洪 開 榮

(1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

我國西部大部分區(qū)域位于青藏高原，山高谷深，在西部改善交通提升效能、跨域調(diào)水、保護(hù)生態(tài)等重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，必將遇到大量超長(長度>15 km)、超深(埋深>500 m)、超高(水平地應(yīng)力>20 MPa)的隧道工程。受板塊碰撞和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，該區(qū)域地質(zhì)極其復(fù)雜、地形地貌險(xiǎn)峻、氣候環(huán)境惡劣，因此，隧道工程建設(shè)技術(shù)難度大、建設(shè)環(huán)境差，輔助坑道設(shè)置也困難。國內(nèi)外類似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，深埋高地應(yīng)力隧道采用隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工是高效建設(shè)的主要途徑，具有一定的優(yōu)勢，但在勘察、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營各階段也面臨巨大挑戰(zhàn)[1-2]。

TBM工法已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道、公路隧道、水利隧洞等建設(shè)。20世紀(jì)50年代，我國開始了TBM技術(shù)研究與應(yīng)用，天生橋電站是我國最早引進(jìn)國外TBM技術(shù)施工的隧洞工程，然后在甘肅引大入秦、山西引黃入晉、掌鳩河引水、遼寧大伙房引水、青海引大濟(jì)湟、錦屏水電站、遼西北供水、甘肅引洮、遼寧引松、引漢濟(jì)渭、新疆ABH、蘭州水源地、新疆EH等工程得到推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末期，我國在建設(shè)西康鐵路秦嶺隧道時(shí)引進(jìn)了TBM技術(shù)，然后在西安—南京鐵路磨溝嶺隧道與桃花鋪1號隧道、吐庫二線鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、大瑞鐵路高黎貢山隧道等特長隧道工程中得到了應(yīng)用。21世紀(jì)近10年內(nèi)，公路建設(shè)方面在新疆、四川等地也采用了TBM技術(shù)，整體上我國取得了很多寶貴的TBM隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

長期以來，工程技術(shù)人員和業(yè)內(nèi)專家對TBM隧道技術(shù)進(jìn)行了大量的研究分析。文獻(xiàn)[3-4]對國外TBM技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析；文獻(xiàn)[5-8]對我國TBM技術(shù)發(fā)展，從“研發(fā)探索和試用、國外設(shè)計(jì)制造和國外施工、國外設(shè)計(jì)制造和自主施工、聯(lián)合設(shè)計(jì)制造和自主施工、國產(chǎn)化和面向國內(nèi)外施工”五個(gè)階段進(jìn)行了系統(tǒng)記述；文獻(xiàn)[9-10]對我國近年來TBM技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[11-12]結(jié)合TBM在引松供水工程總干線四標(biāo)段工程施工情況，研究了TBM的各項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)與主要設(shè)計(jì)參數(shù)，分析了TBM掘進(jìn)各種地層(特別是灰?guī)r地層)的特點(diǎn)及工程適應(yīng)性。文獻(xiàn)[13-16]結(jié)合引漢濟(jì)渭、新疆ABH和錦屏水電站等工程在復(fù)雜不良地層(特別是高地應(yīng)力巖爆)中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和預(yù)防處理施工，分析了巖爆發(fā)生的時(shí)空特征規(guī)律、三維地震波法和微震監(jiān)測在TBM隧道中的應(yīng)用價(jià)值，提出了TBM高地應(yīng)力巖爆的防控目標(biāo)、準(zhǔn)則、技術(shù)方案及“裝備-掘進(jìn)-支護(hù)”三者協(xié)同的“3-4-3-3”分級防控理論技術(shù)體系，總結(jié)了相關(guān)不良地層(特別是巖爆地層)的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)。文獻(xiàn)[17-20]針對大瑞鐵路高黎貢山隧道的地質(zhì)特征(軟弱破碎帶卡機(jī)、高壓突涌水等施工風(fēng)險(xiǎn))、工程重難點(diǎn)和TBM應(yīng)用情況，提出了高適應(yīng)性TBM的針對性設(shè)計(jì)方案，研究了TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼筋排和鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時(shí)支護(hù)、復(fù)雜地質(zhì)TBM掘進(jìn)參數(shù)等系列技術(shù)。文獻(xiàn)[21-24]在充分調(diào)研國內(nèi)外眾多TBM工程基礎(chǔ)上，結(jié)合西部區(qū)域的地質(zhì)特點(diǎn)，探討了TBM隧道施工適應(yīng)性及選型技術(shù)，提出了TBM選型和針對性措施等結(jié)論與建議。

一系列的研究和應(yīng)用，有力地促進(jìn)了我國TBM技術(shù)的發(fā)展，但針對超長深埋高地應(yīng)力隧道TBM建造技術(shù)，需要更為深入的研究。本文較為系統(tǒng)地分析了超長深埋高地應(yīng)力下TBM隧道施工技術(shù)的主要問題，提出了超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道“防巖爆、控變形、防坍塌、治涌水”需要考慮的關(guān)鍵因素，給出了各種不良地質(zhì)隧道的掘進(jìn)控制、支護(hù)理念和應(yīng)對措施，并對TBM智能掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了分析與展望，以期為超長深埋高地應(yīng)力隧道TBM施工提供一些借鑒和指導(dǎo)。

1 超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道的主要問題

TBM類型可分為敞開式、單護(hù)盾、雙護(hù)盾三種類型。敞開式TBM并不是沒有護(hù)盾，只是它的護(hù)盾是分塊式、非全圓、可徑向伸縮的護(hù)盾，而單、雙護(hù)盾TBM的護(hù)盾為全圓形剛性護(hù)盾。同時(shí)，敞開式TBM與雙護(hù)盾TBM主要是依靠撐靴提供掘進(jìn)推力，而單護(hù)盾TBM依靠管片結(jié)構(gòu)提供掘進(jìn)推力；當(dāng)雙護(hù)盾TBM采用單護(hù)盾形式掘進(jìn)時(shí)，其掘進(jìn)推力也只能靠管片結(jié)構(gòu)提供掘進(jìn)推力。隨著裝備技術(shù)的發(fā)展，在護(hù)盾式TBM的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)具有主動(dòng)穩(wěn)定掘進(jìn)面特點(diǎn)，目前已開發(fā)出了利用螺旋輸送機(jī)和中心皮帶出渣的“雙?！盩BM，既可實(shí)現(xiàn)單護(hù)盾TBM模式下的掘進(jìn)，也可實(shí)現(xiàn)土壓平衡方式的掘進(jìn)。此外，結(jié)合噴錨支護(hù)的特點(diǎn)，開發(fā)出了敞開式“雙結(jié)構(gòu)”TBM，既可采用管片支護(hù)，也可采用錨噴支護(hù)。

隧道工程選擇TBM工法，首先，要能夠發(fā)揮TBM施工速度的優(yōu)勢，按隧道圍巖分級，Ⅱ—Ⅳ級圍巖TBM的施工速度可以達(dá)到鉆爆法的4倍以上，但不良地質(zhì)會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致TBM“被卡”“被困”[25-28],嚴(yán)重影響施工效率，一般認(rèn)為若隧道的Ⅴ、Ⅵ級圍巖占比超過15%，就不宜采用TBM施工；其次，要結(jié)合隧道長度、設(shè)置輔助坑道條件、工期要求等綜合分析選擇TBM法的合理性。另外，隧道所處的環(huán)境對人員體能、設(shè)備效能的影響，也是選擇TBM工法的重要因素。對于超長深埋高地應(yīng)力隧道，不可避免會(huì)遇到各種各樣的不良地質(zhì)，如何解決不良地質(zhì)中TBM施工的問題就成為關(guān)鍵。

對于超長深埋高地應(yīng)力隧道，需要高度重視TBM本身屬性對施工的影響：①穩(wěn)定掘進(jìn)面的缺陷性，與現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)不同，TBM不具備主動(dòng)穩(wěn)定掘進(jìn)面的能力；②支護(hù)施作的滯后性，無論是敞開式TBM，還是護(hù)盾式TBM，從刀盤前端到護(hù)盾尾部這一區(qū)域的圍巖是處于無支護(hù)狀態(tài)；③超前處置的局限性，由于護(hù)盾內(nèi)及緊鄰護(hù)盾尾部位布置了拱架安裝機(jī)、錨桿裝機(jī)、內(nèi)置皮帶的主梁等，致使超前鉆孔、超前管棚、超前注漿等都受到制約。

1.1 地質(zhì)勘察問題

TBM工法的高效優(yōu)勢極其依賴地質(zhì)條件，因此地質(zhì)勘探和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)非常重要[29-33]，需要盡可能地在工程前期與施工中摸清前方各種不良地質(zhì)的性態(tài)、位置、規(guī)模。超長深埋隧道一般都是穿越艱難險(xiǎn)峻的高山地區(qū)，甚至是高原高寒地區(qū)，受客觀條件的影響，其野外地勘難度極大；而高空物探，其準(zhǔn)確性不足以支撐TBM工法選擇。在TBM環(huán)境下干擾源多，影響地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的便捷性與準(zhǔn)確性；同時(shí)，TBM掘進(jìn)速度較快，日進(jìn)度可達(dá)60 m以上。因此，及時(shí)性是評價(jià)TBM地質(zhì)超前預(yù)報(bào)效用的關(guān)鍵性指標(biāo)。

除上述原因?qū)е滤淼拦こ痰牡刭|(zhì)不確定性外，巖土體還具有壓硬性(變異性)、應(yīng)變與應(yīng)力路徑關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)。許多TBM隧道因地質(zhì)不確定性與過程的多變性帶來了不少問題，在國內(nèi)，如錦屏電站隧洞工程因巖爆問題棄用TBM、掌鳩河引水隧洞因變形問題最后改為鉆爆法等；在國外，如萊索托引水工程遇到突涌問題，被迫重新改造TBM；圣哥達(dá)基線隧道TBM遇到的復(fù)雜地質(zhì)，造成工期、造價(jià)極大地超出了預(yù)期。

1.2 巖爆問題

巖爆與其他的巖體破壞形式不同，其顯著特征是爆落的巖塊具有明顯的彈射性。巖爆的沖擊能量對隧道施工人員與施工設(shè)備具有更大的傷害，且不確定性更明顯；但巖爆發(fā)生后，圍巖自身又具有很好的穩(wěn)定性。隧道工程發(fā)生巖爆的原因復(fù)雜，與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、強(qiáng)度、儲能特性及巖體結(jié)構(gòu)完整性相關(guān)，也與隧道的開挖方式相關(guān)[34-39]。到目前為止，還沒有一套完整的理論可以準(zhǔn)確地解析巖爆機(jī)理；大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，發(fā)生巖爆至少應(yīng)具備兩個(gè)條件：①巖體具有較好的儲能特征;②隧道圍巖的強(qiáng)度應(yīng)力比相對較低。

在超長深埋高地應(yīng)力隧道中，對于具有較好儲能特性的巖體，無論是硬質(zhì)巖，還是軟質(zhì)巖，都有發(fā)生巖爆的可能。由于TBM設(shè)備龐大，且沿隧道軸向長度可達(dá)200 m以上，TBM法應(yīng)對巖爆不可能像鉆爆法一樣撤離設(shè)備與人員躲避巖爆。巖爆不僅會(huì)嚴(yán)重降低TBM施工效率、造成支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、增大工程造價(jià)，甚至可能會(huì)造成TBM設(shè)備毀壞、人員傷亡等重大事故。如引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞，在長達(dá)十多公里隧洞段頻繁發(fā)生巖爆(其中強(qiáng)烈?guī)r爆段近5 km)，盡管在技術(shù)上取得了突破，確保了人員與TBM設(shè)備的安全，但TBM的施工進(jìn)度仍受到較大的影響，且工程費(fèi)用大幅增加。

1.3 軟弱圍巖的變形問題

超長深埋高地應(yīng)力隧道的軟弱圍巖，突出的問題是隧道變形。高地應(yīng)力軟弱圍巖的變形屬于壓剪破壞形式，表現(xiàn)出明顯的塑性蠕變與流變特征，稱之為擠壓變形；超長深埋隧道還經(jīng)常會(huì)遇到深層火成巖的蝕變，發(fā)生擠壓性變形。擠壓性變形的主要特點(diǎn)為在一定的支護(hù)下“隧道變而難塌，巖體碎而不散”。

高地應(yīng)力軟弱圍巖隧道采用鉆爆法時(shí)，由于支護(hù)方法不當(dāng)或支護(hù)剛度不協(xié)調(diào)，會(huì)發(fā)生隧道斷面侵限或支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象，支護(hù)結(jié)構(gòu)常需拆換，造成工程成本加大，并嚴(yán)重影響工期。采用TBM法除了上述問題外，還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀盤“卡死”、護(hù)盾“抱死”的現(xiàn)象[40-46]。如青海引大濟(jì)湟隧洞工程，場區(qū)實(shí)測地應(yīng)力達(dá)32 MPa，雙護(hù)盾TBM的護(hù)盾經(jīng)常被“抱死”、管片結(jié)構(gòu)嚴(yán)重錯(cuò)臺，不得不采用輔助工法進(jìn)行TBM脫困。

