齊夢學(xué)， 楊國清， 曾紹毅

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司， 重慶 400700)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)在我國已經(jīng)迎來大范圍推廣應(yīng)用，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前我國大陸地區(qū)在建工程中TBM應(yīng)用數(shù)量近80臺，如在建的新疆EH工程共采用20臺TBM、剛剛開工建設(shè)的川藏鐵路經(jīng)大幅縮減后計劃采用18臺TBM[1]。大量潛在工程在研究TBM法施工的可行性，如即將開工的白龍江引水工程、引江補(bǔ)漢工程等，都將批量采用TBM施工[2]。

隨著TBM應(yīng)用的不斷推廣，其應(yīng)用區(qū)域越來越廣，獨頭連續(xù)掘進(jìn)長度已經(jīng)突破20 km，隨之而來的是地質(zhì)條件呈多樣化發(fā)展趨勢，并且總量呈增多趨勢，如大斷層、破碎帶、突涌水、巖爆、軟巖大變形、巖溶、蝕變等[3]。國內(nèi)外采用TBM法施工的隧道工程，復(fù)雜地質(zhì)導(dǎo)致TBM施工受阻、卡機(jī)、設(shè)備損毀、工期嚴(yán)重滯后、施工成本大幅增加，甚至發(fā)生安全事故，類似案例數(shù)不勝數(shù)。例如四川省錦屏二級水電站排水洞、青海省引大濟(jì)湟工程、甘肅省引洮供水工程、陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞、云南省大瑞鐵路高黎貢山隧道等，TBM施工中發(fā)生巖爆、軟巖大變形、塌方、涌突水等，導(dǎo)致TBM施工受阻，嚴(yán)重制約工程建設(shè)[4-9]。

引進(jìn)TBM施工技術(shù)以來，眾多專家、學(xué)者、工程技術(shù)人員開展了大量復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工技術(shù)與裝備技術(shù)方面的研究工作。文獻(xiàn)[10-14]作為較早文獻(xiàn)，以綜述或針對具體工程的方式，從不同角度和深度研究了破碎帶、巖爆、突涌水、特硬巖、軟巖大變形等復(fù)雜地質(zhì)條件下的TBM施工技術(shù)；文獻(xiàn)[15-19]研究了斷層破碎帶TBM施工技術(shù)；文獻(xiàn)[20-22]研究內(nèi)容均涉及TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。很多研究成果都提出，超前處置、超前加固是復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工的關(guān)鍵措施，但未見針對TBM施工超前處置技術(shù)的專題研究。TBM施工超前處置技術(shù)包含2方面： 其一是超前加固與封堵技術(shù)，研究較為廣泛、深入，所取得的成果也比較多，如掌子面超前加固、塌腔回填與超前加固、超前小導(dǎo)管與超前管棚加固等；其二是超前干預(yù)技術(shù)，針對極少數(shù)特殊地質(zhì)條件，如導(dǎo)洞法超前處置后TBM掘進(jìn)或步進(jìn)通過、完整硬巖人造節(jié)理提高破巖效率、強(qiáng)烈及以上等級巖爆超前導(dǎo)洞釋放應(yīng)力等。本文借鑒以往研究成果，結(jié)合20余年的施工經(jīng)驗，從3個方面總結(jié)歸納10項現(xiàn)有TBM施工超前處置技術(shù)，闡述其施工方案、重點技術(shù)，分析其適用條件和特點，供廣大讀者參考，從技術(shù)和管理方面提出5點思考，作為今后的努力方向。

1 掌子面超前處置技術(shù)

TBM在掌子面完成破巖，當(dāng)掌子面不具備自穩(wěn)能力，或者掌子面前方、上部出現(xiàn)較大規(guī)模坍塌時，往往會導(dǎo)致超量出渣，引發(fā)更大規(guī)模坍塌，或者刀盤被卡；當(dāng)掌子面為完整堅硬圍巖時，TBM破巖效率很低。此時，需要通過掌子面超前處置技術(shù)，解決掌子面圍巖失穩(wěn)、刀盤被卡、完整硬巖破巖效率低的問題。

1.1 刀盤清理脫困

破碎圍巖、掌子面巖爆、軟巖等復(fù)雜地質(zhì)條件下，TBM施工存在刀盤被卡的風(fēng)險。一旦刀盤被卡，確認(rèn)調(diào)整掘進(jìn)策略無法實現(xiàn)脫困時，首先需要判斷并嘗試清理刀盤周邊松散體、堆積體，解除圍巖及巖渣對刀盤產(chǎn)生的干涉，以期恢復(fù)刀盤正?；剞D(zhuǎn)，為繼續(xù)掘進(jìn)創(chuàng)造條件。

