中国TBM施工技术进展、挑战及对策

总结我国近30年来TBM设计与施工技术的发展历程,可归纳为以下5个阶段:1)研发探索和试用阶段;2)以国外施工承包商为主体,采用国外设计制造TBM施工我国隧道工程阶段;3)独立进行TBM招标采购和选型设计,并建立起自主的TBM施工队伍阶段;4)与国外厂家联合设计制造TBM,工程应用和自主施工快速发展阶段;5)实现TBM国产化,面向国内外TBM工程市场自主施工阶段。通过我国不同时期TBM施工的典型工程,介绍我国在复杂地质、大坡度、高海拔、不同直径、不同机型、超长隧洞TBM施工方面取得的经验、技术积累和业绩,展示我国TBM在穿越断层破碎带、软弱变形、岩爆、涌水等不良地质洞段取得的一系列施工新技术,以及最高月进尺1 868 m、平均月进尺超过600 m和掘进作业利用率超过40%的掘进技术水平。分析TBM在极硬岩、大断层破碎带、软弱大变形围岩、强岩爆围岩、涌水突泥洞段、高地热隧洞和超长隧洞工程中施工面临的风险和挑战,并提出一些相应的技术措施和对策,期望这些措施和对策在未来大量实际工程中进一步得到实践验证、优化和改进,不断积累和创新TBM设计与施工新技术。     

取芯水平钻探对川藏铁路隧道施工效率的影响研究

为研究川藏铁路深埋隧道超长水平钻探实施的可行性及复杂地质条件下水平钻探对隧道施工的影响程度,在川藏铁路隧道勘察设计中开展大量调研工作及地表超长深埋水平钻探试验,并结合隧道掘进指标、钻探速度,研究钻爆法及TBM施工中超长超前水平钻探对隧道掘进效率的影响程度。研究结果表明:1)在单位长度内,围岩地质条件越好,钻探深度越大,隧道掘进速度越快,超前水平钻探对施工影响越大。2)在Ⅱ、Ⅲ级围岩地段,在TBM设备后方180m处实施超前水平钻探时,水平钻探进度难以追赶TBM施工进度,钻探对施工指导意义相对较小;在Ⅳ、Ⅴ级围岩地段,水平钻探进度可以很快追赶上TBM施工进度,在TBM施工受阻等复杂地质条件下,采取水平钻探技术对指导隧道施工有一定意义。3)在护盾处开展长距离连续水平钻探时,对隧道施工的影响程度最大可达85.11%,影响较大。综合分析表明,超前水平钻探在断层破碎带、强富水及高压富水、岩溶等不良地质地段实施较为合适。     

深埋隧洞TBM超前地质预报及预处理关键技术研究

为有效解决复杂不良地质条件造成的施工风险，系统开展TBM施工超前地质预报工作，综合采用TRT7000、TSP203、超前地质钻孔、微震监测等技术手段，结合地勘、地面物探及已揭露围岩特征，实现对不良地质的准确有效判识；针对隧洞沿线实际地质条件，对TBM设备进行优化设计，提高TBM设备应对断层破碎带、突涌水、挤压大变形及岩爆等灾害的能力；在此基础上，提出TBM施工灾害超前预处理技术方案，以减少卡机现象，避免埋机等事故风险。     

厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究

TBM法隧洞施工具有快速、高效、安全和环保的技术特点,但TBM施工地质适应性差,往往由于工程地质条件原因影响TBM的掘进效率,在TBM施工之前非常有必要对工程地质条件进行研究。以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,分析岩石单轴抗压强度、岩石耐磨性和岩体的完整性等指标,得出该隧洞的地质条件适合TBM施工的结论。并根据工程区域的工程地质条件,分析施工可能遇到的工程地质问题,主要包括岩爆、断层破碎带塌方、软岩大变形、涌水、高地温及有害气体5个方面,并针对性地提出在各种不良地质条件下的预防措施和施工对策。     

