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1、盾构及掘进技术国家重点实验室 周建军 盾构及掘进技术国家重点实验室 深部复合地层隧道TBM施工风险 与设计制造关键技术 钡 窒 春 钨 蕴 艘 怕 嫉 屠 度 泌 醒 疆 躇 罚 合 丧 拷 柜 兹 戒 叁 蛆 配 鸥 摈 昆 郧 克 饵 额 荔 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 引 言 深部复合地层地质特征 深部复合地层TBM施工风险 复合地层TBM施工实例 目目 录录 设计制造中关键技术 烦 游 筑 罪
2、戒 抽 钻 掌 饶 砾 卓 迟 谍 造 刷 貉 兼 信 播 斡 化 漆 汁 乐 蔫 倦 捞 羽 春 禁 潮 防 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 引 言 琳 鹿 霸 街 闰 暑 吻 伞 评 基 饰 打 漾 浑 屉 联 锥 骨 睡 汽 陵 吩 惜 斥 衫 胯 臃 墅 仑 困 涸 翌 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T
3、 B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （一）深部复合地层TBM施工的必然趋势 1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利工 程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家重大 工程的整体安全 西部大开发战略，公铁 网快速发展。西部地区 山高谷深，公铁交通工 程大量埋深达到800米、 长度超过10公里的深长 隧道。 未来5年，规划待建的铁路隧道500余座，总长9000多 公里，其中特长隧道122座，总长达1760公里，埋深超 过800米的隧道总长度将超过1000公里。 勒 矣 抖 既 峡 尿 荚 碴 邑 睹 泪 稿 苹 摘 臀 梭 月 刀
4、冈 牌 包 滓 挽 述 能 愤 啃 梨 浆 拄 欢 始 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （一）深部复合地层TBM施工的必然趋势 1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利 工程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家 重大工程的整体安全。 预计未来510年内，将会有越来越多的矿井进入超千 米深部开拓开采阶段，我国也将成为世界上资源开采 深度最大的几个国家之一，深部巷道的掘进比例将会 大幅度提高。目前煤
5、炭开采埋深超1000m的隧道每年 有2200km。 绍 柱 里 评 茬 救 剔 伴 趣 谦 唬 萌 张 萤 禽 措 坚 摘 唁 冕 豺 容 叠 扁 闯 悍 烧 百 涤 挨 滞 稳 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （一）深部复合地层TBM施工的必然趋势 1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利 工程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家 重大工程的整体安全。 国民经济持续快速发展对西部地区水资源开发
6、提出 了巨大需求，合理的水资源开发已成为保障我国能源 安全、改善能源结构、优化地区水资源调配的重大战 略举措。滇中调水、伊犁河调水和南水北调西线工程 芍 矗 迢 怎 契 踩 鲤 葫 静 酌 矿 电 士 纸 淌 拓 床 白 印 值 好 绥 淖 芳 害 碎 妹 辫 烂 酒 折 帆 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （二）深部复合地层TBM施工的优势 深部地层水平应力与垂直应力趋近，TBM形成的圆 形断面最有利于隧
7、道围岩稳定； TBM掘进对围岩开挖扰动小，并能及时施作管片等 全断面封闭支护，有利于围岩稳定； TBM实现开挖和支护机械化连续作业，掘进速度可 以达到钻爆法的36倍，大大提高掘进支护效率，降 低工人的劳动强度，改善掘进工作面的生产环境。 安全、文明、经济、自动化与信息化程度高 短 挤 砚 擦 歌 储 菲 供 颠 鞭 嘻 崇 蹈 缎 手 恨 吨 扦 基 伦 拙 佩 海 疲 倒 杭 怯 酱 菊 池 耪 溯 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾
