極端惡劣地質條件下TBM施工技術與管理探討

齊夢學

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司， 重慶 400700)

0 引言

在國內，全斷面巖石掘進機(簡稱TBM，tunnel boring machine)經歷了獨立自主創(chuàng)新研制、引進設備與施工單位、引進設備自主施工、國內外合作生產、自主品牌產品應用等幾個階段，目前迎來了大范圍的推廣應用。截至2018年底正在施工和即將投入使用的TBM設備數(shù)量將達到甚至突破60臺，并且大量潛在工程正在前期論證和可行性研究過程中。TBM的應用覆蓋了水利水電、軌道交通、鐵路、礦山、綜合管廊、公路等行業(yè)[1]。TBM法隧道的地質條件不可避免地呈現(xiàn)多樣化，具有良好工程適應性的TBM項目會越來越多，同時由于TBM施工的普及以及連續(xù)掘進長度的增大，遭遇不良地質甚至惡劣地質條件的概率也會越來越大。

在極強巖爆、極高巖溫、強蝕變、嚴重破碎圍巖、大變形等極端惡劣地質條件下，TBM施工的安全、進度、成本與投資都會受到極大的影響。西南鐵路桃花鋪1號隧道TBM曾遭遇大塌方，停機約1個月； 青海引大濟湟工程隧洞(長約24 km)出口端TBM歷經9年累計掘進11 km，卡機數(shù)十次[2]； 南疆鐵路吐庫二線中天山隧道2臺TBM施工時，除了第1年掘進順利外，受地質條件及設備老化的雙重影響，后期掘進步履維艱； 大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工存在“三高四活躍”地質問題[3-4]； 陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞越嶺段遭遇了嶺南大流量突涌水，被迫停機處理[5]，嶺北大斷層施工采用礦山法導洞開挖上半斷面、TBM法掘進下半斷面的方法[6]； 西北某輸水隧洞2臺敞開式TBM施工面臨著超長、強蝕變、高地應力、大埋深等“一超二強三高四大”問題。TBM施工具有廣闊的應用前景，但同時要做好迎接極端惡劣地質條件的挑戰(zhàn)。

不同機型TBM工程適應性的局限性，導致TBM法施工技術對工程地質和水文地質的依賴程度遠遠高于鉆爆法施工。以往TBM應用數(shù)量很少，在TBM工法選用過程中非常謹慎，“挑肥揀瘦”地找地質條件最適合的洞段采用TBM法施工，其余洞段全部采用鉆爆法施工。目前TBM在單項工程中連續(xù)掘進的長度越來越大，并且由于大埋深等建設環(huán)境的影響，甚至無法設置更多的輔助通道，這就對TBM設備及施工技術提出了更高的要求。

近十年來，關于不良地質條件下TBM施工技術的研究很多，例如： 文獻[7-9]分別從設計和施工角度研究了不良地質條件下的補強支護及施工技術措施； 文獻[10]研究了強巖爆時鉆爆法開挖上半斷面釋放應力后TBM半斷面掘進技術。然而，關于極端惡劣地質條件下TBM施工技術與施工管理方面的研究尚未形成體系，例如： 圍巖大變形時TBM被卡的風險很高，處理方式五花八門，能夠進行系統(tǒng)性快速處理的措施比較少，或者效果差強人意； 自穩(wěn)能力極差的破碎圍巖洞段TBM刀盤前方形成巨大塌腔，增大了施工風險，但可供參考的有效超前處理措施很少； 遭遇極強巖爆時TBM尚無獨自應對的能力； 大流量突涌水、涌泥、涌砂時，采取TBM施工不具備處置能力，無法有效封堵，只能通過長時間排放或采取礦山法、冷凍法施工后TBM再通過； 極端惡劣地質條件下，參建各方常常焦慮、煩躁，甚至盲目指揮和決策，導致更大的風險和損失。