TST与CFC技术在宝林隧洞TBM掘进超前地质预报中的应用

宝林隧洞采用TBM开挖掘进,穿越断裂破碎带,地质构造极其复杂,围岩含水波动大,施工建设风险大。为了确保施工安全,减少并避免地质灾害的发生,采用综合物探法超前预报,结合TST地震波法和CFC电磁波法进行预报,震源采用TD-IS冲击震源。从而,成功地定位了断层及影响带、破碎带、含水带,为隧道施工提供科学的指导信息。     

引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术

引松供水工程四标段隧洞TBM法施工长度约17 km,其中7 332 m主要穿越灰岩(岩溶)、炭质板岩、断层等软弱破碎地层。为解决TBM在该类地层中掘进时TBM偏机、栽头、刀盘被糊、被卡、涌泥涌水、收敛变形引起设备被卡等难题,通过资料查阅、调研国内外现有TBM施工案例、专家咨询研讨等,对比研究多种方案;结合工程实践,提出TBM超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。经工程验证,该方案与措施能够很好地保证TBM在岩溶及软弱破碎地层的连续掘进,为工程的顺利实施奠定了坚实的基础。本文研究得出了一系列理论及参数,可为类似工程提供借鉴和参考。     

海域复杂地质双模式TBM设备选型与应用关键技术

为解决青岛地铁长距离穿越埋深30~60 m海底微风化凝灰岩和500 m宽的F5断层破碎带时面临的突涌水风险等技术难题，从工期、地质、地下水3方面综合比选，确定双模式TBM施工，穿越海底硬岩地层段采用TBM敞开模式掘进，穿越F5断层破碎带由敞开模式转换为土压平衡模式掘进。基于特殊工况下的水文地质环境，开展TBM设备选型与优化改造，增加盾尾刷以提高设备防渗能力，盾尾设止浆板保证壁后注浆效果；配备超前地质钻机和双液注浆设备，实现超前钻探和注浆加固；采用重型合金刀，减少换刀频率并增加开挖尺寸，降低复杂地质卡机风险；刀盘开口位置增设钢格栅，防止大块度洞渣破坏刀盘；压力隔板上增加超前孔，实现无压模式正面钻探及注浆加固。拆除主皮带机及相关设备，封堵压力隔板孔洞，安装螺旋输送机及泡沫系统，由敞开模式转换为土压平衡模式，提高双模式TBM穿越破碎带的安全性。通过设备选型与优化、工艺试验、模式转换研究，顺利完成了青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间穿越海域复杂水文地质辅助导洞施工。     

喀-双深埋超特长输水隧洞建设关键技术

深入分析喀-双深埋超特长输水隧洞施工中存在的主要工程地质问题,围绕超特长隧洞TBM快速掘进与安全控制等重大需求,在隧洞规划选线布置、TBM及配套系统适应性设计、主洞和支洞施工建设、施工风险控制、TBM机群施工综合管理等主要环节,提出需重点研究解决的关键技术问题。从已探明的工程地质情况来看,发生地质灾害的可能性不大,适合TBM快速施工。由于隧洞沿线地形较为平坦,开挖深长缓斜井、深埋中间竖井是不可避免的,但超长距离的独头掘进,给隧洞高速掘进与高效率的出碴、通风增加了难度,应结合现代化的科学手段进行系统攻关。     

引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究

为应对吉林引松供水4标7 km灰岩隧洞段的特殊地质条件,引松开敞式TBM的针对性设计和克服不良地质风险的施工技术研究显得尤为重要。首先,针对引松4标长距离掘进、大断面施工、快速掘进及强支护量等工程特点,对TBM进行超前地质预报系统、支护系统等方面的针对性设计制造。其次,对于通过灰岩地段各种不良的地质风险,分别制定相应的施工和处理措施。通过对TBM的针对性设计以及不良地质地段恰当的施工处理措施,使TBM顺利地通过了7 km灰岩地段,既节省了开支,又缩短了工期。     

