袁葳 熊新宇

摘要：罗田水库-铁岗水库输水隧洞途径丘陵地貌及城区冲积平原地貌，且隧洞沿线涉及沉积岩、变质岩、火成岩三大岩类，各分段地质条件差异性较大，选型条件复杂。根据城区施工特点和工程要求，从地质条件适宜性、不良地质处理、工期、安全、环保及投资控制等多角度，经分析提出各分段隧洞适宜的TBM机型。其中，第1段和第2段主要从多地层复杂地质条件适宜性和施工安全考虑，推荐采用“土压平衡盾构+单护盾”双模复合式TBM。第3段主要从利于施工环境安全及工期控制等方面综合考虑，推荐采用双护盾式TBM。第4段主要从施工进度及经济性考虑，推荐采用敞开式TBM。研究成果可为同类城区条件下输水隧洞TBM施工提供借鉴和参考。

关 键 词：

城区深埋隧洞； TBM选型； 敞开式TBM； 护盾式TBM； 双模复合式TBM

中图法分类号： TV52

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.S2.042

0 引 言

罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程（以下简称“罗-铁工程”）是珠江三角洲水资源配置工程在深圳境内的配套工程之一。罗-铁工程全线位于深圳市西部城区，输水干线全长21.68 km，过流断面直径5.2 m，开挖断面6.4～6.7 m，隧洞埋深一般在50～180 m，围岩属较软岩-坚硬岩，围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主，长约14.82 km，约占68.2%，Ⅳ、Ⅴ类围岩长约6.91 km，约占31.8%。该工程输水线路全线在深圳市主城区内，与轨道交通线路交叉较多，且沿线穿越老城区，周边环境极为敏感，安全环保要求高，工期要求紧，输水隧洞全线采用钻爆法施工不容易满足城市施工要求。TBM作为一种适用于长隧道快速施工的先进设备，具有掘进效率高、开挖质量好、对围岩扰动小、施工安全性好、作业环境好等优点，在城市深埋地下隧洞施工中具有一定优势［1-4］。综合考虑城市施工安全、工期、施工难度、环境影响等因素，推荐罗-铁工程输水隧洞干线采用TBM法施工为主，进出口、TBM始发洞等局部洞段采用钻爆法开挖的施工方案。

本文以罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为依托，根据城市施工特点和工程要求，从地质条件适宜性、不良地质处理、工期、安全、环保及投资控制等多角度，开展TBM分段选型研究，提出罗-铁工程输水隧洞各分段适宜的TBM机型。研究成果可为同类城区条件下输水隧洞TBM施工选型提供借鉴和参考。

1 TBM选型方法及依据

目前TBM主要可分为敞开式TBM、护盾式TBM等，护盾式TBM又包含单护盾和双护盾两种机型。

敞开式TBM利用支撑机构撑紧洞壁以提供掘进所需的推进力和扭矩，一般适用于围岩整体性好、“稳得住、撑得起”的隧洞。敞开式TBM对应的隧洞支护型式一般为锚喷支护或锚喷加二衬的复合支护型式。

护盾式TBM在主机的外围设置了圆筒形的护盾结构，以利于掘进松软破碎或复杂岩层等围岩质量较差的隧洞，适用范围更为广泛。护盾式TBM对应的隧洞支护型式为预制管片。单护盾TBM只能依靠已安装的管片提供前进反力；双护盾TBM则综合了敞开式TBM和单护盾TBM的优势，在围岩软弱破碎时以单护盾模式掘进，在围岩坚硬稳定时以双护盾模式掘进，如敞开式TBM一样依靠围岩提供反力，掘进和管片安装可同时进行，因此掘进速度较快。