針對不同的卡機(jī)原因，刀盤清理分為以下2種方式，但都以人工清理為主，尚無機(jī)械化方法可用。

1)破碎、軟弱圍巖導(dǎo)致的刀盤被卡，需要清理刀盤周邊松散體，必要時施作超前加固。刀盤周邊石渣清理需要全面、徹底，局部清理不足就可能無法脫困。主要清理部位如下： ①刀盤上方(即拱頂)； ②刀盤與掌子面之間； ③刀盤與護(hù)盾之間； ④刀盤背部與主驅(qū)動轉(zhuǎn)接環(huán)之間； ⑤刀盤內(nèi)部及刀孔。刀盤前方清理松散巖渣見圖1。

圖1 刀盤前方清理松散巖渣

2)掌子面巖爆導(dǎo)致的刀盤被卡，通常是由于塊狀巖石卡滯，甚至損傷刀盤刀具所致，清理過程中需要破解過大石塊。破碎刀盤前方堆積的巨石，可采用風(fēng)鎬、破碎錘、膨脹劑，必要時采用控制爆破技術(shù)。刀盤前方清理巖爆落石見圖2。

(a) 掌子面巖爆

1.2 掌子面超前注漿

破碎圍巖、軟巖、富水洞段TBM施工過程中，有時需要對掌子面超前注漿，加固圍巖或者封堵地下水，為TBM掘進(jìn)創(chuàng)造條件。針對不同工況，掌子面超前注漿主要分為以下2種。

1)掌子面前方圍巖自穩(wěn)能力差或者無自穩(wěn)能力時，無推進(jìn)空轉(zhuǎn)刀盤就會大量出渣，如果持續(xù)轉(zhuǎn)動刀盤，就會造成超量出渣引發(fā)更大規(guī)模坍塌，此時需要掌子面固結(jié)注漿。

掌子面固結(jié)注漿需要重點控制3個方面： 一是刀盤緊貼掌子面或者松散巖體，不可大幅后退刀盤，否則會導(dǎo)致更大規(guī)模坍塌。二是造孔，在刀盤內(nèi)通過刀孔、刮渣鏟斗、人孔等空間采用手持式風(fēng)鉆或短氣腿風(fēng)鉆，施作中空玻璃纖維錨桿作為注漿管，不可使用金屬錨桿，否則恢復(fù)掘進(jìn)時會損壞刀盤刀具；由于刀盤內(nèi)作業(yè)空間狹小，通常需要接桿，單根錨桿長度一般約為1 m。三是注漿，由于刀盤緊貼掌子面或松散巖體，漿液選擇以聚氨酯化學(xué)漿液為宜，僅固結(jié)圍巖而不會將刀盤和圍巖固結(jié)為一體，切忌采用水泥漿液。刀盤內(nèi)掌子面超前固結(jié)注漿示意如圖3所示。

(a) 正視圖 (b) 側(cè)視圖

2)富水洞段存在發(fā)生突涌水風(fēng)險或者已經(jīng)突涌水時，需要掌子面注漿堵水。如果掌子面自穩(wěn)能力較好，則后退刀盤，在刀盤前方實施注漿。

①根據(jù)斷面、富水情況做針對性注漿設(shè)計。以山西省中部引黃工程TBM1掌子面超前注漿堵水為例，掌子面全斷面布孔，分段注漿，外圈注漿孔外插角5°，孔徑65 mm，最大孔深50 m，分段梯度5 m，見圖4。同時做好漿液配比設(shè)計、注漿工藝設(shè)計。

圖4 掌子面堵水注漿設(shè)計示例(單位： mm)

②刀盤后退不小于5 m，為掌子面超前造孔、注漿創(chuàng)造作業(yè)空間，檢查圍巖穩(wěn)定性，必要時先加固圍巖，確保安全施工。

③選用小型造孔設(shè)備，如電動潛孔鉆機(jī)、架柱式液壓沖擊鉆機(jī)等。

④按先內(nèi)圈后外圈、從下至上逐孔分段鉆孔注漿。刀盤前方柱架式液壓沖擊鉆機(jī)掌子面造孔見圖5。

圖5 刀盤前方柱架式液壓沖擊鉆機(jī)掌子面造孔

⑤檢查注漿效果，達(dá)到設(shè)計封堵標(biāo)準(zhǔn)后，TBM向前掘進(jìn)，必要時施作第2次堵水注漿，循環(huán)作業(yè)，直到安全通過富水洞段。