極端惡劣地質條件下的TBM施工是我們需要面對的嚴峻挑戰(zhàn)，需要相關部門、企業(yè)、科研院所共同努力，分別從不同的角度深入系統(tǒng)地進行研究。在適宜的地質條件下發(fā)揮TBM快速施工的優(yōu)勢，同時也能夠保證惡劣地質條件下持續(xù)掘進，盡量避免或減少TBM長時間受阻或者停機，才能保證TBM更好地為隧道建設服務。本文從地質勘察與工程總體籌劃、施工技術、施工管理3個方面對極端惡劣地質條件下TBM的施工技術與管理措施進行研究，希望能為后續(xù)的TBM工程項目施工提供參考。

1 地質勘察與工程總體籌劃

1.1 地質勘察盡量詳細、準確

地質條件是隧道建設重要的影響因素，也是TBM選型的基礎。地質勘察成果直接決定隧道施工工法的選擇以及TBM的選型，并影響工程總體籌劃。

部分工程地質勘察工作詳細且準確度高，例如： 隧洞全長526 km的西部某長隧引水工程，平均1～2 km布設1個地質鉆孔，并經初步分析后局部加密探孔，該工程第2臺TBM自2017年9月中旬開始掘進，至2018年8月底累計掘進9 400 m，實際揭露圍巖與施工圖地質勘察成果的吻合度約為70%，平均月進尺820 m，詳細而準確的地質勘察成果為TBM合理選型提供了可靠依據(jù)，為TBM持續(xù)、均衡、快速施工奠定了基礎。

然而，由于技術水平、工期、成本等原因，很多隧道工程的地質勘察不夠詳細，準確度較低。全長41 km的西部某輸水隧洞，洞身段絕大部分未進行詳細的地質勘察，出口段敞開式TBM已經掘進的2 800 m洞段實際揭露圍巖與施工圖地質勘察成果的吻合度只有29.7%，并且出現(xiàn)了未預見的嚴重蝕變、長距離極破碎圍巖，TBM掘進施工嚴重受阻，平均月進尺僅110 m。由此可見，地質勘察成果的準確度對TBM順利施工有著重要的影響。

顯然，我們需要創(chuàng)造條件，促使地質勘察結果能夠盡量詳細、準確，為隧道設計、施工與TBM選型提供有力的支撐。

1.2 科學認識TBM的工程適應性

TBM不是萬能的，雖然提出過“全天候TBM”的設計理念，但實際上具備應對所有地質條件的能力、滿足所有建設要求的“全能型”TBM，尚未成為現(xiàn)實。TBM施工具有顯著的優(yōu)勢，但也存在明顯的不足。

適宜的地質條件下，TBM可以持續(xù)、均衡、快速施工，即SPS作業(yè)法。SPS作業(yè)法在遼西北供水工程2段4標得到應用，在實踐過程中通過不斷探索、改進和完善，全標段TBM平均月進尺為616 m，純掘進時間利用率為59.76%[11]； SPS作業(yè)法推廣應用于吉林引松工程2標段，TBM提前14個月貫通，平均月進尺643 m，純掘進時間利用率為56.85%[12]。

地質條件不清晰且在極端惡劣地質條件下時，TBM施工可謂“寸步難行”。西部某輸水隧洞出口段，TBM掘進第2—6個月(第1個月僅掘進2 d，忽略不計)平均月進尺390 m，最高月進尺503 m，自第7個月開始遭遇未知的嚴重蝕變巖，之后是極破碎圍巖，涌泥、涌砂現(xiàn)象非常嚴重，至第26個月平均月進尺僅42 m，該洞段的TBM適應性極差，不適合采用TBM施工。

秉承科學、客觀的理念，根據(jù)地質勘察成果全面論證TBM的工程適應性，合理選擇工法、正確選型、科學配置，才能揚長避短，真正發(fā)揮TBM快速施工的優(yōu)勢。

