特殊地質條件下TBM的施工

【摘要】TBM掘進機自50年代問世以來，得到了快速發展，國外每年掘進的隧道，有30%-40%是用TBM完成的。TBM掘進速度高（為常規鉆爆法的2-3倍）、作業人員少、勞動強度低、作業安全、節約能源、自動化程度高，具有對圍巖擾動小，硐室圍巖穩定性好等優點越來越廣泛地被國內應用于隧洞開挖中，然而在不良地質洞段中TBM掘進緩慢。結合遼寧大伙房輸水隧洞工程，總結在特殊地質條件下的超前地質預報方法及圍巖處理措施。

【關鍵詞】TBM施工；不良地質；超前探測；富水帶治理

前言

TBM能實現快速、高效、優質和安全施工，總工期和綜合效益優于鉆爆法，然而在不良地質條件下TBM掘進速度降低，甚至出現TBM損壞或不能順利通過的情況，因此必須對不良地質洞段進行超前處理，確保TBM掘進效率。

本工程位于遼寧省東部山區的桓仁縣境內，是一項大型調水工程。TBM4標段主洞施工長度15555.139m，樁號72+476.7558-79+796.816及63+811.677-72+046.758，設計引水流量77m3/s，洞徑8.5m，為圓形斷面，用TBM法施工。

1、地質概況和主要不良地質

TBM4標段主洞主要巖性由集安群古老變質巖及侵入巖（早元古代侵入巖和白堊紀侵入巖）兩部分組成。本段發育有YFF4、YFF3、YFF8、Ygf423共4條較大斷層。

主洞主要不良地質是上述4條斷層破碎帶、嚴重影響帶、密集節理帶和古風化殼，涉及洞身總長的1/5。主要的施工地質災害是坍塌、涌水甚至突水。除此之外的不良地質則是處于200-500m埋深的混合巖、混合花崗巖，特別是其中斜長角閃巖殘留體，可能引發的施工地質災害則是巖爆。

2、TBM施工地質超前探測技術

為保障安全、快速施工，必須做好洞身不良地質體的長期和短期超前地質預報、超前鉆探、施工地質災害臨近預警工作，判斷可能發生地質災害的相對位置，在確保安全的前提下制定出切實可行的掘進方案。

2.1 TSP長期地質預報。長期超前地質預報采用的主要技術手段是TSP探測，是20世紀90年代地下工程地質預報技術的最新科研成果，目前這種方法在國內外應用比較廣泛。

其工作原理是利用在隧道圍巖以排列方式激發彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面，即地質巖性變化的界面、構造破碎帶、巖溶和巖溶發育帶等，會產生彈性波的反射現象，這種反射波被布置在隧道圍巖內的檢波裝置接收下來，輸入到儀器中進行信號的放大、數字采集和處理。然后，將數據通過軟件的處理，經過復雜數學計算后，最后形成反應相關界面或地質體反射能量的影像圖和平面、剖面圖，供工程技術人員解譯。可基本判斷前方地質體（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）的性質、位置和規模。探測有效距離一般為掌子面前方100-200m，極限距離可達到300m。最高分辨率為1m地質體。TSP具有適用范圍廣，超前預報距離較長，對隧洞施工干擾小，探測時間短，一次完整的探測僅為60-90min，提交資料及時、經濟等優點。其不足之處在于對地下水的反應不敏感。

2.2 短期超前地質預報。短期超前地質預報采用掌子面編錄預測法（地質素描法）。每一循環進尺后由地質專業人員對掌子面的巖石、節理、斷層和出水情況進行素描，然后按經驗和地質規律對下一循環地質情況進行預報。根據地質素描進行推斷，初步判斷圍巖類別，制定相應的支護方案。

其基本原理是：掌子面出露的巖層與地表某段巖層確為同一巖層的前提下，用地表巖層的層序預報掌子面前方將要出現的巖層。

在長期超前地質預報得出的不良地質體厚度的基礎上，依據掌子面已揭露的不良地質體的產狀位置，經過一系列的三角函數運算，求得條帶狀不良地質體在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。