如果掌子面圍巖不具備自穩(wěn)能力，則按前述方式操作，需選用堵水型聚氨酯化學(xué)漿液。由于受作業(yè)空間影響，造孔位置、范圍、深度受限，注漿效果較差。

1.3 地表注漿

淺埋隧道破碎、軟弱、大流量突涌水洞段TBM施工過程中，如果具備條件，可在TBM到達(dá)該復(fù)雜地質(zhì)之前實施地表注漿，改良圍巖，減小卡機(jī)風(fēng)險，為TBM正常掘進(jìn)創(chuàng)造條件；如果TBM已經(jīng)進(jìn)入上述復(fù)雜地質(zhì)洞段，也可以地表注漿脫困。以后者為例，說明如下。

1)護(hù)盾區(qū)域。刀盤后方沿隧道軸線方向，注漿長度不小于護(hù)盾長度；護(hù)盾上方注漿厚度不小于2 m，護(hù)盾兩側(cè)注漿厚度不小于3 m。靠近護(hù)盾的1 m范圍內(nèi)灌注水玻璃-磷酸雙液漿，其余部分灌注水泥-水玻璃雙液漿。

2)刀盤前方沿隧道軸線方向，注漿長度以超出需要處理范圍3 m以上為宜；注漿深度為洞頂以上6 m至洞底以下2 m；注漿寬度為左右分別超出開挖輪廓線3 m。刀盤前方2 m范圍內(nèi)灌注水玻璃-磷酸雙液漿，其余部分灌注水泥-水玻璃雙液漿。

3)靠近刀盤、護(hù)盾的區(qū)域灌注水玻璃-磷酸雙液漿，具有較好的止?jié){效果，可有效保護(hù)設(shè)備；與聚氨酯化學(xué)漿液類似，可固結(jié)圍巖，但不會粘結(jié)金屬結(jié)構(gòu)，防止TBM與周邊圍巖固結(jié)為一體；該漿液注入巖體后，致密且強(qiáng)度低，便于后續(xù)清理。

4)根據(jù)勘測的復(fù)雜地質(zhì)確定注漿孔間距、排距以及注漿壓力。

5)注漿完畢，經(jīng)檢查達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)后，參照1.1節(jié)方法，清理刀盤周邊，恢復(fù)掘進(jìn)。

青島地鐵2號線地表注漿加固掌子面前方圍巖布孔設(shè)計見圖6。

說明： 里程ZK35+100.55～+112.55段注漿孔排距、間距均為1.5 m，交錯布置；ZK35+080.55～+97.25段注漿孔排距、間距均為1.5 m，南北側(cè)最外2根間距為0.8 m，交錯布置；ZK35+98.75～+99.55段排距為0.8 m，間距為0.8 m；ZK35+99.55～+100.55段注漿孔排距為1.0 m，間距為0.8 m。管線影響范圍根據(jù)實際情況增加間距0.4 m注漿孔。

為了更好地控制風(fēng)險，避免工期拖延、成本增加，需盡量創(chuàng)造條件，在TBM到達(dá)復(fù)雜地質(zhì)段之前，做好地質(zhì)調(diào)查、補(bǔ)勘，必要時提前施作地表注漿。

對于部分淺埋極端復(fù)雜地質(zhì)，地表注漿無法可靠固結(jié)時，可采用礦山法明挖，分層開挖至隧道底部標(biāo)高，施作混凝土底板，TBM步進(jìn)通過，再澆筑鋼筋混凝土邊頂拱成洞，分層回填上部開挖區(qū)域。

1.4 人造節(jié)理

Ⅱ級及以上圍巖，節(jié)理不發(fā)育，抗壓強(qiáng)度高，TBM掘進(jìn)貫入度小，通常不超過2 mm/r，即使TBM純掘進(jìn)時間利用率較高，也難取得較高掘進(jìn)效率，并且開挖成本大幅增加。根據(jù)目前的破巖機(jī)制、TBM破巖設(shè)計，無法從根本上解決此類圍巖條件下的破巖效率問題，可以采用預(yù)裂爆破技術(shù)人為制造節(jié)理，從而提高TBM掘進(jìn)貫入度。