8、构及掘进技术国家重点实验室 （三）深部复合地层围岩与TBM的相互作用机 理及安全控制研究的三个关键科学问题 乃 眼 写 谐 柑 适 烂 矛 爽 科 键 曹 该 输 因 笔 甚 轨 氟 各 力 超 遇 晓 颤 郧 芳 揭 康 克 弄 嚼 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 一、 深部复合地层地质特征 赖 醒 滇 斟 运 展 愈 途 凄 婶 周 豪 柒 利 畦 柯 惕 锑 椿 遗 卑 缅 晶 缮 篓 玉 绿 倦 痔
9、 账 狐 钒 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 成因复杂、影响因素众多 岩体自重 构造运动 地形条件 地震作用 深埋地层，高地应力是危及工程岩体安全的主导因素。 目前，一般认为地应力为2030MPa为高地应力。 岩爆是在地下空间开挖过程中，频发于高地应力地区、 脆性硬岩地质条件下的一种动力失稳地质灾害。 高地压下硐室开挖致灾机理 开挖卸荷引起岩体应力场 的扰动和重分布，导致围 岩应力值和方向发生变化 。 （一
10、）高地应力- 岩爆 藏 片 骇 富 懈 异 涤 淄 猖 猛 右 痈 况 梯 角 单 拙 疏 难 镀 迂 贝 日 嗜 律 抗 免 挥 私 土 菊 涨 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 距离掌子面210m以内，往后逐渐减少。 倍洞径到1.21.5倍洞径处，往后逐渐减少 岩爆高发区 岩爆形式 岩爆诱因 内因：高储能岩体的存在， 应力接近岩体强度 外因：附加荷载的触发 破裂松脱、爆裂弹射、更严 重的表现为爆炸抛射。
11、掌子面开挖后的520h是岩爆发生 高峰期，一般TBM设备 在5h的时 间里可掘进十几米，而这个距离和 时间 正好处于TBM设备 的支护区 域内 岩爆发生期 错 徐 佣 仔 些 腔 免 娠 杭 饿 膀 萍 爆 泊 巷 笨 受 畴 勿 欧 硫 僚 逮 薄 属 肠 郡 抗 貉 舞 峨 威 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 岩爆机理 工程岩体破坏时内部储存的弹性应 变能大量转化为破坏动能 表现形式 破裂松脱、爆裂弹射
12、、爆炸抛射 工程危害 1、威胁施工人员、设备安全；2、 影响施工进度；3、造成超欠挖；4 、初期支护失效；5、严重事诱发地 震。 焙 神 锐 称 网 庐 辣 伐 拨 捧 威 折 鬼 欧 畴 厕 此 筋 静 快 嗅 妓 聘 穴 姐 爽 柜 亥 舰 伸 捡 贱 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （二）高压涌突水 上层滞水 承压水 潜水 随埋深增加，地下水渗透压力增加。地下水常赋存于孔隙、 构造裂隙、溶蚀裂隙、溶洞
13、等。 高水压地下硐室开挖致灾机理 破坏地下水的存储和转移通道及含水层结构，使水动力条件和围 岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体 （常含固体物质）高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏。 围岩类别石灰岩碎屑岩变质岩粘土岩 最小涌水量1002001253001502001040 围岩被冲溃所需的最小涌水量(m3/h) 翼 秉 新 唆 舒 偿 讼 颤 咨 耘 代 拦 方 昧 曝 铭 柯 晴 蛤 狐 办 孪 未 攫 洲 序 征 姻 篱 弦 依 建 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T
14、 B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 高水压地下硐室开挖致灾形式 破坏地下水平衡系统，改变了隧道围岩水压环境； 围岩渗水导致隧道近场围岩有效应力增加，从而加剧近表围岩 的破坏失稳。 高水头环境下，施工导致连通性增大，张开度增加。水压劈裂 作用导致导水裂隙的进一步扩张。 高水头环境下，渗流携带泥砂，易发生大规模突水突泥事故。 高水压地下硐室开挖工程危害 涌水事故频发，伴有涌泥、涌 砂，淹没坑道、冲毁机具； 地面沉降、甚至塌陷； 水资源减少和枯竭, 水质污染； 施工被迫中断,重大人员伤亡。 涵 士 越 维 辐 窘 啮 摸 赞 况 馅 疤 尼 剿
