TBM 掘進技術發展及有關工程地質問題分析和對策

  1 引 言

 

  1851年, 美國工程師CharlesW ilson 設計了世界上第一臺可連續掘進的隧道掘進機TBM (TunnelBoringM achine), 但由于設計存在難以克服的滾刀問題和其他困難, 使之難以與當時剛誕生的鉆爆法相媲美而無用武之地;1956年, 美國的James. Robbins仿照一百年前CharlesW ilson的設計, 只采用滾刀, 解決了第一臺TBM的刀具問題, 獲得了成功。

 

  由于廣泛應用計算機、遙控、激光制導等先進電子信息技術對施工過程進行全面指導和監控, 現代TBM 掘進過程始終處于最佳狀態。相對于傳統鉆爆法, TBM具有高效、快速、優質、安全等優點, 其掘進速度一般是前者的4 ～ 10倍。此外, 采用TBM還有利于環境保護和節省勞動力, 提高施工效率, 整體上比較經濟。

 

  TBM 掘進技術體現了計算機、新材料、自動化、信息化、系統科學、管理科學等高新技術的綜合和密集, 在一定程度上反映了一個國家的綜合實力與科技水平。我國在這方面也已開展了跟蹤研究[ 2] 。

 

  TBM 不足之處在于對不良工程地質條件的適應性較差, 不如傳統鉆爆法靈活;前期的一次性投入費用較大;對施工人員的素質要求較高。雖然已有150多年的發展歷史, 但在隧道施工條件愈加復雜、技術要求更高的今天, 仍有多種問題出現甚至發展成工程事故。

 

  2 TBM 掘進技術的發展與應用

 

  隨著科學技術發展, TBM 的類型不斷增多、適用范圍不斷擴大, 從微型隧道到巨型隧道, 從松散軟土甚至淤泥, 到極堅硬的巖石都可應用, 并且適用的地質條件也更為復雜;與此同時, 一個個施工紀錄也在不斷地被刷新。一般情況下, 當隧洞長度大于6km 或長(度)、(直)徑比大于600 時, 宜優先采用TBM 進行開挖。不過, 近幾年這一傳統觀念已被工程實踐所突破, 在西方發達國家, 不少3km左右的隧洞已開始采用TBM 開挖。例如英國倫敦希斯洛機場的艾賽德路雙管隧道, 長度僅1. 3km, 采用一臺直徑Υ =9. 2m的土壓平衡式盾構TBM開挖。

 

  經過半個世紀推廣與應用, TBM 掘進技術已相當成熟, 被廣泛應用于世界各國的能源、交通、水利、國防等部門的隧道工程建設中。據統計, 近幾年有30% ～ 40%的隧道工程采用TBM 開挖。

 

  2. 1 TBM 在國外的發展與應用

 

  從20世紀50年代以來, TBM 掘進技術在世界各國得到了廣泛應用。采用TBM 掘進技術建成的世界著名大型隧道有英吉利海峽隧道、東京灣海底隧道、荷蘭生態綠心隧道等(表3)。目前國外擬建的大型隧道項目包括日韓海底隧道(連接日本和韓國, 長約120km)、白令海峽隧道(連接亞洲和美洲,長約74. 8km)、阿爾卑斯山鐵路隧道(從Ro senheim到V erona, 總長大于500km)等, 其中絕大部分將優先采用TBM 施工。

 

  其中有幾個隧道施工實例在TBM 發展史上具有重要的里程碑意義, 值得關注。

 

  (1)英吉利海峽隧道:由三條平行排列的隧道組成, 每條隧道長51km, 是目前世界上最長的海底隧道。其中兩條交通隧道開挖直徑8. 36 ～ 8. 78m,成洞直徑7. 6m;一條服務隧洞開挖直徑5. 38 ～ 5. 77m, 成洞直徑4. 8m;平均海底掘進長度37. 88km, 穿越地層為白堊紀泥灰巖。該隧道工程從歐洲、北美、日本共引進了11臺不同型號、尺寸和性能的TBM,僅三年半就完成了掘進任務, 并于1994年5月7日正式通車。其中一臺Robbins TBM創造了當時最佳月成洞1719. 1m 的世界紀錄[ 5] 。

 

  (2)東京灣海底隧道:由兩條長約10km 的隧道組成, 跨越東京灣, 把東京都與千葉縣連在一起, 開挖直徑14. 14m, 設計直徑13. 9m, 建于海面以下約60m 深的軟巖中。為適應大深度、高水壓的施工條件, 該隧道采用8臺高壓泥漿式盾構TBM 開挖, 于1997年12月完工。

 

