深部復(fù)合地層隧道TBM施工風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)課件

盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深部復(fù)合地層隧道TBM與設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)引言深部復(fù)合地層地質(zhì)特征深部復(fù)合地層TBM施工風(fēng)險(xiǎn)復(fù)合地層TBM施工實(shí)例目錄設(shè)計(jì)制造中關(guān)鍵技術(shù)引言（一）深部復(fù)合地層TBM施工的必然趨勢(shì)

1、深長(zhǎng)隧（巷）道是大型特大型交通、礦山、水利工程建設(shè)的關(guān)鍵控制性工程，其建設(shè)安全關(guān)系到國(guó)家重大工程的整體安全。預(yù)計(jì)未來(lái)5~10年內(nèi)，將會(huì)有越來(lái)越多的礦井進(jìn)入超千米深部開拓開采階段，我國(guó)也將成為世界上資源開采深度最大的幾個(gè)國(guó)家之一，深部巷道的掘進(jìn)比例將會(huì)大幅度提高。目前煤炭開采埋深超1000m的隧道每年有2200km。（一）深部復(fù)合地層TBM施工的必然趨勢(shì)

1、深長(zhǎng)隧（巷）道是大型特大型交通、礦山、水利工程建設(shè)的關(guān)鍵控制性工程，其建設(shè)安全關(guān)系到國(guó)家重大工程的整體安全。國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展對(duì)西部地區(qū)水資源開發(fā)提出了巨大需求，合理的水資源開發(fā)已成為保障我國(guó)能源安全、改善能源結(jié)構(gòu)、優(yōu)化地區(qū)水資源調(diào)配的重大戰(zhàn)略舉措。滇中調(diào)水、伊犁河調(diào)水和南水北調(diào)西線工程（二）深部復(fù)合地層TBM施工的優(yōu)勢(shì)深部地層水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力趨近，TBM形成的圓形斷面最有利于隧道圍巖穩(wěn)定；TBM掘進(jìn)對(duì)圍巖開挖擾動(dòng)小，并能及時(shí)施作管片等全斷面封閉支護(hù)，有利于圍巖穩(wěn)定；TBM實(shí)現(xiàn)開挖和支護(hù)機(jī)械化連續(xù)作業(yè)，掘進(jìn)速度可以達(dá)到鉆爆法的3~6倍，大大提高掘進(jìn)支護(hù)效率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)環(huán)境。安全、文明、經(jīng)濟(jì)、自動(dòng)化與信息化程度高一、深部復(fù)合地層地質(zhì)特征成因復(fù)雜、影響因素眾多巖體自重構(gòu)造運(yùn)動(dòng)地形條件地震作用深埋地層，高地應(yīng)力是危及工程巖體安全的主導(dǎo)因素。目前，一般認(rèn)為地應(yīng)力為20~30MPa為高地應(yīng)力。巖爆是在地下空間開挖過(guò)程中，頻發(fā)于高地應(yīng)力地區(qū)、脆性硬巖地質(zhì)條件下的一種動(dòng)力失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害。高地壓下硐室開挖致災(zāi)機(jī)理開挖卸荷引起巖體應(yīng)力場(chǎng)的擾動(dòng)和重分布，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力值和方向發(fā)生變化?！ㄒ唬└叩貞?yīng)力-巖爆距離掌子面2~10m以內(nèi)，往后逐漸減少。倍洞徑到1.2~1.5倍洞徑處，往后逐漸減少巖爆高發(fā)區(qū)巖爆形式巖爆誘因內(nèi)因：高儲(chǔ)能巖體的存在，

應(yīng)力接近巖體強(qiáng)度外因：附加荷載的觸發(fā)破裂松脫、爆裂彈射、更嚴(yán)重的表現(xiàn)為爆炸拋射。掌子面開挖后的5～20h是巖爆發(fā)生高峰期，一般TBM設(shè)備在5h的時(shí)間里可掘進(jìn)十幾米，而這個(gè)距離和時(shí)間正好處于TBM設(shè)備的支護(hù)區(qū)域內(nèi)

