TBM TUNNELLING IN DIFFICULT GROUND
CONDITION
Giovanni Barla and Sebastiano Pelizza
ABSTRACT
This paper is to discuss TBM tunneling in difficult ground conditions, when problems are met which may reduce dramatically the average progress rates and practical consequences may be such as to pose serious questions on the use of mechanized TBM tunnelling versus drill blast and other so-called traditional excavation methods. Following a few remarks on rock TBM tunnelling in relation to the selection and dimensioning of the machine, the attention is posed on the limiting geological conditions which may be envisaged with respect to the use of TBM tunnelling and on the importance of geological and geotechnical investigations, in order to derive an appropriate understanding of the rock mass conditions along the line of the tunnel. The discussion is centered upon the relatively more important or difficult ground conditions including borability limits, instability of excavation walls, instability of excavation face, fault zones and squeezing. Whenever available to the authors and based on project experience, the point of view is illustrated by case examples, which give the opportunity to underline specific difficulties encountered and recommendations.
INTRODUCTION
TBM excavation represent a big investment in an unflexible but potentially very fast method of excavating and supporting a rock tunnel (Barton, 1996). When unfavorable conditions are encountered without warning, time schedule and practical consequences are often far greater in a TBM driven tunnel than in a drill and blast tunnel.
The unfavorable conditions can be produced by either a rock mass of very poor quality causing instability of the tunnel or a rock mass of very quality (i.e. strong and massive rock mass) determining very low penetration rates. However, it is to be observed that when using the full face mechanized excavation method, the influence of the rock mass quality on the machine performance has not an absolute value: the influence is in fact to be referred to both the TBM type used and the tunnel diameter.
Right from the beginning of its earliest applications, the use of full face mechanized excavation was to overcome the limits imposed by local geology, the economic challenges and schedule competitions of the drill and blast method and other so-called traditional excavation methods. A prominent example is given by the recent (from 1995 to 2000) construction of the one tube 24.5 km long Laerdal Tunnel in Norway, the worldrsquo;s longest road tunnel.
The 100m*m cross section tunnel is being excavation in a Precambrian gneiss, a very good and stable rock mass: the supports are on average only 7-8 rock bolts plus a 7cm thick shotcrete lining per meter of tunnel. The excavation is carried out by the drill and blast method, which been evaluated to be less expensive and more reliable than the use of alarge diameter TBM. The average progress rate is 4.8 – 5.0 km per year with two faces, against the 2.3-4.8 km per year, estimated for a large –diameter TBM (Kovari et al., 1993)
With this background in mind, this paper is intended to address the problem of TBM tunnelling in difficult ground conditions. Based on a few selected case examples, the discussion is centered upon the relatively more important or difficult ground conditions which can be listed as follows: borability limits; instability of excavation walls; instability of excavation face; faut zones; squeezing.
ROCK TBM TUNNELLING
The practically infinity number of combinations rock, soil and environmental conditions which may be encountered during tunnel excavation has determined a great difference in the types and characteristics of the available TBMrsquo;s . There are many different schemes for the classification of tunnelling machines. For the example the AITES/ITA Working Group No.14 (Mechnisation of Excavation ) is currently working on the definition of an internationally acceptable classification of TBMrsquo;s with the purpose of establishing terminology and “terminology” for the optimum choice of the machine (Table 1).
Rock tunnelling machine can be grouped in to three main categories (Table2): Unshielded TBM (i.e. Open TBM), Single Shielded TBM which is the way of creating new types of TBMrsquo;s that are suitable for application over a wider range of geological conditions, even though the distinction between TBM for rock and TBM for soft ground remains.
From the point of view of rock TBM dimensioning, it is necessary to point out that, although TBMrsquo;s of more than 10 m in excavation diameter have been constructed, it is always advisable to try to limit the maximum size of the tunnel and therefore that of the TBM.
As easily perceived, the reasons for limiting the tunnel diameter are:
1.the potential of a TBM in hard rock decreases with in increasing diameter (Kovari et al., 1993; Bruland. 1998);
2.The intensities of both the instability phenomena and the induced convergence also increase with increasing diameter of the excavation (Tseng et al., 1998; Barla G. and Barla M., 1998).
3. The intensities of both the instability phenomena and the induced convergence also increase with increasing diameter of the excavation (Tseng et al., 1998; Barla G. and Barla M., 1998).
