不良地質(zhì)條件對(duì)TBM施工的影響及預(yù)防應(yīng)對(duì)措施

許成發(fā)

摘 要：在TBM掘進(jìn)過程中會(huì)經(jīng)常遇到各種破碎帶及不良地質(zhì)條件。不良地質(zhì)條件會(huì)造成TBM卡機(jī)、無法支撐等問題，嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度。本文結(jié)合遼西北工程施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，闡述了TBM通過不良地質(zhì)條件的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：不良地質(zhì)條件 卡機(jī) TBM

中圖分類號(hào)：U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）10（a）-0042-02

1 不良地質(zhì)條件

在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工中，可能會(huì)遇到的不良地質(zhì)主要有裂隙和斷層、極軟巖或不穩(wěn)定圍巖、地下水洞、巖爆等。提前預(yù)防并合理處置是提高TBM掘進(jìn)效率的關(guān)鍵。

2 TBM通過不良地質(zhì)段的主要技術(shù)措施

TBM在通過不良地質(zhì)段應(yīng)提前準(zhǔn)確預(yù)測，提前采取防范措施，防護(hù)是確保快速、安全掘進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，從而減少或避免塌方的發(fā)生。

2.1 軟巖或不穩(wěn)定圍巖的處理措施

如遇到泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等類地層，由于該類地層以泥質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)程度差，存在遇水崩解或膨脹的現(xiàn)象，當(dāng)掘進(jìn)時(shí)，有可能將掘進(jìn)機(jī)緊緊抱住，出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。在該地層掘進(jìn)應(yīng)選擇快速通過，相對(duì)于護(hù)盾型（雙護(hù)盾機(jī)、單護(hù)盾）TBM而言，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)明確掘進(jìn)機(jī)所處地層應(yīng)力變形模量（單位時(shí)間內(nèi)洞型變化量）。在預(yù)知工程所處地質(zhì)存在塑性變形洞段，在TBM設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮刀盤開挖直徑與各盾體直徑預(yù)留倒階梯型變化余量，并從分考慮在TBM快速通過時(shí)，巖石的塑性變化到最大，時(shí)間與盾體長度之間的關(guān)系。相對(duì)于開敞式TBM而言，由于盾體的特殊，其盾體為浮動(dòng)直徑可變化形式，再加盾體較短卡機(jī)/壓機(jī)幾率極小。發(fā)生卡機(jī)多為大塊巖石跌落對(duì)刀盤的卡死現(xiàn)象，此類卡機(jī)一般比較容易處理。

2.2 斷層破碎帶的處理措施

TBM在隧洞的挖掘過程中，掌子面圍巖被破碎之后無法自穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌，進(jìn)而大量的石塊、石渣就會(huì)夾雜著泥水涌入TBM的刀盤內(nèi)，這時(shí)設(shè)備皮帶機(jī)的出渣量就會(huì)突然增加，刀盤扭矩和電機(jī)的電流急劇增加，最終導(dǎo)致刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)；圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生震動(dòng)，影響刀具的使用壽命，造成滾刀密封漏油，軸承損壞等問題；開挖面及邊墻坍塌，撐靴支撐不穩(wěn)，受力不均，易損壞掘進(jìn)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)；圍巖軟硬不勻，造成接地比壓變化較大，可能會(huì)引起TBM機(jī)體的不均勻下沉，掘進(jìn)方向難以控制。

遇到該類地層應(yīng)在隨機(jī)掘進(jìn)時(shí)，隨時(shí)觀察主機(jī)膠帶機(jī)出渣口巖渣的粒度、品質(zhì)、含水量，同時(shí)觀察推進(jìn)速度、壓力、電機(jī)功率，可以對(duì)現(xiàn)有開挖的掌子面做出判斷。對(duì)地質(zhì)資料中預(yù)測的破碎帶、斷層、軟地質(zhì)，在必要時(shí)，可用超前鉆進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)頭部100m范圍內(nèi)的取樣預(yù)測。敞開式掘進(jìn)機(jī)的超前鉆直接放置在掘進(jìn)機(jī)頭部的頂護(hù)盾下的主梁上，以<4°的角度向掘進(jìn)機(jī)頭部前方鉆進(jìn)獲取巖芯。

如掘進(jìn)后巖石出現(xiàn)小面積塌落應(yīng)該第一時(shí)間采用合理支護(hù)措施，撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)、打系統(tǒng)錨桿，視情況架立拱架，拱架之間打入長錨桿，必要時(shí)手動(dòng)噴混凝土及時(shí)封閉巖面。

如遇到大規(guī)模的巖石塌落現(xiàn)象需第一時(shí)間利用手動(dòng)噴混凝土系統(tǒng)向坍塌處噴射混凝土，及時(shí)封閉圍巖，減少巖石暴露時(shí)間。安裝全圓鋼拱架，間距0.8～2.0m。拱架安裝前先在撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)。撐靴處坍塌較嚴(yán)重部位，為防止坍塌繼續(xù)發(fā)展，保證后部支撐靴的順利通過，在鋼拱架背面立模板澆灌C30細(xì)石混凝土與坍塌處圍巖構(gòu)成封閉的受力整體。