双护盾TBM不良地质施工问题及对策

 阐述了双护盾隧洞掘进机（TBM）在不良地质条件下施工所遇到的典型问题。并以昆明市掌鸠河引供水工程上公山隧洞TBM施工为例，对挤压及膨胀地层、断层破碎带、突泥、涌水等影响双护盾TBM的不良地质条件进行了分析研究，从宏观和微观角度提出了TBM通过不良地质情况的方案和措施，为今后双护盾硬岩掘进机施工借鉴、参考。     

川藏铁路TBM隧道建设挑战及装备创新设计探讨

川藏铁路具有显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、脆弱的生态环境、严重的高寒缺氧等特征,是目前国内外最具有挑战性的铁路工程。为充分应对川藏铁路隧道建设过程中将面临的长大隧道多、地应力高、活动断层频繁等重大挑战,详细阐述各类复杂工况下采用TBM施工所面临的相应挑战。系统分析川藏铁路TBM创新设计理念及特点,从高原高寒、长距离硬岩掘进、岩爆、断层破碎带、大变形、突泥涌水、高岩温等方面进行TBM针对性创新设计分析,并提出:1)超前地质探测和处理是用于川藏铁路隧道TBM施工风险控制的主要手段;2)对于以岩爆为主的隧道,创新设计"双护盾+锚喷支护"的双护盾TBM或双支护TBM显得尤为重要;3)对于以大变形为主的隧道,宜首选双结构的敞开式TBM或进行其他结构方面的创新设计。     

高黎贡山隧道TBM不良地质条件下卡机脱困施工关键技术

为降低TBM在不良地质条件下施工的卡机风险,解决卡机后快速脱困问题,结合高黎贡山隧道TBM施工情况,针对岩性接触带、断层破碎带、全风化花岗岩粉细砂地层、涌水、高压富水软弱破碎蚀变构造带等不良地质条件,从地质预报、掘进参数控制、初期支护、防卡机措施、卡机脱困技术、不良地质超前加固及改良等关键技术方面进行研究分析,总结出掘进参数与卡机的关系并提出控制措施,同时还针对不同规模的不良地质,总结出刀盘清理法、循环管棚法、导洞法、迂回导坑法等应对措施。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关，特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系，以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数，进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析，得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上，经过线性处理，建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性，TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小，随泊松比的增大而增大； TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高，其预测误差在15%以内，且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

双护盾TBM在青岛地铁的适应性研究

为了解决复杂硬岩地质条件下城市地铁隧道能够安全、快速地开挖建设,以青岛地铁2号线双护盾TBM施工为研究对象,通过对TBM掘进过程中施工数据的控制和分析,得出双护盾TBM可良好适应于青岛地铁隧道施工掘进。通过施工实践,针对小半径曲线隧道和破碎围岩条件下的双护盾TBM掘进作业提出了施工对策和建议。     

断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析

新疆某引水工程的大坡度支洞采用敝开式TBM施工,在掘进施工过程中遭遇大断层构造破碎带并发生塌方,TBM刀盘被掌子面坍塌围岩卡死,护盾被破碎体压住,TBM被困。为使TBM快速脱困,首先采用超前预报方法探明前方地质情况,之后加固已支护段的围岩,然后采用流动性大、早强、高强性能的化学注浆材料,对护盾上方及前方围岩进行固结灌浆,将刀盘和护盾周围的松散岩石加固成一个稳定的整体,进而清除刀盘及护盾周围的虚渣,并缓慢转动刀盘向前推进,最终使TBM安全脱困。采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法不仅使TBM顺利脱困,而且与其他脱困方法相比,进一步缩短了脱困时间。     

TBM施工隧洞围岩分类方法的探讨

针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性,将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别,对于当今隧洞围岩分级方法的进一步发展,以及提高我国TBM施工隧洞的设计和施工水平具有一定的实用价值。     