There already exists a positive and consolidated experience in the use of TBMrsquo;s in rocks of different qualities and strengths for excavation diameters up to 12-12.5 m.. Beyond 13.5-14 m excavation diameter, the present technology is probably not up to the level of guaranteeing a good performance of TBMrsquo;s in hard rook. Designers should take into account these limits during the tunnel design phase, making use whenever po
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在不良地质条件下的隧道掘进
摘要
本篇论文所探讨的内容是：在遇到严重减小掘进速度的不良地质条件下的隧道开挖，并提出采用ＴＢＭ，钻爆法和其他所谓的传统开挖方法进行隧道掘进时所能遇到的问题。下面是由ＴＢＭ进行掘进的有关机器选型和尺寸的说明，关注于使用ＴＢＭ进行掘进的地质条件的限制及地质和地质观测的重要性，所以，要恰当理解隧道沿线的围岩状况。讨论集中于相对重要或不良地质状况的围岩，其中包括可挖性限制，开挖洞壁的不稳定性，开挖掌子面的不稳定性，断层和挤压岩况。利用其他作者之言并基于工程经验，通过实例阐述观点，借此机会强调面临的特殊困难并给出建议。
引言
TBM开挖不仅意味着巨额投资，而且可以进行快速开挖和支护 (Barton, 1996)．在无预警的情况下遇到不良地质条件，从时间和实际产生的结果来讲采用TBM 方法进行隧道掘进远远比采用钻爆法快得多。
在不良地质条件下往往产生大量的弱质岩石，这样会使隧道处于不稳定状态，或者产生大量的硬岩，会降低掘进速度。然而，据观测，采取全断面机械开挖方法，岩石状况不会影响机械运行的绝对值：实际的影响因素参考TBM类型和隧道直径。
仅从该方法使用之初，全断面机械开挖方法就要克服了地质条件的限制，钻爆法和其他传统的开挖方法在经济方面的挑战和施工时间上的竞争。典型的例子就是最近（１９９５－２０００）在挪威施工的长为24.5 kmLaerdal隧道，该隧道为目前为止世界上最长的公路隧道。
开挖横断面100m*m，地质年代为前寒武纪，片麻岩，岩石稳定：每米隧道平均打７－８个锚杆进行支护，外加7cm厚的喷混衬砌。使用钻爆法比使用大直径的ＴＢＭ方法进行开挖花费少，而且更可靠。从两面同时进行每年的平均速度是 4.8 – 5.0 km而大直径的ＴＢＭ估计每年速度为 2.3-4.8 km (Kovari et al., 1993)。
了解此情况后，该论文试图解释在不良地质条件下使用TBM进行隧道掘进所遇到的问题。基于所选的几例情况，该讨论聚焦于相对重要和困难的地质情况：可挖性的限制，开挖洞壁的不稳定性，开挖掌子面的不稳定性，断层，挤压状态。
硬岩ＴＢＭ隧道掘进
在隧道进行开挖过程中，所面对的岩石，土壤和环境条件等一系列实际问题决定了所使用的ＴＢＭ类型和特征的不同。隧道掘进机有很多不同类别。如AITES/ITA No.14 （开挖机械）目前被认定为国际上可接受的TBM类别，该名称用于确定术语，该术语是适合选择的机器的意思（表1）。
硬岩掘进机主要分为三类（表２）：无护盾TBM（例如：敞开式TBM），单护盾式TBM，该种为创新型的TBM，即便存在硬岩式和软岩式TBM，该钟却适用于多种类型地质条件。
就TBM的尺寸来说，有必要指出一点，虽然已经采用TBM开挖过10米以上洞径的隧道，但限定洞径及TBM的直径仍是明智之举。
显而易见，洞径受限的原因如下：
