作为隧道交通网络的重要节点，它在交通领域发挥着重要的作用。然而，隧道建设和施工容易受到多重因素的影响，尤其是在地质环境中。地质环境质量对隧道建设至关重要。在挖掘和施工过程中，工程师必须对地质结构有足够的了解。从施工的角度来看，设备的选择和掘进方法是整体方案的关键。
地质条件是选择TBM的关键因素。
工程类型和对地质条件的了解决定了TBM的最佳施工方案。有时为了尽量减少混合地质和困难地质的影响，以及不同地质类型之间的过渡，会根据实际情况调整施工方案。然而，隧道的功能通常决定了其横截面和水平线形。由于混合地质条件下的隧道施工往往不可避免，需要采取一定的缓冲措施，如对隧道线形进行细分，将地质条件相对一致的隧道段划分在一起，使同一隧道段采用同一施工方法。
与交通隧道相比，混合污水溢流(CSO)蓄水隧道或输水管道在线形和断面深度方面具有更大的灵活性。来自混合污水溢流(CSO)储水隧道的水将从隧道内部或储水仓流入污水处理站。为了更好地适应地质条件，混合污水溢流(CSO)蓄水隧洞的断面可以在排放点进行调整。受固定控制点限制的隧道，如高速公路、运输隧道或依赖重力流的排水/下水道走廊，在横断面轮廓调整方面不如混合污水溢流(CSO)隧道灵活。为了调节隧道的线性坡度，使高差不至于太大，运输隧道通常由几个入口和换乘站相互连接而成。截流系统和污水隧道必须在固定位置截流水流，使其沿重力方向输送到排水口或泵站。
复合地质条件是指隧道开挖面同时存在两种或两种以上的地质材料，且材料性质存在显著差异(最弱材料的强度是最强材料的1/10甚至更小)。这将对安装在TBM上的隧道支护系统的规格、操作方法和设计产生重大影响。
复合地层包括所有地质类型，如冰川沉积土、冲积土、含或不含岩石的残积土、腐泥土或强风化岩石，也可能由砾石土基质或具有非常不同性质的层状带状混合地层组成。一旦出现这种情况，隧道掘进的难度就会增加，尤其是在软土和硬岩的过渡地带。例如，图1(地质剖面图示例)显示了俄亥俄州哥伦布市Blacklick Creek污水管廊项目(BCIS)遇到的各种地质类型。
图1 black lick隧道工程穿越区域的工程地质剖面图
如何选择经济的TBM
由于TBM在一条线路中会遇到不同的地质条件，因此需要考虑地质条件下的各种处理方法，其优劣取决于实际的地质条件和设计规范。同时，复合地质的缓冲措施也将包含在TBM规范中。
隧道掘进机的选择:通常TBM为单模式，其类型分为敞开式或闭式EPB或泥水盾构，适用于全隧道地质条件相似的地段。目前，开发的双模式或混合式隧道掘进机应用于混合土壤和岩石地层中的隧道开挖，内部支撑通常由预制混凝土管片衬砌提供。双模式TBM可分为开放式和封闭式两种。同时可选择土压式TBM和泥水式TBM，二者可相互切换。在软土地层和过渡带作业时，TBM采用封闭模式；TBM在地质相对稳定的地层和岩石区作业时，选择敞开式模式。当使用敞开式TBM开挖岩石和过渡带时，为了防止地下水流入，通常使用探测和灌浆来控制潜在的不稳定地层。
泥水式TBM也可采用双模式，但目前开挖面约80%-90%的有压TBM为EPB式。与同等规模的泥水式TBM相比，EPB TBM具有投资少、运行费用低的经济性。主要原因是EPB TBM不需要单独的泥浆处理站，从而减少了额外的投资。随着EPB TBM设计和操作技术的发展，这种类型的盾构机可以应用于更多的地质类型。与双模式泥浆TBM相比，EPB TBM可在封闭式和开放式螺旋输送机中轻松调节。当运行双模式泥浆TBM的开放模式时，除了额外的泥浆系统之外，还需要单独的攻丝系统。然而，泥浆式TBM更适合在高度不稳定的承压流砂、砾石和淤泥地层中工作，而EPB TBM不能在大量未经处理的地层中安全工作，不仅成本高，而且容易出现问题。AECOM为Blacklick Creek污水走廊项目选择了双模式EPB隧道掘进机(见图2)。
图2用于Blacklick Creek污水管廊项目的双模EPB隧道掘进机
随着新一代多模式TBM的出现，为了保持对开挖面压力的完全控制，工程师需要根据地质条件的变化平稳切换盾构机的工作模式(EPB和泥水模式)。这种新一代的掘进机被称为变密度多模式(VDMM)TBM，它可以提供四种工作模式的无缝切换——开放模式、EPB和两种泥水模式(开放和封闭)。这种TBM可以提供最大的灵活性和安全性，当地质条件和地下水环境发生较大变化时，从一种模式切换到另一种模式不会有明显的延迟。图3显示了VDMM TBM的一个例子，图4显示了在香港沙田-中环地铁项目中使用的VDMM TBM。
