软岩变形的洞段，通过护盾孔向护盾和围岩间注入润滑油脂，减少围岩的摩擦阻力。

（3） 软岩变形卡机后，采用拉开伸缩护盾，从护盾顶部向掌子面人工开挖小导洞释放围岩压力的方法使TBM脱困（图9）。该工程在花岗岩软弱破碎带发生卡机后，采用此方法仅用时7 d即完成TBM脱困。

2.5  地下水

2.5.1  地下水对TBM掘进的影响

根据国内外TBM隧洞施工实践，地下水的涌水对TBM施工影响较大，主要体现在以下几个方面：地下水会软化围岩，降低围岩的稳定性，特别是高压大流量涌水，可能直接造成围岩的大量塌方；TBM配备有大量的电子、电气设备，如受涌水的喷淋，故障率会大幅增加；如果TBM顺坡掘进，大量的涌水汇集到掌子面又无法及时排出时，TBM设备有被淹没的风险；掌子面地下水较多时，刀盘铲斗难以将掘进的岩渣铲起，部分岩渣会涌入洞内，掩埋设备并影响管片安装，需要停机进行人工清渣；隧洞如积水较深，淹没轨道，有轨运输脱轨的可能性大为增加，会影响有轨运输的效率和安全性［25-26］。

从该工程输水隧洞TBM施工布置（图1）可以看出，TBM2施工段为逆坡掘进，隧洞可自流排水，且从TBM2施工段的地质条件分析，其地下水不活跃，对TBM的施工影响较小。TBM1施工段多为硬岩洞段，地下水丰富，且TBM1从施工支洞进洞后大坡度顺坡掘进，与主洞交汇后转为逆坡掘进，在支洞掘进时存在掌子面排水问题，在主洞掘进时存在主支洞交叉口最低点排水问题，对TBM施工影响较大。

2.5.2  涌水对策分析

在TBM1标段的施工过程中，针对涌水问题，采用了以下对策：（1） 施工支洞排水。在主机部位配备两台排量85 m3/h、扬程为135 m的水泵，将汇集到掌子面的地下水通过两条DN100管道排出洞外。

（2） 主洞排水。主洞的地下水通过自流汇集到主洞与支洞交叉位置的最低点，在此处布置两台排量分别为260 m3/h和220 m3/h的水泵，通过两条DN200管道将主支洞的地下水排到洞外。

（3） 采用薄铁皮对TBM重要设备进行覆盖，减少设备淋水。

（4） 对较大的涌水点，通过护盾孔、管片孔对围岩进行钻孔，采用化学灌将的方法，对地下水进行封堵，以减少涌量。

3  结论与讨论

兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实践表明，隧洞的地质条件对TBM掘进影响较大，主要因素包括岩石单轴抗压强度、岩体完整性、岩石石英含量、地应力、地下水等。

（1） 岩石单轴抗压强度（Rc）超过80 MPa时，TBM滚刀的破岩效率随着Rc的增加而降低，当Rc超过180 MPa时，TBM的日进尺一般低于10 m。因此在超硬岩石条件下提高TBM的破岩效率是将来一个重要研究方向。

（2） 当岩体完整性系数（Kv）在0.40～0.60时TBM有较高的破岩效率，岩体过于完整或过于破碎都会降低TBM掘进效率。

（3） 过高的岩石石英含量会加速TBM滚刀刀圈的磨损，可从材料学出发，研究高耐磨性的滚刀刀圈材质，降低频繁更换滚刀对TBM掘进效率的影响。

（4） 高地应力可能产生硬岩岩爆和软岩大变形，地应力越低对TBM施工越为有利。在TBM设备设计时可根据地应力情况进行针对性的设计以减少地应力对TBM施工的影响。

（5） 隧洞的地下水越少对TBM施工越有利，大量的涌水不仅影响TBM掘进效率，而且会破坏地下水环境，研究高效的堵水材料和工艺也是将来隧洞TBM施工的一个重要方向。

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（编辑：郑 毅）

Study on geological factors affecting double shield TBM tunneling efficiency and countermeasures

YANG Jihua，WEI Jianpeng，WANG Zhiqiang，YANG Fengwei，QI Sanhong

（Yellow River Engineering Consulting Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：

Taking the construction of Lanzhou Water Source Project as a background，which uses double shield TBM for tunneling，we analyze the effects of geological factors on TBM tunneling efficiency through on-site investigation and data statistics and propose countermeasures for each geological factor.The geological factors include uniaxial compressive strength of rock，rock mass integrity，quartz content of rock，ground stress，and groundwater.The results show that when the uniaxial compressive strength （Rc） of rock is between 50～80 MPa，the TBM advancing rate （AR） reaches over 30 m in a day.When Rc is below 50 MPa，AR decreases with decreasing strength.When Rc is above 80 MPa，TBM tunneling speed decreases with increasing Rc.When the rock mass integrity coefficient （Kv） is between 0.40～0.60，AR reaches the highest.When Kv is greater than 0.60，AR decreases with increasing Kv，and when Kv is less than 0.4，AR decreases with decreasing Kv.The lower the quartz content of the rock，the lower the ground stress level，and the less groundwater，the more favorable it is for TBM tunneling.The research results can provide reference for TBM geological suitability evaluation and construction methods for similar projects.

Key words：

water conveyance tunnel； double shield TBM； construction efficiency； geological factor； Lanzhou Water Source Project