TBM 施工隧洞中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用研究

包廣昌

（中鐵十九局集團(tuán)第一工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

0 引言

在TBM 施工隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案中，有效運(yùn)用鉆探法和現(xiàn)代物探法等相關(guān)技術(shù)，對(duì)隧洞范圍內(nèi)的地質(zhì)條件進(jìn)行有效勘查和分析。通過對(duì)施工階段的隧洞圍巖條件、地質(zhì)狀況展開分析和研究，從整個(gè)圍巖條件的性質(zhì)狀態(tài)以及地下水等相關(guān)地質(zhì)信息進(jìn)行有效分析和探索。基于敞開式TBM 施工中，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)破碎段的圍巖條件進(jìn)行考察和分析，有效確定了施工區(qū)域范圍內(nèi)地下水的具體活動(dòng)狀況，以及周圍巖石結(jié)構(gòu)的整體變化條件。

1 工程概況

朱溪水庫(kù)工程施工過程中，輸水隧洞的進(jìn)口位置位于進(jìn)口事故檢修閘后方，出口在長(zhǎng)潭水庫(kù)的南側(cè)，樁號(hào)為K2+000.000 m～K22+501.019 m。施工中使用TBM 和鉆爆法。TBM 法施工段的長(zhǎng)度為15.718 km，開挖的洞口直徑為4.0 m。TBM 計(jì)劃在2019 年1 月20 日前，完成廠內(nèi)相應(yīng)的組裝調(diào)試工作以及相關(guān)設(shè)備驗(yàn)收工作，并且依照工程的實(shí)際施工要求提供相應(yīng)運(yùn)輸工作條件。2019 年3 月27 日，正式開始現(xiàn)場(chǎng)組裝，對(duì)施工設(shè)備進(jìn)行了有效組裝和調(diào)試，5 月25 日，正式開始TBM 試掘進(jìn)工作。

2 TBM 施工隧洞施工要點(diǎn)

在TBM 施工過程中，其中重要的施工環(huán)節(jié)是掘進(jìn)施工。TBM 在掘進(jìn)速率以及掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間上需要進(jìn)行有效控制，這也是TBM 快速掘進(jìn)需要重點(diǎn)關(guān)注的控制指標(biāo)。通過該工程施工要點(diǎn)的合理控制，有效提高了TBM 工程的施工安全性和效率。在掘進(jìn)技術(shù)應(yīng)用過程中，主要是對(duì)不同的隧洞圍巖條件進(jìn)行有效控制，同時(shí)對(duì)TBM 掘進(jìn)工作參數(shù)進(jìn)行有效分配，保證隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性。在施工過程中需要及時(shí)進(jìn)行跟進(jìn)作業(yè)，充分保證巖石條件的安全性和穩(wěn)定性，尤其是針對(duì)隧洞周圍的軟弱圍巖條件，需要充分重視。

3 TBM 掘進(jìn)作業(yè)流程和方法

3.1 TBM 掘進(jìn)作業(yè)流程

本次測(cè)試工作中，選用TBM-SGP 隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在工作過程中，主要是通過多波多分量、高分辨率的地震反射法來(lái)進(jìn)行預(yù)報(bào)操作。有效運(yùn)用錨桿鉆機(jī)來(lái)激發(fā)產(chǎn)生地震波，地震波在發(fā)射過程中遇到周圍的巖石結(jié)構(gòu)條件會(huì)受到一定的阻抗差異。例如，在面對(duì)一些斷層結(jié)構(gòu)、巖石破碎帶以及粘性變化地帶等，地震波信號(hào)一部分會(huì)受到不同地質(zhì)條件的影響直接被反射回來(lái)，然后通過后方的檢波器進(jìn)行接收。同時(shí)還存在一部分地震波信號(hào)，通過透射直接進(jìn)入到更深層次的介質(zhì)中，所反射出的地震信號(hào)被靈敏度較高的地震檢波器接收。通過分析不同信號(hào)數(shù)據(jù)，使用TBM-SGP 軟件進(jìn)行信號(hào)處理，因此可以充分了解到隧道工作面存在的各種地質(zhì)條件，以及其中一些軟弱帶破碎帶斷層結(jié)構(gòu)等不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

在TBM 施工過程中，主要分為隧洞掘進(jìn)、隧洞支護(hù)，以及隧洞出渣等3 個(gè)重要工作環(huán)節(jié)，其中還包含一些隧洞的軌道延伸、隧洞通風(fēng)、供電、供水等輔助作業(yè)環(huán)節(jié)。在實(shí)際工作過程中，必須要以掘進(jìn)工作作為核心要點(diǎn)，保證掘進(jìn)工作的安全性和穩(wěn)定性。在掘進(jìn)作業(yè)開展的同時(shí)，相關(guān)施工人員需要通過錨桿和混凝土噴射等方法，對(duì)隧洞周圍結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效支護(hù)和處理，保證隧洞整體的通風(fēng)供電供水以及運(yùn)輸軌道鋪設(shè)等作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，有效防止隧洞出現(xiàn)不良的施工延誤問題，提高整個(gè)隧洞施工的質(zhì)量和效率。針對(duì)軟弱圍巖區(qū)域地段需要依照實(shí)際的工作狀況，同時(shí)或停機(jī)進(jìn)行鋼拱架的安裝和施工操作，對(duì)于不良區(qū)域位置需要進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，有效處理不良地質(zhì)條件。