1.4 地層坍塌問題

破碎地層主要有斷層破碎帶和節(jié)理密集帶兩類。在破碎地層中采用鉆爆法時(shí)，為防止坍塌，一般都要施作超前小導(dǎo)管或管棚，必要時(shí)注漿改善圍巖性態(tài)，為隧道開挖和支護(hù)創(chuàng)造條件。采用TBM施工時(shí)，破碎圍巖表現(xiàn)出“間隙性坍塌，無支難穩(wěn)”的特征。如掘進(jìn)面破碎巖體塌落，致使刀具異常破壞，甚至刀盤“被卡”；如護(hù)盾頂部破碎巖體坍塌，導(dǎo)致護(hù)盾收縮或護(hù)盾“被困”[47-49]，造成支護(hù)不能安裝到位。在大瑞鐵路高黎貢山隧道，因連續(xù)遇到破碎巖體坍塌，致使多段的初支凈空不滿足設(shè)計(jì)要求。

1.5 富水構(gòu)造帶突涌水問題

富水構(gòu)造帶大致可以劃分為4種類型：①富水?dāng)鄬訋В瑢τ谡龜鄬?，破碎巖塊間少有細(xì)顆粒充填，極易發(fā)生突水；對于逆斷層，其上盤一般為強(qiáng)烈破碎巖體，極易產(chǎn)生突泥涌水。②富水褶皺，無論是背斜還是向斜，其巖體都相對破碎，擠壓作用越嚴(yán)重，巖體越破碎；富水褶皺一般為向斜構(gòu)造，隧道穿越核部時(shí)突水問題將會(huì)極其突出。③節(jié)理密集帶，巖體節(jié)理發(fā)育、且相互切割，致使巖體破碎，一般情況下節(jié)理密集帶是一個(gè)相對封閉的含水構(gòu)造，其風(fēng)險(xiǎn)為突發(fā)坍塌伴隨涌水，但其涌水量一般會(huì)較快的衰減直至枯竭。在以上三類富水構(gòu)造帶的明顯特征是“突涌坍塌相伴，不加固就成災(zāi)”。④基巖的構(gòu)造裂隙，基巖的構(gòu)造裂隙對隧道的穩(wěn)定性基本無影響，一旦發(fā)生突水，其流量與水壓的衰減速度慢，其危害性不容忽視。

深埋隧道的富水構(gòu)造帶水壓高，在采用TBM施工時(shí)，富水構(gòu)造帶會(huì)造成TBM刀盤“壓死”、TBM盾殼“抱死”、撐靴支撐力不足等問題，惡化隧道施工環(huán)境，嚴(yán)重影響TBM掘進(jìn)，甚至造成人員傷亡、TBM被掩埋和損毀。在引大濟(jì)湟、引紅濟(jì)石、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞和高黎貢山隧道都發(fā)生過不同程度災(zāi)害，給TBM施工帶來極大困難。引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞在較為完整花崗巖地段因基巖裂隙突水，險(xiǎn)些發(fā)生TBM水淹事故。

2 隧道解重構(gòu)理念與方法

古代人們修建隧道的方法是采用“火燒水澆”或“金屬鑿鑚”挖出巖土體，借助巖土體的自穩(wěn)能力而建造。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類用“打眼放爆”的方式開挖巖土體，同時(shí)利用木材“支撐”修建隧道,見圖1，這就是傳統(tǒng)意義上的“礦山法”。隨著噴錨技術(shù)發(fā)展和發(fā)揮圍巖承載能力理念的提出，“支護(hù)”替代“支撐”，“新奧法”由此而生，新奧法原理見圖2。圖2中，Pa為圍巖徑向壓力,Ua為圍巖徑向位移。從圖2可以看出，“新奧法”本質(zhì)上仍然是荷載-結(jié)構(gòu)關(guān)系，只是“坍塌荷載”變?yōu)殡y以量化的“圍巖壓力”，體現(xiàn)了允許圍巖發(fā)生一定徑向位移的理念。

圖1 礦山法時(shí)代的隧道

圖2 新奧法原理圖

隧道開挖必然會(huì)使自然狀態(tài)下的地層在隧道周邊一定范圍內(nèi)巖土體(以下借用傳統(tǒng)的概念，稱為“圍巖”)賦存環(huán)境發(fā)生改變，特別是圍巖的應(yīng)力與圍巖的性態(tài)等，這一過程稱為“解構(gòu)”。隧道修建過程中需要采用打設(shè)錨桿、噴射混凝土、架設(shè)拱架等技術(shù)措施(以下借用傳統(tǒng)的概念，稱為“支護(hù)”)，改善和控制圍巖賦存環(huán)境的變化，這一過程稱為“重構(gòu)”。從廣義上看隧道工程的修建，解構(gòu)與重構(gòu)不能完全割裂劃分為兩個(gè)階段，因此將圍巖賦存環(huán)境變化的區(qū)域統(tǒng)稱為隧道場，把致使圍巖賦存環(huán)境變化的過程統(tǒng)稱為解重構(gòu)。隧道場的概念示意見圖3。

圖3 隧道場的概念示意

隧道力學(xué)理論重點(diǎn)關(guān)注隧道場的應(yīng)力狀態(tài)變化[50](圖4,A、B、C為三個(gè)不同半徑上的測點(diǎn)；曲線1、2、3分別為A、B、C點(diǎn)的徑向切向應(yīng)力)，而隧道工程現(xiàn)場重點(diǎn)關(guān)注支護(hù)結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化(如周邊收斂、拱頂下沉)。如何使理論與現(xiàn)場達(dá)到相互統(tǒng)一協(xié)調(diào)，是隧道場解重構(gòu)理論方法的出發(fā)點(diǎn)與落腳點(diǎn)。

圖4 隧道場圍巖應(yīng)力變化規(guī)律

巖土體的性態(tài)與金屬等晶格構(gòu)造材料的性態(tài)具有顯著差異[51]，巖土體基本服從摩爾-庫倫準(zhǔn)則，而金屬材料基本服從屈瑞斯卡準(zhǔn)則，見圖5。圖5中，c為黏聚力，φ為摩擦角。由于巖土體是由顆粒堆積和膠結(jié)而成，具有明顯的壓硬性和拉脆性，即巖土體受壓后的強(qiáng)度與剛度都會(huì)提高；而土體基本沒有抗拉能力，巖體的抗拉強(qiáng)度一般為受壓強(qiáng)度的1/10左右。此外，巖土體又具有雙強(qiáng)度特征，具有黏聚力與摩擦力兩重特征，在其受力過程中，通常是黏聚力發(fā)揮作用早于摩擦力，且黏聚力衰減較快、摩擦力衰減較慢，表現(xiàn)出巖土體的硬化與軟化特性。因此，隧道場解重構(gòu)理論方法，就是要研究如何利用巖土體的壓硬性與雙強(qiáng)度特征。

圖5 巖土體與金屬材料屈服準(zhǔn)則

在大瑞鐵路高黎貢山TBM隧道段現(xiàn)場，聯(lián)合武漢大學(xué)進(jìn)行了原位測試，測試斷面和測點(diǎn)布置見圖6，得到重構(gòu)過程中隧道場圍巖應(yīng)力、圍巖波速度以及圍巖位移的變化規(guī)律等[52]。高黎貢山隧道全長34.5 km，由正洞和貫通平導(dǎo)組成，正洞與平導(dǎo)的線間距為30 m；進(jìn)口段正洞采用直徑9.03 m的敞開式TBM 施工，平導(dǎo)采用直徑6.39 m的敞開式TBM施工，該段隧道圍巖為燕山期花崗巖，隧道埋深250 m，按TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[53]劃分測試段圍巖為Ⅲ級，隧道斷面及支護(hù)設(shè)計(jì)見圖7。現(xiàn)場測得此處水平最大主應(yīng)力σ1為11.68 MPa，水平最小主應(yīng)力σ3為3.47 MPa，水平最大主應(yīng)力方向與洞軸線交角26.96°。同時(shí)，進(jìn)行了巖樣單軸及常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，得到高黎貢山此隧道花崗巖的偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線,見圖8。由圖8可見，通過計(jì)算分析得到單軸抗壓強(qiáng)度為91.14 MPa，彈性模量為41.42 GPa，泊松比0.16，黏聚力為19.68 MPa,內(nèi)摩擦角為52.4°。

圖6 測試斷面及測點(diǎn)布置

圖7 TBM隧道斷面與支護(hù)(單位：cm)

圖8 花崗巖偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

實(shí)測主應(yīng)力變化值見表1。在正洞解重構(gòu)過程中，當(dāng)TBM掘進(jìn)面離測試面約12 m時(shí)(相當(dāng)于1.3倍洞徑)，主應(yīng)力發(fā)生變化明顯；當(dāng)掘進(jìn)面超過測試面15 m后(相當(dāng)于1.6倍洞徑)主應(yīng)力調(diào)整趨于穩(wěn)定。

表1 解重構(gòu)過程中距離洞壁2 m的圍巖最大/最小主應(yīng)力變化值

根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，假定圍巖的c、φ值不變，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，隧道場解重構(gòu)過程中的圍巖力學(xué)狀態(tài)關(guān)系見圖9，以自然狀態(tài)下為基點(diǎn)進(jìn)行安全性評價(jià)，TBM掘進(jìn)面超過測試面2.5 m時(shí)，其安全性下降了37%；TBM掘進(jìn)面超過測試面15 m時(shí)(測試面支護(hù)已完成)，其安全性僅下降了25%。

圖9 圍巖應(yīng)力變化的安全性分析

實(shí)際上隧道場解重構(gòu)過程中，圍巖的性態(tài)會(huì)發(fā)生變化，特別是圍巖的c、φ值會(huì)發(fā)生變化。圍巖的波速度值是反映巖土體綜合性能的重要指標(biāo)，隧道場圍巖波速度變化見圖10。圖10中，紅色曲線表示掘進(jìn)面與測試斷面的距離為15 m;綠色曲線表示掘進(jìn)面與測試斷面的距離為-5～15 m;藍(lán)色曲線表示掘進(jìn)面與測試斷面的距離為20 m。由圖10可見，如掘進(jìn)面距離測試面大于15 m，圍巖的波速度基本無變化，隨著掘進(jìn)面不斷接近測試斷面，圍巖波速度顯著下降，既是掘進(jìn)面超過測試面20 m，圍巖波速度依然出現(xiàn)了較大下降，且影響深度(距離隧道壁)近9 m。解重構(gòu)過程圍巖深部位移見圖11。由圖11可見，圍巖位移明顯是TBM掘進(jìn)面距測試面為-5～10 m的范圍，且深部穩(wěn)定后，隧道淺部圍巖還會(huì)發(fā)生位移。

圖10 隧道場圍巖波速度變化

圖11 解重構(gòu)過程圍巖深部位移

由于圍巖的黏聚力衰減較快，而摩擦力衰減較慢，假定圍巖在發(fā)生可控變形內(nèi)圍巖的摩擦角不變，可把圍巖波速度的變化率(v/v0)當(dāng)作黏聚力的變化率。根據(jù)摩爾-庫倫準(zhǔn)則，綜合圍巖的應(yīng)力與性態(tài)，以圍巖自然性狀況的性態(tài)為基點(diǎn)，高黎貢山TBM隧道在解重構(gòu)過程中，當(dāng)TBM掘進(jìn)面超過測試斷面2.5 m時(shí)，其安全性減小了68.3%；掘進(jìn)面超過測試斷面15 m時(shí)，其安全性減小了68.8%，見圖12。

圖12 隧道解重構(gòu)安全性分析

以上研究表明，現(xiàn)代隧道工程理論，特別是計(jì)算方法不考慮圍巖性態(tài)的變化，只關(guān)注圍巖應(yīng)力的變化是不夠的，特別是深埋隧道。隧道場解重構(gòu)理論方法的出發(fā)點(diǎn)就是要揭示隧道場解重構(gòu)過程中圍巖應(yīng)力和性態(tài)的變化規(guī)律，建立綜合考慮效率、經(jīng)濟(jì)的隧道工程技術(shù)體系，達(dá)到主動(dòng)控制隧道場圍巖性態(tài)的變化、誘導(dǎo)隧道場圍巖應(yīng)力的調(diào)整。

3 超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道巖爆對策

一般情況下，超長深埋高地應(yīng)力隧道選擇TBM工法時(shí)，隧道穿越的圍巖大部分完整性較好且?guī)r石強(qiáng)度較高，其巖爆問題將會(huì)較為突出。正如前述，巖爆發(fā)生與否主要與圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、圍巖內(nèi)部微裂紋和巖體的儲能能力有關(guān)，巖爆具有明顯的不確定性和彈射性，對TBM施工人員與設(shè)備的安全威脅極大。因此，TBM隧道施工應(yīng)從“監(jiān)測預(yù)警-裝備配套-掘進(jìn)控制-支護(hù)防治”協(xié)同考慮巖爆的防控問題。