15、 虫 瘁 媚 管 纽 辙 逾 盛 圃 老 宏 堑 杖 惠 荡 械 纸 碧 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （三）高地温 高地温的定义：温度大于28 地温随深度增加而增大，地下硐室随开挖深度增大而 高温热害问题加剧。高地温问题已成为隧道工程、采 矿工程及其他地下工程常见的地质灾害问题。 国名隧道名称长度/km最大埋深/m温度/ 日本安房公路隧道4.3570075 瑞士Simplon19.731214055.4
16、 美国特科洛特公路隧道6.40228747 中国齐热哈塔尔引水隧道15.63170075 意大利亚平宁铁路隧道18.518200063.8 国内外部分隧道的地温值 燕 熏 黍 买 替 皑 筑 愈 火 方 掉 挺 池 美 逛 俗 蚀 肤 袒 衅 藉 拇 赖 谁 简 宅 垫 践 臻 报 精 绳 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 高地温致灾机理 1、高温改变岩石力学性质 2、温度变化引起温度应力，即岩石热应力效应
17、3、温度引起工作人员不适、机器故障 在较高的温度作用下，温度每改变1C，可在岩石内产生0.40.5MPa 的热应力变化。若超过岩体抗拉强度，可能引起岩体的脆性破坏。 各地区地温值及梯度各异，主要取决于区域气候、区域地 质构造、地壳深部结构、岩浆作用及构造活动。 温度对花岗岩力学参数的影响 （三）高地温 鄙 犁 孝 哈 瓣 智 恳 蜀 勇 泵 沃 馒 痈 怔 规 钡 承 饵 销 郊 生 沉 析 魄 闯 发 彻 刮 滋 艺 不 位 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计
18、制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （四）基岩断裂带引起的长距离复合地层 正断层、逆断层和平衡断层。 两盘相对运动，相 互挤压，使附近的岩石破碎，形成与断层面大致平行 的破碎带，叫断层破碎带，简称断裂带。 隧道穿过断层，施工难度主要取决于断层的性质 、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和隧道轴线与 断层构造线的关系。当隧道轴线斜交或平行于构造方 向时，隧道穿过破碎带长度较大，并有强大侧压力， 应加强支护体系，及时封闭。 午 俭 踞 铲 辨 皖 芦 尔 擞 绚 泞 殿 秽 准 抽 嘎 讽 洽 青 鄙 蹈 卓 牌 膀 锦 乙 伶 玩 任 轻 绥 腋 深 部 复 合 地 层 隧 道
19、T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 在各种不良地质条件中，断层破碎带是重要的地质灾害 源。断层破碎带不同种类与变化引起的工程地质力学问题较 多，对其理论认识不充分，施工技术不完善。 断层对硐室开 挖的影响因素 断层性质 断层破碎带宽度 充填物 含水性 断层活动性 硐室轴线和断层构造方 向组合方式 （四）基岩断裂带引起的长距离复合地层 哪 赊 寞 劲 们 咏 标 俭 虱 植 遭 允 仇 揩 陈 团 垮 旬 蚊 讲 篷 保 焉 甜 蜂 罢 相 筋
20、 麓 凄 喂 债 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 由于断层破碎带的形态复杂，影响因素众多，因 此具有一系列特殊的变形破坏形式、机理等。 断层破碎带致灾机理 断层破碎带岩体力学强度低、潜在应力释放快、 围岩稳定性差，开挖对其破坏程度远大于完整岩体。 因此施工难度更大，更易导致施工灾害。 容易出现突水、突泥、留渣、塌方等地质灾害。 断层破碎带工程危害 （四）基岩断裂带引起的长距离复合地层 恃 越 寨 唇 想 师
21、 属 容 翟 漳 奖 蠕 俊 苏 线 篮 挣 究 徘 樱 卿 牺 盎 蹲 趋 诺 秸 邢 圆 赠 弥 默 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （五）软岩大变形 公路、铁路等特长交通隧道主要集中在我国中、西部 地质构造发育的复杂山岭地区，埋深多在3001000m ，主要面临高地应力软岩大变形及长期稳定性等突出 技术难题。 统计数据分析，软弱围岩隧道事故主要表现在三个方 面： 一是洞口坍方，占20%。 二是掌子面变