1.随着洞径增大，TBM在硬岩掘进方面的潜力减弱；
2.大尺寸的TBM主要部件受技术条件的限制，例如，轴承和刀盘；
3.随着开挖直径的扩大，不稳定现象的强烈程度也会随之增强。
在开挖直径达到12-12.5 m的情况下，在不同质量和强度的岩石条件下，还是有纯熟经验运用TBM进行开挖。然而对于超过13.5-14 m的开挖直径，就目前的技术而言，可能还达不到完满实现运用TBM进行硬岩开挖的水平。在隧道进行设计的阶段，设计者应该考虑到这些限制条件，利用各种有利条件，减小隧道断面，甚至还要考虑与其他隧道开挖平行进行。特别是对于高速公路隧道而言，在某些情况下，为分流交通，最好采用三条隧道，每条隧道有两条车道，而不是采用两条隧道，每条隧道有三条车道。对于铁路隧道，最好采用相对小的两条单轨隧道，而不是采用大的双轨隧道。
通过公路，高速公路和铁路的标准化改造，可充分发挥使用TBM的优势。使用TBM进行施工不仅机械可以再次应用于其他相同性质的施工条件，而且在施工时间和成本上也有巨大优势。众所周知，ＴＢＭ的价格，直接施工的成本相对来说都比较大。如果达不到预期的目的，没有按照原计划时间完成，就会极大地影响施工。所以，一开始尽可能使用与ＴＢＭ有关各方面最好的设备及服务很重要。总的来说，最可靠的机器就是能被分解成尽可能少的部件的简单机器(Foster, 1997). 事实上，基于经验设计的TBM在维护和生产运行过程中会频繁发生很多如下预期的事件。
基于以上考虑，及最近和以前的经验，关于TBM的选型提供如下观点：
更广泛地使用护盾式TBM而不是敞开式；
随着开挖直径的增加，使用范围更加不同；
带有两个支撑系统的敞开式ＴＢＭ比带有一个支撑系统的护盾式ＴＢＭ对于不稳定围岩更敏感；
是使用单护盾还是使用双护盾的TBM，由设计情况和ＴＢＭ的尺寸及面临的限定条件决定，而不是ＴＢＭ的类型决定；
单双护盾式ＴＢＭ的选择由隧道断面的设计和在隧道整个施工沿线是否进行超前衬砌决定。
应该想到在隧道施工中除了技术方面，还有其他问题需要解决。
人们应该知道想到,如今的ＴＢＭ可以通过合理设计和使用，规避不良地质状况所带来的重大风险。
还存在一些限制的情况下，才能克服特殊干预不可避免的后果的施工时间和成本的项目；
除特殊情况外，使用混合护盾式ＴＢＭ并不是克服TBM进行隧道掘进局限性的方法；应用于特定状况，设计ＴＢＭ并确定特殊需要解决的困难。
承包商专业知识的重要性，首先，没有给予指导和技术人员以适当的关注，事实上，正是这些人在ＴＢＭ发挥功效方面，特别是在限定条件下，发挥着首要的作用
通过竞标，隧道工程中所要求的克服限定条件所花费的时间和成本应该得到客户的认可。根据评估，隧道开挖在不良围岩状况下进行，在设计和预算方面要充分地考虑到差额；此方法对采用钻爆法进行施工的隧道同样适用。
假定ＴＢＭ在任何地质条件下都能步进，但这种类型的ＴＢＭ不能在实际应用中出现，ＴＢＭ采取的设计和特殊的制造性能
事实上，仅仅从有资质的ＴＢＭ制造商那里订购一台特别的ＴＢＭ还远远不够；而基本的还要由使用者，承包商不断地合作并监控机器的设计制造细节。实际上，只要一种类型的ＴＢＭ还没有设计和制造的“验收标准”，制造的每一台ＴＢＭ只能视作雏形，不同于其它的，原因如下：ＴＢＭ的设计和制造在不断发展，ＴＢＭ的技术革新也在进行中。每个隧道工程都有本身的特征并且每个专家级的承包商都有自己的传统和观点。
图10.25.用于图10.24曲线改进的几何学
图10.26.等速线（Persson，1990）
这些“损伤”临界值见图10.27，为了简化，假设水平是1m/sec（见图10.28）。
为了说明曲线在最终露天矿边界附近的爆破设计上的简单应用，参照一下例子:
炸药=ANFO（0.82g/cm）
生产炮眼直径（D）=350mm
“缓冲”炮眼直径=230mm
周边眼直径=102mm
台阶高度=15m
表10.6安全限，在安全限以下没有损伤（Hegan and Mercer（1993））.
