摘要：进入本世纪来，我国交通事业飞速发展，由于我国地质条件所限，高速公路及铁路建设过程中，隧道施工在所难免。TBM隧道施工，作为掘进作业的核心技术，已经普遍应用与隧道施工中。施工安全是施工过程中最重要因素之一，做好TBM隧洞掘进过程中的安全管理工作，对发生的各类安全隐患事故提前预防可最低限度降低生命及财产损失。本文首先总结和分析了TBM隧洞施工中存在的安全和风险要素，然后针对每类安全隐患，进行了总结。
关键词：TBM；隧洞；安全
1 引言
TBM 隧洞施工是以掘进作业为核心，以掘进、支护、出渣运输为主要作业，通风、供电、供水、排水等为辅助作业进行的。它具有并行性、协调性、连续性和密集性等特点，这决定了TBM 施工组织管理技术上的特殊性。TBM 施工速度快、质量好，投入其中的劳动力也不大，而且优化了地下作业的环境，但TBM 前期配套工程项目较多，工程数量较大，因此我们要因地制宜，对影响TBM 施工的因素通盘考虑，做好具体的现场施工安全管理工作，使得TBM 隧洞施工中达到最优。
2 TBM 隧洞施工安全
TBM 作为常用的隧道施工设备，能够为地下空间的开发与利用提供先进的技术与装备支持，但其面对众多潜在的风险，如果处理不当，会带来严重的后果。开敞式TBM 存在的常见风险有：易坍塌、立拱及回填量大、撑靴及拱架失效、易造成设备及人员伤害等，引发TBM 施工风险的因素主要有：地质的复杂性、TBM 的适应性、人认知的局限性和责任性、方案和措施的不合理性等。可归纳为“地质风险、设备风险、人为风险”，据相关数据统计，其所占比例分别约为40%、30%和30%。
2.1 地质安全
详细、可靠的地质资料是TBM 工程成功的基本条件，对项目采用TBM 施工的可行性、TBM 的选型、TBM主要参数的设计、辅助施工设备的选择和应急预案的制定等方面都有着重要影响，直接决定了工程的成败。TBM 施工的主要地质风险可分为4 类：1）大埋深、高地应力条件下岩爆及围岩大变形风险；2）破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险；3）掌子面或周边围岩的渗漏水、涌水风险；4）瓦斯渗漏风险。
岩石的硬度、岩石结构面的发育程度、岩石的磨蚀性、岩体主要结构面、围岩的初始地应力状态、岩体的含/出水状态等是影响地质安全的主要因素。
2.2 TBM 装备安全
TBM 装备的选型和设计，不仅决定了TBM 在施工过程中能否发挥正常的施工功能，而且也直接影响了后期施工风险发生的概率。与TBM 装备风险相关的因素主要有：TBM 选型（开敞式还是护盾式）、刀盘的结构形式、刀具配置与刀型、刀间距设计、地层处理系统设计和支护系统设计等。不合理的装备设计易引起工程风险，如主轴承或密封损坏、刀盘损坏（开裂、磨损）及刀具异常磨损等。
同时技术先进、质量可靠的TBM 装备是TBM 施工项目顺利完成的关键因素之一。先进设计、制造技术能够保证TBM 地质适应性更好、施工更安全、效率更高、可靠性更好。
2.3 人为因素
TBM 施工经验丰富、管理科学、专业高效的施工队伍是TBM 施工项目成功的根本因素。由于施工人员认知的局限性、施工组织及管理责任心不足、施工方案和措施不合理等原因，直接增加了TBM 施工过程风险事故发生的可能性。
3 TBM 施工安全管理的对策
控制TBM 施工风险的基本原则：地质是基础，TBM 是关键，人是根本。采取的措施可从以下3 方面着手：1）从地质勘探入手，规避地质风险；2）从TBM选型设计挖潜，规避TBM 装备风险；3）从科学管理抓效，规避人为风险。常见的危险地层主要有块状岩体、挤压地层及高水压地层等。
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3.1 不良地质及对策
（1）块状岩体与对策