  (3)荷蘭生態綠心隧道:位于阿姆斯特丹到布魯塞爾高速鐵路TGV沿線, 將阿姆斯特丹—鹿特丹高速軌道線連接起來, 全長7. 176km, 設計直徑13. 30m, 總投資4. 31 億美元, 采用法國NFM 制造的“震旦號”泥水盾構TBM 開挖, 開挖直徑達14. 87m, 為目前世界上TBM 開挖的最大直徑。該隧道于2001年11月2日正式開始掘進, 主要穿越泥炭土、粘土和飽和砂土等地層, 于2004年1月17日提前貫通。“綠心隧道”將阿姆斯特丹與鹿特丹之間的旅行縮短為30min, 安特衛普和布魯塞爾在阿姆斯特丹和巴黎之間的旅行時間也減少到兩個小時, 該隧道將于2007年4月正式開放運營。

 

  2. 2 TBM在我國的發展與應用

 

  我國1964年成立隧道掘進機攻關小組, 1966年生產出第一臺直徑Υ=3. 4m 的硬巖TBM, 在杭州人防工程中做過試驗;此后曾研制出十多臺硬巖TBM, 先后在云南西洱河水電站、福建龍門灘、青島引黃濟青等工程中使用, 掘進速度僅是當時國際水平的1 /5 ～ 1 /10, 基本處于閑置狀態。

 

  我國盾構TBM 的制造和應用始于1965年, 上海隧道工程設計院研制出兩臺直徑Υ =5. 8m 的網格擠壓型盾構TBM, 成功地掘進了長1200m 的上海地鐵區間隧道;此后陸續生產出多臺盾構TBM, 并成功地應用于上海地區的隧道開挖;20世紀90 年代, 上海隧道股份有限公司自行設計制造了6臺土壓平衡式盾構TBM, 分別用于上海地鐵隧道、引排水隧道等的施工, 掘進總長度約10km, 平均月進尺達200m以上, 已接近國際水平。

 

  20世紀90年代以來, 許多國外承包商(如意大利CMC 公司、SELI公司等)先后在引大入秦、萬家寨引黃工程、昆明掌鳩河引水供水工程等大型水利工程中采用先進的TBM 進行開挖, 取得了很大成功;1996年, 我國鐵道部門從德國W irth公司引進兩臺TB880E 型敞開式硬巖TBM, 成功開挖了西康鐵路線上的秦嶺隧道。

 

  其中有幾個隧道工程因規模大、地質條件較復雜, 取得的成功經驗值得借鑒。

 

  (1)引大入秦工程:將大通河水引入秦王川的大型跨流域調水工程, 總干渠全長86. 9km, 其中隧洞33座, 總長75. 11km。1988年9月, 意大利CMC公司采用Robbins雙護盾TBM 進行隧洞開挖在該工程30A#和38#隧洞國際招標中中標。其中30A#隧洞長11. 649km, 設計直徑4. 80m, 埋深51 ～330m, 1991年1月正式開始掘進, 1992年1月貫通;38#隧洞長4. 948km, 設計直徑4. 80m, 1992年4月正式開始掘進, 1992年8月貫通。

 

  (2)萬家寨引黃工程:從黃河萬家寨水利樞紐取水, 將水東調, 經總干線、南干線和北干線分別向太原、大同、平朔3個能源基地供水。引水線路總長約314km, 跨越5個地質單元, 穿過太古界、古生界、中生界直至新生界各類地層, 埋深一般100 ～ 300m,地質條件比較復雜。其中總干線隧洞總長21. 388km, 成洞直徑5. 46m, 1994年7月正式開始掘進, 1997年9月貫通;南干線隧洞總長88. 7km, 成洞直徑4. 3m, 1998年12月正式開始掘進, 2001年4月貫通;聯接段7#隧洞長13. 52km, 成洞直徑4. 14m, 2000年12月正式開始掘進,2001年9月貫通。

 

  (3)掌鳩河引水供水工程:為解決昆明市近期和中遠期城市供水問題而興建的大型水利工程, 輸水線路總長97. 258km, 其中隧洞16座, 總長85. 655km。上公山隧洞是該水利工程中最長的隧洞, 全長13. 769km, 設計直徑3. 00m, 穿越地層主要為下元古界黑山頭組(Pt1h s )板巖、粉砂巖和震旦系燈影組(Zbdn )白云巖、白云質灰巖, 由意大利CMC 公司采用美國Robbins公司生產的Υ =3. 665m 雙護盾TBM 進行開挖[ 11] 。該隧洞于2003年4月正式開始掘進, 截止到2003 年12月底, 已掘進3. 337km, 平均月進尺426m, 最高月進尺771. 72m, 最高日進尺64. 90m, 將于2005年底貫通。