3.1 巖爆預(yù)測與預(yù)警

3.1.1 巖爆預(yù)測

超長深埋高地應(yīng)力隧道的巖爆預(yù)測是TBM隧道可研與設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵性問題，不僅關(guān)系到TBM的選型及其針對性設(shè)計(jì)，更涉及到隧道工期目標(biāo)制定的可行性、工程投資概算的合理性。

目前世界上對隧道巖爆的預(yù)測基本上都是按照強(qiáng)度應(yīng)力比確定，并根據(jù)式(1)計(jì)算值，將巖爆劃分為輕微、中等、強(qiáng)烈與極強(qiáng)烈四個(gè)等級。我國勘察設(shè)計(jì)階段基于巖石強(qiáng)度應(yīng)力比的爆等級評價(jià)依據(jù)見表2，也是我國現(xiàn)行TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[53]對巖爆等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)，并依此對不同等級的巖爆確定相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。

(1)

式中：S為強(qiáng)度應(yīng)力比；Rc為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σm為原態(tài)地層最大主應(yīng)力，MPa。

表2 基于巖石強(qiáng)度應(yīng)力比的巖爆等級劃分

巖體破壞且脫離母巖的巖塊發(fā)生彈射，才屬于巖爆的范疇，而表2僅給出了巖體的強(qiáng)度破壞原因，而不能表達(dá)其彈射能力。正因?yàn)槿绱?，在大量的?shí)際隧道工程中一般性的巖石強(qiáng)度破壞問題，也可能會(huì)被描述為巖爆問題，如巖體結(jié)構(gòu)面因剪切強(qiáng)度不足而破壞，盡管這一過程會(huì)產(chǎn)生微震或聲發(fā)射現(xiàn)象，很顯然這一破壞形式不具備巖爆的彈射性。

20世紀(jì)90年代，一些學(xué)者與技術(shù)人員通過對太平驛電站引水隧洞的花崗巖室內(nèi)試驗(yàn)[54]，獲得了巖石的三軸應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)曲線，并結(jié)合巖石破壞時(shí)的聲發(fā)射現(xiàn)象,提出了從能量的角度判別巖爆的準(zhǔn)則，即用巖石破壞后釋放的彈性能與破壞過程中非彈性變形所消耗的能量的比值W(以下稱為能耗比)為

(2)

式中：We為巖石破壞后釋放的彈性能；Wp為巖石破壞過程中消耗的非彈性能。

不同圍壓下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射測試圖見圖13。

圖13 不同圍壓下花崗巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射測試圖

顯然當(dāng)能耗比等于1.0時(shí)，巖體破壞后區(qū)釋放與消耗的能量相等，沒有足夠的能量使巖塊產(chǎn)生彈射，因而即使破壞也不會(huì)產(chǎn)生巖爆?？紤]巖體裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展導(dǎo)致破壞的過程中, 還會(huì)因摩擦等原因消耗能量，故可將此值取為1.5作為是否發(fā)生巖爆的臨界值。太平驛引水隧洞花崗巖在不同圍壓下的能耗比見表3。由表3可見，鑒于太平驛隧洞的巖石性態(tài)，如果圍壓大于5 MPa，則不會(huì)發(fā)生巖爆。從隧道工程角度分析，由于隧道場解構(gòu)后圍巖表面的徑向應(yīng)力為零，當(dāng)前技術(shù)方法要提供5 MPa的圍壓幾乎是不可能。因此，重構(gòu)仍難以杜絕巖爆的發(fā)生，尤其是因TBM支護(hù)的滯后性更難杜絕巖爆的發(fā)生。

表3 太平驛引水隧洞花崗巖在不同圍壓下的能耗比

設(shè)計(jì)階段的巖爆預(yù)測，除了目前普遍采用的原位地應(yīng)力測試和室內(nèi)巖石強(qiáng)度試驗(yàn)外，還應(yīng)當(dāng)通過三軸應(yīng)力-應(yīng)變試驗(yàn)得到巖體的儲能特性，只有二者相結(jié)合才能做出更可靠的預(yù)判。

3.1.2 巖爆的預(yù)警

超長深埋高地應(yīng)力隧道的巖爆預(yù)警是TBM隧道施工階段的關(guān)鍵性問題。然而，施工過程中不可能在現(xiàn)場頻繁地進(jìn)行地應(yīng)力、巖體強(qiáng)度與儲能特征測試，巖體內(nèi)部微裂紋也是難以獲得的。因此，施工現(xiàn)場要精準(zhǔn)預(yù)報(bào)巖爆是極其困難的。在隧道場解重構(gòu)過程中，巖爆有一個(gè)孕育過程，在設(shè)計(jì)預(yù)測的基礎(chǔ)上，通過監(jiān)聽對巖體破裂聲進(jìn)行巖爆預(yù)警是有可能的，這樣有利于人員和設(shè)備在巖爆發(fā)生前進(jìn)行規(guī)避。在太平驛引水隧洞施工中，主要是通過“聽聲音”進(jìn)行巖爆預(yù)警，即通過“耳聽”巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展時(shí)聲音的頻度、清脆或沉悶進(jìn)行判斷，有效地規(guī)避了巖爆發(fā)生時(shí)人員傷亡與設(shè)備毀壞。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，馮夏庭、唐春安等做了大量研究，開發(fā)了微震監(jiān)測技術(shù)，為巖爆的預(yù)警提供了更準(zhǔn)確高效的技術(shù)與方法。

微震監(jiān)測系統(tǒng)是通過監(jiān)測巖體破裂時(shí)微震事件的各項(xiàng)指標(biāo)，建立理論模型，經(jīng)過工程現(xiàn)場的不斷迭代逼近進(jìn)行巖爆預(yù)警。一般通過微震事件的聚集位置判斷巖爆位置，通過微震事件的能級和頻度判斷巖爆的強(qiáng)弱，引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞微震監(jiān)測團(tuán)隊(duì)基于24 h內(nèi)微震事件提出的巖爆預(yù)警評判準(zhǔn)則見表4。

表4 基于微震監(jiān)測的巖爆預(yù)警評判

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞全長89.3 km，隧洞最大埋深2 050 m, 近35 km的隧洞段采用直徑8.05 m的敞開式TBM施工。隧洞穿越的巖性主要為石英巖、花崗巖與閃長巖，巖石平均單軸抗壓強(qiáng)度185 MPa,最高強(qiáng)度達(dá)307.9 MPa，實(shí)測洞身最大水平地應(yīng)力超過60 MPa，與隧洞軸線的交角約70°。為此，針對TBM隧道施工特點(diǎn)所研制的微震監(jiān)測系統(tǒng)，克服了TBM設(shè)備各種條件的制約與信號源的干擾，盡管持續(xù)不斷的中等與強(qiáng)烈級巖爆嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度，且工程造價(jià)劇增，但確保了巖爆段未發(fā)生人員傷亡與設(shè)備毀壞事故。

3.2 巖爆時(shí)空規(guī)律

TBM隧道發(fā)生巖爆的時(shí)空規(guī)律，對如何防控巖爆具有重要地指導(dǎo)意義。對引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞中相對完整的788組巖爆數(shù)據(jù)分析，得到了巖爆的發(fā)生時(shí)間(掘進(jìn)后的時(shí)間)、發(fā)生位置(到掌子面的距離)和影響范圍三個(gè)方面的TBM隧道巖爆特征規(guī)律[55]。

不同等級巖爆發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)見表5。由表5可見，90%以上巖爆發(fā)生在TBM掘進(jìn)后24 h以內(nèi)，且22.3%～40%巖爆發(fā)生在TBM掘進(jìn)后10 h以內(nèi)，而掘進(jìn)后10～24 h時(shí)段內(nèi)發(fā)生巖爆的頻率最高，約9%的強(qiáng)烈?guī)r爆發(fā)生在掘進(jìn)后24～48 h。因此，巖爆的重點(diǎn)防控時(shí)間應(yīng)在TBM掘進(jìn)后24 h以內(nèi)。

表5 不同等級巖爆發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì) %

不同等級巖爆發(fā)生位置統(tǒng)計(jì)見表6。由表6可見，近90%的巖爆發(fā)生在與掘進(jìn)面相距15 m以內(nèi)的范圍，且超過30%的強(qiáng)烈級以上巖爆發(fā)生在距掘進(jìn)面5 m以內(nèi)，僅有約10%的中等級以下巖爆發(fā)生在距掘進(jìn)面5 m內(nèi)。將發(fā)生在護(hù)盾后部的巖爆稱為“滯后性巖爆”，輕微-中等級巖爆滯后性明顯高于強(qiáng)烈-極強(qiáng)級巖爆。護(hù)盾式TBM比敞開式TBM的護(hù)盾長，且護(hù)盾式TBM的護(hù)盾為完整圓筒，剛度大，因此，僅從巖爆的安全防護(hù)考慮，護(hù)盾式TBM具有較大的優(yōu)勢。

表6 不同等級巖爆發(fā)生位置統(tǒng)計(jì) %

不同等級巖爆發(fā)生位置與日進(jìn)尺關(guān)系見表7。由表7可見，TBM掘進(jìn)日進(jìn)尺對巖爆發(fā)生時(shí)間基本沒有影響，但對發(fā)生的相對位置影響很大。敞開式TBM護(hù)盾在軸向長度最短，一般也有6 m左右，控制日進(jìn)尺時(shí)，發(fā)生在護(hù)盾部位的強(qiáng)烈?guī)r爆概率可提高47.2%。

表7 不同等級巖爆發(fā)生位置與日進(jìn)尺關(guān)系 %

3.3 巖爆隧道TBM選型

巖爆隧道TBM選型主要考慮TBM裝備對巖爆的防控能力、支護(hù)結(jié)構(gòu)或管片結(jié)構(gòu)對巖爆的防控能力、施工效率與經(jīng)濟(jì)性等因素。無論是采用哪種類型的TBM，發(fā)生在掘進(jìn)工作面的巖爆對刀盤、刀具的損傷都是一樣的；巖爆地層掘進(jìn)面不存在穩(wěn)定性問題，因此，雙模TBM不應(yīng)作為巖爆隧道的選項(xiàng)。對于發(fā)生在護(hù)盾部位的巖爆，由于敞開式TBM護(hù)盾為浮動(dòng)式，浮動(dòng)油缸的壓縮具有一定的吸能作用；而單護(hù)盾與雙護(hù)盾TBM的護(hù)盾剛性相對大，其吸能效果更好。工程經(jīng)驗(yàn)表明，對于中等及以下的巖爆，護(hù)盾具有足夠的防控能力；對強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆，TBM護(hù)盾需要進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

根據(jù)TBM隧道巖爆的時(shí)空規(guī)律，正常掘進(jìn)下，滯后性巖爆發(fā)生的概率達(dá)60%左右。盡管護(hù)盾具有較好的防護(hù)作用，但由于TBM支護(hù)滯后的屬性，通常隧道在護(hù)盾范圍內(nèi)是沒有支護(hù)的，難以采用技術(shù)措施來遏制巖爆的發(fā)生或降低巖爆等級。由于TBM超前處理的局限性，采用超前支護(hù)或超前鉆孔釋放應(yīng)力等措施工效低、不經(jīng)濟(jì)，且護(hù)盾越長施工難度越大；另一方面，在護(hù)盾部位發(fā)生巖爆，爆落的巖塊會(huì)聚集在護(hù)盾周圍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成護(hù)盾“抱死”，護(hù)盾越長其嚴(yán)重程度越大。因此，巖爆地層一般不宜選擇護(hù)盾式TBM。

巖爆地層圍巖相對完整，巖爆發(fā)生后，隧道仍然能夠自穩(wěn)。因此，巖爆隧道的支護(hù)主要作用有2個(gè)：①防護(hù)作用，承受滯后巖爆的沖擊力與爆落巖塊形成的荷載，以防止彈射巖塊落入隧道內(nèi)對施工人員與施工設(shè)備造成傷害；可提高TBM施工效率，其主要形式為連續(xù)鋼筋排與拱架。②防控作用，從隧道場解重構(gòu)理論與巖爆機(jī)理方面，改善隧道場圍巖應(yīng)力狀態(tài)，降低其能耗比，從而達(dá)到遏制巖爆或降低巖爆的等級，比較經(jīng)濟(jì)與效率較高的支護(hù)形式為預(yù)應(yīng)力錨桿(索)。因此，巖爆隧道宜優(yōu)先選擇敞開式TBM。

3.4 巖爆地層TBM施工技術(shù)

防止巖爆的發(fā)生或降低巖爆等級，避免巖爆對施工人員、設(shè)備的傷害和支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞是TBM隧道施工的關(guān)鍵，TBM隧道施工防控巖爆應(yīng)從掘進(jìn)控制、支護(hù)技術(shù)與避險(xiǎn)措施等三方面進(jìn)行。

