TBM 掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策

  1 引 言

 

  1851年, 美国工程师CharlesW ilson 设计了世界上第一台可连续掘进的隧道掘进机TBM (TunnelBoringM achine), 但由于设计存在难以克服的滚刀问题和其他困难, 使之难以与当时刚诞生的钻爆法相媲美而无用武之地;1956年, 美国的James. Robbins仿照一百年前CharlesW ilson的设计, 只采用滚刀, 解决了第一台TBM的刀具问题, 获得了成功。

 

  由于广泛应用计算机、遥控、激光制导等先进电子信息技术对施工过程进行全面指导和监控, 现代TBM 掘进过程始终处于最佳状态。相对于传统钻爆法, TBM具有高效、快速、优质、安全等优点, 其掘进速度一般是前者的4 ～ 10倍。此外, 采用TBM还有利于环境保护和节省劳动力, 提高施工效率, 整体上比较经济。

 

  TBM 掘进技术体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术的综合和密集, 在一定程度上反映了一个国家的综合实力与科技水平。我国在这方面也已开展了跟踪研究[ 2] 。

 

  TBM 不足之处在于对不良工程地质条件的适应性较差, 不如传统钻爆法灵活;前期的一次性投入费用较大;对施工人员的素质要求较高。虽然已有150多年的发展历史, 但在隧道施工条件愈加复杂、技术要求更高的今天, 仍有多种问题出现甚至发展成工程事故。

 

  2 TBM 掘进技术的发展与应用

 

  随着科学技术发展, TBM 的类型不断增多、适用范围不断扩大, 从微型隧道到巨型隧道, 从松散软土甚至淤泥, 到极坚硬的岩石都可应用, 并且适用的地质条件也更为复杂;与此同时, 一个个施工纪录也在不断地被刷新。一般情况下, 当隧洞长度大于6km 或长(度)、(直)径比大于600 时, 宜优先采用TBM 进行开挖。不过, 近几年这一传统观念已被工程实践所突破, 在西方发达国家, 不少3km左右的隧洞已开始采用TBM 开挖。例如英国伦敦希斯洛机场的艾赛德路双管隧道, 长度仅1. 3km, 采用一台直径Υ =9. 2m的土压平衡式盾构TBM开挖。

 

  经过半个世纪推广与应用, TBM 掘进技术已相当成熟, 被广泛应用于世界各国的能源、交通、水利、国防等部门的隧道工程建设中。据统计, 近几年有30% ～ 40%的隧道工程采用TBM 开挖。

 

  2. 1 TBM 在国外的发展与应用

 

  从20世纪50年代以来, TBM 掘进技术在世界各国得到了广泛应用。采用TBM 掘进技术建成的世界著名大型隧道有英吉利海峡隧道、东京湾海底隧道、荷兰生态绿心隧道等(表3)。目前国外拟建的大型隧道项目包括日韩海底隧道(连接日本和韩国, 长约120km)、白令海峡隧道(连接亚洲和美洲,长约74. 8km)、阿尔卑斯山铁路隧道(从Ro senheim到V erona, 总长大于500km)等, 其中绝大部分将优先采用TBM 施工。

 

  其中有几个隧道施工实例在TBM 发展史上具有重要的里程碑意义, 值得关注。

 

  (1)英吉利海峡隧道:由三条平行排列的隧道组成, 每条隧道长51km, 是目前世界上最长的海底隧道。其中两条交通隧道开挖直径8. 36 ～ 8. 78m,成洞直径7. 6m;一条服务隧洞开挖直径5. 38 ～ 5. 77m, 成洞直径4. 8m;平均海底掘进长度37. 88km, 穿越地层为白垩纪泥灰岩。该隧道工程从欧洲、北美、日本共引进了11台不同型号、尺寸和性能的TBM,仅三年半就完成了掘进任务, 并于1994年5月7日正式通车。其中一台Robbins TBM创造了当时最佳月成洞1719. 1m 的世界纪录[ 5] 。

 

  (2)东京湾海底隧道:由两条长约10km 的隧道组成, 跨越东京湾, 把东京都与千叶县连在一起, 开挖直径14. 14m, 设计直径13. 9m, 建于海面以下约60m 深的软岩中。为适应大深度、高水压的施工条件, 该隧道采用8台高压泥浆式盾构TBM 开挖, 于1997年12月完工。

 

