TBM施工中地質條件預判方法實踐與總結

王雪峰　周斌（中國電建中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

TBM施工中地質條件預判方法實踐與總結

王雪峰周斌
（中國電建中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

隧道掘進機（tunnel boring machine）英文縮寫為TBM，可一次性完成隧洞的開挖和支護，開挖速度可以達到傳統鉆爆法的4～8倍。TBM隧洞施工安全、高效，但因其特殊性，地質工作與傳統的鉆爆方法有一定的區別。本文筆者通過在埃塞俄比亞GD-3水電站引水隧洞TBM開挖段的地質工作經歷，對TBM施工過程中地質工作和地質條件預判進行分析總結。

TBM 地質工作 埃塞俄比亞GD-3水電站

TBM其特點為作業面單一，機電一體化程度高，多工種流水作業，集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體，同時完成破巖、出碴、支護等作業，具有快速、優質、高效、安全、環保、自動化、信息化程度高等諸多優點。目前在全世界范圍內水電工程，城市地鐵工程和煤礦開采等領域有著廣泛的應用。由于TBM施工的特殊性，常規鉆爆法洞室開挖的地質工作方法，在TBM施工過程中并不完全適用或略顯不足，這便給傳統的施工地質工作提出了新的課題。本文，以埃塞俄比亞GD-3水電工程為例，通過實踐對TBM施工中的地質條件預判方法進行總結，希望能對TBM這種先進的施工工藝在我國各工程領域的推廣起到積極作用。

1　TBM簡介

1.1TBM基本結構

依據不同的地質條件，對應不同的TBM的選型。GD-3水電站位于埃塞俄比亞南部，引水隧洞使用隧道掘進機（TBM）開挖部分長度約為10.4km，直徑為8.1m。洞室通過段圍巖為太古代片巖和晚前寒武系花崗巖地層，其中大部分位于晚前寒武系花崗巖地層內，埋深大，巖體新鮮，巖石強度高，且比較完整。本工程采用的是一臺通用雙護盾緊湊型硬巖掘進機，尤其適用硬巖隧道開挖。在結構上，TBM主要分為主機、后配套、駕駛室、起吊和輸送設備四部分。其中主機是進行掘進的重要組成部分，分為刀盤、盾體（包括前盾、伸縮盾、支撐盾、指型護盾）、刀盤驅動系統、回轉接頭和推進系統。

1.2TBM工作流程簡介

開挖工作由安裝滾刀的旋轉刀盤實現。旋轉動力由裝在主軸承后方的電機通過減速機、小齒輪提供，刀盤與主軸承外圈連接。主軸承安裝在刀盤后方，前盾內部。刀盤轉動時，一組油缸（主推進油缸）提供向前的推力。掘進過程中刀盤轉動會產生一個反扭矩作用于TBM，該扭矩通過兩條反扭矩油缸實現平衡，以避免其對盾體產生作用力。其工作流程和步驟如下：

（1）撐靴向外撐出；前盾和支撐盾之間是兩個同軸的重疊在一起的護盾，在整個掘進循環中保護主推進油缸。外伸縮護盾隨前盾一起移動，內伸縮護盾通過6條鉸接油缸和支撐盾相連。通過鉸接油缸，即使在主推進油缸伸出的情況下，內伸縮盾也可以收在外伸縮盾內以便于轉向、維護觀察巖石等。（2）主推進油缸伸出（掘進階段）；主推進油缸達到滿行程時，撐靴縮回。隨后，帶靴板的穩定器油缸穿過外伸縮盾伸出并錨固到巖壁上，主推進油缸縮回拉動TBM其余部分（內伸縮盾，支撐盾，指形盾）前進。 開挖過程中兩個穩定器油缸也可以低壓模式伸出，起到減小震動的作用。（3）前撐靴收回，復位之后，撐靴油缸伸出，開始新的掘進循環。

2　TBM隧洞施工地質工作實踐

埃塞俄比亞GD-3水電站TBM隧洞自下游向上游掘進。下游約3.4km主要為片巖夾偉晶巖，上游約7km主要花崗巖。前期判斷，洞室圍巖整體堅硬、完整，以Ⅰ～Ⅱ類為主，少量地質條件較差，為Ⅲ類圍巖，局部可能存在Ⅳ～Ⅴ類圍巖。本工程TBM從樁號Y12+131開始掘進，開挖過程中揭露的圍巖條件與前期判斷基本一致。

當掘進至樁號約Y10+443時，推進壓力由11300 KN驟降至3800 KN，而貫入度由27 mm/min增加至35 mm/min，同時，主機皮帶上巖渣中巖塊變大，部分可達30cm以上，其中伴隨有墨綠色巖塊，結構面上多呈蠟狀，硬度較低，指甲可刻劃，后經檢測，該巖石為微晶輝綠巖。結合之前所進行超前地質預報資料，判斷掌子面為微晶輝綠巖侵入帶，巖石破碎，結構面膠結強度低，預測可能會出現塌方險情。項目部降低了掘進速度，至樁號Y10+441時出現塌方，立即停止掘進，隨后掌子面巖體因自身重力持續自動垮塌。為不使刀盤與掌子面間空隙造成塌方進一步擴大，TBM需繼續掘進使刀盤對掌子面形成反作用力。這時的掘進參數為，推力壓力1200KN，貫入度為30mm/min。