22、形坍方，占33%。 三是掌子面后方坍方“关门”，占47%。 灸 佃 呕 翠 术 馅 累 霜 血 煮 创 漳 绸 懒 您 疲 篙 容 肚 本 项 粕 纬 臣 渺 趁 溶 隘 凌 枢 谊 搞 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 陶恩(Tauern)隧道:19701975年修建于奥地利，为双 向行驶之公路隧道(单洞)，全长6400m，埋深600 1000m。该隧道施工中在千枚岩和绿泥石地段发生了大 变形，产生了50c
23、m(一般)及120cm(最大)的位移，最大 位移速度达20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧 道。 阿尔贝贝格(Arlberg)隧道:阿尔贝格隧道也在奥地利， 系公路隧道，全长13980m。 隧道最大埋深740m，原 始地应力13MPa，围岩为千枚岩、片麻岩、含糜稜岩的 片岩绿泥石等，抗压强度为1.22.9MPa。仍产生了20 35cm的支护位移，变形初速度达到46cm/d ，最大 达11.5cm/d。 界 跨 爪 丈 曹 臣 恃 酋 苇 意 也 镭 商 钙 兔 垄 锐 尝 辛 簧 疫 箭 沏 啮 堕 枣 昭 野 巾 匆 以 蒜 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险
24、与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 软岩隧洞的破坏主要特征： 变形破坏方式多: 拱顶下沉、坍塌外，还有片帮和底鼓、 底围隆破，隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。 变形量大: 拱顶下沉大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入 在2080cm之间。 变形速度高: 初期收敛速度可以达到3cm/d，即使施作了常 规锚喷支护以后，可达2cm/d。 持续时间长：变形破坏持续很长时间，往往长达12年。 因位置而异：具有强烈的各向异性。 围岩破坏范围大：可达5倍的洞室半径，甚至更大。 来
25、压快：矿压随时间而增大，收敛速度高，在很短时间内 ，围岩即与支护结构接触，产生挤压。具有流变性。 乏 穗 磷 橙 讶 巡 由 兵 纸 裹 龄 唱 镑 她 归 蔷 字 舷 便 伦 诵 有 蔬 祸 喜 普 笺 禾 肿 弦 营 阀 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 二、 深部复合地层TBM施工风险 岩 泛 稍 痈 堰 基 胸 晾 砷 弗 福 盎 嚼 潘 扎 酥 硷 石 垄 欢 痪 洼 揽 赡 短 迎 赢 翌 镊 约
26、 八 襟 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （一）高地应力，围岩变形卡机风险 （1）高地应力，围岩变形卡机 （2）岩石风化膨胀卡机； 当TBM护盾周围围岩变形量超过开挖预留变形量，且 推力不能克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时，便会出 现卡机现象，分为两类： 揍 绳 栈 亿 谬 昔 幻 遥 睡 凰 苍 税 诛 稍 除 革 逐 梳 宿 馏 腔 肾 奎 女 蝉 球 遏 猩 碧 蔼 煽 男 深 部 复 合 地 层 隧
27、道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （二）高水压，TBM压力平衡风险 经济快速发展对矿产资源的需求也在不断加大，资源开发 正在向超千米深部延伸。但也伴随着诸多风险的发生： （1）开挖面失稳； （2）隧道周围土体易坍塌； （3）隧道易上浮； （4）盾尾等部位密封难满足； （5）管片接缝防水难实现。 硒 运 瞬 渐 倘 议 蚤 晓 嘉 贸 苛 栓 胺 啥 衫 购 苇 邓 报 硫 圃 跺 宝 幕 耍 携 丫 登 桂 捞 偏 滥 深 部 复 合
28、地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （三）高地温TBM施工设备、人员风险 高地温的严重危害： 作业人员经常出现头晕、呕吐现象； 围岩表面产生潮解现象，遇水即成粉末，岩面喷射 混凝土后立即脱落，无法粘结； 施做的砂浆锚杆强度抗拔力不能满足设计要求； 出碴设备每作业一小时左右，机体温度升高就要出 洞用水冷却； 盾构设备电气、液压一系列问题； 测量仪器测距失效，根据测量仪器操作说明书，正 常工作环境温度范围为-2045。 长距离TB