  (3)荷兰生态绿心隧道:位于阿姆斯特丹到布鲁塞尔高速铁路TGV沿线, 将阿姆斯特丹—鹿特丹高速轨道线连接起来, 全长7. 176km, 设计直径13. 30m, 总投资4. 31 亿美元, 采用法国NFM 制造的“震旦号”泥水盾构TBM 开挖, 开挖直径达14. 87m, 为目前世界上TBM 开挖的最大直径。该隧道于2001年11月2日正式开始掘进, 主要穿越泥炭土、粘土和饱和砂土等地层, 于2004年1月17日提前贯通。“绿心隧道”将阿姆斯特丹与鹿特丹之间的旅行缩短为30min, 安特卫普和布鲁塞尔在阿姆斯特丹和巴黎之间的旅行时间也减少到两个小时, 该隧道将于2007年4月正式开放运营。

 

  2. 2 TBM在我国的发展与应用

 

  我国1964年成立隧道掘进机攻关小组, 1966年生产出第一台直径Υ=3. 4m 的硬岩TBM, 在杭州人防工程中做过试验;此后曾研制出十多台硬岩TBM, 先后在云南西洱河水电站、福建龙门滩、青岛引黄济青等工程中使用, 掘进速度仅是当时国际水平的1 /5 ～ 1 /10, 基本处于闲置状态。

 

  我国盾构TBM 的制造和应用始于1965年, 上海隧道工程设计院研制出两台直径Υ =5. 8m 的网格挤压型盾构TBM, 成功地掘进了长1200m 的上海地铁区间隧道;此后陆续生产出多台盾构TBM, 并成功地应用于上海地区的隧道开挖;20世纪90 年代, 上海隧道股份有限公司自行设计制造了6台土压平衡式盾构TBM, 分别用于上海地铁隧道、引排水隧道等的施工, 掘进总长度约10km, 平均月进尺达200m以上, 已接近国际水平。

 

  20世纪90年代以来, 许多国外承包商(如意大利CMC 公司、SELI公司等)先后在引大入秦、万家寨引黄工程、昆明掌鸠河引水供水工程等大型水利工程中采用先进的TBM 进行开挖, 取得了很大成功;1996年, 我国铁道部门从德国W irth公司引进两台TB880E 型敞开式硬岩TBM, 成功开挖了西康铁路线上的秦岭隧道。

 

  其中有几个隧道工程因规模大、地质条件较复杂, 取得的成功经验值得借鉴。

 

  (1)引大入秦工程:将大通河水引入秦王川的大型跨流域调水工程, 总干渠全长86. 9km, 其中隧洞33座, 总长75. 11km。1988年9月, 意大利CMC公司采用Robbins双护盾TBM 进行隧洞开挖在该工程30A#和38#隧洞国际招标中中标。其中30A#隧洞长11. 649km, 设计直径4. 80m, 埋深51 ～330m, 1991年1月正式开始掘进, 1992年1月贯通;38#隧洞长4. 948km, 设计直径4. 80m, 1992年4月正式开始掘进, 1992年8月贯通。

 

  (2)万家寨引黄工程:从黄河万家寨水利枢纽取水, 将水东调, 经总干线、南干线和北干线分别向太原、大同、平朔3个能源基地供水。引水线路总长约314km, 跨越5个地质单元, 穿过太古界、古生界、中生界直至新生界各类地层, 埋深一般100 ～ 300m,地质条件比较复杂。其中总干线隧洞总长21. 388km, 成洞直径5. 46m, 1994年7月正式开始掘进, 1997年9月贯通;南干线隧洞总长88. 7km, 成洞直径4. 3m, 1998年12月正式开始掘进, 2001年4月贯通;联接段7#隧洞长13. 52km, 成洞直径4. 14m, 2000年12月正式开始掘进,2001年9月贯通。

 

  (3)掌鸠河引水供水工程:为解决昆明市近期和中远期城市供水问题而兴建的大型水利工程, 输水线路总长97. 258km, 其中隧洞16座, 总长85. 655km。上公山隧洞是该水利工程中最长的隧洞, 全长13. 769km, 设计直径3. 00m, 穿越地层主要为下元古界黑山头组(Pt1h s )板岩、粉砂岩和震旦系灯影组(Zbdn )白云岩、白云质灰岩, 由意大利CMC 公司采用美国Robbins公司生产的Υ =3. 665m 双护盾TBM 进行开挖[ 11] 。该隧洞于2003年4月正式开始掘进, 截止到2003 年12月底, 已掘进3. 337km, 平均月进尺426m, 最高月进尺771. 72m, 最高日进尺64. 90m, 将于2005年底贯通。