在隧洞掘進過程中，在出現斷層破碎帶、溶洞、暗河和洞穴淤泥之前，一般都會出現各自的明顯或不明顯的前兆標志。這些標志的出現，常常預示前述不良地質體已經臨近了。因此，不良地質前兆預測法，一方面有助于掌子面前方不良地質體的性質的鑒別，更有助于對不良地質體臨近的判斷。

2.3 超前鉆探。根據宏觀預報和長期、短期超前地質預報結果，還要對斷層破碎帶、嚴重影響帶、密集節理帶等軟弱、破碎圍巖段，特別是富水帶，和可能產生巖爆不良地質洞段實施超前鉆探。

超前鉆探是在掌子面布設鉆孔，超前鉆孔深一般15-20m。以水平鉆為主，一般布置1-3個鉆孔。對于富水帶，一般布置5個鉆孔，即掌子面中間1個鉆孔，掌子面底部和拱部各布置2個鉆孔，而且周邊的4個鉆孔應向外有一定傾斜，傾斜角度視具體情況決定。

對于可能產生巖爆不良地質洞段來說，主要根據鉆孔中的巖屑物質成份、鉆進速度、和是否夾鉆等特征判斷不良地質的性質、類型。在擠壓變形地質洞段，進行超前地質鉆孔取芯，分析試驗芯樣的物理力學性質，預測軟巖的膨脹性和洞室變形的特征，制定處理方案。

對于富水帶來說，則主要依據地下水的特征和水量大小及變化情況，綜合判斷前方的工程地質和水文地質條件，判斷富水帶的性質、類型和規模。

3、TBM在不良地質洞段的施工技術

3.1 斷層破碎帶的施工

3.1.1 斷層破碎帶的支護措施。根據不同的地質條件合理選用TBM掘進參數。TBM掘進過程中，通過觀察TBM的切深和轉速變化，及通過皮帶輸送機上的石渣情況判斷，發現巖石開始破碎，出現夾層、滲水等現象時應特別注意，必要時可停止掘進，用超前鉆進行鉆孔取芯，進一步查明地質情況。

（1）對規模較小圍巖級別為Ⅳ、Ⅴ級的斷層破碎帶、嚴重影響帶、密集節理帶和古風化殼，在滲水量不大的情況下，采用超前錨桿、超前小鋼管支護、超前小導管注漿等支護方法，并在TBM通過后，采用掛網錨噴初期支護等輔助工法來治理。

（2）規模較大圍巖級別為Ⅴ級的斷層破碎帶、嚴重影響帶、密集節理帶和古風化殼，特別是在有較大涌水的情況下，首先采用超前固結灌漿，結合長管棚超前支護方法，然后，采用掛網錨噴和鋼拱支撐支護等輔助工法來治理。

（3）通過不良地段時，各施工工序之間銜接要緊密，減少巖層暴露、松動時間。嚴格貫徹“管超前、嚴注漿、短開挖、早封閉、勤測量、快襯砌”的十八字施工方針。

（4）對圍巖較差的部分，還可以使用全圓鋼拱架結合頂拱鋼筋排的支護方式進行支護，支護范圍在頂拱120°，可有效防止掉塊，保證施工人員及設備安全。

3.1.2 TBM掘進方法。TBM施工前，對提供的工程地質和水文地質資料進行詳細分析判斷，切實掌握斷層帶的情況，包括破碎帶的寬度、填充物、地下水以及隧洞軸線與斷層構造的關系。

（1）TBM掘進至斷層破碎帶時，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，TBM刀盤應頂在掌子面上，不要輕易后退，更不能在無推進的狀態下轉動刀盤掘進。否則，會造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴。

（2）緊跟掘進進行錨噴支護，及時封閉圍巖。對不同的地質段，及時調整噴混凝土的厚度，控制圍巖變形，確保主機撐靴不會撐跨圍巖。及時進行圍巖量測并反饋量測信息，若頂拱下沉仍得不到控制，則采取補噴或加強鋼拱架等一系列加強支護措施。另外調整設備的技術參數，降低對圍巖的承壓力，減小擾動。此時用較低的刀盤轉速并控制刀盤的推進速度，使掘進速度降為50%以下。當洞壁圍巖被撐靴撐跨時，可采用10mm以上厚度的鐵板臨時放于撐靴處，也可用鐵皮封堵撐跨區，向內噴射混凝土或灌注混凝土。為減少等強時間，提高工效，在混凝土中加入適量的速凝劑（速凝劑量適中，以保證混凝土有一定的流動性，確保坍塌部位回填密實）。

