复杂地质条件下TBM的施工——来自伊斯坦布尔的经验教训

引言：伊斯坦布尔原名君士坦丁堡，东罗马帝国首都，奥斯曼帝国首都，如今是土耳其最大城市。这一座因历史悠久、地理位置独特而闻名的城市，正在经历大规模的交通基础设施建设，已陆续建成伊兹密尔湾大桥、世界上最宽悬索式大桥和最长铁路悬索式大桥博斯普鲁斯海峡第三座大桥，以及连接伊斯坦布尔欧洲部分和亚洲部分的欧亚海底隧道，正在建设的恰纳卡莱1915大桥建成后将成为世界上最长的悬索桥。关于欧亚隧道， 已有介绍详见跨越欧亚——博斯普鲁斯隧道建设视频介绍、跨越欧亚的起点——博斯普鲁斯隧道的工作井的设计和施工、跨越欧亚——博斯普鲁斯海峡公路隧道工程简介。但伊斯坦布尔交通基础设施还不至于此，新机场的开通带动了地铁接线的建设。比起欧亚隧道虽然地铁隧道直径小、埋深浅，但其经过线路更长，而伊斯坦布尔位于地震带，地质条件非常复杂多变，这给隧道建设提出不同的挑战。

以下是土耳其隧道 主席 Nuh Bilgin 教授和 Kolin-Kalyon-Cengiz 合资企业 TBM 组经理 Sinan Acun探讨了土压平衡TBM在复杂地质中吸取的经验教训。

新伊斯坦布尔机场位于伊斯坦布尔欧洲一侧的前露天煤矿之上，占地 7650 万平方米，距离市中心西北 35 公里，朝向黑海海岸。尽管由于 Covid-19 大流行导致全球所有机场的乘客人数严重减少，但该机场在 2020 年仍接待了 2340 万名乘客。提供了飞往全球 350 多个目的地的航班。

新伊斯坦布尔机场2020年客流2340万（杭州萧山机场2020年客流2822万占地1000万平方米）

该机场目前通过巴士车队与城市相连，但地铁将在 2021 年 10 月 29 日（土耳其共和国成立之日）前开往新机场。共设计了两条地铁，每条地铁设置双洞隧道，一条从Gayrettepe到机场的长度为37.5公里，另一条从Halkali到机场的长度为35公里。从Halkali到机场的第二条线路正在建设中。

新修两条新修地铁连接新机场

第一条地铁线，从Gayrettepe到机场的路有9个车站，总长75公里（双洞），其中69公里由TBM掘进。为了开挖超长的地铁隧道，使用了来自四个不同 TBM 厂家的共 10 台 EPB TBM（直径 6.56m）。

TBM厂家之一——海瑞克

Gayrettepe线上的Gayrettepe站竖井

TBM隧道沿线地质复杂，存在多个过渡带、剪切带和断层。建成后，该条地铁线计划每小时运送 150000 名乘客，从市中心到机场的行车时间约为 24 分钟。

地质概况

隧道沿线的主要地质地层包括第四纪、第三纪和古生代的Trakya 组；这些地层包括了不同风化程度的砂岩互层、泥岩、粉砂岩；其上为第三纪的Danisment组，主要为泥岩、粉砂岩和软弱带的砂岩。由于 Danisment 组含有甲烷，因此需要在挖掘前进行详细的风险分析。根据从甲烷/粉尘爆炸、土耳其煤矿传输带上火灾，及此后发生的一系列火灾，讨论并制定了管理 TBM 开挖过程中隧道火灾风险的指导原则和技术（Bilgin、Balci、Arslanbas，2021 年）。沿线采矿活动后留下的几个断层、薄弱带、过渡带和几个湖泊在隧道开挖过程中造成了巨大的困难。

经验教训：适当的 EPB 工作面压力可降低 TBM 卡住的风险

伊斯坦布尔机场项目表明，EPB TBM 在复杂地质中开挖，取得成功的关键因素之一是正确运用EPB 工作面压力。Anagnostou 和 Kovari (1996) 给出的计算 EPB 面压力的概念被用于伊斯坦布尔机场地铁项目隧道的两条线路。然而，之前的研究表明，在伊斯坦布尔复杂的地质条件下，没有一种工作面压力计算方法能够给出正确的 EPB 压力。

在每开挖1公里隧道之前，就会准备一份本次 EPB 工作面压力的 告，随后将这些值与实际值进行比较。下1公里EPB 告出具的计算值，使用来自类似地质条件累积 EPB 数据，考虑了类似地质条件前轮获得的实际值与计算值的对比。

两个 TBM（先行TBM超前另一个30m）都接二连三的卡/受困于松散和破碎的F1、F2、F3断层带内（环号2656/2856；里程 5+260/4+960 公里）。这些区域表现出复杂的几何形状和结构，并且填充了强度非常低的材料。

