周建軍，楊振興

（1.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；2.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

1 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)逐漸向“長(zhǎng)、大、深、群”方向發(fā)展，地應(yīng)力增大，水頭壓力和涌水量加大，地溫梯度升高，開采擾動(dòng)強(qiáng)烈等逐漸突顯，地質(zhì)環(huán)境劣化導(dǎo)致深部隧道圍巖出現(xiàn)特有的力學(xué)現(xiàn)象，如采用傳統(tǒng)隧道建設(shè)形成的理論、設(shè)計(jì)方法和施工技術(shù)的不適應(yīng)性，可能發(fā)生突發(fā)性工程事故和重大災(zāi)變現(xiàn)象。例如，錦屏二級(jí)水電站引水隧道群總長(zhǎng)約118 km，最大埋深2 525 m，最大洞徑達(dá)13.0 m。由于高地應(yīng)力作用，隧道施工過(guò)程中大理巖圍巖多處發(fā)生強(qiáng)度不一的板裂化巖爆與板裂化片幫[1]。淮南朱集煤礦埋深大于1 000 m，巷道多處底板出現(xiàn)裂縫，U 型鋼支護(hù)嚴(yán)重破壞[2]。

由于地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)等多種原因，深埋長(zhǎng)隧道開挖施工仍多采用新奧法施工，開挖施工工法采用全斷面開挖法、臺(tái)階開挖法和分部開挖法，支護(hù)采用超前預(yù)制管棚+錨桿+鋼拱架+噴混凝土等復(fù)合式襯砌形式[3－4]，即便如此，深埋隧道仍出現(xiàn)了大變形、支護(hù)失效等事故，因此，必須盡快發(fā)展適應(yīng)深埋隧道特點(diǎn)的掘進(jìn)技術(shù)和圍巖穩(wěn)定控制理論與技術(shù)。在深埋長(zhǎng)隧道開挖過(guò)程中，特殊的工程地質(zhì)環(huán)境對(duì)隧道的設(shè)計(jì)與施工、圍巖穩(wěn)定性分析具有重要影響，許多專家針對(duì)深埋巖體提出了不同的研究思路和觀點(diǎn)，推動(dòng)了深埋長(zhǎng)隧道安全、優(yōu)質(zhì)、高效的開挖支護(hù)[5－8]。例如，為解決超千米深井巷道建設(shè)支護(hù)難的問題，劉泉聲等[9]引入全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)（RBM），其開挖、支護(hù)原理類似于盾構(gòu)（TBM）。為解決深埋長(zhǎng)斜井建設(shè)周期長(zhǎng)、造價(jià)高的問題，何川等[10]深入分析了深部圍巖工程及TBM 施工的研究現(xiàn)狀，繼而從施工技術(shù)、支護(hù)體系等方面歸納了TBM 施工深埋長(zhǎng)距離斜井尚需解決的問題。何滿潮等[11]認(rèn)為在深部巖體所屬的非線性力學(xué)系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的理論、方法與技術(shù)大部分已失效，深入進(jìn)行深部巖體的基礎(chǔ)理論研究勢(shì)在必行。

隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）以其安全、優(yōu)質(zhì)、高效、經(jīng)濟(jì)、有利于圍巖穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)在淺埋隧道中得到廣泛應(yīng)用。然而，TBM 在深埋隧道中的應(yīng)用比較少，且在工程應(yīng)用中出現(xiàn)了一些難題，諸如巖爆、TBM對(duì)前方地質(zhì)適應(yīng)性差以及卡盾問題尤為突出。例如，錦屏二級(jí)水電站1#、3#及排水洞采用TBM 施工開挖，但在開挖過(guò)程中由于地應(yīng)力較大，圍巖出現(xiàn)巖爆及片幫等災(zāi)害影響TBM 施工；“引大濟(jì)湟”調(diào)水總干渠工程隧洞施工過(guò)程中因不可預(yù)知的不良地質(zhì)條件，先后累計(jì)十余次因較大的圍巖收斂變形、塌方導(dǎo)致TBM 卡機(jī)/卡盾。同時(shí)，卡盾現(xiàn)象也在“引洮供水”、“引紅濟(jì)石”工程中多次出現(xiàn)。因此，TBM 是否可以應(yīng)用于深埋長(zhǎng)隧洞，工程界仍沒有明確定論。