3.4.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

在TBM掘進(jìn)參數(shù)的控制方面，主要應(yīng)結(jié)合巖爆發(fā)生的部位、時(shí)間以及巖爆造成的影響等多方面進(jìn)行控制，主要措施有：

(1)對于掘進(jìn)面正面發(fā)生巖爆的狀況，巖爆會(huì)造成掘進(jìn)面不平整，對刀具形成異常損壞，因此掘進(jìn)時(shí)不宜采用高轉(zhuǎn)速。掘進(jìn)刀具受力波動(dòng)大，其推力也應(yīng)適當(dāng)加以控制，一般情況下刀盤轉(zhuǎn)速不宜高于3 rpm，掘進(jìn)推力應(yīng)控制在刀具承載力的70%以內(nèi)，即采取“低轉(zhuǎn)速、小推力”的模式掘進(jìn)，尤其是強(qiáng)烈?guī)r爆時(shí)更要控制到位。

(2)對于隧道洞壁發(fā)生巖爆的狀況，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)防控巖爆的能力，在輕微及中等級別的巖爆段掘進(jìn)，宜采用“高轉(zhuǎn)速、大推力”模式快速掘進(jìn)，以避免刀盤“被卡”、護(hù)盾“被困”。在強(qiáng)烈及以上級別巖爆段掘進(jìn)，應(yīng)控制施工進(jìn)度，盡可能讓巖爆發(fā)生在護(hù)盾部位，降低支護(hù)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞率，宜采用“大推力、低轉(zhuǎn)速”模式掘進(jìn)，有利于防止護(hù)盾“被困”。

(3)如采用護(hù)盾式TBM施工，由于采用了管片結(jié)構(gòu)，其安全風(fēng)險(xiǎn)相對較低。因此，對于隧道洞壁發(fā)生巖爆的狀況，應(yīng)采用“高轉(zhuǎn)速、大推力”模式快速掘進(jìn)。如采用雙護(hù)盾TBM施工，應(yīng)采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)。

3.4.2 支護(hù)技術(shù)

防控巖爆是巖爆隧道的支護(hù)主要目的。護(hù)盾式TBM的支護(hù)就是管片襯砌，敞開式TBM的支護(hù)主要為錨桿、掛網(wǎng)、鋼筋排、噴射混凝土與鋼拱架等，但應(yīng)結(jié)合微震監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分級支護(hù)。根據(jù)巖爆的形成機(jī)理以及隧道場解重構(gòu)理論方法，應(yīng)優(yōu)先考慮采用預(yù)應(yīng)力錨桿(索)構(gòu)建圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)。此外，強(qiáng)化巖爆孕育過程中圍巖裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)張的能量消耗，降低能耗比。

輕微巖爆的巖塊多為薄片狀，塊體較小，且彈射沖擊能量小，基本上不會(huì)造成施工裝備的傷害。因此，支護(hù)主要以防護(hù)為主，一般采用“短錨+網(wǎng)片+噴混”支護(hù)。圍巖出露護(hù)盾后，應(yīng)立即掛網(wǎng)，并施作錨桿，一般應(yīng)采用脹殼式錨桿，長度一般不大于2.5 m。同時(shí)，要做到支護(hù)速度與TBM掘進(jìn)速度同步，以防止巖塊彈射傷及作業(yè)人員。由于敞開式TBM的特點(diǎn)，噴射混凝土工序一般在后部進(jìn)行。輕微巖爆段TBM的施工進(jìn)度，一般只有非巖爆段的80%左右。

中等巖爆的巖塊大多為片狀或和薄塊狀，并具有一定體積，巖塊彈射具有一定的沖擊能量，極易對施工人員造成較大傷害，砸壞施工裝備。因此，支護(hù)應(yīng)以防控為主，一般采用“錨桿+鋼筋排+鋼拱架+噴混”支護(hù)。施工步序?yàn)?，先在護(hù)盾內(nèi)置的儲存?zhèn)}預(yù)置鋼筋排，鋼筋排一端由鋼拱架支撐，另一端由護(hù)盾支撐，鋼筋排隨TBM掘進(jìn)連續(xù)滑出，當(dāng)達(dá)到一個(gè)施工步距或半個(gè)施工步距時(shí)，立即架設(shè)鋼拱架；然后，在鋼拱架和鋼筋排防護(hù)下施作預(yù)應(yīng)力錨桿，錨桿應(yīng)布置在兩榀拱架之間,錨桿長度一般不大于4.5 m。同樣，噴射混凝土工序?qū)⒃诤蟛窟M(jìn)行，如拱架背后存在較多巖爆形成的巖塊，噴射混凝土完成后，還應(yīng)進(jìn)行背后注漿固結(jié)巖塊。中等巖爆段TBM的施工進(jìn)度一般只有非巖爆段的60%左右。

鋼拱架的間距和型號應(yīng)根據(jù)等級內(nèi)巖爆沖擊能量的大小進(jìn)行調(diào)整，巖爆頻度與沖擊能量越大，要求鋼拱架的斷面尺寸越大、間距越小。引漢濟(jì)渭TBM隧洞段在中等巖爆下，鋼拱架由原計(jì)劃的H100調(diào)整為H150、鋼拱架間距為0.9 m(局部間距為1.8 m)、錨桿為長3.5 m的脹殼式錨桿。

強(qiáng)烈?guī)r爆的巖塊大多為塊體，其體積相對較大，巖塊彈射沖擊能量大，會(huì)對施工人員、施工設(shè)備與支護(hù)結(jié)構(gòu)造成較大的傷害與破壞。因此，在強(qiáng)烈?guī)r爆地段采用敞開式TBM施工，必須貫徹“控制進(jìn)度、強(qiáng)化防控、主動(dòng)支護(hù)”的原則。根據(jù)微震監(jiān)測巖爆預(yù)警結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析，強(qiáng)烈?guī)r爆的預(yù)警準(zhǔn)確率較高，首先，要主動(dòng)控制TBM掘進(jìn)的日進(jìn)尺，充分發(fā)揮TBM護(hù)盾的巖爆防護(hù)能力；其次，要強(qiáng)化“錨桿+鋼筋排+鋼拱架”的防控能力。尤其要強(qiáng)化預(yù)應(yīng)力錨桿(索)的作用，如NPR錨索等，錨固劑應(yīng)采用錨固快、錨效高的環(huán)氧樹脂，大預(yù)應(yīng)力錨索可以對圍巖施加較高的圍壓，并利用錨桿(索)的高耗能特性遏制巖爆或降低巖爆的等級。錨桿(索)的長度一般不大于6 m，支護(hù)施工工序與中等巖爆段基本相似，但在錨桿(索)施工完成后，應(yīng)立即在鋼拱架間噴射混凝土。強(qiáng)烈?guī)r爆段支護(hù)工作量大，要控制日進(jìn)尺，強(qiáng)烈?guī)r爆段的施工進(jìn)度為一般巖爆段的30%左右。

在引漢濟(jì)渭TBM隧洞工程施工中，強(qiáng)烈?guī)r爆地段采用了H150鋼拱架、鋼拱架間距為0.45 m(局部間距為0.9 m)、錨桿為長3.5 m的脹殼式錨桿。但因錨桿長度不夠、預(yù)應(yīng)力不足，多次發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆致使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。根據(jù)敞開式TBM的特點(diǎn)，如無滯后性強(qiáng)烈?guī)r爆，即使在護(hù)盾范圍內(nèi)發(fā)生了強(qiáng)烈?guī)r爆，其支護(hù)結(jié)構(gòu)可能僅需承受承爆落巖塊形成的荷載。

極強(qiáng)巖爆的巖塊多為大塊體，其體積巨大，彈射出來的巖塊沖擊能量極大，無論是護(hù)盾，還是支護(hù)結(jié)構(gòu)都不足以防控極強(qiáng)巖爆，極易造成施工人員與設(shè)備的傷害，甚至具有“毀滅性”。如在錦屏水電站隧洞工程施工中，遇到滯后性極強(qiáng)巖爆，導(dǎo)致TBM被毀和多人傷亡。因此，在極強(qiáng)巖爆段采用TBM施工，必須采用技術(shù)措施降低巖爆級別至強(qiáng)烈?guī)r爆以下，按相應(yīng)巖爆分級進(jìn)行施工。

巖爆發(fā)生機(jī)理表明，降低巖爆級別的技術(shù)途徑有：①主動(dòng)調(diào)整隧道場圍巖應(yīng)力狀態(tài)，如施作超前鉆孔、鉆爆法施工超前導(dǎo)洞等釋等放應(yīng)力；②改善隧道場圍巖性態(tài)，如施作超前預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，降低圍巖的能耗比。在TBM隧道中，采用鉆爆法施工超前導(dǎo)洞，效率低、成本高，且風(fēng)險(xiǎn)大；施作超前鉆孔相對容易，可在孔內(nèi)進(jìn)行爆破造成巖體局部破裂，則有可能降低巖爆等級，是比較安全的方法。

在引漢濟(jì)渭TBM隧洞工程，采用水錘鉆進(jìn)行了3次超前鉆孔釋放應(yīng)力試驗(yàn)。以第2次超前鉆孔為例，本次鉆孔段里程為K40+768.5—K40+816.0 ，在隧洞隧道拱部85°范圍打設(shè)了5個(gè)孔徑102 mm、孔深46～47.5 m、傾角5°～7°的超前鉆孔，總計(jì)耗時(shí)近3.5 d。分析同段落鉆孔前后微震監(jiān)測的單日最大能量釋放量與單日累計(jì)能量釋放量見圖14。由圖14可見，同一區(qū)段鉆孔后，其單日微震事件單次最大釋能量較鉆孔前減少約61.9%；單日微震事件的累計(jì)最大釋能量較鉆孔前降低了85.2%；超前鉆孔釋放應(yīng)力對降低巖爆等級有明顯的效果。目前該工法只有一個(gè)工程的經(jīng)驗(yàn)，需要在其他工程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖14 同地段超前鉆孔前后單日最大、累計(jì)釋能量對比

何滿潮等[56]的研究與發(fā)明，NPR錨索不但可以提供恒阻力，而且具有較強(qiáng)的吸能潛力。在隧道解重構(gòu)過程中，如施作超巖前預(yù)應(yīng)力錨索，既可以較好地維持隧道場圍巖處于三維應(yīng)力狀態(tài)，又可以在巖爆孕育過程中消耗應(yīng)變能，降低圍巖能耗比，從而達(dá)到遏制或降低巖爆等級的目的。因此，超前NPR錨索可以作為另一種降低爆等級的技術(shù)措施。

3.4.3 施工避險(xiǎn)措施

巖爆隧道采用TBM施工時(shí)，為規(guī)避滯后性強(qiáng)烈?guī)r爆造成的設(shè)備損壞與人員傷亡，應(yīng)采取如下避險(xiǎn)與應(yīng)急措施：

(1)巖爆地段作業(yè)人員應(yīng)穿戴鋼頭盔、防彈衣、防砸手套、防砸鞋等防護(hù)用品，并對設(shè)備的重要部件進(jìn)行防護(hù)。

(2)巖爆地段的支護(hù)以快速為主，并盡可能采用機(jī)械作業(yè)代替人工作業(yè)，減少作業(yè)人員數(shù)量、縮短支護(hù)施工時(shí)間。

(3)充分用好微震監(jiān)測的預(yù)警，預(yù)警表明可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆時(shí)，作業(yè)人員應(yīng)撤離進(jìn)入專設(shè)的防護(hù)區(qū)，待解除預(yù)警后再恢復(fù)施工。

(4)如出現(xiàn)大規(guī)模滯后性巖爆，應(yīng)暫停施工，人員立即撤離至TBM安全保護(hù)區(qū)。同時(shí)，TBM設(shè)備應(yīng)儲備必要的醫(yī)療用品、飲用水、干糧等應(yīng)急物資。

3.5 巖爆隧道TBM針對性設(shè)計(jì)

TBM法與鉆爆法有明顯的不同。鉆爆法在巖爆預(yù)警后，設(shè)備人員可方便撤離，TBM是大型施工裝備，龐大且造價(jià)高，即使預(yù)知會(huì)發(fā)生巖爆，也不可能將TBM設(shè)備撤離，為保障施工人員與設(shè)備的安全，滿足建設(shè)質(zhì)量、工期、投資的要求，巖爆隧道TBM裝備必須進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

(1)TBM刀盤除按常規(guī)強(qiáng)度剛度設(shè)計(jì)外，還應(yīng)按抗沖擊荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)。護(hù)盾要按防控強(qiáng)烈?guī)r爆要求進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

(2)巖爆會(huì)擠壓刀盤，爆落的巖塊甚至?xí)?dǎo)致刀盤“被卡”，巖爆地層的TBM工作扭矩要求大于一般巖石地層，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也應(yīng)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