图 1 中可以看到一个复杂薄弱区（断层 1）的典型图片。在该区域，先行 TBM 卡住了 3 次，而后行的 TBM 只卡住了一次。最初，第一次堵塞的补救工作包括在 2 bar的压力下通过围绕尾盾上的 16 个注浆孔，注入膨润土和一种名为MasterRoc SLP 2液体聚合物。

图 1：软弱带复杂地质情况的典型视图（岩石松散和破碎且张开（断层带1))

在多次失败的尝试后，决定在管段和尾盾之间安装五个额外的千斤顶，以实现额外的 15000kN 推力。使用 16 个被动铰接气缸还获得了 10000kN 的额外推力。

从图 2 中可以看出，TBM 在点 1、2 和 3 处卡住。在每次遇到这种情况时，都使用额外的千斤顶来使 TBM脱困，在脱困之前，TBM 分别移动了 4.5m、4m 和 0.8m。然而，在救援作业中，开挖时间从30 分钟/环增加至60 分钟/环，持续上升至752 分钟/圈，然后下降到510 分钟/环和120 分钟/环。

图 2：管 1 环号 2400/2900 内 EPB 面压力的变化（先行TBM）

图2和图3显示了两个隧道相同区域先行TBM和后行TBM掌子面压力的情况，由此可以对比两个TBM在通过类似地质条件下的表现。如图 2 所示，1号洞内的先行TBM在在 A、B 和 C 点内的压力值在0.45 ~0.94bar之间变化；环号 2410/2618 之间压力的平均值为 0.7bar。

图 3：管 2 环号 2400/2900 内 EPB 面压力的变化（后行TBM）

第一次被卡后，在2618-2880环之间时，EPB压力在0.47和4bar之间波动，平均值为1.1bar。图 3 显示了2号洞的后行TBM 压力随环数的变化。参考此图，在 2410-2518（点 A、B）、2518-2618（点 B、C）和 2618-2880（点 C、D）之间 ) EPB 压力连续增加，平均值分别为 1.2、1.64 和 2.1bar。

两台机器的性能最显着的区别是 先行TBM 在1号洞内被卡住了 3 次，而后行TBM在2号洞内仅卡住了1次。在所研究的里程内（地质条件相同），后行TBM施加在2号洞内的平均压力为 1.65bar，几乎是 1号洞内压力（0.83）的两倍。结论是，较高的 EPB 压力有助于阻止复杂薄弱区域内松散材料的坍塌。然而，工作面压力能在多大程度上降低松散软弱带坍塌而卡住尾盾的可能性，是值得怀疑的，这可能取决于软弱区域的尺寸和倾斜度。相信这是一个有待进一步研究的开放领域，可能会需要使用数值分析方法。建议读者参考 Acun、Bilgin 和 Erboylu于 2012 年发表的论 ，了解有关适当 EPB 压力作为防止 TBM 堵塞的缓解因素的影响的更多信息。

为高压干预做好准备

图 4 显示了一个典型的地质剖面，在里程11700m 和 12600m 之间是几个不同地质单元的过渡带。当TBM位于图4的过渡区时， 开挖的主要问题之一是刀具的高消耗。当从软土地层过渡到坚硬的岩层时尤其如此，在这种情况下，刀具被破坏，刀盘也被损坏。过度的盘消耗和刀盘损坏也需要高压干预。开挖出的材料的磨损性也导致了这种不良情况。因此，在高 EPB 压力下，在里程 11+700 公里处高压干预是不可避免的。

图 4：TBM通过过渡区时的地质纵断面

图 5 显示了一名潜水员在 3.2 bar高气压干预下工作。每个潜水员都被允许在高压条件下工作1小时，将4个人编为1组，潜水员们可以在一周内更换 18 个滚刀。这强调了这样一个事实，即 TBM 应该有一个适合高压干预的人员锁，承包商必须准备好采取这一行动。

图 5：在 3.2bar 高压干预中工作

两种不同地质构造之间过渡带上的岩石普遍较差，有时会对隧道开挖造成严重问题。常见问题包括无法维持工作面压力、水土流失（Ground loss 指实际开挖量大于设计开挖量）和地表塌陷（sinkholes）。在我们的案例中，在风化砂岩和块状砂岩之间的过渡带，链段 12+130/12+120km 之间出现了一个天坑，通过此处时最大 EPB 压力为 3.8bar（图 6）。塌陷位于隧道顶部 80m 处，需要 800m3 的混凝土来填充它。

图 6：12000-12700m 里程之间 EPB 工作压力的变化

土耳其经历的不同案例表明，超前钻孔和管棚可以帮助避免不利情况，例如复杂地质中的 TBM 挤压/卡住或地表塌陷。然而，上面给出的例子清楚地表明，在不利的地质条件下，使用适当的 EPB 工作面压力，以及控制水土流失措施也可以作为缓解因素。

