2.2 TBM 全断面掘进法 TBM 是普遍应用于地铁等浅埋隧道开挖的专
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ刊 2
周建军等：深埋长隧道 TBM 施工关键问题探讨
301
用工程机械，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装 隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。在国内有两种提 法，一种是岩石掘进机（ TBM ） ，另一种是盾构。 TBM 仅指适合硬岩掘进的隧道掘进机，即 TBM。 其中， 硬岩 TBM 又可分为敞开式 TBM、 护盾式 （单 护盾、 双护盾） TBM。 图 3 为双护盾全断面掘进机。
2
2.1
深埋长隧道掘进与支护
钻爆法 深埋长隧道的施工工法仍以传统钻爆法为主，
(a) 锚杆支护失效 (b) 钢筋网支护失效
采用分部开挖工法以期满足特殊地层 （或不良地层） 的施工要求。 钻爆法对地层适用性强，适用范围广，当地质 条件变化时可及时对施工方案进行调整， 灵活多变。
Fig.2
图 2 隧道支护失效 Supporting failure of tunnel
图 1 初衬+二衬+钢拱架+锚杆等支护方式 Fig.1 Traditional supporting way (initial lining and second linging and steel arch and bolt)
国内外多处深埋长隧道中发生过支护失效等 事故， 见图 2。 阿尔贝格隧道 （Arlberg） 长 13.98 km， 最大埋深 740 m，初始地应力为 13 MPa，围岩为千 枚岩、片麻岩、含糜稜岩的片岩、绿泥岩等。隧道 在施工过程中产生了 20～35 cm 的支护位移，变形 初速度达到 4 ～6 cm/d ，最大达 11.5 cm/d 。Tauern 隧道全长 6 400 m，埋深 600 ～1 000 m，在施工过 程中产生 50 cm 及 120 cm 的位移变形， 最大位移速 度达 20 cm/d。
收稿日期：2014-03-31 基金项目：863 计划课题（No. 2012AA041802，No. 2012AA041803） ；国家国际科技合作专项（No. 2011DFB71550 ） ；洛阳市应用技术研究与开发资 金项目（No. 1301065A） 。 第一作者简介：周建军，男，1969 年生，博士，教授，主要从事岩石力学地下工程技术方面的工作。 E-mail: jianjzhou.ycl@
[5 － 8]
同时，技术已经比较成熟，施工经验丰富，已形成 科学完整系统的施工工艺，且成本较低。但钻爆法 存在掘进速度慢，施工工序繁杂，各工序干扰影响 大，不利于围岩稳定，超欠挖现象严重，断面不规 整，容易诱发冲击地压、岩爆、片帮等灾害，工人 劳动强度大、安全性差、施工质量差，工程质量控 制难度大等问题。 针对支护形式广泛采用管棚 +锚杆+注浆+钢拱 架+ 喷混凝土等联合支护体系，对软弱地层施作超 前小导管支护，由高强度预应力锚杆、锚索及注浆 手段对破碎围岩加固，封闭 U 型钢拱架、可缩性支 架、衬砌、钢筋网等若干种支护形式组成高强联合 支撑，如图 1 所示。然而，多重高强联合支护形式 也很难满足深埋长隧道高地应力开挖损伤和开挖动 力破坏（如岩爆和应力性坍塌等）的控制要求。
第 35 卷增刊 2 2014 年 10 月
文章编号：1000－7598 (2014)增 2－0299－07
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.35 Supp.2 Oct. 2014
深埋长隧道 TBM 施工关键问题探讨
周建军 1, 2，杨振兴 1, 2
（1. 中国中铁隧道集团有限公司 盾构及掘进技术国家重点实验室，郑州 450001；2. 中国中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009）
。例如，为解决超千米深井巷道建设
支护难的问题，刘泉声等 [9]引入全断面岩石巷道掘 进机 （RBM） ， 其开挖、 支护原理类似于盾构 （TBM） 。 为解决深埋长斜井建设周期长、造价高的问题，何 川等[10]深入分析了深部围岩工程及 TBM 施工的研 究现状，继而从施工技术、支护体系等方面归纳了 TBM 施工深埋长距离斜井尚需解决的问题。 何满潮 等[11]认为在深部岩体所属的非线性力学系统中，传 统的理论、方法与技术大部分已失效，深入进行深 部岩体的基础理论研究势在必行。 隧道掘进机（TBM）以其安全、优质、高效、 经济、有利于围岩稳定等优点在浅埋隧道中得到广 泛应用。然而，TBM 在深埋隧道中的应用比较少， 且在工程应用中出现了一些难题，诸如岩爆、TBM 对前方地质适应性差以及卡盾问题尤为突出。 例如， 锦屏二级水电站 1#、3#及排水洞采用 TBM 施工开 挖，但在开挖过程中由于地应力较大，围岩出现岩爆 及片帮等灾害影响 TBM 施工； “引大济湟”调水总 干渠工程隧洞施工过程中因不可预知的不良地质条 件，先后累计十余次因较大的围岩收敛变形、塌方 导致 TBM 卡机/卡盾。同时，卡盾现象也在“引洮供 水” 、 “引红济石”工程中多次出现。因此，TBM 是 否可以应用于深埋长隧洞，工程界仍没有明确定论。 随着我国基础建设过程的进一步深入，在深埋 长隧道施工中高应力围岩开挖损伤及开挖动力响应 的控制已经成为影响工程进度和安全的重要问题。 本文针对深埋长隧道，分析总结传统钻爆法、TBM 法、TBM 导洞扩挖法的优缺点，对 TBM 应用于深 埋软岩、硬岩层长隧道施工中的关键问题进行探 讨。