巖爆發(fā)生期（二）高壓涌突水上層滯水承壓水潛水隨埋深增加，地下水滲透壓力增加。地下水常賦存于孔隙、構(gòu)造裂隙、溶蝕裂隙、溶洞等。高水壓地下硐室開挖致災(zāi)機(jī)理破壞地下水的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移通道及含水層結(jié)構(gòu)，使水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生急劇改變，以致地下水體所儲(chǔ)存的能量以流體（常含固體物質(zhì)）高速運(yùn)移形式瞬間釋放而產(chǎn)生的一種動(dòng)力破壞。圍巖類別石灰?guī)r碎屑巖變質(zhì)巖粘土巖最小涌水量100~200125~300150~20010~40圍巖被沖潰所需的最小涌水量(m3/h)高水壓地下硐室開挖致災(zāi)形式破壞地下水平衡系統(tǒng)，改變了隧道圍巖水壓環(huán)境；圍巖滲水導(dǎo)致隧道近場(chǎng)圍巖有效應(yīng)力增加，從而加劇近表圍巖的破壞失穩(wěn)。高水頭環(huán)境下，施工導(dǎo)致連通性增大，張開度增加。水壓劈裂作用導(dǎo)致導(dǎo)水裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)張。高水頭環(huán)境下，滲流攜帶泥砂，易發(fā)生大規(guī)模突水突泥事故。高水壓地下硐室開挖工程危害涌水事故頻發(fā)，伴有涌泥、涌砂，淹沒(méi)坑道、沖毀機(jī)具；地面沉降、甚至塌陷；水資源減少和枯竭,水質(zhì)污染；施工被迫中斷,重大人員傷亡。（三）高地溫高地溫的定義：溫度大于28℃

地溫隨深度增加而增大，地下硐室隨開挖深度增大而高溫?zé)岷?wèn)題加劇。高地溫問(wèn)題已成為隧道工程、采礦工程及其他地下工程常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題。國(guó)名隧道名稱長(zhǎng)度/km最大埋深/m溫度/℃日本安房公路隧道4.3570075瑞士Simplon19.731214055.4美國(guó)特科洛特公路隧道6.40228747中國(guó)齊熱哈塔爾引水隧道15.63170075意大利亞平寧鐵路隧道18.518200063.8國(guó)內(nèi)外部分隧道的地溫值（四）基巖斷裂帶引起的長(zhǎng)距離復(fù)合地層正斷層、逆斷層和平衡斷層。兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相互擠壓，使附近的巖石破碎，形成與斷層面大致平行的破碎帶，叫斷層破碎帶，簡(jiǎn)稱斷裂帶。隧道穿過(guò)斷層，施工難度主要取決于斷層的性質(zhì)、斷層破碎帶的寬度、填充物、含水性和隧道軸線與斷層構(gòu)造線的關(guān)系。當(dāng)隧道軸線斜交或平行于構(gòu)造方向時(shí)，隧道穿過(guò)破碎帶長(zhǎng)度較大，并有強(qiáng)大側(cè)壓力，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)體系，及時(shí)封閉。在各種不良地質(zhì)條件中，斷層破碎帶是重要的地質(zhì)災(zāi)害源。斷層破碎帶不同種類與變化引起的工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題較多，對(duì)其理論認(rèn)識(shí)不充分，施工技術(shù)不完善。斷層對(duì)硐室開挖的影響因素?cái)鄬有再|(zhì)斷層破碎帶寬度充填物含水性斷層活動(dòng)性硐室軸線和斷層構(gòu)造方向組合方式（四）基巖斷裂帶引起的長(zhǎng)距離復(fù)合地層由于斷層破碎帶的形態(tài)復(fù)雜，影響因素眾多，因此具有一系列特殊的變形破壞形式、機(jī)理等。斷層破碎帶致災(zāi)機(jī)理斷層破碎帶巖體力學(xué)強(qiáng)度低、潛在應(yīng)力釋放快、圍巖穩(wěn)定性差，開挖對(duì)其破壞程度遠(yuǎn)大于完整巖體。因此施工難度更大，更易導(dǎo)致施工災(zāi)害。容易出現(xiàn)突水、突泥、留渣、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。斷層破碎帶工程危害（四）基巖斷裂帶引起的長(zhǎng)距離復(fù)合地層陶恩(Tauern)隧道:1970～1975年修建于奧地利，為雙向行駛之公路隧道(單洞)，全長(zhǎng)6400m，埋深600～1000m。該隧道施工中在千枚巖和綠泥石地段發(fā)生了大變形，產(chǎn)生了50cm(一般)及120cm(最大)的位移，最大位移速度達(dá)20cm/d，是世界上第一座知名的大變形隧道。阿爾貝格(Arlberg)隧道:阿爾貝格隧道也在奧地利，系公路隧道，全長(zhǎng)13980m。隧道最大埋深740m，原始地應(yīng)力13MPa，圍巖為千枚巖、片麻巖、含糜稜?zhēng)r的片巖綠泥石等，抗壓強(qiáng)度為1.2～2.9MPa。仍產(chǎn)生了20～35cm的支護(hù)位移，變形初速度達(dá)到4～6cm/d，最大達(dá)11.5cm/d。軟巖隧洞的破壞主要特征：

