双护盾TBM的地质适应性及相关计算摘要 双护盾TBM具有两种掘进模式掘进硬岩时采用双护盾模式，通过位于后护盾的 侧向撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘和前护盾提供反力，掘进与安装管片能同时进行，施工 速度快；当遇软弱围岩时则采用单护盾模式，不再使用侧向撑靴，依靠推进油缸支撑在 管片上提供掘进反力双护盾TBM的地质适应性强，既能适应硬岩，也能适应软岩， 当采取相应措施时，能适应断层破碎带、高地应力、岩爆、岩熔等不良地质本文论述 了双护盾TBM的技术特点和地质适应范围，并分析了双护盾TBM施工的优缺点，同时 对双护盾TBM选型时的相关计算进行了介绍主题词双护盾地质适应性高地应力1双护盾TBM的技术特点TBM是隧道掘进机“Tunnel Boring Machine”的英文缩写，根据支护形式分为 开敞式、双护盾式、单护盾式等三种类型开敞式TBM常用于硬岩施工；单护盾TBM 常用于软岩及地下水位较高的不稳定地层施工；而双护盾TBM则既可用于硬岩，又可 用于软岩，常用于混合地层施工，其地质适应性非常广泛，尤其能安全地穿过断层破碎 地带双护盾TBM,又称伸缩护盾式TBM,具有两种掘进模式1・1双护盾掘进模式在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘和 前护盾提供反力，在主推进油缸的作用下，使TBM向前推进。
此时TBM作业循环为： 掘进与安装管片f撑靴收回换步f再支撑f再掘进与安装管片双护盾掘进模式适用于 稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快1・2单护盾掘进模式单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段在软弱围岩地层中掘进时，洞壁 不能提供足够的支撑反力这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护盾处于收缩位 置，双护盾TBM就相当于一台简单的盾构刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上 提供，TBM掘进与管片安装不能同步作业循环为：掘进f辅助油缸回收f安装管片f 再掘进2双护盾TBM的地质适应范围双护盾TBM 一般适应于中〜厚埋深、中〜高强度、稳定性基本良好地质的隧道， 并能适应占一部分隧道里程的各种不良地质，对岩石强度变化有较好适应性，双护盾T BM能够在很大范围的地层内有效地切削单轴抗压强度5〜250MPa的岩石当在抗压强 度小于3MPa的软岩中施工时，则采用单护盾掘进模式施工双护盾TBM对地质条件 适应性强，既能适应硬岩，也能适应软岩，当采取相应措施时，能适应断层破碎带、高 地应力、岩爆、岩熔、高海拔、涌水、富水高水压、煤系瓦斯、松散岩类孔隙水、碎屑 岩类裂隙孔隙水、基岩裂隙水及冻结层水等不良地质。
一般情况下，在整条隧道地质情 况都差的条件下使用单护盾式TBM；在良好地质中多用开敞式TBM；只要不良地质的 比例在某种范围内，就不宜采用敞开式TBM因此，双护盾TBM常用于复杂地层的长 隧道开挖，且在岩石单轴抗压强度为30~120MPa时可掘性较好3双护盾TBM的优缺点分析3・1使用双护盾TBM的优点(1) 安全、高效、快速双护盾TBM按照硬岩掘进机配上一个软岩盾构功能进行设计，配置有前后护盾， 在前后护盾之间设计有伸缩盾，后护盾配置有一套支撑靴在地质条件良好时，通过支 撑靴支撑洞壁来提供推进反力，掘进和安装管片可同时进行，有较快的进度如引大入 秦工程30A隧道使用双护盾TBM施工时，最高月进尺达1300m；在引黄入晋工程使用 双护盾TBM施工时，最高月进尺达1637m；在英吉利海峡隧道使用双护盾TBM施工时， 最高月进尺达1487m双护盾TBM施工使隧道掘进、衬砌、出碴、运输作业完全在护 盾的保护下连续一次完成TBM机组实质上是一个移动式地下作业车间，管片在盾尾内 安装，盾构前进后，开挖的围岩使用高精度管片衬砌而不被暴露，从而保持了隧道壁围 岩稳定；豆砾石的喷灌、注浆、通风、供电等辅助作业也实施了平行作业，充分利用了 洞内空间。