高黎贡山隧道TBM掘进卡机段TSP法物性参数响应特征分析

高黎贡山隧道工程地质条件复杂,断层破碎带、节理密集带等不良地质易造成TBM卡机事故。为有效避免TBM卡机事故的发生,以TBM穿越高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层为背景,提取卡机段采用TSP法(tunnel seismic prediction)获取的围岩力学参数,通过分析TSP参数的相关性以及对比分析卡机段和正常掘进V级围岩段的TSP参数,获取TSP参数与围岩的相关性及卡机段TSP参数的波动规律。研究结果表明:1)随着泊松比的增大,卡机段的围岩纵波速度呈下降趋势,岩体的静态弹性模量总体呈现降低的趋势;2)对比正常掘进V级围岩段,卡机段TSP法获取的围岩纵波速度、静态弹性模量、波阻抗均有不同程度的下降,而泊松比则有增大的趋势。通过层次分析法理论,对围岩纵波速度、泊松比、静态弹性模量和波阻抗进行定量分析,一定程度上可作为TBM掘进过程中卡机判别的依据。     

超特长隧洞TBM施工“115”超前地质预报系统创建与实践——以北疆供水二期工程为例

超特长引水隧洞是跨流域调水工程项目的控制性工程,施工面临突涌水、塌方等诸多地质灾害风险。为研究适用于TBM法施工超特长隧洞地质灾害预报方法,通过调研地质灾害预报预警技术的发展历程与技术现状,提出TBM法施工超特长隧洞地质灾害预报面临的挑战和关键问题。针对上述挑战与难题,建立超特长隧洞TBM施工不良地质全覆盖预报系统,即"115"超前地质预报系统。该系统包括"1km"千米级宏观地质预报、"100m"百米级长距离地质预报和"50m"十米级短距离精细探查预报3个层次,通过多元信息联合反演分析,实现对掌子面前方不良地质和可能由其引发的地质灾害形式的全覆盖预报。采用"115"超前地质预报系统在北疆供水二期工程地质灾害预报中开展了工程实践和应用,准确预报了隧洞施工过程中不良地质发育情况,保证了超特长隧洞TBM高效掘进和安全施工。     

厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞优化设计总结及体会

24.8 km输水隧洞工程是厄瓜多尔CCS水电站工程控制工期的关键项目，由2台双护盾TBM施工。从工程概念设计、基本设计、详细设计直至现场施工，设计工程师转变依照规范进行工程设计的传统设计模式，分析梳理原设计方案，依据工程合同、工程地质及水文地质、现场施工环境条件及其变化等，并结合TBM施工隧洞工程技术特点，将TBM设备特性和TBM施工技术高度融合于隧洞工程设计中，对输水隧洞设计方案、隧洞施工规划方案及TBM管片类型等进行全过程动态优化设计，为TBM快速掘进，高效成洞，安全、环保施工提供便利的隧洞设计施工方案。该方案的实施，能保证CCS水电站工程质量和工期， 并有效控制EPC模式下的CCS水电站工程投资。     

大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

为了研究中铁工程装备集团有限公司自主研制的首台TBM的各项技术特点与工程适应性,结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况,分析了TBM掘进地层特点以及主要设计参数。引松供水工程四标段掘进岩层复杂多变,富含大量断层破碎地层以及风化灰岩地层,部分地层岩石强度大且石英含量高,对TBM刀盘及刀具要求极高,TBM刀盘面板采用270 mm厚板设计,且刀座基座直接在刀盘面板上加工而成,刀具按非线性方式布置且刀间距控制在82~90 mm;设计了有效的TBM初期支护系统和材料运输平台,并且搭载了激发极化超前地质预报系统。工程掘进结果表明： 该台TBM刀盘设计可靠性强且能保证高效破岩,创造了最高月进尺1 226 m、日进尺70.8 m的优异成绩,TBM在不良地质下支护高效快速,超前地质探测结果可靠,各系统运行情况良好。