1.3 合理選擇TBM機型

TBM選型不當，其工程適應性必然降低。例如： 西部某輸水隧洞，TBM遭遇極度破碎圍巖后，施工極其緩慢，長時間處于停機狀態(tài)。有人提出當初應該選用雙護盾TBM，依據(jù)是已有某工程采用雙護盾TBM，雖然存在塌方等不良地質，但總體施工進度很好。忽略了具體的地質條件和不同機型對地質條件的適應性，空談機型選擇是不可取的。西部某輸水隧洞掌子面完全不具備自穩(wěn)能力，涌泥、涌砂現(xiàn)象嚴重，甚至出現(xiàn)由刀盤經主梁作業(yè)孔大量涌出混凝土狀的土、石、水混合物的現(xiàn)象(如圖1所示)，現(xiàn)有任何型式的TBM在該洞段都不具備處置能力。因此，TBM選型需要綜合考慮整體地質條件、地質分布、施工區(qū)段劃分和局部極端惡劣地質等因素，而不能以點代面。

圖1 土、石、水混合物自TBM主梁作業(yè)孔涌出Fig. 1 Mud gushed from working hole of TBM main beam

不同類型的TBM地質適應性不同，需要依據(jù)地質條件和建設要求等合理選型。根據(jù)現(xiàn)有的技術可知，敞開式TBM適用于圍巖整體性較好的隧道，采取必要的輔助措施可以應對短距離惡劣地質洞段；單護盾TBM主要適用于圍巖自穩(wěn)能力較差的脆性圍巖或軟巖地層隧道；雙護盾TBM適用于總體圍巖自穩(wěn)能力較好、自穩(wěn)能力較差洞段比例不大、塑性變形較小的隧道，其突出特點是綜合成洞速度快(并非是地質適應性明顯強于敞開式TBM)[13]。護盾式TBM采用管片襯砌，雖然可以一次成型，但受隧道埋深、水壓、地應力、結構和防排水設計等因素影響很大，需在設計檢算中予以重視，因此，其應用受到了限制。

1.4 制定科學合理的工程總體籌劃

對于工程整體而言，工程總體籌劃包括總體施工方案、施工區(qū)段劃分、施工方法、大型臨時工程、工期與進度計劃、安全質量和環(huán)境保護目標等內容。結合當前的技術發(fā)展水平，根據(jù)適當超前的原則，制定科學合理的工程總體籌劃，對于順利推進隧道工程建設、實現(xiàn)工程目標意義重大，也會決定TBM在該工程的應用效果。

科學合理的工程總體籌劃，應充分考慮TBM對地質條件的適應性、可以實現(xiàn)的進度指標與工期目標、不良地質和極端惡劣地質條件下的施工預案等。

2 施工技術

限于當前的TBM設備技術與施工技術發(fā)展水平，在極端惡劣地質條件下TBM尚無“放之四海而皆準”的應對措施，但也并非完全無法應對。宏觀上，可以從以下5個方面開展TBM在極端惡劣地質條件下的施工技術研究工作。

2.1 超前地質預報

由于當前技術發(fā)展水平、工期、投資等的影響，導致前期地質勘察成果存在偏差，甚至缺乏有效的勘察手段而無法準確推斷地質情況，這是客觀存在的事實，無法回避，必須正視。鑒于地質條件對TBM施工的直接影響，TBM施工過程中非常有必要實施超前地質預報，這是隧道施工地質勘察工作的必要補充，特別是在可能存在極端惡劣地質的情況下，更應該增加超前地質預報的頻率和方法，采用多種方法相互印證，盡可能準確地探明前方地質條件，為TBM掘進施工提供很好的指引。

開工前的地質勘察成果、TBM掘進施工過程中實際揭露的圍巖狀態(tài)和超前地質預報相結合，物探、鉆探和地質素描相結合，可以大大提高對前方地質條件判斷的準確性。

可供選用的隧道施工超前地質預報方法有很多。與鉆爆法相比，TBM施工中的超前地質預報工作存在的主要影響因素為： TBM結構龐大，作業(yè)空間狹小，特別是難以接近掌子面；大量金屬結構及電氣系統(tǒng)形成強大的電磁干擾。鉆爆法施工中應用良好的超前地質預報方法在TBM施工中不一定適用，即便有可行的方法，其準確度仍有巨大的提升空間，需要相關企業(yè)、院校、科研機構繼續(xù)開展科技研發(fā)工作。TBM施工參建各方應鼓勵創(chuàng)新，慎重選擇有潛力的預報方法，提供現(xiàn)場驗證和提升的機會，提高預報的準確性，為TBM施工提供服務。