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)過(guò)程的進(jìn)一步深入，在深埋長(zhǎng)隧道施工中高應(yīng)力圍巖開挖損傷及開挖動(dòng)力響應(yīng)的控制已經(jīng)成為影響工程進(jìn)度和安全的重要問題。本文針對(duì)深埋長(zhǎng)隧道，分析總結(jié)傳統(tǒng)鉆爆法、TBM法、TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)TBM 應(yīng)用于深埋軟巖、硬巖層長(zhǎng)隧道施工中的關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。

2 深埋長(zhǎng)隧道掘進(jìn)與支護(hù)

2.1 鉆爆法

深埋長(zhǎng)隧道的施工工法仍以傳統(tǒng)鉆爆法為主，采用分部開挖工法以期滿足特殊地層（或不良地層）的施工要求。

鉆爆法對(duì)地層適用性強(qiáng)，適用范圍廣，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件變化時(shí)可及時(shí)對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整，靈活多變。同時(shí)，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，施工經(jīng)驗(yàn)豐富，已形成科學(xué)完整系統(tǒng)的施工工藝，且成本較低。但鉆爆法存在掘進(jìn)速度慢，施工工序繁雜，各工序干擾影響大，不利于圍巖穩(wěn)定，超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重，斷面不規(guī)整，容易誘發(fā)沖擊地壓、巖爆、片幫等災(zāi)害，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差、施工質(zhì)量差，工程質(zhì)量控制難度大等問題。

針對(duì)支護(hù)形式廣泛采用管棚+錨桿+注漿+鋼拱架+噴混凝土等聯(lián)合支護(hù)體系，對(duì)軟弱地層施作超前小導(dǎo)管支護(hù)，由高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索及注漿手段對(duì)破碎圍巖加固，封閉U 型鋼拱架、可縮性支架、襯砌、鋼筋網(wǎng)等若干種支護(hù)形式組成高強(qiáng)聯(lián)合支撐，如圖1 所示。然而，多重高強(qiáng)聯(lián)合支護(hù)形式也很難滿足深埋長(zhǎng)隧道高地應(yīng)力開挖損傷和開挖動(dòng)力破壞（如巖爆和應(yīng)力性坍塌等）的控制要求。

圖1 初襯+二襯+鋼拱架+錨桿等支護(hù)方式Fig.1 Traditional supporting way(initial lining and second linging and steel arch and bolt)

國(guó)內(nèi)外多處深埋長(zhǎng)隧道中發(fā)生過(guò)支護(hù)失效等事故，見圖2。阿爾貝格隧道（Arlberg）長(zhǎng)13.98 km，最大埋深740 m，初始地應(yīng)力為13 MPa，圍巖為千枚巖、片麻巖、含糜稜?zhēng)r的片巖、綠泥巖等。隧道在施工過(guò)程中產(chǎn)生了20～35 cm 的支護(hù)位移，變形初速度達(dá)到4～6 cm/d，最大達(dá)11.5 cm/d。Tauern隧道全長(zhǎng)6 400 m，埋深600～1 000 m，在施工過(guò)程中產(chǎn)生50 cm 及120 cm 的位移變形，最大位移速度達(dá)20 cm/d。

圖2 隧道支護(hù)失效Fig.2 Supporting failure of tunnel

2.2 TBM 全斷面掘進(jìn)法

TBM 是普遍應(yīng)用于地鐵等淺埋隧道開挖的專用工程機(jī)械，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測(cè)量導(dǎo)向糾偏等功能。在國(guó)內(nèi)有兩種提法，一種是巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM），另一種是盾構(gòu)。TBM 僅指適合硬巖掘進(jìn)的隧道掘進(jìn)機(jī)，即TBM。其中，硬巖TBM 又可分為敞開式TBM、護(hù)盾式（單護(hù)盾、雙護(hù)盾）TBM。圖3為雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)。

圖3 單護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)Fig.3 Single shield TBM

TBM 具有全斷面開挖、出渣、支護(hù)以及灌漿等工藝同步進(jìn)行，一次成洞，連續(xù)施工，施工效率高，掘進(jìn)速度快等優(yōu)勢(shì)。根據(jù)國(guó)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)隧道長(zhǎng)度與直徑之比大于600 時(shí)，采用TBM 施工是經(jīng)濟(jì)的，其一般速率是常規(guī)鉆爆法的3～10 倍[12]。同時(shí)，深部地層水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力大小趨近，TBM 施工形成的圓形斷面受力狀態(tài)良好，有效避免了開挖后局部圍巖應(yīng)力集中，最有利于圍巖穩(wěn)定。同時(shí)，工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，施工安全，事故發(fā)生概率比鉆爆法小。

