双护盾TBM在深埋长大水工隧洞的应用可行性研究

李心睿，孙博，何坤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川

成都

610072）

作者简介：李心睿（1991-），男，四川绵阳人，毕业于四川大学土木工程专业，硕士，工程师。专业方向：水利水电工程施工。

中图分类号：U455.4文献标识码：A

文章编号：1007-7359（2022）01-0157-02

DOI:10.16330/j.cnki.1007-7359.2022.01.071

1工程概况

某水电站引水隧洞全长约30km，隧洞开挖直径约9m，隧洞垂直埋深普遍较大，最大埋深约1600m，工程区海拔近3000m。引水隧洞沿线山体雄厚，山势陡峻，引水隧洞围岩以片麻岩及混合片麻岩为主，总体为坚硬岩，裂隙较发育，以片麻理及长大裂隙为主。该引水隧洞作为高原地区深埋长大隧洞，主要工程地质问题具有复杂性和特殊性，经初步分析隧洞主要存在围岩稳定、高地应力、高压突涌水问题等工程地质问题。

2基于围岩类别（RMR）的TBM选型方法

TBM性能的发挥在很大程度上依赖于工程地质和水文地质条件，如岩体裂隙等级、岩石单轴抗压强度和断裂韧性将决定TBM掘进速率和工程成本；隧洞埋深、围岩等级、涌水大小等涉及掘进

后的支护方案[1]

。

根据国内外大量深埋长大隧洞工程TBM法施工研究成果，目前通常采用RMR方法进行机型选择。具体方法如图1所示：以敞开式TBM为基准，假设其最高适应权值为100％，不同RMR分值下敞开式TBM和双护盾TBM适用权值见图中蓝色与红色曲线。

某水工隧洞围岩类别按RMR方法

图1基于RMR的TBM选型图

摘要：随着我国水电建设逐步向高寒高海拔地区转移，机械化施工是必然趋势，TBM

掘进已成为一种该地区隧道施工的重要方法。针对双护盾TBM在水工隧洞中的施工现状，提出设备改进方法，并对配套施工方法、结构设计进行论述，结果表明双护盾TBM在

高原高海拔地区水工隧洞施工是可行的。关键词：双护盾TBM；水工隧洞；施工技术

基于RMR的TBM选型分析

表1

围岩类别

RMR所占%性能权值

Ⅱ80~6112.63%TBM-O（80%）TBM-DS（80%）Ⅲ60~4158.70%TBM-O（40%）TBM-DS（80%）Ⅳ40~2123.39%TBM-O（30%）TBM-DS（70%）Ⅴ

0~20

5.29%TBM-O（10%）TBM-DS（10%）合计

100%

TBM-O（41.13%）

TBM-DS（73.97%）

注：TBM-O指敞开式TBM，TBM-DS指双护盾TBM。

进行划分，两种TBM的性能权值见表1。强烈岩爆和极强岩爆发生时，可能由表可知，该隧洞选用双护盾TBM比敞会导致顶部围岩坍塌，坍塌围岩压住刀开式TBM在效率上要高32.84%，所以盘和护盾，使护盾变形，特别是伸缩护盾选择双护盾TBM是合适的。

和尾护盾，且TBM通过后可能使管片变3双护盾TBM主要改进措施

形，产生较大的裂纹、错台，极端情况下可能使管片失去支护效果，对施工人员与传统双护盾TBM相比，对于深埋和设备造成极大的安全隐患。常规长大水工隧洞施工，需要TBM进行如下TBM在岩爆发生前难以进行超前预测改进：

和处理，岩爆发生后往往只能停机等待，极大影响掘进效率。

变形区段能敞开式作业即增加喷混凝土①在双护盾TBM基础上，实现在大双护盾TBM配置超前地质预报系台车，统、超前钻机后，可对高地应力区掌子面前方围岩进行预测和预处理，降低岩爆加钢拱架安装、②及时封闭围岩；

在双护盾锚杆功能设备，TBM尾护盾的尾部增以适应大影响。主要手段：

变形地层；

生的可能性及地应力的大小。综合运用①加强超前地质探测，预报岩爆发盾、盾尾等多个位置，③超前钻机系统分别配置在伸缩要求能满足超前注多种方法（如超前钻探、声反射、地温探浆加固要求，减少围岩变形量；