為查明破碎巖體的范圍，以便采取合理的應對措施，布置了7個超前勘探孔進行取芯分析，證實微晶輝綠巖呈脈狀產出，破碎帶與巖脈基本吻合。根據分析結果，對圍巖進行固結灌漿，防止松散巖體繼續塌落，待固結灌漿完成后，在保證安全的情況下緩慢掘進，同時進行鋼拱架錨噴跟進支護，以保證人員及設備安全。在空腔位置，鋼拱架的外沿采用鋼板將其鋼拱架焊接連接，后續作為回填混凝土的模板使用。

3　TBM隧洞施工的地質條件預判方法總結

TBM施工的洞段，往往洞線長。本工程前期受各方面條件制約，無法針對引水線路布置足夠的勘探工作。為保證TBM施工過程中盡量減小不良地質體和復雜地質條件對掘進的影響，及時對前方的地質條件進行預判便成為TBM隧洞施工中地質工作的重要課題。本工程通過觀察巖渣、掘進參數、超前地質探孔以及超前地質預報系統來進行對前方地質條件的預判。

3.1對巖渣的觀察

對巖渣的觀察可以清楚地了解到巖石的組成、強度、蝕變程度等，與區域地質資料相結合，可以預判掌子面的地質情況，并為施工準備做出指導性建議。

首先，通過對巖渣形狀的觀察，初步推斷圍巖的完整性。一般情況下，巖渣從形態上分為巖片、巖塊、巖粉。當圍巖較完整且強度較高時，巖渣主要呈均勻片狀產出，稱為巖片，伴有少量巖粉，這時的圍巖類別多為Ⅰ、Ⅱ類；當節理或其他結構面較發育時，如巖石強度較高而結構面強度較低時，掘進過程中巖體多沿結構面破壞，巖渣中會出現許多大小不一的巖塊，巖塊上可見2組或以上結構面，這時的圍巖類別可判斷為Ⅲ、Ⅳ類甚至Ⅴ類圍巖，需及時做好支護準備，以防止塌方對人員及機器設備造成危害；當巖渣中巖粉含量增加時，說明巖石的強度相應降低，有蝕變現象，如果巖粉呈泥狀，表明地下水發育，需要及時做好超前排水工作。

3.2掘進參數

TBM的掘進參數可以準確反映出掘進時圍巖的地質情況，可以使操作手第一時間判斷出掌子面的圍巖狀況，因此對掘進參數的分析是TBM施工中地質條件預判的重要手段。最能夠直接反應掘進中地質條件的參數有兩個：推進壓力（單位KN）、貫入度（單位mm/ min）。

推進壓力可以反應圍巖狀況，隨著圍巖條件而變化。如果圍巖完整性較好，強度高，則推力較大；相反，如果圍巖完整性較差，強度低，則推力較低。貫入度即為刀盤的掘進速度，一般巖石的硬度與強度越高，掘進速度越慢。本工程中，在新鮮完整的中粒花崗巖中的貫入度為8～15mm/min；強度相對較低的片巖中的貫入度為20～40mm/min，當片巖中云母等軟質礦物含量較多時，貫入度可達40 mm/mi n以上。

在掘進過程中，當推力和貫入度穩定時，表明地質條件較穩定。當推力和貫入度出現較大變化時，表明掌子面附近地質條件出現變化，尤其是當推力突然變小，或貫入度增大時，需要密切關注其變化，必要時停機采用TST或超前鉆孔查明前方地的地質條件，以便采用合適的處理方式。

3.3超前地質勘探孔

超前地質勘探是通過TBM盾體上預留孔，用自身攜帶的超前鉆機或者專用的地質鉆機進行對圍巖的取樣分析。這是一種最直觀且最準確的地質條件預判方法。但因其操作時間長，對掘進效率影響大，故此方法并不經常使用。

3.4超前地質預報系統

超前地質預報系統由于其探測范圍大（有效距離可達200m）、檢測時間短（1～1.5h）、根據圍巖的力學性質對隧洞地質條件進行判斷，且對施工的干預相對較小，逐漸在隧道施工中形成廣泛應用。本工程隧道內超前地質預報采用TST系統。TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧道散射地震成像技術的簡稱。地震波由小規模爆破或電火花產生，并由地震檢波器接收，并能同時獲得掌子面前方圍巖的準確波速和地質體的位置圖像。TST利用回波的波速、頻率、振幅等差異來獲知前方圍巖條件。當地震波傳播中遇到巖石強度變化大（如巖性接觸帶、斷層帶、蝕變帶、破碎區域的出現）的情況時，地震檢波器可以準確的采集回波數據，并由計算機進行數據處理，形成最終成果供工程技術人員進行解譯，主要是根據地震波的變化判斷圍巖條件的變化。

4　結語

TBM在長隧洞開挖中的應用越來越廣泛，而施工地質方法也有別于傳統鉆爆法。準確的對隧洞圍巖地質條件的預判是減少施工地質災害、順利施工的關鍵。本文通過作者的實踐，對TBM施工地質條件預判的方法進行了淺顯的總結、分析，旨在拋磚引玉，若有欠缺與不妥之處，敬請指正。

［1］劉文元.深埋長大隧洞TBM施工超前地質預報方法淺析［J］.2005.

［2］張川鎖.TBM施工地質工作方法探索［J］.2008.

［3］朱望初.GD-3水電站工程地質報告.2012.