吉林引松供水工程TBM1施工過程中開展了工業(yè)性試驗。后退刀盤，在掌子面布孔，控制爆破人造節(jié)理，相同圍巖條件下TBM掘進(jìn)貫入度由1.87 mm/r提高到2.70 mm/r，掘進(jìn)速度由13.06 mm/min提高到17.78 mm/min，掘進(jìn)效率提高36%。

該技術(shù)由試驗轉(zhuǎn)為實用需要解決2個問題： 一是造孔，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)以及爆破效果合理設(shè)計鉆孔孔位，TBM上合理配置超前鉆機(jī)，以便實現(xiàn)掌子面高效造孔；二是爆破，依據(jù)地質(zhì)條件開展針對性爆破設(shè)計，以便在掌子面前方開挖輪廓線內(nèi)形成適宜的人造節(jié)理，并且確保安全、操作便捷，無需刀盤大幅后退即可快速完成控制爆破作業(yè)。

2 后置式超前處置技術(shù)

通常情況下，TBM會配置超前鉆機(jī)，通過敞開式TBM的護(hù)盾尾部或護(hù)盾式TBM護(hù)盾上預(yù)留孔以一定的外插角斜向前方造孔，實現(xiàn)加固，通常以超前注漿為主；有時，會在護(hù)盾后方擴(kuò)挖工作間施作超前管棚。上述處理方法，超前處置的入巖位置在護(hù)盾尾部或者護(hù)盾后方，距離掌子面較遠(yuǎn)，故稱之為后置式超前處置。

2.1 超前注漿

超前注漿是指利用超前鉆機(jī)(或者其他造孔方式)自敞開式TBM護(hù)盾尾部(或護(hù)盾式TBM盾體預(yù)留孔)入巖，經(jīng)護(hù)盾區(qū)域向掌子面前方鉆孔后，注入水泥漿液或者化學(xué)漿液固結(jié)前方破碎巖體，達(dá)到加固圍巖和堵水的效果，注漿達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，TBM可以繼續(xù)掘進(jìn)通過(見圖7)。超前注漿多用于超前堵水、超前加固或輔助刀盤脫困。

圖7 超前注漿

2.2 超前小導(dǎo)管加固

超前小導(dǎo)管加固一般用于長度較小的中等破碎圍巖，小導(dǎo)管與注漿相結(jié)合加固圍巖并形成一定的棚護(hù)結(jié)構(gòu)，避免開挖后圍巖坍塌。通過敞開式TBM的護(hù)盾尾部或護(hù)盾式TBM護(hù)盾上預(yù)留孔以一定的外插角斜向前方造孔，安裝小導(dǎo)管，再注漿，通常多次搭接循環(huán)施作。

與鉆爆法超前小導(dǎo)管施工相比，需要重點關(guān)注以下2方面工作：

1)結(jié)合TBM結(jié)構(gòu)特點設(shè)計布孔。布孔參數(shù)根據(jù)圍巖破碎情況及拱部塌落高度確定，超前注漿孔沿TBM護(hù)盾外開挖輪廓線呈傘形輻射狀布置，注漿孔環(huán)向布置范圍視圍巖情況而定，一般不小于頂拱120°范圍，鉆孔深度根據(jù)鉆孔能力、刀盤及護(hù)盾長度、需處置圍巖長度、計劃掘進(jìn)長度等因素確定。例如： 鉆機(jī)能力為一次鉆孔深度25～30 m，盾體及刀盤長5 m，掘進(jìn)長度為注漿長度的70%～80%，每段預(yù)留20%～30%作為下段注漿的止?jié){盤，超前小導(dǎo)管加固后可掘進(jìn)長度為14～20 m。釆取單雙序交叉布管方式，鉆孔環(huán)向間距一般不大于45 cm。超前鉆機(jī)和超前小導(dǎo)管布孔示意分別見圖8和圖9。

圖8 超前鉆機(jī)

圖9 超前小導(dǎo)管布孔示意圖

2)結(jié)合TBM工法特點選擇漿液。漿液需具有良好流動性和可灌性，凝膠時間可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，固化時收縮小，漿液與圍巖、混凝土、砂土等粘結(jié)力強(qiáng)，固結(jié)體具有高強(qiáng)度和良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性；靠近刀盤、護(hù)盾區(qū)域的漿液加固圍巖的同時，不能粘接金屬結(jié)構(gòu)件；漿液無毒、低污染。