|
结构类型 |
质点速度 |
|
|
in/sec |
mm/sec |
|
|
古建筑、纪念碑以及特殊用途的建筑 |
0.08 |
2 |
|
房屋和低层的建筑物 |
0.4 |
10 |
|
商业型和工业型建筑物或者加固的混凝土和钢结构 |
1 |
25 |
图10.27.质点峰值速度-距离曲线，损伤区域被叠加
图10.28样例的质点峰值速度-距离曲线
布局参数：
KB=25
KT=0.7
KJ=0.3
KS=1.0（方形炮眼排列法）
为了简化讨论，假设台阶面是垂直的。
第一步，生产炮眼排列法、缓冲炮眼排列法和周边眼排列法相关计算。
- 生产炮眼排列法
B=25（0.350）≌9m
S=9m
T=6m
J=3m
q=75Kg/m
- 缓冲炮眼排列法
B=25（0.230）≌6m
S=6m
T=4m
J=2m
q=34Kg/m
- 周边眼排列法
B=25（0.102）≌2.5m
S=2.5m
T=2m
J=1m
q=6.8Kg/m
第二步，如图10.29为每一个台阶的开始和最终露天矿等高线。为了切割岩石达到预期的安全限，周边眼被放置在最终露天矿等高线上，图10.29还显示了最终露天矿等高线（1m/sec）内侧预期的“损伤限”，它向内延伸了6.5m。缓冲炮眼和生产炮眼最合理的位置是可以满足超过“损伤限”的位置不会有损伤的地方。从图10.28可以看出，二者对应的极限半径分别是：
缓冲炮眼：R=14m
生产炮眼：R=20.5m
缓冲炮眼和生产炮眼相对最终等高线最合理的位置见图10.29：
缓冲炮眼=14.0-6.5=7.5m
生产炮眼=20.5-6.5=14m
第三步，如图10.30为初步的尝试设计，可以看出，在两列周边眼（T1、T2）之后有一排缓冲炮眼（B1），紧随其后的是两排生产炮眼（P1、P2）。
然而，这样的设计依赖于炸药有效系数是一个常数（KB＝常数）。当炮眼上的抵抗线被比例化，这些炮眼将会落在被先前炮眼影响的区域。这些损伤区域会发生重叠，最大损伤区域将被近似为抵抗线。图10.31显示了P2和B1损伤区域的重叠。
以下是关于炮眼排列法的三种调整：
1.当保持抵抗线和孔距不变，炮眼B1里的炸药量将会明显地被降低 ；
2.当保持装药量不变，抵抗线或者孔距可能被增加 ；
3.当增加抵抗线和孔距，炸药量可能有一定程度的降低 ；
选择2不能被考虑，因为孔眼会更加靠近最终的露天矿极限，损伤区域会进一步向内延伸。选择1是一个很不理想的选择，因为它的成本很高。因此选择第三个。
了解岩石被之前爆破的破坏程度将会是改变设计的最好基础，B和S的值将会随着KB值的改变而改变，但是，对于损伤程度的信息，在今天是比较缺乏的。
从一个贴合实际的角度出发，改变炮眼排列的方式会更受欢迎，这样将会仅仅有一列缓冲炮眼和一列周边眼。
假设适当的调整值：装填密度为34Kg/m时的KB＝35，这意味着炸药有效系数约为原来的一半：
B=35（0.230）=8m
S=8m
新的缓冲炮眼如图10.32，现在它位于距离矿井极限6m的位置，图10.28中的损伤区域是14m，它延伸到由生产爆破产生的损伤之外，为了保护剩下的岩石，装药量必须减少。
ro的需求值是：
ro=6m 6.5m=12.5m
在图10.28中，可以发现最大的线装药密度为26Kg/m，它影响着抵抗线的选择。7m的抵抗线、9m的孔距和30Kg/m的装药密度基本上处于平衡状态，因此炮眼的排列将会相对生产爆破被错列开（见图10.33）以获得更好的炸药分布，随后的爆破相距生产爆破7m，可以看出，下降的区域完全落在由缓冲炮眼产生的损伤区域内，并且也受到产生炮眼的影响。因此，两列周边眼将会被利用，如图10.34，其中第一列周边眼的抵抗线是4m，第二列周边眼的抵抗线是3m，孔距是4.5m，以此满足了常规的炮眼排列。
很明显，在方案设计上有很大的灵活性。与装填器的自然装填和挖掘能力有关的损伤可能仅仅需要一列周边眼，这些损伤是由过度重叠片段的炮眼排列产生的。保持损伤区域处于周边眼产生的损伤区域内的基本原则仍然存在，使得装药密度下降或者变化的技术将会在10.2节中讨论。
钻孔超深导致的台阶顶的损伤是非常重要的，需要被考虑。由于几何学影响，当抵抗线被降低，超深的值自然而然被降低，对于周边眼没有超深。抵抗线应该被降低，所有先前的岩石被移动（非缓冲岩石），以此气体可以推进延伸爆破之外的岩石进入预期的最终等高线。来自P2和B1的超深应该远离下面的台阶的顶端，利用这些原则设计的方案见图10.35 。
正如（10.23）所表示的，图10.28中的曲线是针对特殊的案例，对于不同的案例，应该应用其他的方程。在寻找合适的方程以及对应的曲线方面，应该遵从的基本过程将在下面进行描述。
(10.23)
方程将会通过两种方法改进：
- 引爆一系列的球形炸药（长度小于等于6dm），然后测量质点速度，作为距离和炸药量的函数
- 测量一系列生产爆破的质点速度，作为距离和炸药量的函数，其中测量距离远远大于炸药长度，孔眼近似为球形炸药
假设以上方法已经被执行
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