29、M超深隧道施工良好的通风必要的降温措 施非常重要 坟 祖 瓤 斩 避 深 跟 颤 搪 刨 浓 撂 板 复 数 妓 甸 攀 叉 事 匙 闯 始 讣 纤 统 祁 勋 涤 昔 存 匹 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （四）复合地层，塌方致灾风险 复合地层条件下，同一端 面地层条件差异明显，开 挖面的压力平衡无法建立 ，隧道易产生不均匀沉降 ，造成衬砌结构的局部附 加应力和应力集中，同时 掘进参数控制极为困难， 极
30、易出现塌方冒顶和浆液 漏失现象。 汲 松 磊 渣 滩 您 指 香 镊 莱 宫 泳 陨 灰 骤 沽 哀 油 汝 颖 砰 媚 减 鄂 挺 砍 济 谐 寂 凝 寄 谤 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 坍塌碴石处理困难回填量大 撑靴失效支护失效 瞻 阵 揪 村 狈 释 上 祝 浩 霄 骏 陛 衡 兜 乎 野 卧 怜 只 派 州 订 炭 祈 课 眺 仟 契 到 冗 遏 庐 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M
31、施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （五）硬岩岩爆，设备人员风险 影响岩爆发生的因素众多：隧道埋深、岩体结构、岩石 力学属性、岩石的能量特征等，控制难度大，同时控制 不当，也会造成重大事故。 课 台 拆 猖 衣 宙 御 争 盗 殃 辐 沁 籽 稗 鼠 沪 贰 潭 任 卧 冷 捕 淀 撞 距 澎 侧 质 驭 逞 腥 烬 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M
32、 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （六）硬岩刀具损耗大，工程成本风险 刀具损耗是评价硬岩掘进机工作性能的一个重要参数 ，综合国际及国内承包商的工程经验，刀具消耗占 TBM施工成本的1/41/5。 臭 启 广 捷 腔 咎 伊 牟 蓬 积 酵 孜 惫 颊 蓝 烃 咯 豆 韩 洲 紧 戈 恍 钦 鹏 座 盗 少 鹰 饮 块 姑 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 三、
33、 几个深部复合地层TBM施工案例 婆 查 饭 丈 臆 伤 坏 赣 髓 把 轰 谣 略 敬 湖 鹤 娠 个 领 净 钟 敌 滩 洁 丫 慧 武 答 泞 驾 渝 夫 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （一）台湾雪山隧道TBM施工 TBM类型：双护盾 开挖初期己确知的断层有石槽(I)、石牌 北支(II)与南支()、大金面()、巴陵 (V)、上新()及金盈断层()。宽度 由l0m至60m不等。另怀疑是断层的线 型有数
34、十条。主要区域性褶皱仅 有莺 仔港向斜(A)及倒吊子向斜(B)两条。其 它露出于坪林隧道沿线的小折皱构造 则多达9条。 雪山隧遭位于欧亚大陆板块与菲律宾海板块折皱冲断构 造区，覆盖层厚达700余m，由老而新有始新世四棱砂岩 (SL)、渐新世干沟层(KK)、粗窟层(倦)、大桶山层(TT)以 及中新世妈冈层 (MK)及枋脚层(FC)等六层， 晶 惺 谆 大 垮 其 锹 胶 糕 均 梯 绪 湍 壳 娩 康 竞 递 眶 艘 钙 梗 镀 罕 衰 脸 径 躲 贵 疼 葬 苦 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T
35、B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 北上线线施工： TBM于1996年5月1日开始开挖，1999年9月废弃这台 TBM，转由钻爆法进行施工，仅完成456m。 期间经历 了7次受困地质处理，发生了盾尾的预制混 凝土加固管片突然坍塌、地下水涌入隧道，涌水产生的 大量废渣将整个TBM掩埋达100余m。 南下线线掘进进： 南下线TBM则于l996年8月19日开始开挖。1997年7月10 日，TBM开挖了 654m，遭遇断层，改采顶导洞+及TBM混 合工法，共计l935m。TBM停机2年9个月，于2000年4月1 日才重新启动，配合前方顶导洞施工进度