一般在中強(qiáng)風(fēng)化及斷層破碎帶富水或動水條件下選擇采用普通水泥-水玻璃雙液漿，或化學(xué)漿液；在砂層中選擇采用超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿；靠近TBM結(jié)構(gòu)件的區(qū)域采用聚氨酯化學(xué)漿液等。

2.3 超前管棚加固

在極破碎地質(zhì)條件下，圍巖總體完整性差，自穩(wěn)能力弱，超前注漿、超前小導(dǎo)管難以有效加固掌子面前方破碎圍巖。采用超前管棚加固方案，即在TBM護(hù)盾后方適當(dāng)擴(kuò)挖，形成管棚工作間，單次或循環(huán)管棚加固，必要時同時施作掌子面超前注漿，刀盤清理脫困后恢復(fù)掘進(jìn)。

與鉆爆法相比，TBM施工過程中施作超前管棚，需重點關(guān)注如下工作：

1)管棚鉆機(jī)選型。管棚鉆機(jī)宜選擇潛孔鉆機(jī)，具有跟管功能，潛孔錘可選擇氣動潛孔錘或者液壓潛孔錘。

2)施作管棚工作間。TBM護(hù)盾后方，原始空間不足以布設(shè)管棚鉆機(jī)，即便結(jié)構(gòu)上滿足安裝條件，也會由于外插角過大而無法正常施工，無法達(dá)到預(yù)期加固效果。根據(jù)管棚鉆機(jī)工作空間需求，在護(hù)盾尾部一定范圍內(nèi)(具體尺寸依據(jù)管棚鉆機(jī)施工需求確定)擴(kuò)挖拱部。

超前管棚如圖10所示。TBM開挖直徑6.53 m，護(hù)盾尾部管棚工作間擴(kuò)挖尺寸按照超前管棚外插角3°計算，擴(kuò)挖后隧道內(nèi)輪廓距護(hù)盾外輪廓約30 cm。擴(kuò)挖后的上半斷面鋼拱架與未擴(kuò)挖的下半斷面鋼拱架采用型鋼連接，并施作混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，上部拱架伸入混凝土至少30 cm；下半斷面鋼拱架分別以不少于2根錨桿錨固，上半斷面擴(kuò)挖后的鋼拱架采用鎖腳錨桿固定；系統(tǒng)錨桿設(shè)置范圍為拱頂180°，布設(shè)自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿間排距為1 m，擴(kuò)挖后的鋼拱架采用槽鋼縱向連接，間距為0.5 m。

圖10 超前管棚(單位: mm)

3)止?jié){作業(yè)。為在刀盤前上方及盾體上方形成巖體固結(jié)圈，避免注漿時漿液流至刀盤、護(hù)盾處固結(jié)鋼結(jié)構(gòu)，擴(kuò)挖完成后沿護(hù)盾尾部布設(shè)自進(jìn)式中空注漿錨桿，范圍為拱頂180°，對護(hù)盾及刀盤上部圍巖進(jìn)行化學(xué)灌漿固結(jié)；同時在刀盤內(nèi)按前述方法在掌子面超前注漿固結(jié)圍巖。

3 導(dǎo)洞法超前處置技術(shù)

3.1 小導(dǎo)洞法

在極破碎地質(zhì)條件下，影響長度較小，刀盤或護(hù)盾易出現(xiàn)被卡的洞段，具備條件的可采用小導(dǎo)洞法處置前方圍巖，提升圍巖穩(wěn)定性，為TBM掘進(jìn)創(chuàng)造條件；條件不足的則采用礦山法開挖支護(hù)后TBM步進(jìn)通過。

從TBM護(hù)盾后方相對穩(wěn)定巖體中開挖縱向小導(dǎo)洞(見圖11)，作為施工通道，以礦山法處置前方復(fù)雜地質(zhì)。小導(dǎo)洞法有以下2種處置方式：

(a) (b)

1)小導(dǎo)洞到達(dá)掌子面，開挖橫向?qū)Ф醋鳛楣芘锕ぷ鏖g，向刀盤前方施作超前管棚，開挖輪廓線及其下部和兩側(cè)注漿加固，然后TBM掘進(jìn)；或以礦山法部分?jǐn)嗝骈_挖支護(hù)后TBM掘進(jìn)通過；或以礦山法全斷面開挖支護(hù)后TBM步進(jìn)通過，如圖12所示。

圖12 小導(dǎo)洞前向管棚法超前處置(單位： mm)

2)小導(dǎo)洞到達(dá)掌子面，繼續(xù)向前開挖適當(dāng)長度后，施作橫向?qū)Ф床⒆鳛楣芘锕ぷ鏖g，反向施作大管棚并注漿加固破碎圍巖，再按與上述類似的方法通過，如圖13所示。