由于岩体结构的不稳定性和破坏性压力的综合作用，导致岩体的快速分解、岩块脱离、岩端和岩面间发生弯曲变形，进而形成块状岩体。块状岩对TBM 掘进的影响主要有：对刀具造成高频率大幅度震动；使刀具刀盘与堵塞的块状岩之间发生激烈撞击；使刀盘产生非正常振动；使刀具和轴承损坏；导致出渣运输系统非正常磨损等。以国内某大型隧道工程为例，TB880 型敞开式硬岩掘进机施工时，因岩爆、坍塌等在掌子面处形成台阶及孤石，在刀盘旋转过程中，刀具和掌子面台阶、孤石产生频繁冲击，导致刀具异常损坏、脱落，刀具消耗呈几何级数增加。最后，通过采用降低刀圈硬度、加厚刀刃宽度、安装滚刀保护块等措施，起到了对刀具良好的保护效果。
（2）高水压地层与对策
在高地下水压地层（如裂隙岩体）修建隧道，较适宜采用泥水平衡盾构，也可采用更具优势的双模式TBM。在高碎度片麻岩、闪长岩、灰绿石块岩地层、1.3MPa 高水压地层的工况下，荷兰隧道成功采用双模式TBM（泥水/TBM）完成高水压地层掘进，采用的刀盘直径为10.53 m。
3.2 TBM 装备安全隐患的对策
随着施工条件的不断变化，对TBM 施工也提出了更高的要求，即掘进速度更快、地质适应性更高、隧道开挖直径更大。为了提高TBM 在多变和极端地质环境下的适应性，多功能高适应性TBM 的设计原则如下：1）必须确保人员和TBM 设备的安全；2）能有效解决施工中遇到的各种难题；3）能应对各种地质风险，如大埋深、高地应力条件下岩爆、坍塌及围岩大变形风险，破碎带、软弱围岩条件下坍塌风险，渗漏水、涌水风险等；4）具有高适应性并兼顾局部特殊性化。
双护盾多功能TBM具有紧凑的短护盾、锥形盾体、伸缩铰链、主/辅助推进系统、组合性强、超挖量可调等结构特点，能适用于多种复杂岩层隧道，如从软岩到硬岩、穿越断层、高压涌水等地层，但也有不能平衡掌子面压力的不足。其具有高适应性的地层处理系统，包括对全断面的处理，盾体和刀盘处安装有地层处理设备，岩体支护系统可以适应多种地质条件，能够在严重挤压地层和岩爆区进行掘进。在软弱破碎岩层地质条件下，双护盾多功能TBM 以双护盾模式进行开挖，当岩层自稳性较好时，则转换为单护盾模式，同时在断层中，还可以对盾前岩体进行处理。双护盾多功能TBM 充分考虑地层处理功能的需求，能够实现通过刀盘加固掌子面，通过伸缩盾体填充空洞、稳固洞顶，通过盾尾注浆和超前管棚注浆。特别适用于涌水裂隙岩层和断层，能有效解决涌水问题。同时配有一套岩体加固装置，可以进行岩体加固处理。
3.3 人为安全因素的对策
当开挖面不能自稳时为EPB 盾构模式软岩掘进，开挖面自稳性良好时为TBM 模式硬岩掘进，2 种模式间的转化相对简单。解决了传统土压平衡盾构遭遇复杂岩土地层使用受限及TBM 在软土地层中不适应等缺点，兼顾了硬岩、软土2种掘进模式、结合管片拼装与洞壁支护2 种隧洞支撑技术的优点。其既具有硬岩条件下快速掘进功能，又具有平衡开挖面功能，使盾构技术与TBM 技术相互渗透、融合，是一种集硬岩掘进机技术与软土盾构技术于一体的新型混合式TBM，拓展了设备的地质适应范围，使单台隧道掘进设备具有更广泛的地质适应性，能有效降低施工风险，且操作简单、成本低廉。
4 结论
从快速施工、安全防护等方面考虑，无论是开敞式TBM，还是护盾式TBM，在软弱、破碎围岩段施工时，都存在一定的施工风险。为了有效规避TBM 施工风险或尽可能地降低风险发生后所产生的负面影响，获得详细、可靠的地质水文资料和拥有一支经验丰富、管理科学、专业高效的施工队伍是TBM 安全、高效施工的前提；同时，技术先进、质量可靠的TBM 装备和服务专业的TBM 制造商也是TBM 施工项目成功执行的关键因素。本文从地质、装备及人为因素3 个方面系统全面地分析总结了引起TBM 施工风险的各种因素，并提出了相应对策，完善了现有TBM 施工风险管理体系，能够为规避TBM 施工风险提供理论指导。
参考文献：
[1]杨建明. 新疆某水工隧洞TBM施工安全及其管理措施[J]. 水利规划与设计，2015（7）：101-103.
[2]陈维.高原高寒地区双护盾TBM隧洞施工项目管理探析[J]. 四川水力发电，2019（2）：35-36.
论文作者:曹晓平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第21期
论文发表时间:2019/10/16
标签：风险论文; 地层论文; 地质论文; 隧洞论文; 围岩论文; 隧道论文; 刀具论文; 《基层建设》2019年第21期论文;