 

  (4)西康鐵路秦嶺隧道:包括兩條平行的單線

 

  隧道, 分別長18. 460km, 開挖直徑8. 8m, 是我國目前最長的鐵路隧道。兩條隧道間距30m, 最大埋深約1600m, 主要穿越地層為花崗巖和片巖。1996年, 我國鐵道部門從德國W irth 公司引進兩臺TB880E型敞開式硬巖TBM用于該隧道開挖。兩臺TBM 分別從南北兩個進口開始掘進, 南口于1998年3 月正式開始掘進, 1999 年8 月貫通;北口于1998年1月正式開始掘進, 1999年8月貫通。

 

  在以上隧道的施工中, 由于采用了先進的TBM掘進技術, 平均月進尺300 ～ 1000m, 平均日進尺10～ 50m, 最高月進尺1821. 49m, 最高日進尺113. 21m, 開挖速度明顯快于傳統的鉆爆法(圖1), 取得了良好的經濟和社會效益。

 

  3 TBM 施工相關工程地質問題及處理措施

 

  由于TBM 設備龐大, 對地質條件適應性沒有鉆爆法那樣靈活, 在沒有預警的情況下遇到不良地質條件時, TBM 掘進受到的影響遠大于鉆爆法開挖,往往導致掘進速度緩慢、效率低下、工期拖延。如果處理不當, 甚至會帶來災難性后果。我國昆明掌鳩河引水供水工程、山西萬家寨引黃工程、臺灣坪林公路隧道, 以及荷蘭南部的西斯凱爾特河隧道等, 在TBM 通過不良地質地段時均發生了諸如突水、塌方、卡機等工程事故, 威脅著施工人員和機械設備的安全, 并造成長時間停機。為此, 必須根據TBM 自身特點和工程地質條件采取相應的處理措施, 以保證TBM安全、順利地通過不良地質地段。

 

  1. 英吉利海峽隧道;2. 東京灣海底隧道;3. 荷蘭生態綠心隧道;4. 引大入秦工程;5. 引黃工程總干線;6. 引黃工程南干線;7. 引黃工程聯接段;8. 昆明上公山隧洞;9. 秦嶺隧道南口;

 

  10. 秦嶺隧道北口

 

  a. 傳統鉆爆法;b. TBM 掘進

 

  3. 1 斷層破碎帶與圍巖塌方、涌水斷層破碎帶尤其是規模較大的的斷層帶是絕大部分巖石隧道地下開挖都會遇到的不良工程地質條件。當隧洞位于區域地下水位線以下時, 地下水會不同程度地降低圍巖強度和穩定性, 惡化圍巖的工程地質條件, 對掘進過程產生不良影響[ 14] 。斷層破碎帶掘進過程中的涌水經常會導致圍巖失穩、塌方, 甚至淹沒隧洞, 危及洞內施工人員和設備的安全。因此, 如何安全、順利地通過斷層破碎帶并避免塌方和突水等工程事故發生, 往往成為影響施工安全和工期的重要因素[ 15] 。

 

  例如2003年10月23日, 在昆明掌鳩河引水供水工程上公山隧洞掘進過程中, TBM 在樁號2 +627. 777m處遇到一條壓扭性斷層(寬2 ～ 3m, 與洞軸線夾角約30°), 導致掌子面出現大塌方, 隨后停機在掌子面處對圍巖進行灌漿(聚氨酯泡沫)處理。

 

  由于塌落的大量破碎圍巖將TBM 刀盤卡死,加上灌漿工藝出現了一些問題, 最終導致TBM 被困長達26d。

 

  為使TBM 能夠安全、順利地通過斷層破碎帶,一定要進行深入的地面地質調查和高密度電法等地球物理探測或超前鉆探等對斷層破碎帶的位置、規模作出合理的預測, 并及早采取對策。

 

  (1)如果斷層破碎帶規模較小, 則可以不進行預處理, 采用低轉速、小行程、快速掘進的方法直接掘進通過, 盡可能不停機或減少停機時間, 以防TBM 刀盤被卡。

 

  (2)如果斷層破碎帶規模較大, 當采用直接掘進方法無法通過時, 則可先對破碎帶進行預處理(如注漿預加固等), 然后再緩慢掘進通過。

 

  (3)對于規模很大的斷層破碎帶, 采用以上方法均無法通過時, 則可以從旁邊開挖支洞, 對破碎帶地段采用鉆爆法進行開挖, 施工完畢后, TBM 在空載狀態下直接步進通過。

 

  對于掘進過程中的涌水, 可采取以下措施進行處理:

