TBM（隧道掘进机）在挤压土体中施工的可行性研究.pdfVIP

014-239 TBM （隧道掘进机）在挤压土体中施工的可行性研究 M. Ramoni1, G. Anagnostou （瑞士联邦科技研究院岩土工程研究所，苏黎世，瑞士 ） 摘要：挤压型土体开挖可能会产生一系列的困难，如卡住刀盘或者盾壳、开挖轮廓的大规模收敛、隧道支护的破坏。 在非常柔软的岩石层，也可能发生刀盘被卡住和下垂，并且 TBM 上由夹板充当的支撑也会失去作用。这些困难无论 是独自发生还是和隧道掌子面和边墙的不稳定性一起发生都可能放缓甚至阻碍 TBM 的运行。如果这种情况在隧道的 施工中频繁发生，或者在隧道很长一段都发生，那么就对 TBM 掘进的可行性具有决定性的影响。本文讨论了在挤压 型土体中实施机械化隧道开挖的一些特有问题，在数值计算结果的基础上研究盾壳被卡住问题并且分析了一些应对 措施的效果。 1 引言 TBM 的工作性能受到地质条件在不同方面的影响。在硬质岩层，有可能出现岩石可凿性的问题， 例如，穿透率低，过多的磨损而需要频繁地维修或者更换刀具。 混合表面条件可能造成操作上的困 难或剧烈振动从而引起大的维修甚至于刀盘的破坏。水流量可能影响出泥效率或者管片衬砌的安装。 低强度或高度变形的土体伴随着一系列的难题，广义上来说，都归于 “稳定性和变形问题”一类。 低强度土壤，例如高度破坏或者风化岩石，可能导致隧道洞口的塌方或刀盘被卡住。在敞开式 TBM 中，由于开挖边墙的不稳定，有可能导致支撑安装或夹具定位的困难。主要的困难是穿过强大 水压下类似土壤材料的断层区域。当遇到这样的区域，水和松弛性材料就会流入开口处。一般情况 下，这种断层区域一般发生在有很大接缝和断裂岩石的侧面，其他情况下，很少能转化成有承受能 力的岩石。在掘进工程中，显然很有必要通过预先探测来辨别这样的区域。为了克服这样的断层区 域，在施工之前对土体进行排水和强化。我们对这样的区域做出判别和实施一些措施就可以在很大 程度上减小 TBM 的利用率。 当挖掘穿过高度变形的土体区域，隧道挖掘工程师面临一些完全不同的新问题。如果不采用适 当的防范措施，洞口就会发生长期变形甚至导致隧道横截面的完全封闭。衬砌承受的岩石压力逐渐 变大，可能导致衬砌的破坏甚至完全毁坏。在这样的情况下，有人提出 “天然岩石压力”，这样的地 层被称为 “挤压型”（Kovari 1998）。经验显示只有在强度低的岩层中才会产生较大的变形和压力。 千枚岩，片岩，蛇纹岩，粘土，某些类型的复理石，分解粘土和云母石是典型的例子。在一些断层 区域，经常会遇到软质的岩层中含有部分硬质岩石。经验表明较高的毛细水压力促进了挤压型土体 的形成。挤压型土体条件可能减缓甚至阻碍 TBM 的运行，如果这种情况在隧道的施工间歇中频繁发 生，或者在隧道很长一段都发生，那就对一台 TBM 的经济效应和可行性作具有决定作用。 以下的分析中将会讨论在挤压土体中实施机械化隧道开挖的一些特有问题，也会特别考虑盾壳 被卡住问题。我们应当注意这些问题，然而，这些挤压型土体带来的难题经常与上文所提到的不稳 定现象一起发生。在很多案例中，我们可以在不同问题之间观察到一些信息 （Kovari 1986a）。 2 TBM 在挤压型土体中挖掘的特殊问题 TBM 的工作是机器，隧道支撑和土体共同作用的结果。后者可以看作是 “特定的”，因为改良后 的方法如排水系统就非常耗时，因此与达到高效的掘进效率这一目的相冲突。此外，这些方法的可 行性与效应随土体的性质而定，在每种特殊情况下都必须进行检验。 挤压型土体潜在危险主要是机器和备用区域。由于稳定的几何性质和有限的弹性范围，TBM 允 许的变形空间受到严格的限制。收缩值超过隧道半径的 5%则被认为是有问题的 （Kovari 1986b）。 后备区域中出现的问题与一般隧道挖掘基本一致，主要的不同点在于为了允许大变形，一般隧道的 轮廓可以挖掘的更大。 TBM 的型号由于推力系统、支撑的种类和 自身存在的不同而各异，而并非是因为 TBM 的不同而 不同。因此，我们要根据机械型号的不同考虑可能出现的危险。起重要作用的掘进效率也依赖于机 器的型号。