敞开式TBM大坡度隧洞施工技术分析

韩冬冬

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概述

西北某勘探试验隧洞，进口高程约1 246 m，与主洞交点高程550 m，长度约6 444 m，其中前500 m采用钻爆法开挖，后5 944 m采用敞开式全断面TBM掘进机开挖，断面型式为圆形，开挖直径为8.5 m。勘探试验洞纵坡11%，掘进开挖完成后，通过回填混凝土的型式改造纵坡，改造后形成12段（305.623～605.263 m）11%的顺坡，其中包括12.9%的陡坡58.111 m，3.9%的缓坡20 m，12.9%的陡坡16.626 m。勘探试验隧洞的主要作用是为后期施工进行地质勘探试验，降低工程造价、缩短工期、规避地质风险，并承载临时交通运输服务。

试验隧洞位于剥蚀丘陵区内，海拔高程1 200～1 250 m，地形起伏不大，多为剥蚀残丘，主要为戈壁荒漠地貌。地层岩性，洞内揭露出的岩性有第三系泥岩、泥质砂岩及泥盆系凝灰质砂岩等。泥盆系凝灰质砂岩的石英含量为5%～10%。共揭露了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩。

本工程采用的TBM设备为MB 280硬岩敞开式掘进机。开挖直径8.53 m（新装刀），支护类型：环形梁+钢丝网+锚杆+喷混凝土，最小转弯半径500 m。

TBM主机的三个主要部件，刀盘、机头架和大梁、支撑和推进系统。其他部件包括变频调速电机，大轴承及其密封系统，润滑及其密封系统，挡尘板，操作控制台，刀盘水喷雾系统，渣石铲斗和皮带运输系统，以及电气和液压系统。TBM系统将完成开挖岩石、地层支护并将破碎的渣石转运出去。

2 工程难点分析及对应措施

2.1 工程特点

本工程具有洞线长（6 243.73 m）、坡度大（坡度达-11%）、向下掘进、高差大（695 m）、埋深大等特点，是目前全国坡度最大的开敞式TBM掘进工程。隧洞开挖遇到的地质问题主要有断层破碎带、涌水、硬岩和岩爆等。

2.2 工程难点分析

TBM改造。现有的TBM施工坡度一般为0.3‰，近乎平洞施工。此次勘探试验洞坡度较大，达到11%下坡洞。主要影响部位有刀盘轴承系统与液压系统，润滑系统，后配套系统及供水系统等。液压系统可改造为主副油箱，增设回油泵；后配套系统必须增设强有力的刹车制动系统；供水系统在管道上安设减压装置等一系列措施进行TBM的改造。

11%下坡洞，需更换主轴承。一旦涌水量大，对TBM主轴承密封要求提高，要更换刀盘主轴承，对主轴承密封做严格的处理改造。

TBM组装完成后，需经过170 m坡度为11%的明挖段。为防止TBM从0%直接切换到11%的坡度，给设备造成损害。根据TBM设备自身及转弯半径（R=1 000 m）等多方面的因素考虑，拟从明渠段桩号0-218 m为起点，向下逐渐削坡0-98 m桩号，由0%的坡变至-11%圆曲线连接，变坡总长约120 m，以达到TBM平安过度直至进洞的目的。

洞内运输是难点。因本工程挖深较大，坡度为11%，高差达到695 m，洞内运输显得尤为重要，主要运输工具为双头胶轮车，洞内出渣采用皮带机出渣。

排水。隧洞内局部涌水量大，最大设计总涌水量为24.38 m3/h；洞底到洞口高差大。

地质条件复杂对TBM施工构成难点。本标段隧洞开挖可能遇到的地质问题，主要有断层破碎带、突涌水、硬岩和岩爆等。

2.3 工程难点对应措施

根据本工程特点和施工中存在的困难，为保障施工的质量、进度及安全要求，将采取有效的工程技术措施，加强安全管理、质量控制，合理组织施工，确保工程创优，完成工期目标。

2.3.1 结合以往施工经验

在充分了解该工程特点后，结合以往的TBM工程施工经验，确定了科学合理的施工方案。借鉴以往坡度分别为5.24%和9.0%的TBM向下掘进施工经验，成功穿了硬岩、泥页岩、煤层、溶洞、涌水洞段，对不良地质段工程处理有着丰富的参考作用。