2.2 合理選擇掘進參數(shù)和施工工藝

穩(wěn)定性好、相對均質的圍巖條件下，TBM掘進參數(shù)存在明顯的規(guī)律，并且能夠保證TBM長時間穩(wěn)定運行，經過實踐和總結，現(xiàn)場操作人員很容易掌握。極端惡劣地質條件下，隨著TBM掘進，TBM無法穩(wěn)定運行，掘進參數(shù)變化頻繁，如何適時調整掘進參數(shù)以適應不斷變化的圍巖，并非一朝一夕就能夠積累到成熟的經驗，并且很多情況下僅僅依靠調整掘進參數(shù)也無法成功應對惡劣地質條件，還要適時調整施工工藝和施工組織。針對惡劣的地質條件，以下經驗可供借鑒： 1)TBM在極完整特硬巖中掘進時，適當增大TBM掘進推力、刀盤轉速，輔以適宜的滾刀配置，能夠顯著提高掘進效率。2)極端破碎地質條件下，首先應創(chuàng)造條件實施超前加固，同時適當降低推力、轉速，有利于減少對圍巖的擾動，有助于降低嚴重坍塌的風險。在敞開式TBM施工中，合理使用鋼筋排、適用的鋼瓦片或鋼管片能夠有效防止護盾后方坍塌[14-15]。3)掌子面與拱頂嚴重坍塌洞段，很容易導致刀盤被卡，刀盤脫困轉矩通常配置為額定轉矩的1.5倍，電液混合驅動技術可以提供額定轉矩2倍甚至更高的脫困轉矩，值得選用[16]。另外，為防止TBM運行中刀盤被卡，需要合理的轉速，以適當提高刀盤運行的沖擊力，但需要注意合理控制轉速提升的時機和幅度。4)極端軟弱破碎圍巖往往導致?lián)窝o法撐緊洞壁，需要事先加固撐靴對應的圍巖，可以應急采取噴射混凝土、小導管注漿、模筑混凝土的方法，最好不選用支墊沙袋、枕木等方式。5)存在刀盤和(或)護盾被卡風險地質條件下掘進時，切忌長時間停機。

合理選擇掘進參數(shù)，需要TBM設備具有較大的能力裕度。需要事先開展相應地質條件下的施工預案研究，在TBM設計制造過程中充分結合可能遭遇的極端惡劣地質條件，合理提高TBM的功能與性能，預留相應的施工條件，否則施工中洞內改造TBM難度極大，甚至不具備實施條件。

2.3 實事求是，及時合理支護

遭遇極端惡劣圍巖時，TBM施工需要依據(jù)當前實際地質條件，借鑒以往類似地質條件下相關機型TBM的施工經驗，依靠專業(yè)人才，借助專家力量，實事求是地制定解決措施。方案研究過程中，既要有“天馬行空”式的思路拓展，又要有腳踏實地、確保可行的實干精神；既要發(fā)散思維充分研討，又要當機立斷及時決策。

鋼筋排支護技術是預防和減少圍巖坍塌的有效措施，在多項工程中取得了優(yōu)異的成績； 化學灌漿起效快，對于破碎圍巖加固、回填、止水具有一定的有益作用； 在施工實踐中，密排鋼架具有較好的支護效果； 鋼瓦片在極端破碎圍巖、蝕變巖、地下水豐富洞段能夠有效防止坍塌或導水[16]……新技術、新工藝將會逐步涌現(xiàn)，多種措施結合才能更好地穩(wěn)固圍巖，充分發(fā)揮圍巖自身的承載能力，起到“1 + 1 > 2”的效果。