(3)必須配置機(jī)載微震監(jiān)測系統(tǒng)，TBM控制室應(yīng)能全天候顯示微震事件，以便TBM主司機(jī)及時(shí)形象地了解微震事件發(fā)生的頻度、能級及部位，實(shí)時(shí)掌握巖爆預(yù)警信息。

(4)對于極強(qiáng)巖爆需要進(jìn)行超解決前鉆孔或施作超前錨桿(索)，TBM需要配備高效率的超前鉆機(jī)。采用敞開式TBM時(shí)，對于強(qiáng)烈?guī)r爆需及時(shí)噴射混凝土，TBM需要配置前置式噴射混凝土系統(tǒng)。在此特別提出，目前的TBM設(shè)計(jì)，仍未解決其錨桿鉆機(jī)打徑向孔的問題，致使錨桿效能不能得到很好地發(fā)揮，有待相關(guān)專家學(xué)者進(jìn)一步研究。

(5)巖爆地層的TBM設(shè)計(jì)與一般巖石地層不一樣。敞開式TBM的護(hù)盾是浮動(dòng)支撐的，發(fā)生在護(hù)盾部位的巖爆會(huì)導(dǎo)致護(hù)盾內(nèi)縮；同時(shí)，隨著TBM掘進(jìn)，爆落的巖塊脫離護(hù)盾后會(huì)擠壓鋼筋排，從而導(dǎo)致支護(hù)不能緊貼隧道開挖輪廓，致使隧道空間變小,支護(hù)結(jié)構(gòu)“侵限”。因此，TBM刀盤開挖直徑需進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

4 超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道軟巖變形對策

高地應(yīng)力軟巖隧道的變形控制是世界級難題。鉆爆法施工時(shí)，變形控制不到位會(huì)導(dǎo)致隧道斷面侵限、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等，嚴(yán)重影響隧道施工效率，增加工程造價(jià)，甚至造成安全風(fēng)險(xiǎn)，見圖15。當(dāng)然軟巖隧道大變形是一個(gè)相對概念，高地應(yīng)力下軟巖隧道是否發(fā)生大變形與隧道支護(hù)體系的強(qiáng)度剛度等密切相關(guān)。國內(nèi)外學(xué)者的理論研究與實(shí)踐表明[57-58]，在不考慮膨脹巖這一特殊原因外，軟巖隧道的大變形主要是因?yàn)楦叩貞?yīng)力作用下的巖體剪切變形。TBM隧道施工發(fā)生大變形時(shí)，除了像鉆爆法一樣產(chǎn)生侵限、支護(hù)破壞外，TBM隧道開挖尺寸不像鉆爆法一樣可以根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整，還會(huì)造成TBM護(hù)盾被“抱死”等問題，嚴(yán)重影響TBM的施工效率。盡管TBM隧道地質(zhì)條件一般相對較好，但超長TBM隧道很難完全規(guī)避軟巖變形問題。因此，必須正視TBM隧道高地應(yīng)力軟巖變形問題。在萬家寨、引大濟(jì)湟、引紅濟(jì)石等引水隧洞中，高地應(yīng)力軟巖變形問題都非常突出，TBM施工受到了極大影響。

圖15 高地應(yīng)力軟巖隧道變形

4.1 高地應(yīng)力軟巖變形的TBM應(yīng)對理念與方法

軟巖的定義一直是國內(nèi)外爭論的問題，大體上可分為描述性定義、指標(biāo)化定義和工程定義。國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度在0.5～25 MPa的巖石；在隧道工程領(lǐng)域，國際上也提出了“工程軟巖”的概念，是指在工程力作用下產(chǎn)生顯著塑性變形的巖體，強(qiáng)調(diào)了軟巖的工程屬性。按照新奧法原理，為抵抗軟巖變形，需要支護(hù)提供抗力，如抗力不足，軟巖變形會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)變形超出允許值而產(chǎn)生侵限，甚至導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞(發(fā)生擠壓性破壞)。根據(jù)隧道場解重構(gòu)理論方法與巖土體的壓硬性，可以歸結(jié)到軟巖剛度不足且軟巖剛度與支護(hù)剛度不協(xié)調(diào)，致使圍巖與支護(hù)的變形協(xié)同而不協(xié)調(diào)。

4.1.1 軟巖變形控制理念與方法

軟巖在自然狀況下受到約束處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著隧道場解構(gòu)，其賦存環(huán)境發(fā)生了變化，致使發(fā)生擠出變形。要控制其變化：①采用強(qiáng)大的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行“強(qiáng)支硬頂”限制變形、抵抗變形；②采用可收縮或壓縮的“讓壓支護(hù)”，被動(dòng)地讓圍巖發(fā)生部分變形，通過支護(hù)結(jié)構(gòu)變形消耗部分?jǐn)D壓形變能，最終達(dá)到抗變；③采用主動(dòng)支護(hù)，主動(dòng)提高軟巖剛度，改變軟巖的應(yīng)力狀態(tài)，使軟巖剛度與拱架噴射混凝土支護(hù)剛度相匹配，最終達(dá)到控變。當(dāng)然，對于采用TBM施工的隧道，還需考慮“擠壓變形”是否會(huì)造成護(hù)盾被“抱死”的問題。

蘭渝鐵路木寨嶺隧道與渭武高速公路木寨嶺隧道，采用兩種不同理念進(jìn)行施工。蘭渝鐵路木寨嶺隧道全長19.2 km，為雙洞單線隧道，隧道洞身最大埋深約700 m；巖性主要為板巖及炭質(zhì)板巖，最大水平主應(yīng)力為27.16 MPa，與隧道軸線的夾角為14°～19°，強(qiáng)度應(yīng)力比為0.2。渭武高速公路木寨嶺隧道全長15.2 km，最大埋深629 m，設(shè)計(jì)速度80 km/h，雙向雙洞4車道，主要巖性同樣為板巖及炭質(zhì)板巖。

鐵路木寨嶺隧道最困難的嶺脊段采用的施工方法，先行施工貫通導(dǎo)洞應(yīng)力釋放，采用“三臺階+仰拱”的開挖方法，采用傳統(tǒng)的“錨噴網(wǎng)+拱架”被動(dòng)支護(hù)方式，支護(hù)為三層，施作二次襯砌，見圖16。為了達(dá)到隧道斷面不侵限、隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求，在隧洞斷面修改為圓形的情況下，單線鐵路隧道開挖直徑達(dá)15.78 m。首層支護(hù)收斂量達(dá)724 mm，第二層支護(hù)收斂量達(dá)227 mm，第三層支護(hù)收斂變形量仍然達(dá)到140.5 mm。盡管該施工方法解決了“錨噴網(wǎng)+拱架”支護(hù)頻繁拆換的難題，并取得了明顯的效果，但其施工進(jìn)度每月僅18 m。

圖16 蘭渝鐵路木寨嶺鐵路隧道結(jié)構(gòu)斷面與嶺脊段圍巖

高速公路木寨嶺隧道開展了“主動(dòng)支護(hù)為主+被動(dòng)支護(hù)協(xié)同”的控制圍巖大變形試驗(yàn)研究[59]，總體思路是采用“三臺階+仰拱一體化”開挖法。主動(dòng)支護(hù)采用40 T預(yù)應(yīng)力恒阻錨索(NPR錨索)，長度分別為5.3、10.3 m，縱向按0.6 m間距長短間隔布置，環(huán)向間距為1.0 m；被動(dòng)支護(hù)為“鋼拱架+網(wǎng)噴混凝土”，拱架為H175型鋼，噴混凝土厚度250 mm，見圖17。錨索的施工時(shí)間安排在隧道開挖后、被動(dòng)支護(hù)施工前，第一時(shí)間對圍巖施加預(yù)應(yīng)力，及時(shí)構(gòu)建三維應(yīng)力狀態(tài),主動(dòng)改善圍巖性態(tài)，提高了圍巖的剛度(改變了圍巖的c、φ值)。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，隧道的最大收斂量小于300 mm(單側(cè))，隧道場圍巖剛度與鋼架網(wǎng)噴支護(hù)剛度相匹配，從而隧道場的變形整體相協(xié)調(diào)，且被動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)未見破壞狀況，月施工進(jìn)度可達(dá)50 m。

圖17 渭武高速木寨嶺隧道恒阻錨索控制變形

4.1.2 軟巖大變形的預(yù)測

預(yù)測大變形的目的是為了確定該類隧道解重構(gòu)的開挖方法與支護(hù)參數(shù)。目前，國內(nèi)外關(guān)于隧道軟巖大變形的預(yù)測，基本上都是建立在利用軟巖強(qiáng)度應(yīng)力綜合比S值(考慮了巖體完整系數(shù)影響)的基礎(chǔ)上，并以此對隧道大變形進(jìn)行定性分級。

(3)

式中：Kv為巖體完整系數(shù)。

我國鐵路隧道對于軟巖大變形分級也是依據(jù)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比進(jìn)行劃分的。TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[53]和Q/CR 9512—2019《鐵路擠壓性圍巖隧道技術(shù)規(guī)范》[60]中將大變形分為三級，等級越高變形越大，但分級標(biāo)準(zhǔn)有所差異，具體分級標(biāo)準(zhǔn)詳見表8。

表8 隧道大變形分級對比

對于TBM隧道，除了要對圍巖變形進(jìn)行分級外，還必須要對圍巖變形是否會(huì)造成護(hù)盾被“抱死”進(jìn)行判斷，為TBM是否采用擴(kuò)挖技術(shù)提供依據(jù)。通過對高地應(yīng)力軟巖變形卡機(jī)事故的分析，并結(jié)合監(jiān)控量測的數(shù)據(jù)，提出了擠壓性圍巖卡機(jī)判識準(zhǔn)則，見圖18。

圖18 擠壓性圍巖卡機(jī)判識準(zhǔn)則

4.1.3 TBM隧道軟巖變形控制的總體思路

由于TBM支護(hù)的滯后性，無論是敞開式TBM,還是護(hù)盾式TBM，在護(hù)盾范圍內(nèi)施作支護(hù)難度大、效率低，因此，高地應(yīng)力軟巖TBM隧道變形的控制原則為“空間換時(shí)間、快掘早支護(hù)、主動(dòng)控變形、監(jiān)控調(diào)剛度”。以刀盤刀具的擴(kuò)挖拓展變形空間，防止圍巖變形致使護(hù)盾“抱死”；快速掘進(jìn)以減少護(hù)盾內(nèi)無支護(hù)段的暴露時(shí)間，盡早提供施工支護(hù)條件；盡快施工預(yù)應(yīng)力錨索(桿)，達(dá)到主動(dòng)控制變形的目的；通過監(jiān)控量測分析隧道被動(dòng)支護(hù)的變形趨勢，以被動(dòng)支護(hù)允許變形量的60%作為控制條件，必要時(shí)增加預(yù)應(yīng)力錨索(桿)提升圍巖剛度，使圍巖剛度與被動(dòng)支護(hù)的剛度相協(xié)調(diào)。

4.2 高地應(yīng)力軟巖隧道TBM選型

超長深埋高地應(yīng)力軟巖隧道選擇何種類型TBM應(yīng)主要考慮如下因素：①軟巖變形的量級是否會(huì)造成護(hù)盾很容易“抱死”；②采用何種支護(hù)方式能夠控制隧道的變形，保障支護(hù)結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞；③從施工效率與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估。

雙護(hù)盾TBM的撐靴是直接作用在無支護(hù)的圍巖上，高地應(yīng)力軟巖隧道不應(yīng)選擇雙護(hù)盾模式。單護(hù)盾TBM采用的管片結(jié)構(gòu)，其掘進(jìn)推力依靠管片支護(hù)提供，因此，從這一點(diǎn)分析選擇單護(hù)盾TBM是有利的。對軟巖大變形隧道，護(hù)盾式TBM的護(hù)盾相對于敞開式TBM較長，未支護(hù)的圍巖裸露時(shí)間也長，護(hù)盾更容易被“抱死”。結(jié)合引大濟(jì)湟工程的經(jīng)驗(yàn)，大變形等級達(dá)到Ⅲ級時(shí)，不宜選擇護(hù)盾式TBM。

要充分考慮“錨噴支護(hù)”的控變能力與管片結(jié)構(gòu)“強(qiáng)支硬頂”的抗變能力。對比歐洲圣哥達(dá)基線隧道與布倫納基線隧道，早期施工的57 km的圣哥達(dá)基線隧道采用了敞開式TBM施工，由于巖爆和大變形問題，施工效果沒有達(dá)到預(yù)期。正在建設(shè)的64 km的布倫納基線隧道，為解決同樣的巖爆與大變形問題，正線隧道在奧地利端采用了兩臺單護(hù)盾TBM，支護(hù)結(jié)構(gòu)為“400 mm厚管片結(jié)構(gòu)+470 mm厚二次襯砌”，致使TBM開挖直徑達(dá)10.34 m(隧道內(nèi)凈空直徑僅為8.1 m)；在意大利端采用了兩臺雙護(hù)盾TBM，支護(hù)結(jié)構(gòu)為“450 mm厚管片結(jié)構(gòu)+580 mm厚二次襯砌”，TBM開挖直徑達(dá)10.65 m，其效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證，但從經(jīng)濟(jì)上分析，國內(nèi)是難以接受的。