變形破壞方式多:

拱頂下沉、坍塌外，還有片幫和底鼓、底圍隆破，隧洞表現(xiàn)出強(qiáng)烈的整體收斂和破壞。變形量大:

拱頂下沉大于10cm，有的高達(dá)50cm，兩幫擠入在20~80cm之間。

變形速度高:

初期收斂速度可以達(dá)到3cm/d，即使施作了常規(guī)錨噴支護(hù)以后，可達(dá)2cm/d。持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)：變形破壞持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，往往長(zhǎng)達(dá)1~2年。因位置而異：具有強(qiáng)烈的各向異性。圍巖破壞范圍大：可達(dá)5倍的洞室半徑，甚至更大。來(lái)壓快：礦壓隨時(shí)間而增大，收斂速度高，在很短時(shí)間內(nèi)，圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸，產(chǎn)生擠壓。具有流變性。二、深部復(fù)合地層TBM施工風(fēng)險(xiǎn)（二）高水壓，TBM壓力平衡風(fēng)險(xiǎn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源的需求也在不斷加大，資源開發(fā)正在向超千米深部延伸。但也伴隨著諸多風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生：（1）開挖面失穩(wěn)；（2）隧道周圍土體易坍塌；（3）隧道易上浮；（4）盾尾等部位密封難滿足；（5）管片接縫防水難實(shí)現(xiàn)。（三）高地溫TBM施工設(shè)備、人員風(fēng)險(xiǎn)高地溫的嚴(yán)重危害：作業(yè)人員經(jīng)常出現(xiàn)頭暈、嘔吐現(xiàn)象；圍巖表面產(chǎn)生潮解現(xiàn)象，遇水即成粉末，巖面噴射混凝土后立即脫落，無(wú)法粘結(jié)；施做的砂漿錨桿強(qiáng)度抗拔力不能滿足設(shè)計(jì)要求；出碴設(shè)備每作業(yè)一小時(shí)左右，機(jī)體溫度升高就要出洞用水冷卻；盾構(gòu)設(shè)備電氣、液壓一系列問(wèn)題；測(cè)量?jī)x器測(cè)距失效，根據(jù)測(cè)量?jī)x器操作說(shuō)明書，正常工作環(huán)境溫度范圍為-20℃～45℃。長(zhǎng)距離TBM超深隧道施工良好的通風(fēng)必要的降溫措施非常重要（五）硬巖巖爆，設(shè)備人員風(fēng)險(xiǎn)影響巖爆發(fā)生的因素眾多：隧道埋深、巖體結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)屬性、巖石的能量特征等，控制難度大，同時(shí)控制不當(dāng)，也會(huì)造成重大事故。（六）硬巖刀具損耗大，工程成本風(fēng)險(xiǎn)刀具損耗是評(píng)價(jià)硬巖掘進(jìn)機(jī)工作性能的一個(gè)重要參數(shù)，綜合國(guó)際及國(guó)內(nèi)承包商的工程經(jīng)驗(yàn)，刀具消耗占TBM施工成本的1/4~1/5。三、幾個(gè)深部復(fù)合地層TBM施工案例（一）臺(tái)灣雪山隧道TBM施工TBM類型：雙護(hù)盾開挖初期己確知的斷層有石槽(I)、石牌北支(II)與南支(Ⅲ)、大金面(Ⅳ)、巴陵(V)、上新(Ⅵ)及金盈斷層(Ⅶ)。寬度由l0m至60m不等。另懷疑是斷層的線型有數(shù)十條。主要區(qū)域性褶皺僅有鶯仔港向斜(A)及倒吊子向斜(B)兩條。其它露出于坪林隧道沿線的小折皺構(gòu)造則多達(dá)9條。