圖13 小導(dǎo)洞反向管棚法超前處置

3.2 迂回導(dǎo)洞法

當(dāng)斷層破碎帶等復(fù)雜地質(zhì)規(guī)模較大，采用注漿加固和小導(dǎo)洞方案TBM仍無法順利脫困時，可采用迂回導(dǎo)洞法繞行至刀盤前方，以迂回導(dǎo)洞作為施工通道，上半斷面或者全斷面采用礦山法施工前方洞段，然后TBM掘進(jìn)或步進(jìn)通過。掌子面前方復(fù)雜地質(zhì)洞段礦山法處置方式與小導(dǎo)洞法類似，需要結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)、施工環(huán)境等因素綜合研究確定。迂回導(dǎo)洞法超前處置如圖14所示。

圖14 迂回導(dǎo)洞法超前處置

迂回導(dǎo)洞設(shè)計，需要重點關(guān)注以下3個方面。

1)迂回導(dǎo)洞開口位置選擇。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)空間、運(yùn)輸條件等因素選擇開口位置，單洞施工時可選部位有3處： TBM護(hù)盾尾部、連接橋區(qū)域和后配套尾部。同時，迂回導(dǎo)洞布置還應(yīng)充分考慮斷層破碎帶附近橫通道、平導(dǎo)與主洞之間的位置關(guān)系，盡量減少迂回導(dǎo)洞開挖工程量及對設(shè)備的干擾。

雙線隧道互為導(dǎo)洞，TBM施工進(jìn)度滯后的隧道遭遇需要采用迂回導(dǎo)洞法超前處置時，可利用進(jìn)度超前的隧道施工橫通道進(jìn)入需要超前處置洞段，減少迂回導(dǎo)洞開挖。

2)迂回導(dǎo)洞斷面設(shè)計。迂回導(dǎo)洞斷面多選擇城門洞型，導(dǎo)洞洞口可布置在護(hù)盾尾部，通常處理長度不大，受TBM空間影響，導(dǎo)洞斷面不宜過大，滿足小型機(jī)械或人工開挖施工需求即可，比如4 m×4.5 m(寬×高)，如圖15所示。導(dǎo)洞洞口也可布置在后配套尾部，但超前處理的長度比較大，按常規(guī)礦山法滿足有軌運(yùn)輸施工的斷面即可。

圖15 迂回導(dǎo)洞橫斷面(單位： mm)

3)迂回導(dǎo)洞法處置工期長達(dá)數(shù)月，導(dǎo)致TBM長時間停機(jī)，需要針對性做好TBM維護(hù)保養(yǎng)工作。

迂回導(dǎo)洞法超前處置方案，工期長、造價高，非必要時不建議采用。

3.3 超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放法

強(qiáng)烈及以上巖爆洞段，巖爆風(fēng)險高、危害大，嚴(yán)重威脅TBM施工人員及設(shè)備安全，工期及成本可控性差，需要合理釋放應(yīng)力，盡量減小巖爆等級。目前的TBM設(shè)備技術(shù)與施工技術(shù)，尚不具備依靠TBM設(shè)備實現(xiàn)超前應(yīng)力釋放功能，必要時可以創(chuàng)造條件，在掌子面前方以礦山法開挖導(dǎo)洞釋放高地應(yīng)力，剩余斷面TBM掘進(jìn)通過。

1)導(dǎo)洞位置選擇。應(yīng)力釋放導(dǎo)洞根據(jù)位置不同通?？煞譃橹袑?dǎo)洞和上導(dǎo)洞2種。錦屏二級電站引水洞TBM開挖直徑12.43 m，采用上導(dǎo)洞釋放應(yīng)力，如圖16所示。

圖16 應(yīng)力釋放導(dǎo)洞橫斷面(單位: cm)

2)TBM掘進(jìn)控制。TBM掘進(jìn)通過應(yīng)力釋放導(dǎo)洞如圖17所示。剩余斷面TBM掘進(jìn)過程中，導(dǎo)洞區(qū)域滾刀空載，進(jìn)入巖體時發(fā)生荷載突變，部分滾刀頻繁承受沖擊荷載，增加了滾刀異常損壞風(fēng)險；導(dǎo)洞加劇了刀盤偏載受力，長時間大推力掘進(jìn)會損傷刀盤和主軸承。因此，需要嚴(yán)格控制推力、轉(zhuǎn)速、貫入度等掘進(jìn)參數(shù)，并加強(qiáng)TBM狀態(tài)監(jiān)測工作，加強(qiáng)刀盤刀具檢查與維護(hù)保養(yǎng)工作。詳情可參見《極強(qiáng)巖爆洞段TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖法施工技術(shù)研究與應(yīng)用》[23]等文獻(xiàn)。