針對(duì)支護(hù)形式，敞開式TBM 一般配置有鋼拱架安裝機(jī)構(gòu)、錨桿安裝設(shè)備、掛網(wǎng)機(jī)構(gòu)、噴射混凝土系統(tǒng)等，確?？焖偻瓿沙跗谥ёo(hù)。護(hù)盾式TBM采用預(yù)制鋼筋混凝土管片封閉支護(hù)，在護(hù)盾末端安裝預(yù)制管片，并使用灌漿機(jī)壁后回填注漿，使管片與圍巖緊密接觸，管片支護(hù)剛度大，強(qiáng)度高，對(duì)圍巖變形有很好的控制作用。

TBM 的缺點(diǎn)主要是對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，針對(duì)性強(qiáng)，對(duì)于不同地質(zhì)條件需要設(shè)計(jì)不同的掘進(jìn)機(jī)；同時(shí)，TBM 主機(jī)重量大，前期訂購(gòu)TBM 費(fèi)用較多，要求施工人員技術(shù)水平和管理水平高，對(duì)短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

自1978年以來(lái)，甘肅省引入大秦工程、山西省萬(wàn)家寨引黃工程和陜西省秦嶺鐵路隧道工程等項(xiàng)目采用國(guó)外大型TBM 進(jìn)行施工，取得了成功，創(chuàng)造了月平均成洞1 000 m 以上的記錄。因此，TBM在深埋長(zhǎng)隧道開挖掘進(jìn)中具有很好的應(yīng)用前景。

2.3 TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法

TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法是指用小直徑掘進(jìn)機(jī)超前掘進(jìn)導(dǎo)洞，然后采用擴(kuò)孔機(jī)或鉆爆法擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)斷面的隧道施工方法，見圖4。

圖4 意大利某TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法隧道Fig.4 TBM bored pilot and enlarging tunnel method in Italy

基于深埋長(zhǎng)隧道所處的特殊地質(zhì)條件，采用TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法具有明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）采用小直徑TBM 先行掘進(jìn)后，便于對(duì)隧道范圍進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，便于擴(kuò)挖過(guò)程中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；（2）在高地應(yīng)力區(qū)域，TBM 導(dǎo)洞可釋放部分圍巖應(yīng)力，主隧道擴(kuò)挖時(shí)，圍巖應(yīng)力第二次重分布，2 次圍巖應(yīng)力釋放，可有效地避免高地應(yīng)力引起的巖爆發(fā)生；（3）由于TBM先行開挖的導(dǎo)洞相當(dāng)于增加了自由面，因此采用炸藥或者機(jī)械破碎巖石將更加容易；（4）有利于有效斷面控制；（5）有利于進(jìn)行快速開挖，可以有效地降低建造成本。

在意大利、日本和我國(guó)周邊一些國(guó)家已有很多隧道采用TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖施工，而國(guó)內(nèi)采用TBM 先挖導(dǎo)洞而后用鉆爆法擴(kuò)挖的施工方法僅在濟(jì)陽(yáng)高速太行隧道左線中段實(shí)施。

TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法的缺點(diǎn)主要是TBM 對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性差，對(duì)于可能有大量涌水、涌泥、巖溶等不良地質(zhì)段，不宜采用該方法。隨著勞動(dòng)力價(jià)格的提高和安全風(fēng)險(xiǎn)的有效控制，TBM 導(dǎo)洞擴(kuò)挖法在中國(guó)具有很大的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

3 深埋長(zhǎng)隧道TBM 施工關(guān)鍵問題

隨著隧道長(zhǎng)度的劇增和埋深的加大，一系列前所未有的特殊工程地質(zhì)問題出現(xiàn)，國(guó)內(nèi)還沒有較完善的理論和技術(shù)對(duì)深埋長(zhǎng)隧道進(jìn)行優(yōu)質(zhì)、高效、安全的施工，TBM 在深埋長(zhǎng)隧道中的應(yīng)用還處于起步階段，許多施工問題需要探討和解決。

3.1 巖 爆

當(dāng)深埋隧道圍巖在高圍壓作用下變形超過(guò)彈性及塑形條件達(dá)到破裂變形，圍巖出現(xiàn)大變形、片幫及巖爆災(zāi)害，對(duì)其控制難度極大，造成危害極大。