3.2 TBM 掘進(jìn)模式和掘進(jìn)參數(shù)

TBM 掘進(jìn)工作模式設(shè)置自動(dòng)控制模式以及手動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制模式中又分為推力控制模式和扭矩控制模式。當(dāng)隧洞周圍的巖石條件均勻并且質(zhì)地良好的情況下，可以通過自動(dòng)掘進(jìn)控制的方法來(lái)進(jìn)行掘進(jìn)操作，而對(duì)于隧洞周圍研究條件比較堅(jiān)硬的環(huán)境，可以使用推力控制方法來(lái)進(jìn)行掘進(jìn)操作，有效提高掘進(jìn)機(jī)的工作力度。各種不同類型的圍巖結(jié)構(gòu)，都可以采取手動(dòng)控制的方法來(lái)進(jìn)行操控，尤其是針對(duì)不均勻的軟弱地質(zhì)結(jié)構(gòu)，需要采取不同的掘進(jìn)工作參數(shù)來(lái)加以匹配，以此達(dá)到更加安全和高效化的掘進(jìn)施工。在TBM 掘進(jìn)施工中需要對(duì)掘進(jìn)工作的相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行有效調(diào)整，對(duì)掘進(jìn)過程中的刀盤旋轉(zhuǎn)速度、刀盤推進(jìn)速率以及刀盤電流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，以此保證掘進(jìn)工作的高質(zhì)量進(jìn)行。

4 TBM 施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及不良地質(zhì)段施工

4.1 TBM 施工地質(zhì)超前探測(cè)

要有效保證TBM 掘進(jìn)施工的安全性和穩(wěn)定性，在實(shí)際施工過程中需要對(duì)施工區(qū)域內(nèi)存在的不良地質(zhì)條件進(jìn)行地質(zhì)超前探測(cè)工作，以此保證整個(gè)掘進(jìn)工作的安全性和穩(wěn)定性。通過地質(zhì)超前探測(cè)技術(shù)的有效應(yīng)用，可以獲得更加準(zhǔn)確的地質(zhì)條件資料信息，有效做好長(zhǎng)期和短期的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，在實(shí)際施工過程中為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防工作打下良好基礎(chǔ)。在長(zhǎng)期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作中，采用的技術(shù)方法為TBM-SGP 探測(cè)技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用主要是通過專業(yè)的工作人員進(jìn)行操作。

在隧洞施工過程中，通過人工操作的方法制造出一系列具有規(guī)則排列的輕微振動(dòng)源，振動(dòng)源產(chǎn)生的地震波，在遇到不同地質(zhì)條件情況下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)反射波，反射波的傳播速率延遲時(shí)間、波形大小以及延遲強(qiáng)度等相關(guān)信息都和地質(zhì)條件的性質(zhì)有著密切關(guān)聯(lián)。相關(guān)檢測(cè)工作人員可以依照不同的地形波形條件，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件數(shù)據(jù)。通過探測(cè)設(shè)備的地震波反射波的數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)，將收集到的地質(zhì)條件參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存和應(yīng)用，為后續(xù)隧洞開挖工作打下良好基礎(chǔ)。將收集到的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)信息直接輸入到電腦終端系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算后，最終會(huì)生成相應(yīng)的地質(zhì)條件能量反射圖像以及隧洞平面解剖圖。通過該圖像的生成可以為專業(yè)工作人員提供出良好的工作參考。該設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過程中，主要是針對(duì)超前預(yù)報(bào)隧洞存在的不良地質(zhì)條件來(lái)進(jìn)行有效分析，并且對(duì)隧洞所處的位置、規(guī)模大小等進(jìn)行有效判斷，可以有效探測(cè)出距離探測(cè)面100 m 區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)成狀況，最高分辨率可以達(dá)到1 m 地質(zhì)條件。