2.4 加大超前處理技術研發(fā)力度

隧道施工中圍巖出露后的處理屬于事后處置，有一定效果但綜合成本相對較高。超前加固、超前封堵等措施屬于事前預防，是極其重要的施工手段，并且在鉆爆法施工中應用相對成熟。由于TBM工法的局限性以及施工技術水平的限制，雖然多年來相關單位開展了很多TBM超前支護、超前封堵等事前預防技術研究，但在極端惡劣地質條件下尚未取得實質性進展。難題主要集中在2點： 一是超前鉆孔，這是目前所能想到的超前處理措施的基礎，如超前小導管、超前管棚、超前灌漿、超前錨桿、超前應力釋放孔、超前鉆探等都離不開超前鉆孔，因作業(yè)空間所限，導致鉆孔深度、間距、工效無法適應施工需求； 二是超前灌漿，還沒有廣泛適用的TBM止?jié){、灌漿施工技術。

TBM施工超前處理技術是應對極端惡劣地質條件最關鍵的措施，需要有重大突破才能真正解決超前鉆孔與灌漿的問題?！兑环N敞開式TBM超前支護加固系統(tǒng)》《一種用于TBM隧道施工的超前小導管》等專利技術對TBM施工超前處理技術進行了有效探索，但仍需在實踐中不斷完善和提高。結合所面臨的地質難題，相關單位需要積極創(chuàng)造條件，鼓勵創(chuàng)新，在保證安全的前提下勇于試驗，在摸索中實踐，在實踐中提高。

2.5 適時優(yōu)化工法

TBM是一種隧道施工設備，與鑿巖臺車、濕噴臺車等設備有一個共同屬性，即為隧道施工服務。隧道施工的最終目標是安全建成質量合格的隧道，施工過程中應該充分考慮極端惡劣地質條件下相關工法的適應性、局限性，充分對比其優(yōu)劣，選擇最適用的工法，這是隧道施工安全與質量的保障，也是工期和成本控制的需要。針對選用TBM法施工的隧道，局部TBM無法有效應對的極端地質洞段，應果斷決策，選擇其他適應性更強的工法。實踐證明，導洞礦山法開挖后TBM步進通過和鉆爆法施工上半斷面、TBM掘進下半斷面等方法，在特定的地質條件下取得了顯著的效果。

3 施工管理

3.1 安全優(yōu)先，確保質量

安全是隧道施工的首要保障，首先要保證人員安全，其次要保證設備與構筑物的安全。極端惡劣地質條件下TBM施工存在諸多高風險源，務必把安全置于所有工作的首位。安全與質量密不可分，規(guī)范作業(yè)、質量合格是實現(xiàn)安全質量目標的重要保障。

關于施工安全與質量的論述很多，本文不再贅述。在此單獨提出主要是強調“安全優(yōu)先、確保質量”的施工理念。

3.2 選擇具有豐富經驗的施工企業(yè)承建高風險TBM法隧道工程

采用TBM法施工的隧道工程招標中會對投標人提出TBM施工業(yè)績的明確要求，同時也會對項目經理和技術負責人提出相應的業(yè)績要求。例如，某工程招標文件規(guī)定： “2013年1月1日至2017年12月31日承擔過(已完工或在建)1個單項合同內含有采用TBM施工的掘進斷面≥35 m2且TBM掘進總長度≥15 km隧洞工程的投標人得基本分1分，每增加1個上述業(yè)績加1分，最多得7分?！庇纱丝梢?，建設單位已充分認識到TBM施工的難度，因而將經驗豐富作為選擇中標人的重要因素。

上述做法充分說明了建設單位對施工企業(yè)經驗的重視。有TBM施工業(yè)績的企業(yè)，自然會積累一定的施工經驗。適宜地質條件下的TBM施工經驗能夠保證施工進度，極端惡劣地質條件下TBM施工經驗的重要性更加突出，類似地質條件下的業(yè)績和經驗越豐富，施工過程中的處置措施就會越合理，處理過程就會越順暢。