双护盾TBM实现了安全、高效、快速施工2) 对不良地质地段具有较强的适应性对富水地段，采用红外探测为主、超前地质钻探为辅的综合超前地质预报方法进 行涌水预报对涌水可实施堵、排结合的防水技术,TBM主机区域配置潜水泵，将水抽 至位于TBM后配套台车上的污水箱内，同时TBM配置有超前钻机，可以利用超前钻机 钻孔，利用注浆设备进行超前地层加固堵水对断层破碎带，双护盾TBM能采用单护盾模式掘进同时可利用TSP203系统 对断层破碎带进行超前地质预报，利用红外探水仪和TBM配置的超前钻机探水利用T BM配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计 能满足对掌子面加固的需要对深埋隧道，因地质构造复杂，在深埋条件下，不可避免地会引起围岩应力的强 烈集中和围岩的应力型破坏双护盾TBM掘进时，因掌子面较圆顺，对岩体的损伤可 以降低到很低的程度，保护了围岩的原始状态，不易发生应力集中对岩爆地段，由于TBM刀盘设有喷水装置，在预测的地应力高、易发生岩爆地 段，利用TBM配置的超前钻机钻孔，在钻孔中注水湿化岩石，喷水对掌子面岩石能起 到软化的作用，提前将应力释放同时，通过管片安装、豆砾石回填和水泥浆灌注，使 TBM能快速支护并通过岩爆地段。
对岩溶地段，先停机，然后通过机头上的人孔对岩溶情况进行观察，首先对底部 进行豆砾石或混凝土回填并使其密实，当填至开挖直径高程时，边前进边安装管片，对 两边管片上开凿人孔对两侧及顶拱进行填筑灌浆或填筑混凝土，使岩溶部分都用混凝土 填密实，并且和安装的管片结合成整体为了预防因岩溶造成TMB机头下沉，双护盾T BM应配有超前钻探设备，而对于一些小溶洞的处理，可在TBM通过后，向管片与围岩 间回填豆砾石后，再通过灌浆固结即可对规模较大的溶洞，因管片接缝不易闭合，应 采用钢板将安装的管片进行纵向连接对膨胀岩及软岩塑性变形地段，由于双护盾TBM刀盘的偏心布置及刀盘设置的 超挖刀，能增大TBM开挖直径，为TBM在围岩变形量小的情况下快速通过围岩变形地 段预留了变形量在围岩变形量大时，可利用TBM配置的超前钻机和注浆设备加固地 层同时双护盾TBM的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM不易 被变形的围岩卡住对塌方地段，由于双护盾TBM采用了封闭式的刀盘设计，能有效地支撑掌子面， 防止围岩发生大面积坍塌TBM撑靴压力能根据地质条件调整，以免支撑力过大而破坏 洞壁岩石同时，双护盾TBM的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证T BM不易被坍塌的围岩卡住。
对瓦斯地层，双护盾TBM配置有地质预报仪和超前钻机，能根据需要对可能的 瓦斯聚集煤层采用超前钻探检验其浓度，并对聚集的瓦斯采取打孔卸压的方法卸压并稀 释TBM配置有瓦斯监测系统，监测器采集的数据与TBM数据采集系统相连，并输入 PLC控制系统当瓦斯浓度达到一级警报临界值时，瓦斯警报器发出警报；当瓦斯浓度 达到二级警报临界值时，TBM自动停止工作，并启动防爆应急设备，通过通风机对瓦斯 气体进行稀释3) 实现了工厂化作业双护盾TBM施工，由刀盘开挖地层，在护盾的保护下完成隧道掘进、出碴、管 片拼装等作业而形成隧道，具有机械化程度高，施工工序连续的特点隧道衬砌采用管 片衬砌技术，管片采用工厂化预制生产，运到现场进行装配施工，预制钢筋混凝土具有 质量好、精度高的特点，与传统的现浇混凝土隧道衬砌方法相比，施工进度快，施工周 期短，无须支模、绑筋、浇筑、养护、拆模等工艺；避免了湿作业，施工现场噪音小， 减少了环境污染由于采用了管片，避免了水土流失隧道衬砌的装配式施工，不仅实 现了隧道施工的工厂化，且更方便隧道运营后的更换与维修4) 自动化、信息化程度高双护盾TBM采用了计算机控制、遥控、传感器、激光导向、测量、超前地质探 测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备,具有自动化程度高、对周围地层影响小、有利于环境保护的优点。