工程实践中，敞开式TBM和双护盾式TBM应用相对较多，单护盾式TBM应用相对少。另外，针对部分工程中既有硬岩也有软岩及富水洞段等特殊地质条件工况，TBM在软岩或富水洞段中不能顺利掘进而常规盾构又不能应用于硬岩情况，还可考虑采用“TBM+盾构”双模复合式TBM。目前国内已使用的TBM直径范围在2.5～12.4 m，其中直径6～8 m的TBM是最为常用的机型。

考虑到实际工程中地质条件及边界要求通常较为复杂，不能简单判别应用何种机型更优。工程施工前，有必要根据工程施工特点和要求，从地质条件、工期、投资、施工环境和安全等方面进行综合比选研究，确定与工程特点相对更适宜的TBM机型［5-7］。

1.1 地质条件适宜性

国外在掘进机选型时采用了

岩体质量评分指标RMR（Rock Mass Rating）。RMR以岩石的单轴抗压强度、岩石质量指标RQD（Rock Guality Designation）、不连续面间距、不连续面状态、不连续方向、地下水状况等6个指标进行综合评分，将岩石质量分为5等，再按5个等级划分掘进机的功能发挥与效率，然后根据施工隧洞的RMR评分及相应类型TBM的功能发挥及效率进行选择。

瑞典专家G.Grimscheid提出用岩石劈裂强度和RQD指数来作为TBM选型的主要衡量指标。其中，针对岩石劈裂强度为（25±5）MPa，RQD指数为50%～100%，裂隙（间距）大于60 cm的情况，首选敞开式掘进机；护盾式掘进机要求岩石强度大致和支撑式掘进机的情况相同，但岩石的边界强度大为减小，在裂隙为55～65 cm和RQD指数为50%±10%时，甚至在相对较低的单轴岩石抗压强度（50±5） MPa和较低的岩石劈裂强度（5±0.5） MPa下，可采用护盾式TBM。

由于国外RMR等分类方法较为繁琐，国内应用较少。

国内TBM选型通常的做法是，參考现有围岩分类（级）标准，结合各类TBM施工特点和施工经验，采用以岩性、强度、岩体完整程度、地下水等主要指标得到的质量评分指标作为比选依据。按照国内各行业有关TBM选型的规程规范规定，通常认为敞开式TBM主要适用于岩石强度较高、能提供给支撑靴足够推力、且岩体相对较为完整、围岩有一定自稳能力的岩体；护盾式TBM同样可以用于岩石强度较高的岩体，同时由于其可利用辅助油缸，由已经安装好的管片提供推力，因此在软岩甚至极软岩中也可以运用。

1.2 不良地质处理

在TBM选型时，除了要研究主要地质条件适宜性外，还要对施工难度较大的不良或特殊地质洞段重点研究，这些洞段不仅会影响工期、施工安全和投资，某些情况下甚至还决定了掘进机能否顺利通过。

在不良地质预判和超前预报方面，护盾式TBM主机外围由护盾包裹，管片安装在护盾内进行，从机头到洞尾均处于封闭状况，施工人员除从机头和护盾的观测孔中察看岩层状况外，只能通过岩渣来判断。敞开式TBM只有一个不长的顶护盾，掘进后围岩处于暴露状态，便于观测，且超前预报系统也更容易施做。

在不良地质处理方面，由于护盾式TBM机头与围岩之间处于封闭状态，没有施工处理空间，在碰到不良地质洞段，TBM无法掘进通过时，往往只能从刀盘进人、进料，严重时则需要从机头后边拆除管片，开挖旁通洞绕行到机头前进行处理，存在施工难度大、安全风险高和延误工期等问题。而敞开式TBM护盾不长，碰到不良地质洞段时，可从刀盘后进行临时支护或超前支护，直至洞壁稳定后再继续掘进。与护盾式TBM相比，敞开式TBM在碰到不良地质洞段时，处置措施相对灵活，人工干预相对便捷。

1.3 经济性

从经济性角度看，对围岩条件较好，只需要初期支护或较小的二次衬砌工程量即可保证隧洞稳定性的隧洞，一般首选敞开式TBM。主要是因为敞开式TBM机型本身相对护盾式TBM更便宜，并且由于敞开式TBM不需要管片衬砌，初期支护工程量及其投资也相对更小。