4.2 掌子面地質(zhì)測(cè)繪與地質(zhì)作圖

對(duì)于短期的超前地質(zhì)探測(cè)和預(yù)報(bào)工作，在實(shí)際工作過程中，可以通過地質(zhì)素描法對(duì)隧洞周圍的地質(zhì)條件構(gòu)成狀況進(jìn)行合理判斷。在每一個(gè)循環(huán)工作完成后，需要通過相關(guān)地質(zhì)勘測(cè)工作人員，對(duì)隧洞周圍的巖石不同條件、巖石層數(shù)以及斷層出水狀況等進(jìn)行信息收集和圖像素描。然后依照自身長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地質(zhì)條件的分布規(guī)律進(jìn)行有效分析和總結(jié)，依照不同的地質(zhì)條件構(gòu)成狀況，對(duì)地質(zhì)素描信息進(jìn)行有效分析和推斷。以此可以從初步條件下判斷出圍巖結(jié)構(gòu)的具體類型，然后上報(bào)到工程師手中進(jìn)行審批，制定出相應(yīng)的隧洞工程施工方案。在隧洞掘進(jìn)施工過程中如果出現(xiàn)不良地質(zhì)環(huán)境，如破碎地帶、溶洞地帶、暗河以及軟弱地基等，在明確發(fā)現(xiàn)之前，通常隧洞周圍并不會(huì)出現(xiàn)具體預(yù)兆，而當(dāng)這些預(yù)兆已經(jīng)出現(xiàn)時(shí)，基本上已經(jīng)處于不良地質(zhì)環(huán)境中。因此，針對(duì)不良地質(zhì)條件的判斷，需要通過前兆預(yù)測(cè)法來(lái)加以開展，對(duì)不同的不良地質(zhì)條件進(jìn)行有效分析和判斷，以此為后續(xù)隧洞工程施工打下良好基礎(chǔ)。

4.3 超前鉆探技術(shù)應(yīng)用

超前鉆探技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，依照宏觀環(huán)境下的預(yù)報(bào)和長(zhǎng)期的超前地質(zhì)勘測(cè)工作報(bào)告結(jié)果作為基礎(chǔ)，通過對(duì)斷層到破碎帶和軟弱地層結(jié)構(gòu)帶地質(zhì)條件分析，尤其是針對(duì)富水帶區(qū)域，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生不良的地質(zhì)空洞情況。因此，需要通過超前鉆探技術(shù)加以開展。該項(xiàng)工作技術(shù)在開展過程中，需要施工單位向工程師正式提出相應(yīng)的工作申請(qǐng)，并且經(jīng)過審批工作之后才可以開展后續(xù)工程。

超前地質(zhì)勘測(cè)鉆孔的位置、方向以及長(zhǎng)度方面，必須要做到科學(xué)和準(zhǔn)確有效應(yīng)用TBM 系統(tǒng)，配備超前鉆探設(shè)備來(lái)加以控制。通常情況下在超前鉆探工作中，需要在其中設(shè)置出直徑不小于65 mm 的鉆孔，并且超前鉆孔深度為15～20 m。對(duì)于其中存在的一些復(fù)雜地質(zhì)條件，通常情況下需要使用水平鉆探法作為主要施工方法，在隧洞中通過設(shè)置出1～3 個(gè)鉆孔，對(duì)富水區(qū)域進(jìn)行有效處理。在掌子面底部和鞏固區(qū)域各設(shè)置出兩個(gè)相同鉆孔，同時(shí)在周圍區(qū)域設(shè)置出4 個(gè)不同鉆孔，在鉆孔的設(shè)置角度上需要保證具有一定傾斜度。

4.4 不良隧洞地質(zhì)勘測(cè)

對(duì)于不良的隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際施工過程中，需要依照鉆孔中的巖石碎屑和礦物質(zhì)等相關(guān)構(gòu)成成分進(jìn)行有效判斷和分析，從中可以判斷出不良的地質(zhì)特性以及地質(zhì)條件的構(gòu)成狀況。依照隧洞工程整體的鉆進(jìn)速率，判斷出不良地質(zhì)條件的整體發(fā)展規(guī)模，在一些存在擠壓形變的地質(zhì)條件下，需要通過超前地質(zhì)鉆孔取樣的分析方法加以開展。有效判斷地質(zhì)條件的力學(xué)信息、巖石結(jié)構(gòu)的膨脹程度以及巖石結(jié)構(gòu)的制定處理方案。對(duì)于富水區(qū)域，相關(guān)工作人員需要依照地下水的構(gòu)成特點(diǎn)以及含水量大小，有效判斷和分析所收集的參數(shù)變化狀況，綜合判斷前方工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件結(jié)構(gòu)，對(duì)富水帶的地質(zhì)性質(zhì)、地質(zhì)類型以及地質(zhì)規(guī)模進(jìn)行有效判斷。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過TBM 施工隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的有效運(yùn)用，得出地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作結(jié)果，制定出針對(duì)性的地質(zhì)勘測(cè)技術(shù)。同時(shí)制定出相應(yīng)的緊急狀況應(yīng)急措施，防止在后續(xù)施工過程中出現(xiàn)不良坍塌事故以及地質(zhì)災(zāi)害等，為后續(xù)工程施工安全打下良好基礎(chǔ)。