施工中用人少，且降 低了劳动强度、降低了材料消耗双护盾TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理 功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工3・2使用双护盾TBM的缺点(1) 开挖中遇到不稳定或稳定性差的围岩时，会发生局部围岩松动塌落，需采 用超前钻探提前了解前方地层情况并采取预防措施2) 在深埋软岩隧洞施工时，高地应力可能引起软岩塑性变形，易卡住护盾， 施工前需准确勘探地质，并先行释放地应力，施工成本较高3) 对深埋软岩隧洞，地应力较大，由于TBM掘进的表面比较光滑，因此地应 力不容易释放，与钻爆法相比，更容易诱发岩爆且双盾构TBM施工采用刚性管片支 护，这与高应力条件下的支护原则是不相符的，相对于柔性支护来说，更容易受损4) 在通过膨胀岩时，由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的 工程特性，在进行管片的结构设计时，应充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的荷载， 确保衬砌结构安全应注意管片的止水防渗，防止膨胀岩因含水量损失而发生崩解或软 化而造成TBM下沉事故5) 在断层破碎带，因松散岩层对TBM护盾的压力较大，易发生卡机事故；在 岩溶地段，易发生TBM机头下沉事故；施工中应采取相应对策。
6) 在隧道中有突泥、涌水、岩溶时，应慎重选择TBM岩溶及突水突泥在灰 岩地区十分突出，我国天生桥二级引水洞曾因隧洞岩溶突水突泥影响工期达2年之久7) 由于隧道管片接缝多，在不良地质洞段其不漏水性和运行安全性，还是个 较薄弱的环节8) 由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面的观察窗了解围岩情况，不能系统 地进行施工地质描述，也难以进行收敛变形量测9) 双护盾TBM掘进时产生岩粉，易沉积在隧道底部120悍段冢已曳郾恢骰灾 匮沟檬置苁担喙嘟岩怨嗳胙曳鄄悖仔纬汕慷鹊陀诠嘟蠖估愕囊桓鋈醪恪(10) 双护盾TBM属岩石隧道掘进机，不适宜在软土地层施工在软土中掘进 时，土体粘结在刀具上，不能顺利从出碴漏斗排出4相关计算对高地应力软岩塑性变形及易塌方地段，为防止双护盾TBM被卡住，双护盾TB M除了高强度的结构设计外，还应具有足够的推力储备及扭矩储备为防止TBM整机转动，支撑系统应具有足够的支撑力对双护盾TBM进行相关计算，是双护盾TBM选 型的依据，也是TBM在不良地质地段顺利掘进的重要保证4.1推进系统推力计算(1) 主推进系统推力仃采用双护盾掘进模式时，双护盾TBM的推力计算如下：F =kxF xN1 N式中：N—TBM配置的滚刀数量；Fn—滚刀额定承载能力，单刃滚刀为250kN, 双刃滚刀为500kN； k—储备系数，考虑高地应力可能引起的软岩塑性变形对施工的影 响，一般预留50%的能力储备，因此储备系数k=1.5。
2) 辅助推进系统推力F2在围岩较破碎地段，TBM采用单护盾模式掘进，TBM的推力包括以下几项：① 刀盘推力FtF =F xNt N式中：N—TBM配置的滚刀数量；Fn—滚刀额定承载能力② 主机与地层的摩擦阻力FfFf=pxW xg式中：W—双护盾TBM主机重量；|J —护盾与地层的摩擦系数，一般M=0.1〜0.33) 后配套设备的牵引力FmiNLTBM采用单护盾模式掘进时，后配套随TBM主机一起前移，牵引后配套的力按 以下经验公式进行计算Fnl=叩叫"式中：p —后配套与钢轨的摩擦系数；W —后配套的重量b b(4) 盾尾密封与管片之间的摩擦力FsFs= PsXWsXg式中：巴一盾尾内表面与管片外表面的摩擦系数;Ws—作用于盾尾部分的重量(计 算时，取2环管片的重量) S辅助推进系统所需推力：F2 = kx (Ft+Ff+FNL+Fs)式中：k—储备系。