而对于必须要进行二次衬砌的隧洞，则要在满足工期的前提下，综合TBM设备和衬砌工程量等，进行经济比较。

1.4 施工工期

单护盾式TBM由于只能依靠管片提供前进反力，主机推进只能在管片安装完成后进行，因此掘进速度相对较慢。双护盾式TBM除了在围岩条件较差时采用单护盾模式外，其他情况采用双护盾模式掘进，掘进和管片安装可同时进行，因而有较快的掘进速度。

敞开式TBM在围岩条件好的洞段可实现快速掘进，而在围岩条件差且需要及时施做二次衬砌的洞段，由于初期支护、二次衬砌的工序多，对掘进存在一定干扰，因此掘进速度相对双护盾式TBM稍慢，但要快于单护盾式TBM。

1.5 施工环境与安全

护盾式TBM机头只贴掌子面，掘进、管片安装、豆砾石回填和灌浆等主要作业均在封闭的状态下进行，施工过程中不受烟尘、粉尘、废弃浆液的影响，施工环境较好、安全性较高。

敞开式TBM除顶护盾以外，均暴露在围岩之外，其支护方式与钻爆法类似，施工安全离不开操作人员的经验和严格管理，如处置不当发生坍塌等事故，则危及设备和人员安全。施工中的粉尘、废弃浆液如不能很好控制，也会导致施工环境恶化。

综合来看，护盾式TBM施工环境和施工安全优于敞开式TBM。

2 罗-铁工程输水隧洞TBM分段选型分析

根据罗-铁工程输水隧洞沿线工作井、交通洞布置方案，结合工期控制要求，输水隧洞最终确定为分4段TBM施工，其中前2段主要穿越城市冲积平原区，后2段主要穿越丘陵区。各段TBM掘进长度为4.43～5.37 km（不含钻爆段），其中第3段TBM掘进长度及工期最长。

输水隧洞始、末两端主要为丘陵地貌，地形起伏较大、沟壑纵横，而中间段穿越城区，主要为河流堆积地貌和低台地，地势平缓，并且输水隧洞工程沿线涉及沉积岩、变质岩、火成岩三大岩类，各分段地质条件差异性较大，选型条件复杂。对此，本文针对输水干线各TBM段开展分段选型研究。

2.1 TBM第1段选型

TBM第1段为罗田阀室至公明检修井施工段。该段按围岩条件主要分2大类，一类为石英片岩、片麻岩，长约3.34 km，Ⅲ类围岩占比89%，Ⅳ类围岩占比11%，岩石饱和单轴抗压强度最大为66 MPa，掌子面有自稳性，适合采用TBM掘进；另一类为泥岩夹粉砂岩、泥岩砂岩、角砾岩、流纹岩等，长约1.13 km，Ⅲ类围岩占比9%，Ⅳ类围岩占比70%，Ⅴ类围岩占比21%，岩石饱和单轴抗压强度为4.3～16.6 MPa，岩石遇水泥化。TBM第1段选型详细分析见表1，可知：

（1） 从衬护要求、围岩类别等方面考虑，护盾式更合适。

（2） 从围岩饱和抗压强度和岩石完整性方面考虑，单护盾式适应性差，敞开式和双护盾式基本相当。

（3） 面对断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质问题，敞开式TBM和护盾式TBM的适应性都不好，对特别不良段可能还需超前处理才能通过。

（4） 在超前地质预报和不良地质处理方面，敞开式TBM更方便。

（5） 在工期方面，敞开式TBM换步和Ⅳ、Ⅴ类围岩支护可能占直线工期；单护盾式TBM管片安装占直线工期；双护盾式TBM管片安装和掘进同步；考虑本段Ⅳ、Ⅴ类围岩约31.1%，占比较大，双护盾式TBM工期相对更优。