过渡区最显着的影响是隧道掘进时间会拉长，因为皮带输送机带出大量泥浆，会导致清洁隧道的时间过长。在过渡区开挖的另一个负面影响是对每日推进率的影响（图 7）。

A：W1-2地层（Trakya组，砂岩、泥岩、粉砂岩互层）中TBM掘进的时间占比分布，平均日推进速度34m

B：2020 年 12 月 21 日至 2021 年 1 月 9 日期间，在过渡区内（里程 12+578 /12+420 ）TBM掘进时间占比分布，平均每日推进率为 10m

图7：TBM掘进时间的分布对比（A为正常段；B为过渡段）

检查刀盘和更换刀具的时间增加了 3.5 倍。尤其是当 TBM 从软弱地层过渡到硬岩地层时，刀具损坏，刀盘也损坏更多。这使得高压干预不可避免。

为了更好地应对过渡带，严格建议必须首先关注地质解释。应充分研究过渡带中遇到的材料的岩土特性，以进行地面调节。此外，隧道管理人员必须准备好应对在过渡区开挖所带来的困难。

含甲烷地层中必要的风险分析和安全计划

机场建设区位于原煤田——渐新世煤层，包括上、中、下煤层。该矿目前已被废弃，但在其之上正在建设世界上最大的机场之一。因此，在里程 24+375 和 24+575 之间隧道开挖很有遭遇甲烷可能性较大，这是一个很大的问题，因为以前，在土耳其 Selimpasa 污水隧道掘进时，在土舱内发生甲烷爆炸，导致数名工人受伤。

在 Selimpasa 隧道中，来自断层带的甲烷积聚在 TBM 的土舱内，并且由于火花而发生爆炸，这很可能是由于螺旋输送机与其套管之间的摩擦引起的。甲烷 (CH4) 是一种无色、无味且无毒的气体。由于甲烷的密度（0.716kg/m3）低于空气的密度（1.293kg/m3），它会在隧道或通道的上部积聚。当它与空气混合时，它会变得易燃易爆，从而产生危险。当空气中的甲烷浓度在5%（下限）到15%（上限）之间时，就会发生爆炸。

在里程 24+375 和 24+575（在煤层中掘进的区域）内，启动了以下安全计划：

a) 隧道内严禁吸烟。

b) 提醒工人永远不要忘记，土压平衡TBM土舱中的甲烷含量总是高于隧道内的甲烷含量，因为隧道内空气中的甲烷总是被隧道通风稀释。此外，泡沫中的氧气是产生甲烷爆炸的非常有利的介质。

c) 当空气样品显示爆炸下限（LEL）为 5% 或更高时，应增加供气量并持续进行气体监控；螺旋输送机周围应雇用最少数量的工人，因为如在 Selimpasa 隧道所观察到的那样，火焰和泥浆会通过螺旋输送机的泥浆室达到隧道内。煤尘爆炸比甲烷爆炸更严重，应尽量避免煤尘积聚在皮带机。必须使用耐火输送带；禁止在皮带输送机和液压千斤顶附近进行焊接或切割作业。由于甲烷可溶于水，它会随地下水迁移，并非常可能到达隧道，因此应检查整个隧道的气泡。除了 TBM机器内的气体传感器外，额外的气体传感器应位于关键点。压力室内产生的甲烷必须用特殊的通风管加以控制。当空气样本显示 5% LEL 或更多时，应增加空气供应。

结论

新伊斯坦布尔机场建在一个前煤矿和复杂的地质环境中。在这种地质条件下，可以从 EPB-TBM 掘进中吸取以下经验教训：

使用适当的 EPB 工作面压力可降低 TBM 被卡的风险。

TBM 应该有一个适合高压干预的人员接口，承包商必须为此做好准备。

过渡区减少了机器使用时间并增加了刀具消耗，这意味着必须根据实际的地质条件合理安排工期。

应充分研究过渡带内地层的岩土特性，以确保正确理解的地质条件。

即使覆盖层达80m ，也可能发生地表塌陷。

隧道管理人员必须对在过渡区掘进可能产生的困难做好心理准备。

1.Sinan Acun,Nuh Bilgin, Ula? Erboylu. Contribution on the understanding of EPB-TBM drives in complex geologic structures. January 2021 Tunnelling and Underground Space Technology.

2.Nuh Bilgin,Cemal Balci,Ali Aslanbas.Case studies leading to the management of tunnel fire risks during TBM drives in an old coalfield.June 2021 Tunnelling and Underground Space Technology 112:103902.

3.Nuh Bilgin, Hanifi Copur, Cemal Balci.TBM Excavation in Difficult Ground Conditions: Case Studies from Turkey. 2016 Print ISBN: 978-3-433-03150-6.

4.Georg Anagnostou,K. Kovári. Face Stability Conditions with Earth-Pressure-Balanced Shields.April 1996 Tunnelling and Underground Space Technology 11(2):165-173.