雪山隧遭位于歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊折皺沖斷構(gòu)造區(qū)，覆蓋層厚達(dá)700余m，由老而新有始新世四棱砂巖(SL)、漸新世干溝層(KK)、粗窟層(倦)、大桶山層(TT)以及中新世媽岡層(MK)及枋腳層(FC)等六層，北上線施工：TBM于1996年5月1日開始開挖，1999年9月廢棄這臺(tái)TBM，轉(zhuǎn)由鉆爆法進(jìn)行施工，僅完成456m。期間經(jīng)歷了7次受困地質(zhì)處理，發(fā)生了盾尾的預(yù)制混凝土加固管片突然坍塌、地下水涌入隧道，涌水產(chǎn)生的大量廢渣將整個(gè)TBM掩埋達(dá)100余m。南下線掘進(jìn)：南下線TBM則于l996年8月19日開始開挖。1997年7月10日，TBM開挖了654m，遭遇斷層，改采頂導(dǎo)洞+及TBM混合工法，共計(jì)l935m。TBM停機(jī)2年9個(gè)月，于2000年4月1日才重新啟動(dòng)，配合前方頂導(dǎo)洞施工進(jìn)度，采取漸近式開挖掘進(jìn)。歷經(jīng)8年半。期間尾盾也存在過(guò)卡盾現(xiàn)象。

堅(jiān)硬巖石，刀盤刀具磨損劇烈

四棱砂巖地層巖質(zhì)堅(jiān)硬破碎，單壓強(qiáng)度達(dá)310MPa，石英含量更超過(guò)90％。涌水地帶遭遇達(dá)50L/s的破碎涌水地帶，涌水挾帶大量泥沙及碴料自伸縮盾縫隙、進(jìn)料斗、輸送帶等涌進(jìn)，造成TBM前后盾體堆積大量細(xì)砂及碴料導(dǎo)致無(wú)法組裝環(huán)片、復(fù)位及下一循環(huán)開挖。（二）引洮工程7#隧洞單護(hù)盾TBM施工

地質(zhì)特點(diǎn)：

隧洞地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，圍巖構(gòu)造較為發(fā)育，地層巖相多變，巖性以軟巖、極軟巖為主，局部洞地下水活動(dòng)，地下水具多層承壓性。隧洞圍巖分別由不穩(wěn)定的Ⅳ類和極不穩(wěn)定的Ⅴ類組成。第三系泥質(zhì)膠結(jié)的細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖等極軟巖構(gòu)成的Ⅴ類圍巖段約占85.6%。

TBM施工段，斷面為圓形，采用NFM設(shè)計(jì)NHI制造單護(hù)盾TBM施工單護(hù)盾TBM施工。開挖直徑5.75米，襯砌直徑4.96m。含水疏松細(xì)砂巖洞段TBM被卡：TBM自2009年12月27日開始掘進(jìn)以來(lái)，TBM在能自穩(wěn)的砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖洞段能正常掘進(jìn)，通過(guò)刀盤噴水控制，能克服糊刀盤刀具的不良影響。