綜上所述，根據(jù)隧道場解重構(gòu)理論方法，從變形控制技術(shù)、施工可控性以及工程經(jīng)濟(jì)性綜合分析，高地應(yīng)力軟巖TBM隧道宜選擇敞開式TBM。

4.3 高地應(yīng)力軟巖隧道TBM針對性設(shè)計(jì)

高地應(yīng)力軟巖隧道的早期變形速率大，極易發(fā)生TBM護(hù)盾“被困”現(xiàn)象。若TBM裝備施作支護(hù)能力不夠，還會(huì)造成隧道斷面凈空不足、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞等。因此，應(yīng)用于高地應(yīng)力軟巖隧道施工的敞開式TBM需要進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

為了避免TBM護(hù)盾“被困”，TBM開挖直徑需要針對性地考慮護(hù)盾段無支護(hù)的變形量，或者將刀盤弧形區(qū)的滾刀刀座進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)(圖19)，使之能增大TBM開挖直徑，達(dá)到“以空間換時(shí)間”的目的。

圖19 邊刀擴(kuò)挖示意

主動(dòng)支護(hù)是控制變形量的關(guān)鍵，應(yīng)重點(diǎn)考慮TBM裝備施作主動(dòng)支護(hù)能力與快捷性問題：①要具有施作長錨索(桿)的能力；②應(yīng)滿足圍巖出露護(hù)盾后能及時(shí)施作主動(dòng)支護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)從發(fā)揮圍巖的承載能力到挖掘圍巖的承載能力。此外，還需要配備前置式混凝土噴射系統(tǒng)。

對Ⅲ級大變形的隧道，TBM應(yīng)設(shè)計(jì)主驅(qū)動(dòng)與刀盤抬升裝置。特殊設(shè)計(jì)可以抬升150～250 mm，結(jié)合刀具擴(kuò)挖技術(shù)，TBM開挖輪廓可以擴(kuò)大300 mm以上。

4.4 高地應(yīng)力軟巖隧道TBM施工技術(shù)

高地應(yīng)力軟巖隧道TBM施工應(yīng)緊緊圍繞防止護(hù)盾“被困”與變形侵限兩大難題建立技術(shù)體系，同時(shí)建立TBM“被困”后的脫困技術(shù)。

4.4.1 TBM掘進(jìn)技術(shù)

超長深埋高地應(yīng)力軟巖隧道TBM施工時(shí)，應(yīng)充分利用其“變而難塌，碎而不散”的特征，防止TBM的護(hù)盾“被困”。

采用“大推力、高轉(zhuǎn)速”模式掘進(jìn)，刀盤轉(zhuǎn)速宜采用5～6 r/min，貫入度應(yīng)在10 mm以上，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，以減少護(hù)盾部位未支護(hù)巖體的暴露時(shí)間，降低護(hù)盾“被困”可能性。

敞開式TBM掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)利用浮動(dòng)油缸頂升護(hù)盾至頂部，盡量使其緊貼開挖輪廓，減小變形速率。

在進(jìn)入“大變形”地段前，應(yīng)及時(shí)調(diào)整刀具使其具有一定的擴(kuò)挖能力；對于較長段落的大變形地層，必要時(shí)要啟用主驅(qū)動(dòng)與刀盤提升裝置。這兩項(xiàng)技術(shù)措施主要是降低護(hù)盾“抱死”的可能性。

4.4.2 TBM支護(hù)施工技術(shù)

采用敞開式TBM施工時(shí)，圍巖出露護(hù)盾一定距離后，應(yīng)立即采用環(huán)氧樹脂錨固劑施作徑向預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，提高圍巖剛度和構(gòu)建圍巖三維應(yīng)力狀態(tài)。圍巖出露護(hù)盾的距離滿足設(shè)計(jì)的鋼拱架間距時(shí)，及時(shí)安裝鋼拱架支撐鋼筋排，完成一個(gè)施工步距后立即噴射混凝土。

及時(shí)進(jìn)行監(jiān)控量測，分析“拱架+噴混凝土”支護(hù)的變形趨勢，判識其變形是否會(huì)超出允許值。若超過允許值應(yīng)加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，進(jìn)一步提高圍巖剛度，確保圍巖剛度與“拱架+噴混凝土”支護(hù)剛度匹配，達(dá)到整體變形的協(xié)調(diào)。

采用護(hù)盾式TBM施工時(shí)，應(yīng)及時(shí)回填豆粒石，并根據(jù)管片結(jié)構(gòu)的變形狀況，確定是否要及時(shí)注漿充填。

4.4.3 TBM脫困技術(shù)

高地應(yīng)力軟巖隧道，可能會(huì)造成TBM護(hù)盾“被困”致使TBM無法向前掘進(jìn)，此時(shí)需要采用輔助方法進(jìn)行TBM的脫困。首先通過隧道頂部開孔開挖小導(dǎo)洞，然后利用小導(dǎo)洞進(jìn)行兩側(cè)同步擴(kuò)展，解除圍巖對護(hù)盾的擠壓，擴(kuò)挖過程中應(yīng)邊擴(kuò)挖邊支護(hù)，確保擴(kuò)挖過程的安全。擴(kuò)挖完成后，TBM慢速向前掘進(jìn)，并同步安裝拱架和鋼筋網(wǎng)。TBM脫困后，應(yīng)回填上部空腔。

5 超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道破碎地層對策

超長深埋高地應(yīng)力隧道采用TBM施工時(shí)，如何安全穿斷層破碎帶及節(jié)理密集帶等不良地層是關(guān)鍵[61]。與高應(yīng)力軟巖隧道地層變形不同，破碎地層最明顯的特征是“坍穩(wěn)交替，無支不穩(wěn)”。

5.1 破碎地層對TBM施工的影響

在破碎地層采用TBM施工，由于TBM本身的屬性，主要有以下幾方面的影響。

(1)刀盤“被卡”。在斷層破碎帶或節(jié)理裂隙密集帶，由于局部坍塌會(huì)在刀盤周邊及前方形成塊狀堆積體，不規(guī)則交錯(cuò)巖體卡在滾刀與掌子面、刮渣口與周邊巖體之間，致使刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)而影響掘進(jìn)。此外，巖塊和松散礫狀渣料壓緊運(yùn)輸皮帶，致使刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)護(hù)盾 “被困”。由于破碎地層在護(hù)盾區(qū)域持續(xù)坍塌，導(dǎo)致大量松散巖塊與渣體堆積在護(hù)盾周邊，使護(hù)盾“被困”，TBM無法向前掘進(jìn)。

(3)錨噴支護(hù)施作不到位。采用敞開式TBM施工，松散堆積體擠壓護(hù)盾不影響掘進(jìn)，但會(huì)影響后部支護(hù)的施作，導(dǎo)致支護(hù)侵限，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致支護(hù)破壞和堆積體墜入隧道內(nèi)。同時(shí)由于支護(hù)背后大量的松散堆積體和可能存在空洞，需要及時(shí)固結(jié)和回填。

(4)撐靴不能有效工作。利用撐靴提供掘進(jìn)推力的TBM，撐靴處圍巖破碎、整體強(qiáng)度低，或者因坍塌無法支撐撐靴，致使撐靴不能提供掘進(jìn)所需的推力。同時(shí)若兩側(cè)圍巖強(qiáng)度差異大，導(dǎo)致?lián)窝蓚?cè)的反力差異大，則TBM掘進(jìn)方向難以控制。

總之，在破碎地層中采用TBM施工，無論發(fā)生哪一種情況，都會(huì)直接影響TBM的施工效率，甚至?xí)嬖谳^大的安全隱患。

5.2 破碎地層TBM針對性設(shè)計(jì)

破碎地層TBM應(yīng)主要考慮如何提升其“防卡、去抱”能力的針對性設(shè)計(jì)，如超前處理能力、刀盤扭矩、撐靴部位處理等。

超前鉆注設(shè)備設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)TBM裝備在主機(jī)區(qū)不能常態(tài)化配置鉆注系統(tǒng)，目前已開發(fā)出利用主機(jī)大梁空間布置跟管式鉆機(jī)。正常狀況下將鉆機(jī)隱藏在大梁內(nèi)，不影響其他施工工序，一旦需要使用，鉆機(jī)就能很快伸出，并固定在可升降拼接式環(huán)形導(dǎo)軌上，且鉆孔時(shí)就位快、定位準(zhǔn)，可用于超前鉆注或打設(shè)管棚，解決傳統(tǒng)設(shè)計(jì)超前處理效率低、干擾大的問題。

破碎地層TBM的快速支護(hù)極其重要，需要對鋼筋排布設(shè)、拱架、噴射混凝土、錨桿等施工裝置進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，對主驅(qū)動(dòng)的扭矩也應(yīng)進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。

為確保撐靴能及時(shí)提供有效的掘進(jìn)推力，在撐靴支撐部位，當(dāng)破碎圍巖坍塌規(guī)模較小時(shí)，TBM應(yīng)具備噴射混凝土回填功能。當(dāng)破碎圍巖坍塌較大時(shí)，應(yīng)采取模筑混凝土回填。因此，在覆蓋撐靴工作區(qū)域，需設(shè)置支模、拆模裝置。

刀盤開挖直徑的設(shè)計(jì)，與巖爆地層類似，破碎地層的局部坍塌會(huì)致使敞開式TBM的護(hù)盾收縮與鋼筋排下沉，導(dǎo)致支護(hù)難以安裝到位；而采用刀具擴(kuò)挖方式不能解決這一問題，因此需要進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)。而對于護(hù)盾式TBM，由于護(hù)盾是剛性的，且管片是在護(hù)盾內(nèi)安裝，因此不存在安裝的侵限問題。

5.3 破碎地層TBM施工技術(shù)

超長深埋高地應(yīng)力隧道在破碎地層段采用TBM施工時(shí)，首先應(yīng)判斷是否會(huì)發(fā)生刀盤“被卡”、護(hù)盾“被困”，即確定是否需要進(jìn)行超前加固。通過工程案例的總結(jié)分析，建立以圍巖完整性和超前地質(zhì)鉆孔滲水量為判斷依據(jù)的“卡機(jī)”圍巖判識準(zhǔn)則，見圖20。

圖20 破碎圍巖“卡機(jī)”判識準(zhǔn)則

5.3.1 破碎地層TBM施工的超前處理

對于會(huì)造成刀盤“被卡”、護(hù)盾“被困”的破碎圍巖，必須進(jìn)行超前預(yù)處理加固圍巖。根據(jù)破碎圍巖坍塌可能造成的后果，處理方式可采用刀盤內(nèi)或護(hù)盾尾超前加固。

(1)刀盤內(nèi)超前加固。對于會(huì)造成刀盤 “被卡”的破碎圍巖，需要在刀盤內(nèi)對破碎巖體進(jìn)行快速、低強(qiáng)度的固結(jié)。刀盤內(nèi)超前加固，一是通過盤形滾刀的刀孔，打設(shè)長度3～5 m徑向玻璃纖維錨管，二是通過刀盤與護(hù)盾間的切口打設(shè)長度2～3 m斜向玻璃纖維錨管；通過玻璃纖維錨管進(jìn)行超前化學(xué)注漿，注漿材料一般采用聚氨酯類化學(xué)漿液，確保刀盤不被“卡死”。

(2)護(hù)盾尾超前加固。對于會(huì)造成護(hù)盾 “被困”的破碎圍巖，需要進(jìn)行護(hù)盾尾的超前加固。超前加固的主要方法，通過護(hù)盾尾拱部斜向前方打設(shè)超前管棚，并通過管棚進(jìn)行注漿加固。注漿材料一般為快凝的硫鋁酸鹽水泥漿，受設(shè)備的制約，其傾角相對較大(一般為5°～9°)，管棚的長度宜控制在15～20 m，打設(shè)范圍為拱部不小于90°。當(dāng)不能成孔時(shí)，可采用鉆桿代替管棚并進(jìn)行注漿，必要時(shí)還需進(jìn)行刀盤內(nèi)注漿。

5.3.2 破碎地層TBM掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)

TBM掘進(jìn)通過破碎地層是建立在破碎狀況不惡劣或已進(jìn)行超前預(yù)加固的基礎(chǔ)上，掘進(jìn)過程應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、連續(xù)均衡掘進(jìn)”的方針，要防止長時(shí)間停機(jī)致使地質(zhì)條件進(jìn)一步惡化，加大不良地質(zhì)處治難度。施工過程要重點(diǎn)加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)和及時(shí)支護(hù)的管控。

