地质环境TBM施工研究方法

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1TBM面临很多有待于攻克的难题:

1.1地质适应性差

不同类型的TBM有不同的特点，适用于不同地质环境，tbm型式选择的适当与否决定了工程进度甚至关乎工程的成败。

1.2复杂地质条件对TBM施工影响

一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用TBM辅以必要的支护措施进行掘进，但若遭遇特殊断层、软硬兼具围岩段、涌水涌泥、岩溶、高地应力、岩爆、围岩变形等多变地质状况，将对TBM施工造成严重甚至是灾难性的影响。

1.3围岩失稳对施工的影响

遇到不良地质、围岩失稳可能造成TBM无法正常掘进甚至被卡、被埋，对施工造成严重破坏及巨大的损失。

1.4刀具消耗费用对施工成本的影响

刀具消耗费用是TBM施工占成本比较大的一个项目，地质情况越复杂、围岩强度越高、石英含量越高，刀具消耗费用也越高，据统计在秦岭隧道坚硬的片麻岩地段掘进，刀具消耗费用占掘进总成本的近三分之一。

1.5刀具检查及更换作业时间长设备掘进过程中

每间隔3～5个循环就需要停机进行一次刀具检查，地质情况极特殊的情况下每2～3个甚至1个循环就要检查一次刀具，一般情况下刀具检查时间占总设备作业时间的7%左右，对掘进效率影响非常大。正常情况可每天利用设备维修时间进行刀具更换，但若遇硬度或石英含量较高的围岩洞段，更换刀具数量达10把以上，需占用大量正常掘进的时间进行刀具更换，对设备利用率造成严重影响。

1.6出渣的影响

出渣是制约TBM施工进度的因素之一。TBM掘进过程中出渣量大，对出渣设备效率要求比较高。根据工程特点合理的选择出渣方式及出渣设备对施工进度将起到非常关键的作用。施工过程中，因出渣效率低、设备故障对TBM施工造成的影响是非常严重的。特别是复杂地质条件下的长距离、大断面隧道掘进，出渣的问题尤为突出。

1.7设备掘进过程中同步衬砌问题

在复杂地质条件下，要实现TBM掘进过程中的仰拱及边顶拱的同步衬砌，需要解决衬砌与掘进进度匹配、TBM掘进与衬砌运输相互干扰、出渣及通风设备影响等难题，才能保证TBM运渣、通风、高压供电、照明通讯、供水、排水各工序顺畅衔接。TBM掘进过程中的同步衬砌问题，直接影响到施工周期和施工成本。

2研究方向

鉴于上述TBM施工过程中亟待解决的问题，开展复杂地质条件下TBM施工关键技术研究方向和方法具有非常重要的意义。借鉴国内外TBM施工的经验与教训，可以从以下方面进行有针对性的研究:

2.1TBM选型综合评价体系技术的研究

根据施工段地质特征对TBM恰当选型决定了工程能否顺利进行。国内自引进TBM施工技术以来，有成功的经验，也有过很多的失败的教训。国内TBM选型的技术研究早已开展，如茅承觉对全断面岩石掘进机选型进行了全面探讨、殷耀章及高勇对深埋长大隧洞TBM施工设备选型进行了深入探讨等，但如果能够建立以隧道设计参数、工程特性指标、地质条件适应性、影响掘进的地质因素、施工环境影响因素、掘进性能指标、工期及节点工期要求等各方面为评价指标的TBM设备选型综合评价体系，从多角度综合比选，科学的进行TBM选型，将对设备选型、施工产生非常积极的影响。

2.2复杂地质环境下TBM施工环境变化特征及演化规律研究

对于复杂地质环境下的TBM施工，国内外有过非常多的研究，如尹俊涛等从岩土力学和工程地质角度对TBM施工过程中遇到的诸多地质问题导致的卡机或管片变形等工程事故进行了剖析并对采取的工程措施进行了总结、尚彦君等对国内外典型的三个TBM施工遇险实例进行了透彻分析与反思，但目前多数研究成果是针对已完工程的总结，如能够通过科学分析，对施工环境变化特征及演化规律做出深入研究，将对TBM施工起到很大的积极作用。如通过岩芯取样、超前钻探等手段，并对岩石成分进行分析，辅以超前地质预报等手段从微观和宏观两方面，针对地质工程特征，研究不同的围岩结构、物理特性和力学特性;针对地下水影响，研究地质体的可溶性、渗透性及突涌水特征;针对地温影响，研究超深特长隧道中高地温特性等，将会为后续TBM掘进研究提供工程地质赋存条件。

2.3盘形滚刀破岩机理及防控措施研究

TBM盘型滚刀破岩机理是刀具研究的热点和难点，对滚刀破岩过程中滚刀与岩石的作用机理、滚刀在刀盘上的定位与滚刀磨损的相关性等国内已经有过较多的探讨与研究，如张照煌等在深入研究了岩石在盘型滚刀作用下的形变和剥落特点的基础上建立了岩石在盘型滚刀作用下的力学模型、宋克志等指出了影响盘形滚刀与岩石相互作用的因素主要是机械因素和地质因素、满林涛等利用ABAQUS软件建立了滚刀破岩的有限元模型分析滚刀破岩机理。但采用试验的方式就滚刀机械机构和材料对滚刀磨损性的关联、为刀具磨损预测公式和磨损模型的建立奠定理论基础等的研究工作国内尚未开展。如能够利用较先进的试验仪器，采用CAI岩石磨蚀伺服实验仪等试验仪器并研制岩粉磨蚀实验装置，开展刀具磨蚀性实验和滚刀岩粉磨蚀实验，建立TBM刀具磨损预测模型，将为国产TBM发展刀盘及刀具设计打下基础。根据工程施工过程中盘形滚刀的实际数据对比所建立的模型，以此评判模型的正确性，并可以计算出恰当的换刀时机，对TBM施工也将带来积极的影响。