自4月20日進(jìn)入含水疏松砂巖地層后掘進(jìn)速度明顯下降，掌子面坍塌嚴(yán)重，于5月14日刀盤被掌子面坍塌下來(lái)的大塊細(xì)砂巖卡住無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)刀盤前方圍巖進(jìn)行灌漿加固和刀盤周邊坍方體清理，6月6日成功啟動(dòng)刀盤，6月8日再次因坍塌困住刀盤，6月17日成功啟動(dòng)刀盤，嘗試性掘進(jìn)，掌子面坍塌嚴(yán)重。該工程后續(xù)又通過(guò)了三個(gè)含水疏松細(xì)砂巖洞段。引起問(wèn)題：掘進(jìn)后的隧洞圍巖坍塌導(dǎo)致豆礫石無(wú)法回填密實(shí)，管片安裝變形嚴(yán)重因脫困需要施工荷載及圍巖內(nèi)應(yīng)力管片不同程度的損傷連續(xù)三次卡機(jī)，多用工期15.5月TBM卡機(jī)原因掌子面圍巖不能自穩(wěn)，坍方嚴(yán)重；復(fù)合地層，掘進(jìn)時(shí)達(dá)不到啟動(dòng)扭矩，導(dǎo)致刀具弦磨損壞，刀盤異常磨損；碴土松散、含水量大，皮帶出碴能力不夠，涌水、涌砂問(wèn)題存在，安裝管片前要進(jìn)行大量清碴工作；處理措施TBM結(jié)合灌漿加固繼續(xù)嘗試性的掘進(jìn)；地質(zhì)補(bǔ)勘工作，查明豎井另一側(cè)的疏松砂巖分布情況；對(duì)已查明的紅山洼集中分布的疏松砂巖洞段繞洞人工開挖（上部開挖導(dǎo)洞，類似雪山隧道），TBM空推管片襯砌通過(guò)；（三）青海引大濟(jì)湟總干渠雙護(hù)盾TBM卡機(jī)實(shí)例工程概況引大濟(jì)湟工程是青海省內(nèi)一項(xiàng)跨流域大型調(diào)水工程。引水隧洞工程位于青海省大坂山區(qū)，全長(zhǎng)24165.83m，進(jìn)口底板高程2955.60m，出口洞底高程2941.70m；采用TB593E/TS雙護(hù)盾TBM施工。(1)煤層瓦斯:侏羅系地層洞段；(2)斷層(24條)；（3)高地應(yīng)力；(4)涌水。先后發(fā)生了5次卡機(jī)事件自2008年4月3日，青?！耙鬂?jì)湟”TMB掘進(jìn)進(jìn)入F5斷層范圍，在斷層內(nèi)掘進(jìn)約20m后，圍巖變形嚴(yán)重，將盾殼抱住，TBM被困。F5斷層：長(zhǎng)約300m，最大埋深694m，母巖為加里東期侵入的石英閃長(zhǎng)巖，受構(gòu)造影響石英閃長(zhǎng)巖總體較破碎，局部為碎裂巖并有輕微蝕變。局部有地下水發(fā)育。TBMF5斷層卡機(jī)情況第一次脫困施工:2008年4.3～29日侵入石英閃長(zhǎng)巖，完整性差、無(wú)水；高地應(yīng)力，節(jié)理發(fā)育，掌子面上部塌方，最高3m塌腔；盾殼大跨以上周邊巖體清除，并采用鋼筋網(wǎng)片＋木板＋方木＋工字鋼臨時(shí)支護(hù)形成一個(gè)高1.2米的空間，以釋放盾殼壓力。

第二次卡機(jī):2008年4月30日～6月26日；侵入石英閃長(zhǎng)巖，石英含量高，圍體完整性差，開始無(wú)水，處理過(guò)程拱部有淋雨?duì)畛鏊?；TBM盾殼周邊收斂巖體清除后，TBM往前掘進(jìn)，掘進(jìn)時(shí)掌子面發(fā)生較大坍塌，刀盤及前盾被卡。掘進(jìn)時(shí)由于盾殼移動(dòng)，第一次脫困施作的臨時(shí)支護(hù)垮塌，盾殼處圍巖亦發(fā)生坍塌；采用人工風(fēng)鎬開挖＋鋼支撐超前小導(dǎo)管錨噴網(wǎng)支護(hù)進(jìn)行開挖，開挖過(guò)程拱部出現(xiàn)淋雨?duì)畛鏊叵滤畬⒐安克w浸泡成泥質(zhì)流體，本段采用密插小導(dǎo)管通過(guò)第三次卡機(jī)侵入石英閃長(zhǎng)巖，石英含量高，圍巖微解理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌，無(wú)水。進(jìn)行刀盤前部人工全斷面開挖+TBM步進(jìn)通過(guò)，隧道底部噴錨注漿，頂部管棚支護(hù)。第四次卡機(jī)隧道超限，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)隧道應(yīng)力收斂停機(jī)；掌子面砼反力墻，TBM后退，重新調(diào)向后掘進(jìn)第五次卡機(jī)2008年11月3日，圍巖微解理裂隙發(fā)育，穩(wěn)定性差，易發(fā)生坍塌；TBM調(diào)向掘進(jìn)后，姿態(tài)處于可控，地質(zhì)破碎，拱頂坍塌（塌腔最高處約10m），周邊圍巖收斂變形，將盾殼抱死，TBM被困。從倒數(shù)第五環(huán)（4520環(huán)）管片C片鋼管片開口進(jìn)入盾殼處，并從后向前自大跨下50cm以上部份開挖收斂圍巖及塌體，并進(jìn)行鋼支撐超前小導(dǎo)管錨噴網(wǎng)支護(hù)。掌子面圍巖及刀盤處塌腔伸縮盾部位塌腔尾盾處塌腔四、選型和設(shè)計(jì)制造中關(guān)鍵技術(shù)（一）TBM選型需要關(guān)注的幾個(gè)問(wèn)題

確保人員和TBM設(shè)備的安全；能滿足大多數(shù)地層適應(yīng)性掘進(jìn)；

能滿足施工工期；能滿足環(huán)保要求的需要；

能應(yīng)對(duì)