图3可变密度多模式(VDMM)隧道掘进机
图4香港沙田-中环地铁项目中使用的VDMM TBM
刀盘设计:对于混合地质条件下的开挖，除了TBM模式外，刀盘设计非常重要。为了挖掘软土、硬岩等各种地层，混合工作面刀盘通常采用软土刀具组合，如刮刀、凿子、撕裂刀、钻头等。此外，挖掘岩石和坚硬材料时使用的滚刀。为了保证刀盘能在混合地质条件下的磨损环境中延长使用寿命，刀具、刀盘磨损面和螺旋输送机通常采用硬质金属进行强化，如镀碳化铬、表面硬化和钨的硬质合金钻头。这也在最大程度上减少了刀盘在需要高压氧供应的困难地质环境中的维护和管理。刀盘内置磨损检测设备，可以自动检测圆盘刀具的磨损程度，是否需要更换。
为了在复杂地质和高水压环境下更方便、更安全地换刀，大直径TBM的反装盘式工具和掘进工具逐渐标准化。直径超过30英尺的TBM也可以用来代替一些切割工具，而不需要通过机器人进入切割舱系统。混合地质条件下刀盘设计的其他重要因素包括:实心结构的最佳开口与刀具的足够数量和分布之间的平衡。在EPB TBM中，螺旋输送机的设计还必须考虑孤石的大小和最大表面压力，以免堵塞螺旋钻头。
过渡带施工:对于掘进机来说，过渡带施工通常面临很多困难，包括刀具磨损过大、刀具打滑、工作面不稳定和压力损失、地层接触面大量压力导致地下水流入、高压环境下的刀具更换等。这些困难可能会延误开挖工期，也可能会影响隧道的安全和稳定。当刀具在从软土到硬岩的混合地层中工作时，会产生非常高的动载荷或冲击载荷，在某些情况下，载荷可能超过法兰的承载能力。此外，盘形轴承还会承受较高的侧向载荷和倾覆力矩，导致刀圈异常，滚刀轴承失效。不仅如此，刀圈还可能出现切屑或径向裂纹，平面或多平面磨损，动载荷还可能影响TBM主轴承，使其承受不应有的附加应力。刀具失效会直接导致刀盘和主轴承负荷异常增加，增加轴承磨损。如果处理不当，可能会导致主轴承故障。
在混合地层作业中，软土中的工具往往不能产生足够的滚动力使工具保持旋转，容易造成工具频繁打滑而停止工作，从而造成平点。在研磨性土壤中，土壤和地层岩石的废浆会加速刀圈和刀具的磨损，从而进一步阻碍刀具在坚硬岩石中的转动，加重磨损，造成刀头失效。如果刀架和顶板之间的间隙被废浆料填满，刀具磨损的问题将进一步加剧。夹在岩石表面和刀盘之间的废渣产生的压力会进一步增加端面、斗齿前端、钻头和底座的磨损率。为了解决这些问题，保持掘进速度和最佳使用寿命，截割面刀盘和钻头的设计、布局、间距、尺寸和选型非常重要。
在散体混合工作面掘进过程中，高静水压力会导致工作面工况不稳定，刀盘仓内几乎形成流体土，可能导致压力损失，使掘进面无法接触地层。同时，这种情况也可能造成刀盘仓内压缩空气体的损失，给高压干预带来问题。如果超挖导致硬地层上方软土层中的淤泥清渣超过其渗透速度，混合面开挖可能发生较大的地面沉降，导致工作面失稳和地下水下渗。
TBM的转向困难经常发生在混合地层中，在某些情况下是因为TBM更倾向于在坚硬的岩石表面上工作。在可能的情况下，TBM施工应尽量从硬地层进入软地层。此外，在混合地层中，如果水平方向有相对弹性，应尽量避免在过渡带施工，这些地带上方的构筑物对沉降比较敏感。如果必须在这些区域进行施工，必须严格控制和监测TBM的性能参数和开挖量。
为了降低上述风险，不仅要选择适合地质条件的掘进方法和TBM设计，还要使地层更加稳定和不透水，以适应这种掘进方法。例如，通过引入添加剂，淤泥可以顺利地通过刀盘，从而保持均匀和平衡的土压力。添加剂由水、聚合物、泡沫和膨润土泥浆组成，具体组合和比例根据不同地质条件确定。
随着TBM性能的不断提高，在混合地层条件下掘进的能力大大提高，风险也大大降低。然而，真正的问题不是TBM在复杂或混合地层中的适用性和自身性能，而是如何选择正确和合适的TBM设备。这通常取决于可靠的岩土工程勘察、准确的岩土工程基线剖面和岩土工程参数采集、适应性TBM标准、不同地质条件下的适应性TBM设计以及TBM设备在开挖过程中的最佳操作。这些因素将决定隧道能否在复杂困难的地质条件下顺利贯通。最重要的是要认识到混合地质条件下TBM的损坏可能会带来严重的后果，包括浸水、沉降甚至坍塌。正确的岩土评估、合适的TBM模型和操作人员对地质条件变化的警惕是工程成功的关键。
本文发表于《桥梁与隧道工业》杂志2021年10月第46期。
作者/Irwan Halim
作者/美国AECOM公司