3.3 各司其職，通力合作

極端惡劣地質條件下TBM施工存在著極高風險，需要科學判斷、及時合理決策，需要參建各方以搶險姿態(tài)應對，盡最大努力避免發(fā)生重大安全事故，盡量縮短處理工期，快速應對方案不合理、不及時可能帶來的災難性的后果。

2016年5月底，陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞嶺北敞開式TBM第2階段施工突遇大斷層，細小的巖石顆粒從護盾尾部下方呈流砂狀涌出，刀盤前方出現(xiàn)大坍塌，鄰近護盾的鋼拱架嚴重變形，TBM被卡。參建各方高度重視，建設單位把握大方向，協(xié)調各方資源；施工單位迅速組織專家與設計單位共同探討研究，及時提出導洞礦山法半斷面開挖、TBM半斷面掘進的處理方案；在建設單位的支持下，設計單位立即復核并調整施工圖，施工單位同步細化實施性施工組織設計；監(jiān)理單位按既定方案重點監(jiān)控安全與質量。3個月后，TBM安全通過30 m嚴重的斷層破碎帶，恢復正常掘進。參建各方職責清晰、各司其職、發(fā)揮專長、及時決策、通力合作，研究階段各抒己見，實施階段堅決按既定方案執(zhí)行。這種做法，值得在建和潛在存在極端惡劣地質條件的TBM法隧道施工借鑒，唯有如此才能及時有效地應對重大風險，才能促進TBM法在極端惡劣地質條件下合理應用。職責不清、定位不準、推諉扯皮、缺乏擔當、沒有大局意識、為了局部利益而斤斤計較、有研究無決策、有決策無執(zhí)行，只能導致工程繼續(xù)延誤，造成更加嚴重的后果。

3.4 合理控制工期與投資

由于目前設備技術和施工技術水平的限制，極端惡劣地質條件下TBM施工工期、成本的可預見性較差。為了促進極端惡劣地質條件下TBM施工能夠順利進行，保證施工安全與質量，需要正確認識目前的技術水平，實事求是地合理控制工期和投資。

3.5 完善適應TBM施工特點的相關規(guī)范

鉆爆法隧道施工有完善的設計、施工、定額等管理體系，但TBM法的相關規(guī)范尚未形成體系，在一定程度上制約了其發(fā)展。

建立健全的、適應TBM施工特點的設計和施工規(guī)范以及標準和定額等管理體系是促進TBM施工技術科學發(fā)展的需要。在研究和編制指導性文件過程中，需要兼顧各種工況條件，特別要關注極端惡劣地質條件。

4 結論與討論

在隧道施工中TBM法正在被大力推廣，相關的技術發(fā)展也進入一個新的階段，廣闊的前景與嚴峻的挑戰(zhàn)并存。TBM法在極端惡劣地質條件下的施工技術、工程管理與鉆爆法還存在明顯差距，有待進一步提升。因此，推廣TBM施工技術時需要慎重，使TBM在隧道建設中能夠揚長避短。同時，要兼顧宏觀與細節(jié)、技術與管理，系統(tǒng)研究，用舍行藏，既要努力創(chuàng)造條件充分發(fā)揮TBM的作用，又要及時準確判斷TBM無法適應的工況，果斷采用適宜的工法。

1)盡量提高地質勘察成果的準確性，正視勘察結果不全面的事實，科學認識各TBM機型的工程適應性及當前技術水平，優(yōu)化組合各種施工方法，編制更加合理的工程總體籌劃，實現(xiàn)隧道建設的安全、質量、工期等目標。

2)TBM施工中針對不同的地質條件應合理選擇掘進參數(shù)，及時合理支護，適時優(yōu)化工法；亟待實現(xiàn)超前地質預報、超前處理的重大技術突破，大幅提高TBM的工程適應性。

3)建立健全的TBM設備設計制造、TBM法隧道工程設計與施工系列規(guī)范性文件； 參建各方職責清晰、定位準確、發(fā)揮專長、各司其職、通力合作、強化決策與執(zhí)行能力，努力提高TBM極端惡劣地質條件下的施工效率； 合理控制工期與投資，促進TBM施工技術的健康發(fā)展。