 

  (4)西康铁路秦岭隧道:包括两条平行的单线

 

  隧道, 分别长18. 460km, 开挖直径8. 8m, 是我国目前最长的铁路隧道。两条隧道间距30m, 最大埋深约1600m, 主要穿越地层为花岗岩和片岩。1996年, 我国铁道部门从德国W irth 公司引进两台TB880E型敞开式硬岩TBM用于该隧道开挖。两台TBM 分别从南北两个进口开始掘进, 南口于1998年3 月正式开始掘进, 1999 年8 月贯通;北口于1998年1月正式开始掘进, 1999年8月贯通。

 

  在以上隧道的施工中, 由于采用了先进的TBM掘进技术, 平均月进尺300 ～ 1000m, 平均日进尺10～ 50m, 最高月进尺1821. 49m, 最高日进尺113. 21m, 开挖速度明显快于传统的钻爆法(图1), 取得了良好的经济和社会效益。

 

  3 TBM 施工相关工程地质问题及处理措施

 

  由于TBM 设备庞大, 对地质条件适应性没有钻爆法那样灵活, 在没有预警的情况下遇到不良地质条件时, TBM 掘进受到的影响远大于钻爆法开挖,往往导致掘进速度缓慢、效率低下、工期拖延。如果处理不当, 甚至会带来灾难性后果。我国昆明掌鸠河引水供水工程、山西万家寨引黄工程、台湾坪林公路隧道, 以及荷兰南部的西斯凯尔特河隧道等, 在TBM 通过不良地质地段时均发生了诸如突水、塌方、卡机等工程事故, 威胁着施工人员和机械设备的安全, 并造成长时间停机。为此, 必须根据TBM 自身特点和工程地质条件采取相应的处理措施, 以保证TBM安全、顺利地通过不良地质地段。

 

  1. 英吉利海峡隧道;2. 东京湾海底隧道;3. 荷兰生态绿心隧道;4. 引大入秦工程;5. 引黄工程总干线;6. 引黄工程南干线;7. 引黄工程联接段;8. 昆明上公山隧洞;9. 秦岭隧道南口;

 

  10. 秦岭隧道北口

 

  a. 传统钻爆法;b. TBM 掘进

 

  3. 1 断层破碎带与围岩塌方、涌水断层破碎带尤其是规模较大的的断层带是绝大部分岩石隧道地下开挖都会遇到的不良工程地质条件。当隧洞位于区域地下水位线以下时, 地下水会不同程度地降低围岩强度和稳定性, 恶化围岩的工程地质条件, 对掘进过程产生不良影响[ 14] 。断层破碎带掘进过程中的涌水经常会导致围岩失稳、塌方, 甚至淹没隧洞, 危及洞内施工人员和设备的安全。因此, 如何安全、顺利地通过断层破碎带并避免塌方和突水等工程事故发生, 往往成为影响施工安全和工期的重要因素[ 15] 。

 

  例如2003年10月23日, 在昆明掌鸠河引水供水工程上公山隧洞掘进过程中, TBM 在桩号2 +627. 777m处遇到一条压扭性断层(宽2 ～ 3m, 与洞轴线夹角约30°), 导致掌子面出现大塌方, 随后停机在掌子面处对围岩进行灌浆(聚氨酯泡沫)处理。

 

  由于塌落的大量破碎围岩将TBM 刀盘卡死,加上灌浆工艺出现了一些问题, 最终导致TBM 被困长达26d。

 

  为使TBM 能够安全、顺利地通过断层破碎带,一定要进行深入的地面地质调查和高密度电法等地球物理探测或超前钻探等对断层破碎带的位置、规模作出合理的预测, 并及早采取对策。

 

  (1)如果断层破碎带规模较小, 则可以不进行预处理, 采用低转速、小行程、快速掘进的方法直接掘进通过, 尽可能不停机或减少停机时间, 以防TBM 刀盘被卡。

 

  (2)如果断层破碎带规模较大, 当采用直接掘进方法无法通过时, 则可先对破碎带进行预处理(如注浆预加固等), 然后再缓慢掘进通过。

 

  (3)对于规模很大的断层破碎带, 采用以上方法均无法通过时, 则可以从旁边开挖支洞, 对破碎带地段采用钻爆法进行开挖, 施工完毕后, TBM 在空载状态下直接步进通过。

 

  对于掘进过程中的涌水, 可采取以下措施进行处理:

 