掘進(jìn)參數(shù)的控制，根據(jù)破碎地層的特點(diǎn)，TBM施工應(yīng)盡可能地提高掘進(jìn)速度，并減小對圍巖的擾動(dòng)，應(yīng)采用“低轉(zhuǎn)速、大推力”的方式掘進(jìn)，一般刀盤轉(zhuǎn)速不宜超過3 r/min。

支護(hù)連續(xù)緊跟，對于破碎地層，圍巖露出護(hù)盾后，應(yīng)及時(shí)施作“連續(xù)鋼筋排+拱架”支護(hù)，隨掘隨支防止破碎體墜入隧道內(nèi)，必要時(shí)要緊跟噴射混凝土。

在破碎圍巖坍塌導(dǎo)致?lián)窝ゲ荒苡行Чぷ鲿r(shí)，應(yīng)進(jìn)行特殊處理。如撐靴部位處圍巖局部坍塌時(shí)，采用噴射混凝土或噴射高強(qiáng)快凝砂漿快速封閉圍巖，并填充塌腔；如坍塌范圍較大時(shí)，則應(yīng)在施作“拱架+鋼筋排”支護(hù)后，安設(shè)模板進(jìn)行模筑混凝土充填塌腔。

5.3.3 破碎地層TBM掘進(jìn)通過后的處理

TBM掘進(jìn)通過破碎地層后，必須處理支護(hù)背后存在松散的塌落巖塊，以保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

徑向固結(jié)注漿，在破碎地層采用TBM施工，無論是敞開式TBM，還是護(hù)盾式TBM，其支護(hù)背后一般會(huì)存在松散的塌落巖塊。因此，要進(jìn)行徑向固結(jié)注漿，漿液選擇一般為普通水泥漿，徑向注漿深度根據(jù)松散巖塊的堆積厚度確定，以保證初支背后密實(shí)。

初期支護(hù)的排水，一般情況下，隧道設(shè)計(jì)中很少考慮初期支護(hù)承受地下水壓力，TBM掘進(jìn)破碎地層時(shí)，需要進(jìn)行徑向固結(jié)注漿，可能會(huì)造成初期支護(hù)承受額外的水壓。因此，應(yīng)打設(shè)泄水孔排水，防止初期支護(hù)承受地下水壓而破壞。

6 超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道富水構(gòu)造帶對策

超長深埋高地應(yīng)力隧道在富水構(gòu)造帶采用TBM直接掘進(jìn)，其最大威脅是高壓地下水突涌。在富水基巖裂隙中，由于水壓的突然釋放，盡管圍巖完整不至發(fā)生坍塌問題，但也會(huì)發(fā)生淹機(jī)事故。富水構(gòu)造破碎帶，在水動(dòng)力的作用下，破碎巖體會(huì)類似于泥石流一樣發(fā)生突涌現(xiàn)象，對TBM施工會(huì)產(chǎn)生極大的危害，影響TBM施工效率，甚至?xí)?dǎo)致機(jī)毀人亡等重大事故。

6.1 富水?dāng)鄬悠扑閹c節(jié)理裂隙密集帶預(yù)處理

在富水的斷層破碎帶或節(jié)理裂隙密集帶采用TBM直接掘進(jìn)時(shí)，必須先進(jìn)行超前加固，一般采用護(hù)盾尾部帷幕注漿或護(hù)盾頂部洞室帷幕注漿。

護(hù)盾尾部帷幕注漿的基本方法與破碎地層的護(hù)盾尾超前注漿相類似。注漿材料應(yīng)為快凝材料，如水泥-水玻璃雙液漿、硫鋁酸鹽水泥漿或化學(xué)漿，為防止注漿造成護(hù)盾“被困”，護(hù)盾部位注漿要采用高壓低流量的方式進(jìn)行。

護(hù)盾頂部洞室帷幕注漿。要先在護(hù)盾頂部施工洞室，基本方法與擠壓性圍巖脫困相似；洞室施工完成后，沿洞室周邊打設(shè)超前長管棚，并行帷幕注漿，以保證TBM掘進(jìn)不發(fā)生坍塌與突涌現(xiàn)象。

由于受TBM隧道空間的制約，超前處理工效相對較低，若遇大規(guī)模、長距離的富水構(gòu)造破碎帶，可采用鉆爆法施作迂回坑道，通過迂回坑道對TBM前方富水構(gòu)造破碎帶進(jìn)行超前處理。

6.2 富水基巖裂隙處理

正如前述，一般情況下基巖裂隙水突出不會(huì)影響隧道的穩(wěn)定性，且基巖裂隙幾何尺寸相對小、隱蔽性強(qiáng)，一般難以超前探測準(zhǔn)確。因此，對于富水基巖裂隙，通常是在TBM掘進(jìn)通過后，視情形進(jìn)行處理。

在TBM上坡(順坡)施工發(fā)生基巖裂隙突水時(shí)，由于隧道可順坡排水，一般不會(huì)影響TBM的掘進(jìn)，不需要立即進(jìn)行堵水。通常情況下，根據(jù)地下水流失對環(huán)境及后續(xù)施工工序的影響程度，在掘進(jìn)完成后進(jìn)行必要的注漿堵水處理。處理時(shí)根據(jù)裂隙的產(chǎn)狀與涌水點(diǎn)分布，遵循“先外圍后核心，快凝固堵裂隙”的原則。

TBM下坡(反坡)施工發(fā)生基巖裂隙突水時(shí)，在排水能力能滿足不發(fā)生水害的情形下，一般不需要進(jìn)行及時(shí)處理，其后續(xù)處理與上坡施工相同。如排水能力不足，應(yīng)利用超前鉆注系統(tǒng)及時(shí)處理，通常是在護(hù)盾尾部打設(shè)超前注漿孔進(jìn)行迎水強(qiáng)制注漿，注漿材料應(yīng)為快凝材料或化學(xué)注漿材料，并盡可能降低涌水量，為后續(xù)施工創(chuàng)造條件。

6.3 富水構(gòu)造帶TBM針對性設(shè)計(jì)

對于富水構(gòu)造帶，TBM的針對性設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞排水設(shè)備與超前鉆注設(shè)備兩項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行。排水設(shè)施總抽排能力宜按照隧道設(shè)計(jì)預(yù)測的分段最大涌水量考慮，并預(yù)留富余能力，TBM超前處理能力應(yīng)按其處理效率與經(jīng)濟(jì)性綜合考慮。

TBM裝備應(yīng)配置用于全斷面超前處理的鉆機(jī)和注漿系統(tǒng)，受TBM屬性的影響，其超前注漿加固與堵水施工干擾大、實(shí)施周期長，超前鉆孔與注漿系統(tǒng)設(shè)備的超前能力不宜短，一般其超前鉆孔深度不應(yīng)少于40 m。同時(shí)，注漿設(shè)備應(yīng)當(dāng)具備雙液注漿功能。

TBM后配套隨機(jī)自帶的應(yīng)急泵站，應(yīng)采用高壓電機(jī)、大流量、大揚(yáng)程水泵，盡可能減少應(yīng)急時(shí)的中途泵站數(shù)量，必要時(shí)可配合施工布局采用分級抽排。TBM的排水管宜按照涌水量計(jì)算配置大小管徑，通常采用小管徑排水，出現(xiàn)較大突涌水時(shí)啟用大管徑。

6.4 富水構(gòu)造帶TBM掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)

TBM在富水基巖裂隙處的掘進(jìn)與支護(hù)，一般按照完整基巖方式進(jìn)行掘進(jìn)與支護(hù)。TBM在富水破碎帶的掘進(jìn)與支護(hù)，應(yīng)按照“先堵水加固、后排水降壓、再快掘強(qiáng)支”的原則進(jìn)行。

在超前注漿堵水與加固圍巖后，需在隧道的頂部或TBM兩側(cè)打設(shè)超前排水孔，盡可能降低水壓對TBM掘進(jìn)的影響。每一注漿循環(huán)的掘進(jìn)必須預(yù)留一定厚度的注漿體作為下一注漿循環(huán)的止?jié){墻。

TBM掘進(jìn)與一般破碎帶加固后的方式一樣，應(yīng)采用“低轉(zhuǎn)速、中等推力”的方式勻速掘進(jìn)，控制對加固體的擾動(dòng)，并盡快對注漿加固體進(jìn)行支護(hù)，防止形成新的滲水通道。

對于富水破碎帶，在超前注漿堵水與加固后，一般采用“型鋼拱架+鋼筋排+噴射混凝土”的方式進(jìn)行支護(hù)，但必須利用前置噴射混凝土系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)封閉。

7 色季拉山鐵路隧道TBM工法選擇與選型

山嶺隧道的施工方法基本上有鉆爆法和TBM法兩類。TBM工法在一般地質(zhì)條件下具有施工速度快、安全性相對高的優(yōu)勢，且如前所述，對于局部不良地質(zhì)TBM施工也有相應(yīng)技術(shù)。總體來講，超長深埋高地應(yīng)力隧道選擇TBM工法施工是國際趨勢；但是遇到重大不良地質(zhì)條件時(shí)，其整體施工速度會(huì)明顯下降。因此，對可能嚴(yán)重影響TBM效率發(fā)揮的富水破碎帶、大變形地層等，如增設(shè)輔助坑道對這類不良地質(zhì)采用鉆爆法處理，在經(jīng)濟(jì)、工期等方面具有明顯優(yōu)勢時(shí)，則應(yīng)選擇采用“鉆爆法+TBM法” 組合模式。由于TBM價(jià)格昂貴，且一般應(yīng)在一個(gè)隧道工程中基本攤銷，TBM隧道的造價(jià)一般均會(huì)高于鉆爆法。總之，超長深埋高地應(yīng)力隧道的工法選擇，應(yīng)從具體隧道工程的地質(zhì)與環(huán)境條件入手，綜合考慮工程安全、建設(shè)工期、環(huán)境保護(hù)、勞動(dòng)保護(hù)及工程經(jīng)濟(jì)等因素進(jìn)行比選。

7.1 案例分析

大瑞鐵路高黎貢山隧道位于云南省保山市，全長34.5 km，最大埋深1 155 m，為單線鐵路隧道。隧道地處印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓帶，地質(zhì)極為復(fù)雜，具有“三高四活躍”的特點(diǎn)。隧道進(jìn)口端約21.2 km主要采用鉆爆法施工，設(shè)貫通平導(dǎo)、斜井1座、豎井2座等輔助坑道。隧道出口端主要采用TBM施工，結(jié)合出口端車站隧道設(shè)置與TBM始發(fā)掘進(jìn)的需要，正洞出口約741 m采用鉆爆法施工，其余12 546 m采用直徑9.03 m敞開式TBM施工；貫通平導(dǎo)10 623 m采用直徑6.39 m敞開式TBM施工。出口端地層巖性以燕山期花崗巖、白云巖、白云巖夾石英砂巖為主，但TBM隧道段需穿越4條總長約200 m的大斷層和兩段總長347 m的蝕變巖帶，還需穿越長度達(dá)840 m的物探異常帶，其縱斷面見圖21。

圖21 高黎貢山隧道縱斷面

截至2021年6月30日，出口端正洞隧道已施工7 429 m，正洞TBM自2018年2月1日始發(fā)共掘進(jìn)6 688 m，期間在富水?dāng)鄬悠扑閹?、富水?jié)理裂隙密集破碎帶、全風(fēng)化巖層、蝕變巖段共發(fā)生14次TBM“被卡”“被困”事件，處理耗時(shí)達(dá)432 d；TBM掘進(jìn)的各級圍巖長度見表9，實(shí)際揭示Ⅳ、級Ⅴ圍巖占比達(dá)74.4%，TBM綜合掘進(jìn)進(jìn)度為170 m/月。若不考慮脫困時(shí)間，TBM實(shí)際掘進(jìn)進(jìn)度為265 m/月，高黎貢山隧道正洞TBM掘進(jìn)段圍巖與進(jìn)度統(tǒng)計(jì)見表9。

表9 高黎貢山隧道正洞TBM掘進(jìn)段圍巖與進(jìn)度統(tǒng)計(jì)

假如隧道出口段不采用TBM法施工，而是采用鉆爆法施工，參照該隧道鉆爆法工區(qū)各級圍巖的實(shí)際進(jìn)度，同樣的時(shí)間，鉆爆法進(jìn)度只有3 698 m，相差2 990 m；若要達(dá)到目前采用TBM施工進(jìn)度，則應(yīng)增加一個(gè)鉆爆法工作面進(jìn)行正洞施工，也就是需要增設(shè)1個(gè)輔助坑道。根據(jù)高黎貢山隧道所處的地形地貌條件，輔助坑道長約4 500 m，按同期開工建設(shè)，輔助坑道顯然還未進(jìn)入正洞施工。目前正洞TBM施工段還剩余5 858 m，按綜合掘進(jìn)指標(biāo)170 m/月分析，TBM可能還需掘進(jìn)時(shí)間34.5月；若全部12 456 m隧道采用鉆爆法，按TBM施工周期完成施工，則需設(shè)置增設(shè)2個(gè)輔助坑道，共計(jì)5個(gè)作業(yè)面組織施工，而輔助坑道的長度均不小于4 500 m。無論從經(jīng)濟(jì)方面，還是工期都處于劣勢，且施工組織難度更大，不利于棄渣與環(huán)境保護(hù)。因此，高黎貢山隧道出口端選擇TBM工法是合理的。