大規(guī)模巖石破碎帶的超前處理非常重要，可以減少不必要的支護(hù)耗時(shí)，利用超前鉆機(jī)預(yù)注漿加固處理巖層方案。由于原裝的圍巖（膨脹泥巖）的可灌性差，主要用于對(duì)松散圍巖的固結(jié)，確保主機(jī)周邊圍巖的穩(wěn)定。一般采用聚氨酯類灌漿材料。該材料由A、B兩組份組成，施用配比為固定體積比1∶1。

2.3 涌水地段施工

突發(fā)性涌水將會(huì)對(duì)TBM的掘進(jìn)造成很大的影響，甚至是災(zāi)難性的事故。例如：對(duì)人員生命安全、電氣系統(tǒng)、液壓體系的破壞性損壞。嚴(yán)重影響TBM的正常掘進(jìn)，例如：皮帶機(jī)出渣等。

對(duì)于涌水處理主要有疏導(dǎo)和封堵兩種處理措施，如水量不大，利用TBM前面的鉆機(jī)打排水孔排水，在做好排水系統(tǒng)的情況下，TBM繼續(xù)掘進(jìn)；如水量較大，巖石破碎不具備排水條件時(shí)，則要通過注漿堵水等處理后再掘進(jìn)，否則涌水可能會(huì)造成工作面及側(cè)壁坍塌；遇到裂隙發(fā)育、漏水量大的破碎帶，并且破碎帶含承壓水層，巖石的導(dǎo)水性及富水性較好，可采用排堵結(jié)合的施工方法，若斷層規(guī)模較大，通過鉆孔排水和降低水壓力相當(dāng)困難，可采用側(cè)向坑法，在尾盾后方適當(dāng)位置處鑿開一個(gè)弧形導(dǎo)洞，高度為1.2m，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，及時(shí)采用16#工字鋼進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)間距為1.0m。為了防止已經(jīng)開挖好的洞室上部圍巖坍塌影響施工，在工字鋼之間接觸巖石圍巖面用20mm厚度木板作為擋板，為導(dǎo)洞的開挖創(chuàng)造良好的條件。

預(yù)防突發(fā)涌水，應(yīng)在隧洞設(shè)計(jì)前期所獲得的水汶地質(zhì)資料，預(yù)估判斷涌水量的大小盡量設(shè)計(jì)TBM掘進(jìn)方向?yàn)槟嫫路较颍从傻偷礁撸@樣遇到涌水大部分水能夠自流到洞外，或集中排污水泵站。應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)資料給出的涌水參考數(shù)據(jù)，TBM設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)增加配置足夠的具有自吸功能的高性能排污水泵（即排污水系統(tǒng)），流量應(yīng)在涌水量的2～3倍。

2.4 巖爆段施工

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，發(fā)生巖爆一般都在24h之內(nèi)。存在巖爆的區(qū)域無水，而且?guī)r石節(jié)理不發(fā)育，地應(yīng)力較大。

在TBM掘進(jìn)過后，緊接護(hù)盾露出巖面及時(shí)灑水降溫、巖層及時(shí)吸水、能夠緩解地應(yīng)力。及時(shí)支護(hù)鋼拱架利用錨桿鉆機(jī)打孔，并用錨桿加固巖層（錨桿最好利用水漲錨桿）錨桿間距按1～1.2m布置，同時(shí)加鋼筋網(wǎng)的防止巖石彈落傷害人員和設(shè)備。在中等巖爆地段，為防止巖石碎塊彈射和提高結(jié)構(gòu)整體支護(hù)作用，可在錨桿鋼筋網(wǎng)、槽鋼拱架支護(hù)基礎(chǔ)上，人工噴射混凝土約5cm厚，基本上可以控制巖爆的發(fā)展。

為了預(yù)防巖爆的發(fā)生，要先進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào)；在隧道頂部區(qū)域30°范圍內(nèi)打孔，打孔深度控制在0.5～1m，孔密度應(yīng)在0.5m×0.5m在掌子面上噴灑高壓水，在圍巖和拱線上打注水孔，降低巖石的強(qiáng)度及彈性模量，加快圍巖應(yīng)力釋放；對(duì)開挖的洞壁及時(shí)加固，并在掌子面前上方進(jìn)行超前錨固等。

3 結(jié)語

對(duì)于深埋長距離引水隧洞，其地應(yīng)力較大、圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜，如何應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)地段是TBM施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過不斷地總結(jié)和歸納，提出更為有效的處理不良地質(zhì)段的措施，對(duì)長距離深埋引水隧道工程具有重大的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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