  (1)如果涌水量较小, 可利用TBM 自身携带的排水设备变被动排水为主动排水, 做好排水系统后,TBM 继续掘进。

 

  (2)对于涌水量较大的情况, 可利用TBM 机头所配备的超前钻打排水孔进行排水, 并增加适量的排水设备提高排水能力;也可以采用围岩注浆的方法将地下水封堵在洞外围岩内。

 

  3. 2 软岩大变形

 

  软岩大变形是影响TBM 正常掘进的重要因素之一, 开挖过程中隧洞的快速收敛经常会导致混凝土管片变形、破损(图3), 严重时还会导致卡机事故的发生[ 16] 。近年来有关隧洞围岩快速收敛变形导致卡机事故的报道很多。例如:委内瑞拉的Y acambu隧道, 长27km, 其围岩收敛变形每分钟达到20cm, 致使TBM 无法正常掘进而被迫停机长达数月;荷兰南部西斯凯尔特河隧道两台德国海瑞克TBM 在掘进过程中由于遇到挤压性软岩地层被困在含海绿石砂岩中;此外, 在我国山西万家寨引黄工程太原联接段软岩掘进过程中, 也发生了由于隧洞快速收敛变形而导致TBM 长时间被困的工程事故。

 

  当TBM 在软岩地层中掘进时, 为了防止TBM被困等工程事故的发生, 可以采取以下处理措施:

 

  (1)对于大多数TBM, 可适当超挖, 把盾壳与开挖面的间隙从通常的6 ～ 10cm, 调整到15 ～ 25cm,给围岩变形预留足够空间。

 

  (2)对于护盾式TBM, 还可以适当提高辅助液压缸推力, 必要时采用高压拉缸, 使TBM 快速通过软岩地层。

 

  作为一种典型的软岩, 膨胀岩具有膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良工程特性, 如果处理不当,常会造成隧洞变形、围岩坍塌, 甚至刀盘被卡等工程事故。为使TBM 能够顺利地通过膨胀性围岩地段,在施工过程中一定要做好防水止渗工作, 要特别注意衬砌管片接缝宽度的控制和止水条安装质量, 避免洞内施工用水与地下水相互渗透, 防止围岩崩解、软化。此外, 还要对隧洞开挖断面进行适量扩挖, 给围岩膨胀预留一定变形空间。

 

  3. 3 岩溶与突水灾害

 

  TBM 采用全断面掘进, 机身将开挖断面完全封堵, 只能进不能退, 在岩溶发育地区施工时对溶洞预测和处理就成为一个大难题[ 18] 。如果处理不当, 会出现管片整体下沉、接缝张开、错台严重等工程问题, 甚至导致机头下沉、陷落, 大规模溶洞突水淹没隧道等恶性事故的发生。例如:在危地马拉R ioChixoy水电站长27km 的供水隧洞开挖过程中, 一台TBM被埋在一个溶蚀洞穴里;越南中部的海文隧道, 由于洞内施工过程中溶洞突水(涌水量达90Ls- 1 ), 被迫停机近两个星期。

 

  掘进过程中遇到溶洞时TBM 操作系统有关参数会显示出不正常, 因此要时刻注意各参数的变化。

 

  为避免机头下沉、陷落等恶性事故, 掘进前应利用超前钻、地质雷达等设备对前方地段开展超前地质预报工作, 查明溶洞的分布、规模及含水、充填情况, 防患于未然。当掘进至溶洞边缘时, 技术人员可通过检修孔查明溶洞的具体发育情况, 并采取相应的处理措施。

 

  (1)对于区域地下水位线以上规模较小的溶洞, 如果对TBM 掘进影响不大, 则可不予处理继续掘进;待TBM通过后, 利用管片回填孔对溶洞回填豆砾石, 并进行固结灌浆加固。

 

  (2)对于隧洞下方规模较大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可以先对溶洞进行超前注浆加固, 待TBM通过后, 通过管片回填孔对溶洞段进行后期高压固结灌浆。如果溶洞无充填或仅部分充填, 则可以用豆砾石、砌石、混凝土等材料进行回填并压浆加固,待TBM通过后, 通过管片回填孔对溶洞段进行后期高压固结灌浆。

 

  (3)对于隧洞上方规模较大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可利用掘进机自身携带的超前钻探设备和灌浆设备对溶洞进行全洞周超前注浆处理, 以防止TBM 经过时溶洞充填物塌落;待TBM 通过后, 通过管片回填孔对溶洞段进行高压固结灌浆并施设锚杆。如果溶洞无充填或仅部分充填, 则可以采用锚杆加槽钢的半环形钢支撑, 用豆砾石、砌石、混凝土等材料进行封堵、回填并压浆加固。