测）判断可能发生岩爆高地应力的范围；

出渣通道设计，④预留快速处理卡机通道、保证卡机快速处理；

平台及可能减少岩层暴露时间，②改善围岩应力，加强回填灌浆，减少岩爆的发尽生概率。必要时，打设超前钻孔或在超足日常作业要求，⑤超前地质探测功能要完善，噪声小、能满前钻孔中进行松动爆破，在围岩内部造成一个破坏带，即形成一个低弹区，从而敛的卡机风险。

⑥盾体外侧润滑系统，效率高；

降低围岩收降低掌子面应力，使高应力向围岩深部4双护盾TBM在不良地质条件转移。施工时可在掌子面前方打设超前钻孔，施工应对措施

针对深埋隧洞常见的岩爆、大变形、孔注水来促进围岩软化，③部分释放掌子面应力；

对工作面附近隧道岩壁喷水或钻从而消除或减断层破碎带及突泥突水地段，双护盾缓岩爆程度；

TBM具有较强适应性，下面逐一分析各种类型不良地质洞段应对措施[4~5]。措施

④加强施工监测及时采取对应处理4.1岩爆地段双护盾TBM施工对策

轻微岩爆：对护盾式TBM施工和管轻微岩爆和中等岩爆对TBM施工片衬砌结构基本没有影响，施工过程中影响不大；

主要采取加强刀盘喷水，降低岩石强度，

用应与究筑研建程徽工安通交157安徽建筑交通工程研究与应用158并改装中型或以上管片，及时填充豆砾石缓冲岩爆压力，水泥浆滞后灌注。

中等岩爆：在轻微岩爆处理方式基础上，打超前钻孔，并注水释放围岩应力，同时采用重型管片衬砌。

强烈或极强岩爆：在中等岩爆处理基础上，安装钢制管片，增强管片抵抗岩爆的能力，同时预留更多的缓冲空间。4.2大变形地段双护盾TBM施工对策

软岩大变形容易导致TBM盾体包裹，推进变慢，严重的导致卡机；各个方向变形量不均容易导致TBM伸缩护盾和尾护盾产生不塑性变形，影响后续TBM施工；对于裂隙比较发育的软岩，常会发生围岩大变形，导致管片变形、破损，甚至完全失去防护能力。常规TBM采用小范围扩挖，能够解决一定程度的变形，但拉月隧道极高应力区面临变形量大的情况，需要更加强大的扩挖能力和强行通过能力，同时对已开挖洞段的支护要求更高。

新型双护盾面临软岩大变形洞段可采取以下手段：

时检查扩挖边刀的磨损情况；

①采用扩挖刀加大开挖直径，并及②轻度变形：各种变形级别情况下的分类应对TBM正常掘进，加强围岩收敛监测，快速通过；采用轻型管片衬砌；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；正常填豆砾石，水泥浆滞后灌注。

中度变形：加强围岩收敛监测，加扩挖刀具进行适量扩挖、减少停机时间，快速通过；更换为中型管片，提高管片应对变形的能力；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；先进行底部、中部豆砾石回填，待围岩收敛基本完成后进行顶部豆砾石填充，水泥浆滞后灌注。

重度变形：加大扩挖量，持续加强围岩收敛监测，除必要的维护工作外，尽量减少TBM停机，在围岩收敛卡机前尽快通过；更换重型管片，保证在重度变形的围岩下管片具有足够的强度；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；只进行底部填豆砾石，稳定管片保证隧道轴线，中部和顶部滞后填充豆砾石，尽可能多的给围岩收敛预留空间，水泥浆滞后灌注。

严重变形：使用最大扩挖量的扩挖刀具，尽可能多地预留收敛空间，持续加强围岩收敛检测，非必要情况不停机，尽可能快速通过；采用特制钢管片，加大收敛空间预留；隔离隧道内水流向岩体，严格控制施工用水；只进行底部填豆砾石，稳定管片保证隧道轴线，中部和顶部滞后填充豆砾石，尽可能多地给围岩收敛预留空间，水泥浆滞后灌注；采用让压锚杆进行对管片进行加固，使管片和围岩形成联合受力，③一旦发生卡机现象，增加稳固性。

施工人员必

须马上作出处理措施，防止TBM变形受

损。如机头已被卡死，处理措施：首先采取加大推进力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，以减少机身与围岩间的擦力，看能否解困；如果上述方法不能解困，则需要通过拉开伸缩护盾开个窗口，通过此窗口对TBM机身进行扩挖；对扩挖区进行有效支护，并对围岩进行监测。解困后迅速回填豆砾石，并进行固结灌浆加固，防止围岩继续变形，影响隧道质量。