 

  (1)如果涌水量較小, 可利用TBM 自身攜帶的排水設備變被動排水為主動排水, 做好排水系統后,TBM 繼續掘進。

 

  (2)對于涌水量較大的情況, 可利用TBM 機頭所配備的超前鉆打排水孔進行排水, 并增加適量的排水設備提高排水能力;也可以采用圍巖注漿的方法將地下水封堵在洞外圍巖內。

 

  3. 2 軟巖大變形

 

  軟巖大變形是影響TBM 正常掘進的重要因素之一, 開挖過程中隧洞的快速收斂經常會導致混凝土管片變形、破損(圖3), 嚴重時還會導致卡機事故的發生[ 16] 。近年來有關隧洞圍巖快速收斂變形導致卡機事故的報道很多。例如:委內瑞拉的Y acambu隧道, 長27km, 其圍巖收斂變形每分鐘達到20cm, 致使TBM 無法正常掘進而被迫停機長達數月;荷蘭南部西斯凱爾特河隧道兩臺德國海瑞克TBM 在掘進過程中由于遇到擠壓性軟巖地層被困在含海綠石砂巖中;此外, 在我國山西萬家寨引黃工程太原聯接段軟巖掘進過程中, 也發生了由于隧洞快速收斂變形而導致TBM 長時間被困的工程事故。

 

  當TBM 在軟巖地層中掘進時, 為了防止TBM被困等工程事故的發生, 可以采取以下處理措施:

 

  (1)對于大多數TBM, 可適當超挖, 把盾殼與開挖面的間隙從通常的6 ～ 10cm, 調整到15 ～ 25cm,給圍巖變形預留足夠空間。

 

  (2)對于護盾式TBM, 還可以適當提高輔助液壓缸推力, 必要時采用高壓拉缸, 使TBM 快速通過軟巖地層。

 

  作為一種典型的軟巖, 膨脹巖具有膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良工程特性, 如果處理不當,常會造成隧洞變形、圍巖坍塌, 甚至刀盤被卡等工程事故。為使TBM 能夠順利地通過膨脹性圍巖地段,在施工過程中一定要做好防水止滲工作, 要特別注意襯砌管片接縫寬度的控制和止水條安裝質量, 避免洞內施工用水與地下水相互滲透, 防止圍巖崩解、軟化。此外, 還要對隧洞開挖斷面進行適量擴挖, 給圍巖膨脹預留一定變形空間。

 

  3. 3 巖溶與突水災害

 

  TBM 采用全斷面掘進, 機身將開挖斷面完全封堵, 只能進不能退, 在巖溶發育地區施工時對溶洞預測和處理就成為一個大難題[ 18] 。如果處理不當, 會出現管片整體下沉、接縫張開、錯臺嚴重等工程問題, 甚至導致機頭下沉、陷落, 大規模溶洞突水淹沒隧道等惡性事故的發生。例如:在危地馬拉R ioChixoy水電站長27km 的供水隧洞開挖過程中, 一臺TBM被埋在一個溶蝕洞穴里;越南中部的海文隧道, 由于洞內施工過程中溶洞突水(涌水量達90Ls- 1 ), 被迫停機近兩個星期。

 

  掘進過程中遇到溶洞時TBM 操作系統有關參數會顯示出不正常, 因此要時刻注意各參數的變化。

 

  為避免機頭下沉、陷落等惡性事故, 掘進前應利用超前鉆、地質雷達等設備對前方地段開展超前地質預報工作, 查明溶洞的分布、規模及含水、充填情況, 防患于未然。當掘進至溶洞邊緣時, 技術人員可通過檢修孔查明溶洞的具體發育情況, 并采取相應的處理措施。

 

  (1)對于區域地下水位線以上規模較小的溶洞, 如果對TBM 掘進影響不大, 則可不予處理繼續掘進;待TBM通過后, 利用管片回填孔對溶洞回填豆礫石, 并進行固結灌漿加固。

 

  (2)對于隧洞下方規模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可以先對溶洞進行超前注漿加固, 待TBM通過后, 通過管片回填孔對溶洞段進行后期高壓固結灌漿。如果溶洞無充填或僅部分充填, 則可以用豆礫石、砌石、混凝土等材料進行回填并壓漿加固,待TBM通過后, 通過管片回填孔對溶洞段進行后期高壓固結灌漿。

 