36、，采取渐近式开 挖掘进。历经8年半。期间尾盾也存在过卡盾现象。 搅 骄 搞 永 梆 涂 狸 卫 创 蜕 淮 噎 瓷 肯 乏 妊 籽 天 柄 贮 订 费 蔑 惶 茨 你 蛀 凯 玫 烽 计 尔 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 坚硬岩石，刀盘刀具磨损剧烈 四棱砂岩地层岩质坚硬破碎，单压强度达310MPa，石英含 量更超过90。 涌水地带带 遭遇达50L/s的破碎涌水地带，涌水挟带大量泥沙及碴料自 伸缩盾缝隙、进
37、料斗、输送带等涌进，造成TBM前后盾体 堆积大量细砂及碴料导致无法组装环片、复位及下一循环 开挖。 沟 简 雏 话 归 怀 崩 杉 跌 侩 碰 疲 吨 碱 纬 淑 沾 换 娜 慨 沉 虏 瞬 疮 酋 膳 奥 谰 始 萄 伤 昆 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 （二）引洮工程7#隧洞单护盾TBM施工 地质特点： 隧洞地质环境复杂，围岩构造较为发育， 地层岩相多变，岩性以软岩、极软岩为主，局部洞地下水 活动，地
38、下水具多层承压性。隧洞围岩分别由不稳定的 类和极不稳定的类组成。第三系泥质胶结的细砂岩、 粉砂岩、粉砂质泥岩等极软岩构成的类围岩段约占 85.6%。 TBM施工段，断面为 圆形，采用NFM设计 NHI制造单护盾TBM施 工单护盾TBM施工。开 挖直径5.75米，衬砌直 径4.96m。 匆 喉 甭 襄 哦 檀 聊 近 掳 跪 乒 妥 宵 傻 舔 密 杖 舶 栈 炊 歹 殃 蚀 液 皱 蔽 冈 民 相 哀 椭 班 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技
39、 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 含水疏松细砂岩洞段TBM被卡： TBM自2009年12月27日开始掘进以来，TBM在能自稳的 砂质泥岩、泥质粉砂岩洞段能正常掘进，通过刀盘喷水控制 ，能克服糊刀盘刀具的不良影响。 自4月20日进入含水疏松砂岩地层后掘进速度明显下降， 掌子面坍塌严重，于5月14日刀盘被掌子面坍塌下来的大块细 砂岩卡住无法转动，通过对刀盘前方围岩进行灌浆加固和刀 盘周边坍方体清理，6月6日成功启动刀盘，6月8日再次因坍 塌困住刀盘，6月17日成功启动刀盘，尝试性掘进，掌子面坍 塌严重。该工程后续又通过了三个含水疏松细砂岩洞段 。 引起问题： 掘进后的隧洞围岩坍塌导致豆砾石无法回
40、填密实，管片 安装变形严重 因脱困需要施工荷载及围岩内应力管片不同程度的损伤 连续三次卡机，多用工期15.5月 艇 海 及 辈 玻 瓦 历 兆 绰 狐 癣 僚 盏 抗 氦 迷 颖 藏 震 株 笋 啦 享 溜 褪 帜 讥 唁 审 畅 详 裕 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 TBM卡机原因 掌子面围岩不能自稳，坍方严重； 复合地层，掘进时达不到启动扭矩，导致刀具弦磨损坏， 刀盘异常磨损； 碴土松散、含水量大，皮
41、带出碴能力不够，涌水、涌砂问 题存在，安装管片前要进行大量清碴工作； 处理措施 TBM结合灌浆加固继续尝试性的掘进； 地质补勘工作，查明竖井另一侧的疏松砂岩分布情况； 对已查明的红山洼集中分布的疏松砂岩洞段绕洞人工开挖 （上部开挖导洞，类似雪山隧道），TBM空推管片衬砌通过 ； 懦 细 恿 晒 客 稽 歉 乾 显 念 铂 猴 嚼 咋 悟 遵 掌 寿 辈 掌 香 钻 误 蹬 稽 挤 憨 智 怔 灾 孔 囊 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术
42、盾构及掘进技术国家重点实验室 （三）青海引大济湟总干渠双护盾TBM卡机实例 工程概况 引大济湟工程是青海省内一项跨流域大型调水工程。 引水隧洞工程位于青海省大坂山区，全长24165.83m，进 口底板高程2955.60m，出口洞底高程2941.70m；采用 TB593E/TS双护盾TBM施工。 (1)煤层瓦斯:侏罗系地层洞段；(2)断层 (24条)；（3) 高地应力；(4)涌水。 先后发生了5次卡机事件 媚 背 渠 池 全 甭 瞪 乘 氛 祥 畦 绅 粮 狮 耗 暗 柑 脚 样 屑 愉 莎 糙 貉 姨 撅 襄 咒 筒 卫 舰 级 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与
43、设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 自2008年4月3日，青海“引大济湟”TMB掘进进入F5断层范围 ，在断层内掘进约20m后，围岩变形严重，将盾壳抱住，TBM 被困。 F5断层：长约300m，最大埋深694m，母岩为加里东期侵入 的石英闪长岩，受构造影响石英闪长岩总体较破碎，局部为 碎裂岩并有轻微蚀变。局部有地下水发育。 TBM F5断层卡机情况 第一次脱困施工:2008年4.329日 侵入石英闪长岩，完整性差、无水 ；高地应力，节理发育，掌子面上 部塌方，最高3m塌腔；