2.3.2 加强施工难点对应措施

通风排烟对应措施

针对本标段通风距离长，通风标准要求高的特点，借鉴国内外长隧道通风的成功经验，与通风设备厂家共同研究通风方案，本着经济先进、合理布局、优化匹配的原则进行通风方案的设计。

TBM掘进时在洞口布置一台T4.160.2×200.4主风机，通过直径2 200 mm的风筒从隧洞外部抽入新鲜空气。在TBM尾部设置一台风机，为机头送风。

2.3.3 洞内运输对应措施

隧洞采用连续皮带机运输系统边掘进边出渣。通过固定连续皮带将石渣输送到洞口附近卸料点，用装载机装至20t自卸汽车运至弃渣场。混凝土、道轨、电缆、水管、钢拱架、钢筋等进洞材料采用双头胶轮车运输。

2.3.4 排水对应措施

本标段隧洞局部段涌水较大，但整体来说本标段地下水涌水量较小，施工期间该地段主要采取抽排措施，原则以排为主，以堵为辅。其它围岩透水性强地段，采用先堵后排，实现有节制排放。

排水方式，本标段采用潜水泵从机头直接抽排至机尾集水箱内，而后由大功率的高扬程离心泵直接抽排至洞外，离心泵型号D 46-50×12，扬程800 m，流量46 m3/h。

2.3.5 复杂地质条件的对应措施

本标段隧洞开挖可能遇到的地质问题主要有：断层破碎带、突泥突水、岩爆等。具体对应措施如下：

断层破碎带。

掘进原则按“先探后掘、超前处理、紧跟加固”的原则施工。

掘进措施：按“早探明、预加固，少扰动，强支护，勤量测，快封闭”的原则施工；加强地质超前预报，提前判明前方地质情况，组织动态施工，采取的技术措施有针对性；当掌子面围岩的条件差时，停止TBM掘进，采用固结灌浆（化学灌浆）技术措施加固围岩和堵水后，根据破碎地质的规模、性质，采用管棚、小导管等超前支护或超前注浆固结地层等措施，再进行TBM掘进。发生卡机时，根据不同情况采取不同技术措施分三级进行脱困。一级采用钻孔灌浆（可采用化灌）加固围岩措施进行脱困；二级开挖导洞脱困，分别从两腰线部位向前、后方开挖，从两侧底部向前方开挖，从护盾上方开挖，释放应力进行脱困；三级从TBM侧顶围岩进行大断面开挖进行脱困。

涌水、涌泥。

在可能发生涌水、涌泥的洞段，按“早探明、预注浆、快封闭，先探后掘，堵排结合，节制排放，”的原则进行施工；在可能发生涌水、涌泥的洞段，配备有经验的地质工程师跟班判断再加以超前探测的方法，准确预报前方地质情况。如遇大水或涌泥，首先封闭刀盘入孔，采取必要措施实现水和泥的有节制排出。

岩爆。

首先对可能发生岩爆的洞段进行预测预报。

防治措施：改善围岩应力，采用超前预报钻探释放应力或超前钻孔中进行松动爆破释放应力；对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来消除或减缓岩爆程度。加强钢拱架、钢筋排等支护处理措施。

本工程在桩号4+922—4+927段，围岩为Ⅲ类。岩性为石炭系凝灰质砂岩，颜色呈青灰色，洞壁干燥，掘进完成后洞壁光滑完整。节理较发育，但多为闭合状，石英充填。此段埋深580 m，地应力较大。发生了轻微岩爆现象，岩爆造成岩体呈片状脱落，并发出鞭炮声持续9个多小时，顶拱呈现5 m×4 m×0.5 m锥形塌方区。采用上述防护措施进行处理。

2.4 出渣

本工程采用皮带机连续出渣。出渣皮带机共分为4段：主机皮带机、桥架皮带机、后配套皮带机、连续皮带机。开挖的岩渣，利用连续皮带机运出洞外后，自卸汽车运至弃渣场。当开挖到3+200 m后，由于坡度大，距离长，连续皮带张力不断变大。

皮带的硫化。一条6.4km连续皮带出渣，掘进300m硫化一次皮带。皮带接头硫化步骤：30°角切割皮带；剥离钢丝、清洗打磨；安装硫化机下机架；铺设下胶板、钢丝绳、刷胶；钢丝绳间隙胶条填充；刷胶贴上胶板、压实；排除皮带夹层的空气，安装硫化机上机架；加压、加温、保温；降温、拆硫化机架、张紧皮带。硫化2个皮带接头，最快需要用12 h。