（6） 在施工环境与安全方面，护盾式TBM均略优于敞开式TBM。

上述分析表明，TBM第一掘进段地质条件复杂，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比达31.1%，其中断层破碎带、软弱围岩稳定、突涌水等地质问题相对较突出，综合来看，护盾式TBM相对于敞开式TBM更优。同时考虑到下穿茅洲河段属极软岩，且涌水量大，存在较大突泥涌水风险，掌子面不能自稳，无论采用敞开式TBM亦或是护盾式TBM都难以施工，建议在护盾式TBM机型的模式上增加盾构模式。

综合考虑多地层复杂地质条件和城区地下施工安全，TBM1掘进段推薦采用“土压平衡盾构+单护盾”的双模复合式TBM。

2.2 TBM第2段选型

TBM第2段为公明检修井至五指耙水厂分水井施工段，掘进段总长度约4.71 km，围岩包括泥质粉砂岩、石英砂岩及片麻状花岗岩等，有软有硬，该段围岩条件与第1段类似，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比超过50%，且断层破碎带、软弱围岩稳定、突涌水等地质问题相对突出，综合考虑多地层复杂地质条件和城区地下施工安全，推荐采用“土压平衡盾构+单护盾”双模复合式TBM。

2.3 TBM第3段选型

TBM第3段为五指耙水厂分水井至3号检修交通洞施工段，该段也是输水线路4个分段中线路最长、工期最长的关键线路。掘进段总长度约5.37 km，围岩主要为黑云母花岗岩、斑状黑云母二长花岗岩、蚀变花岗岩等，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占比86.1%，Ⅳ类围岩占比10.7%，Ⅴ类围岩占比3.2%，岩石饱和单轴抗压强度为15～150 MPa，平均强度85 MPa。TBM第3段掘进段选型详细分析见表2，可知：

（1） 从衬护要求及围岩类别方面考虑，由于Ⅳ、Ⅴ类围岩占有一定比例，因此双护盾式TBM相对更适合。

（2） 从围岩饱和抗压强度和岩石完整性方面比较，由于该段岩体以硬岩为主，单护盾式TBM适应性不好，敞开式TBM和双护盾式TBM基本相当。

（3） 面对断层、软岩大变形、涌水突泥等不良地质问题，敞开式TBM和护盾式TBM的适应性都不好，对特别不良段可能还需超前处理才能通过。

（4） 在超前地质预报和不良地质处理方面，敞开式TBM更方便。

（5） 在工期方面，敞开式TBM换步和Ⅳ、Ⅴ类围岩支护可能占直线工期；单护盾式TBM管片安装占直线工期；双护盾式TBM管片安装和掘进同步；考虑本段Ⅳ、Ⅴ类围岩比例约为14%，占比相对较大，双护盾式TBM工期相对更优。

（6） 在施工环境与安全方面，护盾式TBM均略优于敞开式TBM。

上述分析表明，TBM第3段掘进段以硬岩为主，其中Ⅳ、Ⅴ类围岩占比接近13.9%，穿越3个较大断裂带，10余条小断层，且存在断层破碎带、突涌水等地质问题，地质条件相对复杂，敞开式TBM和双护盾式TBM均为本段适用机型。考虑到双护盾式TBM在穿越断层破碎、软弱地层时，可利用管片提供推进反力，能有效保证掘进效率、缩短工期，且通过稳定性较差和有涌水突泥风险的洞段也更为安全，因此，从地质条件适宜性、利于施工环境安全及工期控制等方面综合考虑，TBM第3段宜选用双护盾式。

2.4 TBM第4段选型

TBM第4段为3号检修交通洞至铁岗工作井施工段，掘进段总长度约4.43 km，围岩主要为粗粒斑状黑云母二长花岗岩，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占比92.3%，Ⅳ类围岩占比7.7%。岩石饱和单轴抗压强度平均为102.6 MPa，石英含量高。