4.3断层破碎带地段双护盾TBM施工对策

TBM通过断层破碎带时，局部坍塌的大石块，可能卡住刀盘或护盾，使TBM刀盘无法转动、TBM无法向前掘进；撑靴的反作用力降低，撑靴护盾侧滚，可能造成TBM非正常停机等现象；破碎的岩渣可能卡住伸缩护盾等设施；掘进过程中出现TBM刀盘下沉，姿态难以纠正，且影响隧道成洞质量；断层破碎带洞段施工可能使TBM掘进方向偏移，管片安装接缝超标，出现大的错台和裂缝；TBM通过断层破碎带后，如果管片回填豆砾石、水泥灌浆不饱满或不及时造成管片下沉、开裂，出现TBM后配套不能顺利通过。

常规双护盾TBM主要采用钢筋混凝土管片，新型双护盾在结构上进行了管片分级的设计。主要分为以下几种方案：

①双护盾断层带小于TBM不停机快速通过，5m的方案

安装重型管片，大的方案

②断层带大于正常回填灌浆。

5m小于15m倾角较这种断层稳定，无坍塌，断层倾角大，掘进时对刀盘的顶部及侧部压力不大，但是需要关注伸缩护盾内外盾之间是否有岩渣卡住。可采取双护盾TBM不停机快速通过，控制刀盘喷水的流量，安装重型管片，及时进行豆砾石灌注、水泥浆灌注等措施。

小的方案

③断层带大于5m小于15m倾角较首先，TBM进入局部坍塌位置的断层带前先停机，使用TBM超前钻机系统进行化学灌浆法（聚氨酯泡沫、水玻璃等）和双浆液法进行预胶结处理；采用单护盾模式进行掘进并关闭刀盘喷水系统；TBM掘进时以低转速、大扭矩参数掘进；封闭部分刀盘铲牙，减少超方量；安装重型管片，及时进行豆砾石回填、水泥浆灌注；将TBM检修、皮带机维护、刀盘维护与换刀等工作提前完成，尽可能减少过断层期间停机；TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆；若断层破碎带部位存在地下水：采取“以排为主”的原则，打排水孔排水，若水量变较大时，及时通过流速仪、流量仪测

量、观察水流变化情况，并确定专项处理

方案。

案

④断层带大于15m局部坍塌的方这种断层带较大，围岩破碎，不稳定，掘进时围岩对刀盘顶部及侧部压力大，存在局部坍塌压住或大石块卡住刀盘风险。

TBM进入此种断层带前先停机，先分段进行处理、再掘进。在断层带大于5m小于15m倾角较小的方案措施基础上TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆，并对灌浆区域进行变形观测跟踪。

案

⑤断层带大于15m塌方严重的方采用常规钻爆法对TBM上部岩体进行揭顶开挖，辅助TBM通过断层破碎带；TBM在空载状态下直接步进通过，通过后恢复掘进，对超挖部分进行回填注浆。

4.4突涌水地段双护盾TBM施工对策

在TBM配置时就考虑加强伸缩护盾、尾护盾、喂片机区域的水泵管路布置，采用“一用一备”、隧道内回水、排水管路连接至洞外，按较大排水量进行排水管路设计；在TBM施工布置时尽可能采用上坡掘进避免下坡掘进。主要利用定位底管片预制的排水沟自流排水[3]。

5结语

本文基于采用基于围岩类别RMR）的TBM选型方法，对比预测了敞开式和双护盾TBM在本工程水工隧洞中的掘进效率，认为双护盾TBM具有更好的适应性。同时，进行了提出了双护盾TBM主要改进措施，并对改进后双护盾TBM的施工方法进行了论述，增强双护盾TBM适应性，扩大双护盾TBM应用范围，提高双护盾TBM在不同不良地质条件下掘进效率。可以看出，双护盾TBM经过针对性改进后，在本工程等类似的高海拔地区深埋长大水工隧洞可行的。

参考文献

[1]

曾定荣.双护盾TBM超前支护系统设计[J].机械工程与技术,2020,9(02):119-124.

[2]白亮.双护盾TBM掘进地质条件适应性研究[J].工程技术研究,2019,4(23):3-4.[3]马金光.双护盾TBM隧道施工防渗技术[J].铁道建筑技术,2020(5):117-120.[4]王军.X输水隧洞施工TBM选型[J].西北水电,2020(06):77-79.

[5]

洪松,陈端,暴艳利.深埋长隧洞TBM主机选型研究[J].水利水电工程设计,2019,38(04):4-7.

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