Key words: deep long tunnel; tunnel boring machine(TBM) construction; TBM bored pilot and enlarging method; rock mechanics;
jamming
1
引
言
118 km，最大埋深 2 525 m，最大洞径达 13.0 m。 由于高地应力作用，隧道施工过程中大理岩围岩多 处发生强度不一的板裂化岩爆与板裂化片帮 [1]。淮 南朱集煤矿埋深大于 1 000 m，巷道多处底板出现 裂缝，U 型钢支护严重破坏[2]。 由于地质条件和经济等多种原因，深埋长隧道 开挖施工仍多采用新奥法施工，开挖施工工法采用 全断面开挖法、台阶开挖法和分部开挖法，支护采 用超前预制管棚+锚杆+钢拱架+喷混凝土等复合式
Abstract: Aiming at high water-pressure, great ground stress, high ground temperature, large deformation, difficult supporting and
other problems in the construction of deep and long tunnels, the superiority and disadvantage of tunnel construction method are conducted, such as drill-blasting method, TBM method, and TBM bored pilot+enlarging method. TBM bored pilot+enlarging method provides a new idea for tunnelling design of deep and long tunnels. Due to the remarkable differences in geological condition between deep tunnels and shallow tunnels, there are three crucial problems for TBM construction, namely, rockburst, TBM jamming (large deformation), and construction accidents (water gush, mud burst, etc.) attributed to inaccurate geological prediction. In order to detect the occurrence of TBM jamming, theoretical analysis and numerical simulation of TBM construction are conducted in deep soft rock and hard rock under certain geological conditions. The results show that the jamming occurs in deep soft rock, but never happens in intact hard rock.
300
岩
土
力
学
2014 年
衬砌形式[3 －4]，即便如此，深埋隧道仍出现了大变 形、支护失效等事故，因此，必须尽快发展适应深 埋隧道特点的掘进技术和围岩稳定控制理论与技 术。在深埋长隧道开挖过程中，特殊的工程地质环 境对隧道的设计与施工、围岩稳定性分析具有重要 影响，许多专家针对深埋岩体提出了不同的研究思 路和观点，推动了深埋长隧道安全、优质、高效的 开挖支护
摘
要：针对深埋长隧道开挖所面临的高水压、高地压、高地温、大变形、难支护等问题，分析总结传统钻爆法开挖与支护
技术、全断面隧道掘进机（TBM）施工技术、TBM 导洞扩挖技术应用中的优劣，TBM 导洞扩挖法为深埋长隧道开挖提供了 新的设计思路。由于深埋长隧道的建设环境与浅埋隧道建设环境存在显著差异， TBM 施工将面临 3 个关键问题——岩爆问 题、卡盾（大变形）问题和未准确探测前方地质而发生的施工事故（涌水、突泥等） 。为揭示 TBM 施工过程中卡盾的存在性， 分别针对某一特定地质条件下深埋软、硬岩 TBM 施工进行理论分析和数值模拟研究。结果表明，软岩地层 TBM 施工发生 卡盾，而硬岩完整地层 TBM 施工未发生卡盾。 关 键 词：深埋长隧道；盾构（TBM）施工；TBM 导洞扩挖法；岩石力学；卡盾 文献标识码：A 中图分类号：U 452