圖17 TBM掘進(jìn)通過應(yīng)力釋放導(dǎo)洞

4 TBM施工超前處置技術(shù)的適用范圍和特點

綜上所述，3個方面10項超前處置技術(shù)均來源于工程實踐，是對當(dāng)前復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工超前處置技術(shù)的全面歸納與總結(jié)，其適用范圍和特點見表1。

表1 TBM施工超前處置技術(shù)

5 關(guān)于TBM施工超前處置的思考

超前處置可以有效解決復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)、施工效率低的問題，但投入大、風(fēng)險高，通常占用直線工期。為了整體提升TBM施工效率、降低施工風(fēng)險、控制施工成本，繼續(xù)深入研究超前處置技術(shù)的同時，需投入更多的資源，提高TBM的工程適應(yīng)性，充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢，建立更加科學(xué)的工程管理和決策理念，努力減少TBM施工超前處置的幾率，促進(jìn)隧道施工水平的整體提升。

5.1 減少TBM在不適宜地質(zhì)洞段施工占比

TBM在適宜的地質(zhì)條件下施工可持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益；TBM在適應(yīng)性較差的復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工安全、進(jìn)度、經(jīng)濟(jì)效益都會受到嚴(yán)重制約，甚至造成長時間停機(jī)，即便采取輔助措施，其綜合進(jìn)度也很低。如西北某輸水隧洞，在不適合采用TBM法施工的嚴(yán)重破碎圍巖洞段，近1年平均日進(jìn)尺0.1 m，工期嚴(yán)重滯后，施工實際投入資金大幅超過概算。

除非環(huán)境不允許，要盡量在具有較好適應(yīng)性的地質(zhì)條件下采用TBM施工，這就要求隧道施工工法選擇時務(wù)必慎重。而工法選擇的關(guān)鍵依據(jù)之一是地質(zhì)勘查成果，因此，需加強(qiáng)前期地勘工作，提高地勘成果的準(zhǔn)確性，為隧道設(shè)計和施工工法比選奠定良好的地質(zhì)基礎(chǔ)，條件允許時盡量避免TBM在長距離、大段落不適宜的地質(zhì)條件下施工。

5.2 提高TBM工法地質(zhì)適應(yīng)性

雖然在工法選擇時，盡量規(guī)避TBM在不適宜的地質(zhì)條件下施工，然而隨著TBM的不斷推廣，連續(xù)掘進(jìn)長度不斷增大，TBM施工過程中復(fù)雜地質(zhì)條件是不可避免的。因此，仍需持續(xù)加大技術(shù)研發(fā)力度，努力提高TBM設(shè)備應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件的功能和性能，提高輔助措施的可靠性、有效性、便捷性，為TBM更好地建設(shè)隧道創(chuàng)造條件。

豐富TBM設(shè)備功能，提高應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)的性能。業(yè)內(nèi)始終在持續(xù)開展相關(guān)研究，如雙模式、復(fù)合式TBM研究與應(yīng)用等，都是有益嘗試。目前尚無“地質(zhì)全天候”適應(yīng)的TBM設(shè)備，因而研究實施必要的輔助措施，是目前減少復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)、長時間停機(jī)的有效手段。

《一種敞開式TBM超前支護(hù)加固系統(tǒng)》[24]為前置式超前加固技術(shù)，在西北某輸水隧洞TBM施工實踐中形成思路，在樂西高速大涼山一號隧道已經(jīng)開始現(xiàn)場試驗；《一種用于隧道掘進(jìn)機(jī)的高壓水輔助破巖系統(tǒng)及施工方法》[25]已經(jīng)在福建龍巖嘗試應(yīng)用。諸如此類都是很好的研究方向，應(yīng)予以鼓勵和支持，充分調(diào)動相關(guān)單位、人員的積極性，努力研發(fā)新技術(shù)，創(chuàng)造機(jī)會開展工業(yè)性試驗。只有在實踐中才能更深入、更全面地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，增強(qiáng)TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的應(yīng)對能力，提高TBM的工程適應(yīng)性。