2.4刀具运行监测系统研究

针对刀具检查占用时间较长的问题，采取视频、光电、温感等有效手段，实现对滚刀运行过程的实时监控，及时了解滚刀运行状况及磨损情况，减少刀具检查时间，及时发现刀具运行的异常情况，避免刀具弦磨现象出现，可以大大提高设备掘进效率，加快施工进度，同时也可以有效减少刀具消耗量，降低工程施工成本。

2.5破碎地层围岩失稳机理与防控方案研究

进行破碎地层理论建模，进行岩机作用有限元分析，探索破碎地层围岩压力和围岩抗力的大小和分布情况，评价围岩稳定性，提出适用于TBM施工的围岩质量评价指标;建立TBM破碎带围岩弹塑性有限元模型，研究不同埋深、不同岩性、不同应力场的围岩和变形响应规律，结合现场支护结构应力应变试验，分析支护结构变形规律，建立TBM扰动下围岩失稳与支护模型，优化支护方案。将对节约工程投资、提高工程质量有重要意义。

2.6TBM长距离掘进配套设备关键技术研究

连续皮带机是TBM长距离隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用连续皮带机出渣情况下的同步衬砌工艺，实现连续皮带机顺利穿行同步衬砌台车在国内的兰渝铁路西秦岭隧道工程已经有过成功的应用，如徐双永等对该工程TBM掘进同步衬砌技术进行了详尽论述，对今后类似工程施工将起到积极的借鉴作用。研究TBM掘进速度与岩碴运输能力的匹配关系、胶带与碴土的相互作用原理，建立皮带机的动力学模型，通过连续皮带机动力学仿真优化连续皮带机的性能参数;分析皮带机运行故障案例，提出解决皮带机支架快速加装延伸、皮带偏离定位基准、皮带清扫、断带等问题的有效解决方案;研究TBM长距离施工喷射混凝土性能、制作工艺、设备等关键技术，隧道铺底作业工法及配套设备等关键技术，TBM掘进隧道同步成型衬砌工法及配套设备等关键技术，这些目前均为较新的课题。

2.7深埋破碎地层

TBM适应性研究基于深埋破碎地层的复杂地质条件和岩石机器相互作用机理，研究TBM适应性设计的关键要素，是建立深埋破碎地层TBM适应性设计理论基本框架;研究刀盘刀具配置和掘进模式转换设计，建立高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层TBM破岩适应性设计理论与方法，是基于破碎地层围岩变形的TBM护盾及推进系统设计的准则;研究复合地层刀盘和驱动系统的推力、弯矩和转矩特性，为破碎地层TBM主参数设计提供理论依据。这些研究将对TBM国产化产生深远影响。

2.8TBM施工综合评判指标和风险防控体系构建综合分析

地质条件、扰动区围岩力学响应、岩机相互作用、施工安全性、围岩稳定性等TBM适应性影响因素的性质和特征，定义TBM与各影响因素的适应度，依据层次性、效度和简明性原则，构建高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层TBM适应性评价体系，并根据复杂的地质条件和施工中面临的风险因素，进行有效的风险管理与控制。将减少施工中多种问题的出现及避免工程事故的发生。

3研究方法

针对目前国内在建TBM隧道工程施工过程中遇到的疑点、难点问题，借鉴国内外既有工程经验，提出以下研究方法以供参考:

3.1结合其它课题研究成果

采用理论分析、物理实验、数值模拟等方法，来研究高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层条件下的刀具磨损机理、支护机理以及长距离隧道有限空间内皮带机出渣等问题，提出刀具磨损预测公式、安全支护模型和TBM适应性评价标准，构建高风险地段TBM施工综合评判和风险防控体系。

3.2基于滚刀破岩机作用

综合试验平台，研究不同滚刀磨蚀性评价指标和滚刀磨蚀性分级，为滚刀磨损预测模型提供基础指标。

3.3采用有限元或其它数值分析

软件进行开挖面围岩稳定性分析，得出TBM扰动下开挖面失稳模型，从模型失稳主要因素入手，分析控制扰动的措施，采用TBM施工数据回归得出合理的TBM掘进参数。

3.4采用适应关联、模糊

综合评价、工程经验反馈等方法，对影响深埋破碎地层TBM掘进的主要因素进行规范化和量化，提出能有效反映TBM适应性的评价指标及体系。利用模糊数学评判方法和反馈分析理论，研究TBM综合性能的预测和评估方法，建立深埋破碎地层TBM适应性及施工安全评价模型。在此基础上，依托工程实例并通过软件编程，构建高磨蚀性、局部破碎、高埋深地层TBM适应性评价决策系统和预测评价及验证完善。

4结语

随着国家水利、电力、交通、运输等方面的大力发展，隧道工程将越来越多，特别是超深、长、大隧道逐渐占据越来越大的比例，不可避免穿越环境恶劣的复杂、不良地质洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解决复杂地质条件下TBM施工关键技术，将对国内TBM施工技术水平的提高以及TBM国产化都将产生不可估量的作用，同时也对促进西部、西南部及山区经济发展，确保铁路、公路、水利水电、大规模调水工程、国防工程等基础设施建设的顺利开展，产生深远影响。

作者：李晓晗 王心 单位：辽宁省水利厅 辽宁省白石水库管理局