根據(jù)對TBM的認(rèn)知，在Ⅴ級圍巖占比達(dá)39.2%的情況下仍采用TBM工法施工是不可能的。因此，在超長深埋隧道進(jìn)行工法選擇時(shí)，既要考慮其地質(zhì)的適應(yīng)性，也要考慮隧道本身所處工程環(huán)境特征，特別是超長深埋高地應(yīng)力隧道的輔助坑道設(shè)置條件。

為進(jìn)一步比較分析，以高黎貢山隧道出口端僅有的一次迂回導(dǎo)坑解困TBM為例。平導(dǎo)TBM在“10.22”遇到富水蝕變巖，造成坍塌及TBM部分被掩埋，打設(shè)超前探孔時(shí)“頂出鉆桿”后擠出的蝕變巖泥柱見圖22。為解決TBM被困問題，在平導(dǎo)TBM后部打設(shè)迂回導(dǎo)坑，迂回導(dǎo)坑平行正洞(凈距60 m)，開挖面積18.6 m2，長594 m。同區(qū)段導(dǎo)坑鉆爆法與正洞TBM法的施工進(jìn)度對比表見表10。

圖22 高壓地層擠出的蝕變巖泥注

表10 同區(qū)段導(dǎo)坑鉆爆法與正洞TBM法進(jìn)度對比

從表10可以看出，盡管迂回導(dǎo)坑開挖面積僅為正洞開挖面積(64 m2)的29.2%，但同類圍巖下TBM法的日進(jìn)度也是鉆爆法的2～3倍。即使考慮TBM兩次遇到的蝕變巖卡機(jī)脫困用時(shí)，其綜合進(jìn)度仍高出鉆爆法22.8%。此外，從揭示的地質(zhì)情況看，即使正洞與迂回導(dǎo)坑只相距60 m，其地質(zhì)條件差異也很明顯，迂回導(dǎo)坑沒有遇到蝕變巖地層，且正洞Ⅴ級圍巖的長度是導(dǎo)坑的1.73倍，也說明了該隧道地質(zhì)的復(fù)雜性。

該案例進(jìn)一步說明，超長深埋高地應(yīng)力隧道應(yīng)綜合分析各種不良地質(zhì)造成TBM “被卡”“被困”的可能性及嚴(yán)重程度等，并結(jié)合輔助坑道設(shè)置條件、環(huán)境保護(hù)要求等，理性地認(rèn)知TBM工法的地質(zhì)適應(yīng)性，只有這樣才能正確評價(jià)TBM工法的合理性。

7.2 色季拉山隧道工法選擇與TBM選型

色季拉山鐵路隧道全長37 956 m，最大埋深1 696 m，軌面最大高程3 356 m。隧道主要穿越喜山期花崗巖、閃長巖，局部為片麻巖，巖石平均強(qiáng)度在80～90 MPa，最高強(qiáng)度達(dá)196 MPa；隧道穿越3條大斷層及16條節(jié)理密集帶，可能存在軟弱圍巖與花崗巖蝕變帶，見圖23。色季拉山隧道圍巖統(tǒng)計(jì)見表11。由表11可見，色季拉山隧道Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖占比達(dá)95.8%，Ⅴ、Ⅵ圍巖占比僅為4.2%。

圖23 色季拉山隧道縱斷面圖

表11 色季拉山隧道圍巖統(tǒng)計(jì)

從各種級圍巖沿隧道長度的分布來看，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖集中在三段，有利于采用TBM施工；而Ⅴ、Ⅵ圍巖主要集中在洞口段和中部的兩個(gè)大斷層，兩個(gè)中部大斷層具有相對較好的輔助坑道設(shè)置條件，因此隧道進(jìn)出口段與兩個(gè)大斷層采用鉆爆法施工也是有利的。根據(jù)地形地貌條件，若設(shè)置其他斜井或豎井等輔助坑道，不但坑道長度均接近5 km，且洞口海拔高、新修施工道路長，從工期、經(jīng)濟(jì)、施工組織等方面上分析，均不利于采用鉆爆法施工。綜上所述，該隧道采用“鉆爆法+TBM法”施工，見圖24。

圖24 色季拉山隧道施工組織布置

地質(zhì)鉆探實(shí)測資料顯示，在隧道埋深1 450.5 m處的最大水平主應(yīng)力達(dá)45.52 MPa，與隧道軸線的交角為8°～37°，地層水平應(yīng)力均大于垂直應(yīng)力，除斷層附近與埋深較淺段的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比大于5之外，其余的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比在2.07～2.88，見表12。按照巖爆等級的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比劃分標(biāo)準(zhǔn)，該隧道TBM段的巖爆為中等-強(qiáng)烈。根據(jù)引漢濟(jì)渭引水隧洞巖爆的發(fā)生狀況，盡管其巖石強(qiáng)度應(yīng)力比均大于2.75，但仍連續(xù)長距離發(fā)生強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆，且強(qiáng)烈?guī)r爆段累計(jì)長度超過了5 km。據(jù)此預(yù)計(jì)色季拉山隧道的強(qiáng)烈-極強(qiáng)巖爆將會(huì)是主要問題，故該隧道不宜選擇護(hù)盾式TBM。

表12 各鉆孔實(shí)測巖石強(qiáng)度和最大水平應(yīng)力

同時(shí)，TBM段隧道需穿越低電阻率異常帶16處(節(jié)理密集帶)，總計(jì)寬度約3 865 m，占TBM隧道段長度的12.51%，平均寬度約240 m，最大寬度約500 m。節(jié)理密集帶陡傾角、巖體破碎且富水，從TBM選型考慮，也不宜選擇護(hù)盾式TBM或單護(hù)盾雙模TBM。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，色季拉山隧道TBM段還可能存在軟弱圍巖與花崗巖蝕變帶，在高地應(yīng)力的賦存環(huán)境下，其大變形問題也不容忽視，從TBM選型來講，可以選擇單護(hù)盾TBM。

綜上所述，色季拉山隧道TBM選型從地質(zhì)適應(yīng)性、風(fēng)險(xiǎn)可控性、工期合理性、造價(jià)經(jīng)濟(jì)性方面綜合分析，最終選擇了敞開式雙結(jié)構(gòu)TBM，并進(jìn)行了針對性設(shè)計(jì)。

7.2.1 地質(zhì)超前探測與預(yù)警系統(tǒng)

色季拉山隧道的巖爆是工程施工最主要難題，綜合國內(nèi)外相關(guān)研究，結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞的微震監(jiān)測在巖爆地段的預(yù)警效果，該TBM配備了微震監(jiān)測系統(tǒng)，還針對性地設(shè)計(jì)了水錘鉆機(jī)用于超前鉆孔。

色季拉山隧道富水節(jié)理密集帶是工程施工另一個(gè)重要難題。綜合國內(nèi)外的相關(guān)研究，結(jié)合高黎貢山隧道不良地質(zhì)體超前探測實(shí)際效果，該TBM配備了激發(fā)極化法電阻率變異探水、HSP法探巖的地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，同時(shí)在TBM兩側(cè)設(shè)置了超前鉆探驗(yàn)證裝備。

7.2.2 超前鉆注系統(tǒng)與前置噴混凝土

該裝配配置了頂部120°范圍的超前鉆注系統(tǒng)，超前鉆機(jī)采用水錘鉆機(jī)，可打設(shè)直徑102 mm、長度50 m、傾角5°～7°的超前鉆孔，專用的超前注漿系統(tǒng)可注單液、雙液漿，并設(shè)計(jì)了前置式噴射機(jī)械手。為有效地預(yù)防滯后性巖爆的發(fā)生，增設(shè)了預(yù)應(yīng)力錨桿或NPR錨索施作平臺。

7.2.3 TBM開挖直徑

預(yù)測巖爆沖擊力、爆落巖塊以及節(jié)理密集破碎帶的坍塌，會(huì)擠壓護(hù)盾與鋼筋排，從而影響支護(hù)安裝輪廓，綜合分析相關(guān)情況，TBM開挖直徑確定為10.33 m，見圖25。此外，在刀盤設(shè)計(jì)考慮了刀具擴(kuò)挖能力，以“空間換時(shí)間”，從而降低局部地段高地應(yīng)力下軟弱圍巖與蝕變帶發(fā)生大變形造成護(hù)盾“被困”的可能性。

圖25 敞開式TBM開挖直徑關(guān)系

7.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

色季拉山隧道進(jìn)口端TBM，針對性地進(jìn)行了防控巖爆的護(hù)盾剛度與強(qiáng)度設(shè)計(jì)。為了有效地解決滯后性巖爆對施工安全及支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞問題，盡可能降低工程造價(jià)，色季拉山隧道進(jìn)口段TBM預(yù)留了雙支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝設(shè)備接口。該裝備主要用做“拆卸式可調(diào)剛度支護(hù)+NPR錨注”的施工?？傮w思路是，強(qiáng)烈?guī)r爆段先在護(hù)盾內(nèi)預(yù)拼裝可調(diào)剛度的鋼管片，隨著TBM向前掘進(jìn)鋼管片滑出護(hù)盾。一方面防止護(hù)盾范圍內(nèi)爆落的巖塊墜落到隧道內(nèi)；另一方面防止滯后性巖爆傷害施工人員與設(shè)備，待鋼管片全部滑出護(hù)盾后，立即撐緊鋼管片使之安裝到位并固定，利用其預(yù)留的孔洞打設(shè)預(yù)應(yīng)力錨桿(索)，如NPR錨索。在TBM撐靴到達(dá)鋼管片位置前，進(jìn)行注漿固結(jié)鋼管片背后的巖塊，并拆除鋼管片循環(huán)利用。

8 結(jié)論

超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道修建技術(shù)是我國高質(zhì)量發(fā)展階段面向國家重大需求的新挑戰(zhàn)。解決高地應(yīng)力硬巖巖爆、深埋軟弱地層、破碎地層、富水構(gòu)造帶等不良地質(zhì)地段嚴(yán)重影響TBM施工安全、效率與工程造價(jià)的問題，是超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道成功修建的關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，要客觀地認(rèn)識TBM在不良地質(zhì)地段的施工效率，從而達(dá)到科學(xué)評價(jià)TBM工法。本文通過對超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道工程的研究與實(shí)踐，可得出以下結(jié)論：

(1)超長深埋高地應(yīng)力TBM隧道修建方法應(yīng)擺脫傳統(tǒng)隧道的“荷載-結(jié)構(gòu)”思維模式，全面認(rèn)知隧道解重構(gòu)過程中圍巖與應(yīng)力的變化規(guī)律，采取主動(dòng)支護(hù)方法，從而構(gòu)建圍巖剛度與支護(hù)剛度相協(xié)調(diào)的隧道場。

(2)超長深埋高地應(yīng)力隧道采用TBM施工時(shí)，對于高地應(yīng)力硬巖巖爆，應(yīng)借助微震監(jiān)測掌握巖爆的時(shí)空規(guī)律，采取“極強(qiáng)巖爆降等級、強(qiáng)烈?guī)r爆護(hù)盾防控、中等巖爆支護(hù)防護(hù)”主動(dòng)應(yīng)對的施工技術(shù)。對于深埋軟弱地層，采取“TBM擴(kuò)徑開挖以空間換時(shí)間、大推力低轉(zhuǎn)速快掘進(jìn)、主動(dòng)支護(hù)控變形”的技術(shù)方法。對于破碎地層，采取“跟蹤迭代及時(shí)預(yù)報(bào)、適度超前固結(jié)、快速掘進(jìn)通過、連續(xù)支護(hù)緊跟”的技術(shù)方針。對于富水構(gòu)造帶，采取“物探預(yù)報(bào)鉆探驗(yàn)證、強(qiáng)化超前處理與排水降壓、低轉(zhuǎn)速中等推力勻速掘進(jìn)、支護(hù)緊跟及時(shí)封閉”的技術(shù)。

(3)隧道工程具有地質(zhì)不確定性、過程的多變性，要求決策必須迅速。隨著5G、AI、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，建議盡快開展TBM隧道智能技術(shù)的研究，進(jìn)一步完善“地質(zhì)性態(tài)、裝備狀態(tài)、結(jié)構(gòu)形態(tài)”的感知技術(shù)，提升TBM支護(hù)裝備自動(dòng)化能力。在已有TBM工程大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過智能互聯(lián)形成大數(shù)據(jù)平臺，著力研究智能算法，逐步推進(jìn)TBM隧道智能建造技術(shù)發(fā)展。