5.3 提高超前地質(zhì)預(yù)報準(zhǔn)確性和及時性

準(zhǔn)確掌握前方地質(zhì)條件是正確決策下一步TBM施工組織的關(guān)鍵依據(jù)。目前，超前預(yù)報由于準(zhǔn)確性有待提高、預(yù)報結(jié)果不及時，現(xiàn)場采信度不高，通常都是遇到地質(zhì)問題，TBM被困無法繼續(xù)正常施工時才施作超前地質(zhì)預(yù)報，不得已的情況下實施超前處置，處理難度和代價比較大。應(yīng)進(jìn)一步提升超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性和及時性，一是加大科研攻關(guān)力度，從技術(shù)上進(jìn)一步提升；二是將其納入工序管理，及時與現(xiàn)場實際揭露地質(zhì)對照分析，不斷修正，長期積累，逐步提升，為施工決策及時提供越來越準(zhǔn)確的地質(zhì)依據(jù)；三是工程管理方面，將其納入工程量清單，按量計價，前期強(qiáng)制推廣，取得實效后，引導(dǎo)現(xiàn)場主動施作。

5.4 動態(tài)設(shè)計，合理決策

深埋地下的地質(zhì)條件千變?nèi)f化，限于當(dāng)前地質(zhì)勘察水平，無法清晰、準(zhǔn)確掌握所有的復(fù)雜地質(zhì)，因而需要在TBM施工過程中，根據(jù)實際揭露和超前地質(zhì)預(yù)報成果，及時修正隧道施工圖設(shè)計；同時，隨著技術(shù)進(jìn)步，參建各方及科研院所在實踐中不斷探索，可能會發(fā)明新的技術(shù)、工藝，也需要及時將其納入施工體系，為工程建設(shè)服務(wù)。川藏鐵路已經(jīng)明確采用動態(tài)設(shè)計方法，這是隧道建設(shè)的一大進(jìn)步，具有很好的示范作用。

受制于當(dāng)前TBM設(shè)備及施工技術(shù)發(fā)展水平，復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工風(fēng)險、工期、成本均存在較大的不可預(yù)見性。需在動態(tài)設(shè)計理念的指導(dǎo)下，摒棄行政決策為主導(dǎo)的決策思想，以技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合隧道建設(shè)管理其他需求科學(xué)決策，實事求是合理控制工期和投資。

5.5 健全管理體系，指導(dǎo)TBM科學(xué)施工

嚴(yán)格參照規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等文件實施隧道(洞)設(shè)計與施工，是工程順利實施的重要保障。目前TBM法隧道施工的相關(guān)規(guī)范尚未形成健全的體系，在一定程度上制約了其發(fā)展；相關(guān)強(qiáng)制性、指導(dǎo)性文件都是基于已完工程編制的。技術(shù)進(jìn)步不會停止，新技術(shù)會不斷被推廣，現(xiàn)有管理體系無法包含的新技術(shù)、新工藝、新方法、新裝備會不斷涌現(xiàn)，需要及時修正和補(bǔ)充。建立健全適應(yīng)TBM施工特點的隧道設(shè)計、施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和定額等管理體系，使其與時俱進(jìn)，更好地發(fā)揮規(guī)范管理、正確指導(dǎo)隧道建設(shè)的作用，促進(jìn)TBM施工技術(shù)科學(xué)發(fā)展。

6 結(jié)論與討論

1)適宜的地質(zhì)條件下，TBM可以持續(xù)、均衡、快速施工，實現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)；適應(yīng)性差的復(fù)雜地質(zhì)、極端惡劣地質(zhì)條件下，超前處置技術(shù)是實現(xiàn)TBM持續(xù)、穩(wěn)步施工，盡量避免卡機(jī)和長時間停機(jī)的最佳途徑。

2)進(jìn)一步研究超前處置技術(shù)，充分利用增強(qiáng)后的TBM自身功能與性能，有效減少輔助工作量，提高超前處置的安全性、可靠性與及時性；同時創(chuàng)造條件，盡量避免和減少TBM在適應(yīng)性差、不適宜洞段施工，減少超前處置技術(shù)的應(yīng)用幾率。

3)進(jìn)一步提高超前地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性和及時性，為TBM施工策略選擇提供更加可靠的依據(jù)；動態(tài)設(shè)計、合理決策，建立健全TBM施工相關(guān)的管理體系，促進(jìn)TBM施工更加科學(xué)、健康發(fā)展，提升隧道施工技術(shù)水平。