汪晨光
（甘肃省水利厅工程地质建设公司，甘肃，兰州730000）
【摘要】通过对单护盾TBM（SingleshieldTBM）在甘肃省引洮工程总干7#隧洞进口、出口的掘进过程、受困情况、脱困措施、方案变更等方面的分析、总结，提出了单护盾TBM在IV、V类软岩地质结构中施工的适用性、条件性。
【关键词】单护盾TBM；砂岩地质；适用性探讨
前言：
隧道施工分为常规钻爆方法和掘进机（TBM）方法。全断面岩石隧道掘进机（TBM）主要使用三种类型：单护盾、双护盾、开敞式。通常情况下，在软岩地质构造中，单护盾TBM的适用性存在一定的争议。本文通过对单护盾TBM在甘肃引洮供水一期总干渠7#隧洞施工情况的分析、总结，提出了该设备在软岩地层中应用的可行性及条件性。
1、工程地质概况
引洮7#隧洞全长17.286km（起止桩号46+715.00～64+001.00），洞身段围岩主要由Ⅳ类围岩（14%）和Ⅴ类围岩（86%）构成，穿越薄层黄土覆盖的低山卯梁区，隧洞最大埋深368.00m。
2、设备总体施工情况
引洮供水一期7#隧洞按计划从出口向进口方向进行单护盾TBM掘进，当掘进了3011.00m(桩号60+940)时，发生突泥涌沙地质灾害，导致该机械设备无法施工。
将施工方案调整后，决定从7#隧洞进口向出口方向再次开始掘进，连续掘进了11070.00m(桩号57+835)时，再次发生突泥涌沙地质灾害，单护盾TBM设备再次被迫停止掘进。
施工方案最终调整为：增加斜井，以钻爆锚喷支护方式完成剩余不良地质洞段，设备（单护盾TBM）空推通过时，完成管片衬砌。
3、设备受困及采取脱困措施的情况
单护盾TBM在出口洞身段自桩号61+433开始进入含水疏松砂岩地层，掘进速度大幅下降，由于围岩坍塌较严重，出渣量为正常出渣量的15~19倍，出渣皮带有瞬间被卡死现象，且出渣量不稳定；管片背后充填豆砾石困难；围岩收敛变形增大，变形应力直接作用于衬砌管片背部，导致管片纵缝周围的管片砼出现不同程度的裂缝和表皮掉落等现象；设备掘进的推力和扭矩明显增大。为改善围岩地质条件，虽然尝试进行灌浆，但是由于受施工条件和围岩特性影响，注浆工作未达到预期效果。后经对刀盘护盾进行有限延伸改造后，虽脱困成功，但掘进速度非常缓慢，勉强推进至桩号60+940时，围岩呈现为具承压水疏松砂岩（实测围岩含水率为23%），TBM刀盘掘进正向、径向发生突泥涌沙的地质灾害，隧洞底板承载力下降，设备低头现象严重（最大至60cm）。当时，虽采取了加大TBM底部油缸推力以强迫TBM抬头、盾体外灌注膨润土以减少围岩与盾体的摩擦力、盾体下部隧洞底板注浆加固以提高承载力等抢救措施，以期通过该严重不良地质洞段，均无效果。至此，TBM处于停止掘进状态。
泥沙通过刀盘进渣孔涌入盾体，将盾体内设备掩埋。
4、设备作业状态与地质情况分析
4.1、正常掘进状态下的地质情况
（1）7#隧洞出口洞身段地质岩性为上第三系N2L3砖红色砂质泥岩、泥质粉砂岩，局部为砂岩、砂砾岩，泥质胶结为主，胶结程度差。密度2.17~2.22g/cm3、单轴饱和抗压强度Rb=13~18.5Mpa，属极软岩，遇水膨胀、饱水崩解、失水干缩，具弱膨胀性，无地下水。
（2）7#隧洞进口洞身段岩性主要为白垩系河口群K1hK3及K1hK4泥质粉砂岩、粉砂质泥岩，单斜构造、裂隙较发育，密度2.2~2.5g/cm3、单轴饱和抗压强度Rb=45~60Mpa、泊松比0.3~0.32，属较软岩，局部夹薄层砂岩，单层厚度30~40cm，单轴饱和抗压强度Rb=35~45Mpa，为中硬岩，无地下水。在该地质条件下，单护盾TBM曾创造月进尺1890m的纪录。
说明：无地下水的IV类、V类地质结构可满足单护盾TBM的施工要求。
4.2、设备受困及脱困的地质情况
7#隧洞出口洞身段掘进至61+433处时，出现了含水疏松砂岩，岩性特征主要表现为：含水量7.1～9.2%、密度2.17～2.2g/cm3、单轴饱和抗压强度Rb=1.5～2.5Mpa、泊松比0.26～0.3。掘进至61+103处，围岩中含有块团状泥质胶结结核与钙质胶结结核，钙质胶结结核强度为1MPa，砂层的局部垂直面在临空状态下短时间内可自稳，受扰动后易坍塌，径向坍塌围岩造成刀盘阻力矩大于刀盘驱动扭矩，无法启动，致使TBM有被抱死无法掘进的危险。后经人工扩挖盾体外围，同时控制进渣口面积及对刀盘护盾进行有限前伸改造后，TBM脱困成功，得以缓慢掘进。
说明：当单护盾TBM处于含水量在一定范围内且围岩有一定自稳能力的疏松砂岩地层中，从纯技术角度出发，通过对设备的改造，如能有效地控制出渣量，掘进工作有可能勉强进行。
4.3、设备无法掘进的地质情况
当围岩为具承压水疏松砂岩时，含水量增加至10.2～23%、密度1.8g/cm3、孔隙率26.5%、单轴饱和抗压强度Rb=0～0.5Mpa，此时围岩极易软化崩解呈流变性，地质条件极为恶劣，大量泥沙在自重作用下从刀盘进渣口向盾体内涌入，隧洞底板承载力下降，盾体低头现象严重（最大至60cm），即使采取了多种抢救措施，但无效果。此时的围岩情况，已不具备TBM施工的条件。
说明：TBM不适用于突泥涌沙的地质结构中。情况分析统计见下表
5、结论：
通过单护盾TBM在引洮工程7#隧洞的施工状态以及对地质岩性情况的分析，笔者认为：1）在无水、有自稳能力的砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂岩等IV、V类软岩地质构造中，TBM具有较强的适用性。2）在有一定含水量且有一定自稳能力的含水疏松砂岩地质中，通过有针对性地设备改造，TBM有一定的施工能力。3）在饱水、崩解、无自稳能力、塑性流变的围岩中，TBM不具有适用性。
作者简介：
汪晨光(1971-)工程师从事水利水电工程的施工技术与管理工作