（3）TBM設計上采用平面大刀盤結構和液壓可調頂部護盾，使掘進機對軟弱圍巖有很強的適應性，采用凹入式滾刀，防止邊刀區域圍巖松動，可調頂部護盾控制邊刀后方圍巖穩定。約120°的指狀頂護盾的下部空間，是安裝鋼拱架、超前錨桿、超前鉆孔和實施超前注漿等作業的安全作業區。同時、降低水平撐靴推力以便與圍巖承載能力相符合，在全負荷下正常的水平支撐壓力約2.9MPa，在軟弱巖層中最小可以減小到1.3MPa。

當巖體十分破碎，以致刮渣器不能及時清渣時，可利用刀盤的反轉，避免刀盤卡塞事故發生。

3.2 巖爆段TBM施工。巖爆是地下工程施工中一種災害性地質現象，崩落的巖塊會傷害施工人員、損壞施工設備。本工程最大埋深500m，為預防巖爆發生，施工中加強預測預報，對可能發生巖爆的程度加以判斷，采用相應預防措施。

在干燥的圍巖表面灑水，或用高壓水沖洗拱頂、掌子面和兩壁，增加濕度、松弛地應力。

在高地應力、干燥脆性圍巖段，觀察巖爆發生的可能性。用巖石聲發射儀測試圍巖，必要做巖石的抗拉、抗剪強度試驗，判斷巖爆發生的可能性與程度。

軟巖爆區段，在TBM刀盤護盾后及時噴射混凝土封閉巖面，盡可能減少巖層暴露時間，然后用鋼拱架和錨噴鋼筋網聯合支護。中等強度以上的巖爆區段，除上述支護措施外，采取超前鉆孔釋放地應力，鉆孔注水、掌子面灑水等措施軟化圍巖，一般在掌子面上鉆數個孔徑60-80mm孔深10m的鉆孔，釋放地應力。

3.3 富水帶TBM的施工

3.3.1 涌水洞段對TBM施工的影響

（1）由于水壓作用，工作面會坍塌，掩埋刀盤，增大刀盤的扭矩。

（2）洞壁發生坍塌時，撐靴無支撐點，TBM不能推進。

（3）坍塌、涌水量大甚至會淹沒機體。

3.3.2 TBM施工中對涌水的處理措施

（1）根據水量不同分別采取措施

對于富水帶，采取“大水排，小水堵”的方針。圍巖內只有微量滲水或局部滴水時，采用錨桿鋼筋網加格柵的加強支護措施，或者打排水孔，塑料管接引，集水引排。圍巖內有較大滲水或線狀涌水時，加密引排水管，安裝鋼拱架。圍巖內有較大股狀涌水時，根據水文地質情況，超前鉆探，注漿堵水。

（2）掘進前采取的措施

打超前鉆孔排放泄水，排放泄水疏干過程中，時刻觀察水壓及水量變化。如水壓減小，在做好排水系統的條件下，待涌水基本排干時，TBM可繼續掘進。如排水孔水壓及水量不減，必須采用注漿堵水。

（3）掘進后采取的措施

把工作面的涌水或注漿后的剩余水量及時排離工作面，對洞壁漏水，采用擋遮、引排措施，保證噴混凝土質量。

3.4 預防塌方的措施

3.4.1 堅持超前地質預報納入施工工序。長期地質預報和短期預報相結合的方法，可較準確地掌握前方圍巖的破碎帶邊緣、長度、破碎程度、裂隙水等情況，從而為下一步支護措施提供依據。

3.4.2 加強掘進機標準化施工。根據初步勘探地質資料制定不同圍巖的掘進參數，結合實際情況適時調整。按地質變化情況，加強支護措施。

3.4.3 加強監控量測。及時掌握圍巖與支護的穩定狀態，反饋指導施工，適時調整施工方法和支護設計參數。

4、結語

TBM快速、安全通過不良地質洞段，對于減少工程投資，縮短工期起著至關重要的作用。對于特殊地質條件并不是能夠發現和準確預見的，要求對意外情況有針對性較強的預防措施和應對措施，因此總結和借鑒已有工程經驗至關重要。