  (3)對于隧洞上方規模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可利用掘進機自身攜帶的超前鉆探設備和灌漿設備對溶洞進行全洞周超前注漿處理, 以防止TBM 經過時溶洞充填物塌落;待TBM 通過后, 通過管片回填孔對溶洞段進行高壓固結灌漿并施設錨桿。如果溶洞無充填或僅部分充填, 則可以采用錨桿加槽鋼的半環形鋼支撐, 用豆礫石、砌石、混凝土等材料進行封堵、回填并壓漿加固。

 

  (4)對于含水量較大的溶洞, 在掘進前要利用超前鉆打排水孔進行排水, 并做好排水系統, 保證排水暢通;掘進過程中要加強對涌水量的監測, 避免災難性突水將隧洞淹沒。

 

  3. 4 高地應力與巖爆和圍巖大變形

 

  當隧洞埋深較大( >250m)時, 地應力會隨著隧洞埋深的增大而明顯增大。在高地應力狀態下, 對于堅硬的完整性較好的脆性圍巖, 由于隧洞開挖后圍巖應力重新進行分布, 局部出現應力集中現象, 容易誘發巖爆的發生, 對施工設備造成破壞, 危及施工人員人身安全[ 19] ;而對于裂隙比較發育的軟巖, 則常會發生圍巖大變形, 導致管片變形、破損, 甚至阻塞TBM, 使TBM掘進困難。

 

  對于巖爆易發地段, 可采取以下處理措施:

 

  (1)掘進前, 根據圍巖體的巖性、結構特征及地應力大小等相關資料, 并結合各種物探方法進行超前地質預報, 確定巖爆發生的位置、規模。對于輕微巖爆, 可不予處理;當巖爆規模較大時, 可利用超前鉆孔釋放地應力, 并在鉆孔中注水, 濕化巖體。

 

  (2)掘進過程中, 在掌子面噴水濕潤巖體, 降低巖爆的危害性, 并加強監測, 避免大規模巖爆的發生。

 

  (3)開挖后及時進行支護, 盡量減少圍巖暴露時間。

 

  對于高地應力軟巖地層掘進過程中的圍巖大變形問題, 可適當超挖給圍巖預留一定的變形空間, 或提高輔助液壓缸的推力, 使TBM 快速通過軟巖地層, 并及時進行支護。

 

  3. 5 含煤地層與瓦斯突出

 

  由于含煤系地層常含有CO、CH4等易燃、有害氣體, 嚴重地威脅著洞內施工人員的健康和生命安全[ 20] 。因此, 當TBM 掘進到煤系等地層時, 應加強洞內通風, 還要在TBM 上安裝有害氣體檢測儀, 加強對瓦斯等有害氣體的監測, 并制定嚴格的防火措施, 確保施工安全。

 

  4 分析討論

 

  筆者通過分析大量國內外TBM 施工隧道工程

 

  實例發現:

 

  (1)TBM 掘進技術具有快速、優質、安全、環保等優點, 是目前世界上最為先進的隧道開挖方法, 優先采用TBM 進行隧道開挖已成為未來隧道建設總的發展趨勢。

 

  (2)TBM 比較適宜于在巖石抗壓強度30 ～60MPa的中等硬度且地質條件較好的地層中掘進,其掘進速度在一定程度上取決于圍巖工程地質條件(如巖石強度、圍巖類別、地下水等)。①隨著巖石抗壓強度的增大, TBM 掘進速度有不斷降低的趨勢。②TBM 在Ⅱ 、Ⅴ類圍巖中掘進速度比較緩慢,在Ⅲ 、Ⅳ類圍巖中具有較高的掘進速度。

 

  (3)TBM 掘進過程中, 軟巖大變形、突水、巖爆以及瓦斯突出是導致重大工程事故的主要因素, 尤其是軟巖大變形和突水。據統計, 在已發生的TBM重大工程事故中約有72%是由二者引起的(圖6),在施工過程中應給予足夠的重視。

 

  5 結 論

 

  目前TBM 掘進技術對于不良地質條件適應性較差, 在應用過程中經常遇到的主要工程地質問題是軟巖大變形、突水、巖爆、瓦斯突出等。為了能夠克服、解決這些問題, 需要在工程可行性研究和設計階段就給予足夠的認識和重視, 加強以重大工程地質預測為中心的超前地質預報工作, 并在施工過程中充分利用各種地質資料和超前地質預報成果, 建立工程地質模型, 對遇到的問題作出接近實際的評估。已有工程實例、經驗和教訓為克服和避免卡機、突水等工程事故提供了很好的借鑒。

 

  隨著世界經濟的快速發展以及各國之間交流的進一步加強, 大規模地修建跨流域長大深埋隧道已勢在必行。遇到的地質條件將更加復雜, 問題將更具有挑戰性, 超前地質預報與TBM信息化施工以及可變更設計值得我們關注、研究。