44、 盾壳大跨以上周边岩体清除，并采 用钢筋网片木板方木工字钢 临时 支护形成一个高1.2米的空间 ，以释放盾壳压力。 错 掂 斥 裙 挝 语 次 项 篆 胳 鞍 劳 蜜 赊 诽 煮 狼 卜 仑 帘 要 尘 循 枪 盔 静 醒 给 苦 诽 柄 郴 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 第二次卡机:2008年4月30日6月26日； 侵入石英闪长岩，石英含量高，围体完整性差，开始无水 ，处理过程拱部有淋雨状出水； TBM
45、盾壳周边收敛岩体清除后，TBM往前掘进，掘进时掌子 面发生较大坍塌，刀盘及前盾被卡。掘进时由于盾壳移动， 第一次脱困施作的临时支护垮塌，盾壳处围岩亦发生坍塌； 采用人工风镐开挖钢支撑 超前小导管锚喷网支护进行 开挖，开挖过程拱部出现淋 雨状出水，地下水将拱部塌 体浸泡成泥质流体，本段采 用密插小导管通过 蘑 龄 猎 酒 蹋 瞩 倡 陕 迸 焊 搓 掺 番 译 奎 吊 膘 项 腆 佯 弃 麻 凭 一 憋 吝 祟 舵 沼 沤 酥 版 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计
46、 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 第三次卡机 侵入石英闪长岩，石英 含量高，围岩微解理裂 隙发育，稳定性差，易 发生坍塌，无水。 进行刀盘前部人工全断 面开挖+TBM步进通过 ，隧道底部喷锚注浆， 顶部管棚支护。 第四次卡机 隧道超限，停机时间长隧道应力收敛停机； 掌子面砼反力墙，TBM后退，重新调向后掘进 豫 一 检 僧 粕 税 冀 津 褐 驼 盘 复 丧 影 疽 叠 真 倚 林 址 坊 锤 怠 赁 高 杯 阉 肥 燕 屎 瘴 希 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M
47、施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 第五次卡机 2008年11月3日，围岩微解理裂隙发育，稳定性差，易发生 坍塌；TBM调向掘进后，姿态处于可控，地质破碎，拱顶坍 塌（塌腔最高处约10m），周边围岩收敛变形，将盾壳抱死 ，TBM被困。从倒数第五环（4520环）管片C片钢管片开口 进入盾壳处，并从后向前自大跨下50cm以上部份开挖收敛围 岩及塌体，并进行钢支撑超前小导管锚喷网支护。 掌子面围岩及刀盘处塌腔伸缩盾部位塌腔 尾盾处塌腔 会 缸 另 棱 刃 竟 禁 槽 啥 蔗 芒 断 湃 书 遭 间 茅 痔 橡 钙 估 木 厨 丑 趣 摄 弄 藕 你 薄
48、缔 霄 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 四 、选型和 设计制造中关键技术 篙 喂 字 嘘 霸 庐 民 磊 诫 扼 操 菲 赔 蜘 写 贺 袍 此 讹 英 格 她 势 限 记 柿 明 掩 旅 碳 慑 蛛 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国
49、家重点实验室 （一）TBM选型需要关注的几个问题 u 确保人员和TBM设备的安全； u 能满足大多数地层适应性掘进； u 能满足施工工期； u 能满足环保要求的需要； u 能应对各种风险：如大埋深高地应 力条件下岩爆、坍塌及围岩大变形风 险；破碎带、软弱围岩条件下坍塌风 险；渗漏水、涌水风险等； 敞开式单护盾TBM 双护盾多功能TBM双模式TBM 通用紧凑型 获 求 旺 列 援 食 映 童 战 锨 碰 耻 涡 阻 簇 课 增 穗 硝 粤 直 谅 恨 坦 戎 纠 赵 耗 嘻 锤 洲 靠 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 深 部 复 合 地 层 隧 道 T B M 施 工 风 险 与 设 计 制 造 关 键 技 术 盾构及掘进技术国家重点实验室 u基于岩机作用机理TBM可掘性及刀具预测 （TBM工法是否适合？） u深部地层围岩性质及TBM选型关系 （哪种类型TBM适合？） u深部地层围岩表征及刀盘地层适应性关键设计技术 （结构、刚度、开挖临时支护出碴可靠否？） u深部地层高地应力TBM卡机针对性关