巖爆是深埋脆性、高強(qiáng)硬巖、無(wú)水、構(gòu)造發(fā)育隧道中易出現(xiàn)的一種災(zāi)害，只要洞室所受荷載達(dá)到了臨界值，就有可能發(fā)生巖爆[13]。近年來(lái)隨著隧道硐室埋深的增加，巖爆的發(fā)生率不斷上升。秦嶺隧道在開挖過(guò)程中輕微巖爆28 段，中等巖爆11 段，強(qiáng)烈?guī)r爆4 段。在南非深部金礦，67%的死亡和30%的受傷者與巖爆和巖崩有關(guān)[14]。

深埋長(zhǎng)隧道TBM 施工通過(guò)滾刀與巖石的擠壓作用達(dá)到破巖目的。開挖擾動(dòng)使得初始地應(yīng)力釋放，工作面巖體應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖塊抗拉強(qiáng)度時(shí)便有裂隙產(chǎn)生，完整巖石變成節(jié)理發(fā)育的巖體。從該角度來(lái)看，高地應(yīng)力下導(dǎo)致的巖體裂隙發(fā)育有利于TBM 滾刀破巖，減少了刀具的磨損，有利于隧道開挖施工，即堅(jiān)硬巖層開挖中出現(xiàn)的“好鑿好破”現(xiàn)象。同時(shí)，巖爆的發(fā)生使得TBM 對(duì)圍巖的變形及開挖控制能力減弱。掘進(jìn)面發(fā)生巖爆時(shí)，除了巖體沖擊力對(duì)刀盤刀具的損傷外，滾刀對(duì)掌子面的振動(dòng)沖擊對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)的損傷及其嚴(yán)重。因此，深埋長(zhǎng)隧道TBM 施工中特別注意卡盾事故。

3.2 超前地質(zhì)探測(cè)問題

由于TBM 對(duì)地層的適應(yīng)性差，施工前的地質(zhì)勘察成為TBM 設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。然而，由于深埋長(zhǎng)隧道在施工前的地質(zhì)勘察很難做得十分詳盡，施工中常常出現(xiàn)一些不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害，例如，涌水、巖溶、瓦斯、斷層、膨脹巖、高地應(yīng)力及圍巖大變形等。臺(tái)灣雪山隧道埋深達(dá)700 m，多處穿越褶皺沖斷構(gòu)造，且上覆巖土層復(fù)雜，設(shè)計(jì)采用雙護(hù)盾TBM 施工。北上線TBM 于1996年5月開挖，1999年9月被廢棄，期間經(jīng)歷了7 次受困地質(zhì)處理，多次發(fā)生盾尾預(yù)制混凝土加固管片突然坍塌、地下水涌入隧道。南下線TBM 于1996年8月開挖，開挖至654 m 時(shí)遭遇斷層，改采頂導(dǎo)洞+TBM混合施工。在危地馬拉的Rio Chixoy 水電站的27 km 長(zhǎng)的供水隧道中，因遇到巖溶，1 臺(tái)TBM 被埋在1 個(gè)侵蝕洞穴內(nèi)。委內(nèi)瑞拉隧道長(zhǎng)27 km，其圍巖變形每分鐘達(dá)到20 cm，致使TBM 無(wú)法完成掘進(jìn)而停工，因此，TBM 在掘進(jìn)過(guò)程中必須有超前地質(zhì)探測(cè)的保證。

TBM 常用的超前地質(zhì)探測(cè)手段包括超前鉆探和地質(zhì)雷達(dá)，超前鉆探能滿足TBM 每天掘進(jìn)距離不大于20～30 m 需要。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)已普遍適用于常規(guī)鉆爆法的超前探測(cè)，法國(guó)巴黎Eole 工程在TBM掘進(jìn)過(guò)程中成功利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前探測(cè)[15]。

3.3 卡 盾

卡盾是TBM 施工過(guò)程中重大事故之一，有關(guān)卡盾的研究大多都只是側(cè)重于圍巖變形控制和卡盾治理措施[16]。

深埋長(zhǎng)隧道所處地應(yīng)力 p0較高（20～30 MPa），TBM 施工開挖后，巖體應(yīng)力重新分布，隧道表面徑向應(yīng)力部分作用于TBM 支護(hù)管片，環(huán)向應(yīng)力增加，巷道徑向半徑內(nèi)擠壓變形出現(xiàn)塑性區(qū)。巖體應(yīng)力分布狀況如圖5 所示。圖中，Pi為圍巖屈服應(yīng)力值；F為圍巖與TBM 管片相互作用力；ΔR為TBM 超挖量。