 

  (4)对于含水量较大的溶洞, 在掘进前要利用超前钻打排水孔进行排水, 并做好排水系统, 保证排水畅通;掘进过程中要加强对涌水量的监测, 避免灾难性突水将隧洞淹没。

 

  3. 4 高地应力与岩爆和围岩大变形

 

  当隧洞埋深较大( >250m)时, 地应力会随着隧洞埋深的增大而明显增大。在高地应力状态下, 对于坚硬的完整性较好的脆性围岩, 由于隧洞开挖后围岩应力重新进行分布, 局部出现应力集中现象, 容易诱发岩爆的发生, 对施工设备造成破坏, 危及施工人员人身安全[ 19] ;而对于裂隙比较发育的软岩, 则常会发生围岩大变形, 导致管片变形、破损, 甚至阻塞TBM, 使TBM掘进困难。

 

  对于岩爆易发地段, 可采取以下处理措施:

 

  (1)掘进前, 根据围岩体的岩性、结构特征及地应力大小等相关资料, 并结合各种物探方法进行超前地质预报, 确定岩爆发生的位置、规模。对于轻微岩爆, 可不予处理;当岩爆规模较大时, 可利用超前钻孔释放地应力, 并在钻孔中注水, 湿化岩体。

 

  (2)掘进过程中, 在掌子面喷水湿润岩体, 降低岩爆的危害性, 并加强监测, 避免大规模岩爆的发生。

 

  (3)开挖后及时进行支护, 尽量减少围岩暴露时间。

 

  对于高地应力软岩地层掘进过程中的围岩大变形问题, 可适当超挖给围岩预留一定的变形空间, 或提高辅助液压缸的推力, 使TBM 快速通过软岩地层, 并及时进行支护。

 

  3. 5 含煤地层与瓦斯突出

 

  由于含煤系地层常含有CO、CH4等易燃、有害气体, 严重地威胁着洞内施工人员的健康和生命安全[ 20] 。因此, 当TBM 掘进到煤系等地层时, 应加强洞内通风, 还要在TBM 上安装有害气体检测仪, 加强对瓦斯等有害气体的监测, 并制定严格的防火措施, 确保施工安全。

 

  4 分析讨论

 

  笔者通过分析大量国内外TBM 施工隧道工程

 

  实例发现:

 

  (1)TBM 掘进技术具有快速、优质、安全、环保等优点, 是目前世界上最为先进的隧道开挖方法, 优先采用TBM 进行隧道开挖已成为未来隧道建设总的发展趋势。

 

  (2)TBM 比较适宜于在岩石抗压强度30 ～60MPa的中等硬度且地质条件较好的地层中掘进,其掘进速度在一定程度上取决于围岩工程地质条件(如岩石强度、围岩类别、地下水等)。①随着岩石抗压强度的增大, TBM 掘进速度有不断降低的趋势。②TBM 在Ⅱ 、Ⅴ类围岩中掘进速度比较缓慢,在Ⅲ 、Ⅳ类围岩中具有较高的掘进速度。

 

  (3)TBM 掘进过程中, 软岩大变形、突水、岩爆以及瓦斯突出是导致重大工程事故的主要因素, 尤其是软岩大变形和突水。据统计, 在已发生的TBM重大工程事故中约有72%是由二者引起的(图6),在施工过程中应给予足够的重视。

 

  5 结 论

 

  目前TBM 掘进技术对于不良地质条件适应性较差, 在应用过程中经常遇到的主要工程地质问题是软岩大变形、突水、岩爆、瓦斯突出等。为了能够克服、解决这些问题, 需要在工程可行性研究和设计阶段就给予足够的认识和重视, 加强以重大工程地质预测为中心的超前地质预报工作, 并在施工过程中充分利用各种地质资料和超前地质预报成果, 建立工程地质模型, 对遇到的问题作出接近实际的评估。已有工程实例、经验和教训为克服和避免卡机、突水等工程事故提供了很好的借鉴。

 

  随着世界经济的快速发展以及各国之间交流的进一步加强, 大规模地修建跨流域长大深埋隧道已势在必行。遇到的地质条件将更加复杂, 问题将更具有挑战性, 超前地质预报与TBM信息化施工以及可变更设计值得我们关注、研究。