TBM第4段选型详细分析见表3，可知：

（1） 在衬护要求及围岩类别方面，由于围岩条件好，敞开式TBM支护简单、速度快，相对更适合。

（2） 从围岩饱和抗压强度和岩石完整性方面考虑，由于该段岩体以硬岩为主，单护盾式TBM适应性不好，敞开式TBM和双护盾式TBM基本相当。

（3） 本段不良地质洞段较少，断层破碎带仅约50 m，采用敞开式TBM或双护盾式TBM处理基本相当。

（4） 在工期方面，由于围岩条件好，支护简单，敞开式TBM更能发挥快速施工优势。

（5） 在工程投资方面，敞开式TBM设备便宜、支护量更少，工程投资控制相对更优。

（6） 在施工环境与安全方面，护盾式TBM均略优于敞开式TBM。

上述分析表明，TBM第4段段隧洞Ⅱ、Ⅲ类围岩占比达92.3%，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比7.7%，围岩总体条件好，岩石以硬岩为主，斷裂构造少，地质条件简单，不存在重大地质问题，从施工进度及经济性考虑，TBM第4段段推荐采用敞开式TBM。

3 结 论

本文以罗田水库-铁岗水库输水隧洞工程为背景，根据城市施工特点和工程要求，从地质条件适宜性、不良地质处理、工期、安全环保及投资控制等多角度，开展TBM分段选型研究。根据各分段边界条件及地质特点，提出罗铁输水隧洞各分段适宜的TBM机型。结论如下：

（1） TBM第1、2段包含软岩、硬岩，Ⅳ、Ⅴ类围岩占比高，断层破碎带、软弱围岩稳定、突涌水等地质问题相对较突出，且本段穿越城区，因此，复杂地层条件下TBM施工安全成为选型的重点考虑因素。综合考虑多地层复杂地质条件和施工安全，推荐采用“土压平衡盾构+单护盾”双模复合式TBM。

（2） TBM第3段以硬岩为主，Ⅳ、Ⅴ类围岩占有一定比例，且穿越多个较大断裂带，存在断层破碎带、突涌水等地质问题，地质条件相对复杂，敞开式TBM和双护盾式TBM均为本段适用机型。考虑到本段是掘进长度最大、工期最长的关键线路，复杂地质条件下TBM安全高效施工是本段TBM选型的重点考虑因素。从利于施工环境安全及工期控制等方面综合考虑，宜选用双护盾式TBM。

（3） TBM第4段围岩总体条件好，岩石以硬岩为主，断裂构造少，地质条件简单，不存在重大地质问题。本段主要从施工进度及经济性考虑，推荐采用敞开式TBM。

参考文献：

［1］ 吴文龙.深圳城市轨道交通8号线工程中的TBM双护盾施工技术［J］.工程建设与设计，2022（10）：130-133.

［2］ 张永义，罗伟庭，陈泽，等.硬岩段双模盾构TBM-EPB施工优越性分析［J］.山东理工大学学报（自然科学版），2022，36（4）：38-44.

［3］ 宋天田，李宏波，陈岗.双护盾TBM在深圳地铁应用中存在的问题及对策［J］.隧道建设（中英文），2019，39（6）：998-1004.

［4］ 石小政，马偃辉.双护盾TBM在深圳地铁中的应用［J］.珠江水运，2019（10）：69-70.

［5］ 倪锦初，朱学贤，凌旋，等.香炉山深埋长隧洞TBM选型研究［J］.人民长江，2022，53（1）：154-159.

［6］ 郭军.岩石隧道掘进机在岩石地层地铁隧道修建中的应用［J］.人民长江，2021，52（1）：139-144，157.

［7］ 王建秀，刘无忌，邓沿生，等.地下工程设计与施工中复合地层的研究进展［J］.人民长江，2018，49（10）：47-53，59.

（编辑：郭甜甜）