圖5 深埋隧道TBM 施工受力分析Fig.5 Stress analysis of TBM construction in deep tunnel

地下洞室開挖存在工作面時(shí)空效應(yīng)，工作面前方巖體受施工影響發(fā)生一部分沉降，工作面圍巖位移約為最終位移的0.3 倍，工作面后方護(hù)盾周圍的圍巖變形量是隨距離工作面距離增加而變大的，最終在一定距離處圍巖徑向位移達(dá)到穩(wěn)定，見圖6。

圖6 TBM 施工過(guò)程中圍巖徑向位移ur變化規(guī)律Fig.6 Profile of radial displacement of surrounding rock urfor TBM tunnel in the vicinity of tunnel face

隧道圍巖的徑向位移沿軸向的變化規(guī)律，1995年P(guān)anet 利用彈性模型提出徑向位移ur與工作面距離x 之間的關(guān)系[17]：

式（1）僅僅當(dāng)x＞0 時(shí)成立。1998年Chern 根據(jù)Mingtam 電力隧道工作面附近圍巖的變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理如圖7 所示[18]。在該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上Hoek建議徑向位移 ur與工作面距離x 之間最佳擬合公式[15]：

圖7 沿隧道軸向方向圍巖徑向位移變化曲線[18]Fig.7 Radial curves of surrounding rock in the axial direction of tunnel[18]

依據(jù)上述分析，在TBM 施工過(guò)程中護(hù)盾不斷被向前推進(jìn)，在(X+)＜ L范圍內(nèi)，若成立時(shí)，圍巖與護(hù)盾接觸并相互作用，存在卡盾可能性；若其不成立時(shí)，圍巖與護(hù)盾未接觸，無(wú)卡盾可能性。

本文針對(duì)深埋軟巖、硬巖地層隧道TBM 施工卡盾問題進(jìn)行討論。

（1）軟巖地質(zhì)

擠壓軟弱地層區(qū)段圍巖將出現(xiàn)強(qiáng)烈的擠壓性大變形，當(dāng)其變形量超過(guò)開挖預(yù)留的變形量，圍巖開始與護(hù)盾接觸并擠壓護(hù)盾，進(jìn)而在TBM 推進(jìn)時(shí)圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生摩擦阻力，當(dāng)TBM 推力無(wú)法克服圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生的摩擦阻力時(shí)，便導(dǎo)致TBM 被卡，甚至導(dǎo)致護(hù)盾遭損。

劉泉聲等[2]通過(guò)考慮工作面空間效應(yīng)，基于Hoek-Brown 準(zhǔn)則研究了軟巖巷道無(wú)支護(hù)條件下圍巖的最大徑向位移量。同時(shí)，根據(jù)式（2）巷道徑向位移量ur與工作面距離x 之間的關(guān)系：

當(dāng)圍巖與管片接觸后，管片受力逐漸增大，圍巖徑向應(yīng)力逐漸減小，其相互之間的作用力為

護(hù)盾所受到的摩擦阻力 Rf等于圍巖壓力 pi(x)對(duì)護(hù)盾表面的積分加上護(hù)盾重量引起的摩擦阻力：

式中：R為管片外徑；μ為護(hù)盾與圍巖之間的摩擦系數(shù)；W為護(hù)盾重量。

根據(jù)卡機(jī)機(jī)制，提出卡機(jī)判據(jù)為

式中：Fb為TBM 機(jī)器正常連續(xù)掘進(jìn)的開挖推力；FI為TBM 額定推力。

劉泉聲等以淮南礦業(yè)集團(tuán)朱集煤礦-906 m 軌道大巷為例，其圍巖為花斑泥巖，局部埋深1 200 m，巷道開挖直徑為6 m，長(zhǎng)4 km，地應(yīng)力31.2 MPa。通過(guò)上述理論計(jì)算表明該工況下TBM 將發(fā)生卡機(jī)事故。

（2）硬巖地質(zhì)