超出皮带承载极限，皮带内局部钢丝断开；皮带被拉断；皮带驱动大托辊也有变形、裂口的现象；皮带跑偏，需要对连续皮带进行改造。本工程采取的措施是，在3+100 m处加一套连续皮带驱动系统，即接力驱动，减轻皮带拉力；隔段安装皮带抓捕器；安装皮带跑偏矫正器；更换新的皮带小托辊，按时检修等措施。保证到6+444 m时完成连续皮带出渣运输任务。

2.5 TBM操作注意事项

注意掘进测控方向的控制与调整。掘进过程中，要密切注意数据采集系统提供的信息，轴线的水平允许偏差±40 mm，垂直允许偏差±60 mm，发现异常情况，及时采取措施，以保障施工的正常进行。

3 不同围岩的支护型式

3.1 Ⅱ类围岩支护型式

顶拱180°喷护C 25高抗硫混凝土厚5 cm。直径25 mm随机砂浆锚杆，锚杆长L为2.25 m，裂隙大的部位采用HW 150型钢拱架支护，钢拱架用直径25 mm锁脚锚杆三点式锁紧（每点2根，每根长1.5 m），两钢拱架之间采用直径20 mm联系钢筋连接间距1 m。围岩破碎坍塌处调整为10号槽钢连接，或直径22 mm随机钢筋排连接，有拱架部位喷护C 25混凝土16 cm厚。

3.2 Ⅲ类围岩支护型式

顶拱180°喷护C 25高抗硫混凝土，厚10 cm。直径25 mm随机砂浆锚杆，锚杆长L为2.25 m，随机挂设直径8 mm钢筋网片；局部裂隙密集，裂隙大的部位采用HW 150型钢拱架支护，钢拱架用直径25 mm锁脚锚杆三点式锁紧（每点2根，每根长1.5m），两钢拱架之间，采用直径20 mm联系钢筋连接，间距1 m；围岩破碎坍塌处调整为10号槽钢连接，或直径22 mm随机钢筋排连接。有拱架部位喷护C 25混凝土16 cm厚。

3.3 Ⅳ类围岩支护型式

随机采用HW 150型钢拱架支护，钢拱架用直径25 mm锁脚锚杆三点式锁紧（每点2根，每根长1.5 m），随机直径22 mm钢筋排，两钢拱架之间采用直径20 mm联系钢筋连接，钢拱架间距1 m，顶拱220°直径25 mm随机砂浆锚杆长为3 m，顶拱220°随机挂设直径8 mm钢筋网片,顶拱290°喷护C 25高抗硫混凝土厚16 cm，围岩破碎坍塌处调整为10号槽钢连接。

3.4 Ⅴ类围岩支护型式

采用HW 150型钢拱架支护，间距1 m。钢拱架用直径25 mm锁脚锚杆三点式锁紧（每点2根，每根长1.5 m），随机直径22 mm钢筋排连接，两钢拱架之间增设10号槽钢联系，连接间距1 m；顶拱240°直径25 mm自进式系统锚杆,锚杆长L为3 m，梅花型布置，顶拱220°挂设直径8 mm钢筋网片，顶拱290°喷护C 25高抗硫混凝土厚20 cm。

综上所述，支护型式要根据围岩类别、地质情况、安全、稳固、经济等综合考虑，目的在于更好地服务于工程建设，保证工程质量。

4 结语

TBM掘进机硬件的中国制造，软件操作系统的独立研发，已经是百花齐放。TBM掘进机是长隧洞、地铁开挖工程的主要力量，本工程采用开敞式硬岩掘进机，通过568 d紧张有序的施工，最终攻坚克难顺利贯通。揭露有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，创造了Ⅲ类围岩最大日进尺43 m，最大月进尺670.5 m的成绩。

随着我国隧洞工程建设的蓬勃发展，地质复杂、大埋深、岩爆、软弱围岩、涌水等不良地质的隧洞越来越多，在安全、质量、工期、成本等方面，TBM技术仍存在很大风险。国家应尽快出台TBM规范标准，指导规范施工，树立中国TBM的世界品牌地位。