實(shí)踐表明[19]，當(dāng)加載應(yīng)力增加到一定值時(shí)，多數(shù)巖體將由脆性斷裂破壞轉(zhuǎn)化為塑形斷裂破壞。當(dāng)加載應(yīng)力較低時(shí)，巖體表現(xiàn)為脆性破壞特征，運(yùn)用Hoek-Brown 準(zhǔn)則以估算破壞時(shí)的極限應(yīng)力；而加載應(yīng)力較高時(shí)，多數(shù)巖體破壞模式塑形破壞，這種條件下巖體的強(qiáng)度包絡(luò)線為一條直線，更符合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則。

為與深埋軟巖隧道卡機(jī)比較，本論文在相同的開挖參數(shù)、機(jī)器參數(shù)為參考，將圍巖軟巖材料改為硬巖材料參數(shù)，并參考錦屏Ⅱ級(jí)水電站深部大理巖性，見表1、2。通過(guò)FLAC 數(shù)值計(jì)算TBM 開挖隧道未支護(hù)條件下最大徑向位移量。

表1 TBM 開挖參數(shù)Table 1 TBM excavation parameters

表2 圍巖材料參數(shù)[20]Table 2 Surrounding rocks material parameters[20]

圖8、9 分別為軟巖、硬巖地層隧道TBM 施工完畢后圍巖的豎向沉降量及塑性區(qū)。

圖8 軟巖地層隧道TBM 施工圍巖響應(yīng)Fig.8 Surrounding rocks response for TBM tunnel in soft rock stratum

圖9 硬巖地層隧道TBM 施工圍巖響應(yīng)Fig.9 Surrounding rocks response for TBM tunnel in hard rock stratum

圖10為隧道拱頂某處監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨隧道掘進(jìn)產(chǎn)生的豎向位移量及最終位移量的百分比變化曲線。

由圖8～10 可以看出，硬巖地質(zhì)條件下TBM施工導(dǎo)致拱頂巖體徑向位移45 mm，小于TBM 邊刀超挖量，即不會(huì)發(fā)生卡機(jī)事故。

上述數(shù)值分析基于連續(xù)巖體介質(zhì)，未考慮節(jié)理發(fā)育巖塊剝離等，但在深埋硬巖地質(zhì)條件下高地應(yīng)力極易導(dǎo)致拱頂及片幫巖爆發(fā)生，因此可以判斷在高地應(yīng)力下TBM 開挖施工，若無(wú)巖爆等對(duì)TBM 造成損壞，無(wú)卡機(jī)事故發(fā)生。

圖10 巷道拱頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)徑向位移量與工作面距離關(guān)系Fig.10 Relationships between radial displacement and distance to working face for the vault monitoring points

4 結(jié)論

（1）深埋脆性硬巖條件下，TBM 施工易導(dǎo)致工作面裂隙發(fā)育，甚至發(fā)生巖爆。但高地應(yīng)力作用下裂隙發(fā)育有利于TBM 滾刀破巖，減少刀盤刀具的磨損程度，有利于TBM 施工；但巖石沖擊力及刀盤振動(dòng)對(duì)刀盤刀具已產(chǎn)生沖擊性損傷。

（2）由于深埋隧道地質(zhì)勘察深度不夠，詳細(xì)資料缺乏不詳以及TBM 地層適應(yīng)性差，TBM 施工過(guò)程中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)極為重要，應(yīng)該加強(qiáng)隧道沿線地質(zhì)的超前預(yù)報(bào)工作。

（3）卡盾是TBM 施工過(guò)程中最重要災(zāi)害之一，特別是深埋隧道對(duì)卡盾的處理更為艱難。對(duì)深埋軟巖地層而言，TBM 施工易導(dǎo)致圍巖大變形而發(fā)生卡盾。當(dāng)圍巖為完整硬巖時(shí)，TBM 發(fā)生卡盾的可能性不大。

將TBM 應(yīng)用于深埋長(zhǎng)隧道具有其特殊的優(yōu)勢(shì)與不足。在解決關(guān)鍵巖石力學(xué)問題的基礎(chǔ)上對(duì)TBM施工加以改進(jìn)以應(yīng)用于深埋長(zhǎng)隧道建設(shè)，既保留了其原有的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足工程需要，便可以解決深埋長(zhǎng)隧道開挖支護(hù)中的諸多困難。TBM 開挖支護(hù)技術(shù)將成為深埋長(zhǎng)隧道建設(shè)的首選和重要發(fā)展方向。

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