復雜地況下TBM掘進應對措施分析

張波

中鐵隧道股份有限公司 河南鄭州 450000

1 隧道的地質特點

在花崗巖底層地段，TBM掘進受到了很大的影響，其原因分析如下：第一，巖石埋深大，地應力強，巖爆頻繁；第二，圍巖斷層、破碎帶較多；第三，圍巖變化頻繁，整體穩定性差。TBM掘進對地質依賴性較大，在復雜困難的地質條件下，TBM掘進會有較大的難度，常見的有三種情況：第一，TBM掘進時在掌子面與噴漿橋之間常會出現巖爆和坍塌的情況，且會形成較大石碴和塌腔，刀具和刮板會在使用中受損嚴重；第二，圍巖埋深大，在高應力的情況下易軟弱變形，掘進過程中護盾容易被卡；第三，掌子面出現嚴重坍塌時，刀盤極易被卡[1-2]。

2 TBM掘進在復雜地況下的對策

TBM掘進過程中，首先要詳細的了解地質情況，這是進行掘進的基礎，其次要根據地質條件設計可靠安全、掘進效率高的TBM，根據地質情況設計掘進預案；最后主司機對TBM掘進操作的熟練程度和緊急情況下的應對能力是掘進順利快速完成的根本[1]。在TBM掘進中遇到阻礙時可以采取以下幾方面的措施。

2.1 改進刀盤和刀具

刀盤和刀具是TBM掘進過程中的唯一破巖機構，刀盤和刀具對地質的適應性越高，TBM掘進效率越好。因而針對刀盤和刀具的改良，是非常有必要的措施[3]。

（1）改良刮板系統。刮板在大石塊的沖擊下容易脫落，影響掘進進度，為避免造成重大損失，可以通過加大刮板的分擔受力減緩刮板受到的沖擊。改良措施如：①增加支座板的厚度；②加大刮板固定螺栓孔的數量；③改進刮板支座的連接方法，采用螺孔鑲套彈簧取代原來老式的支座背后焊絲方式；④增加刮板支座筋板的個數。

（2）改進刀具系統。刀具對提高TBM掘進效率有不可忽視的作用，通過以下方式可以改進刀具系統，提高TBM掘進效率。①降低刀圈硬度。TBM的刀圈在掘進過程中遇到埋深大的硬巖以及斷層較多的情況，刀具的受力會很大，若刀具抗沖擊能力低，刀具會損壞。刀具的抗沖擊能力與刀具硬度有關，硬度越低，刀具抗沖擊能力越好。因此，通過降低刀圈硬度，刀圈在復雜地質情況下的適用性增強，使刀圈在TBM掘進過程中更耐用，提高TBM掘進效率。②增加刀圈的寬度。TBM的刀圈在面對硬巖時，會受到很大的沖擊力，但是刀圈很薄時，面對大的沖擊力時會抵抗不住，導致刀圈崩裂，增加刀圈寬度，在刀圈面對硬巖時，可以緩解沖擊力，提高刀圈的使用壽命[2]。

2.2 提前設計掘進預案

根據地質狀況和經驗預估可能發生的突發事件，提前作出相應的方案。如發生斷層破碎帶、護盾卡死、刀盤被卡和坍塌等情況，根據突發情況的影響輕重設計出針對性的掘進預案，確保掘進不被影響，高效的完成掘進計劃。

（1）斷層破碎帶的應急方案。主司機根據經驗和敏銳的預感判斷掘進地段即將出現的坍塌等突發狀況，綜合利用超前地質預報、地質勘探資料和相鄰線掘進情況等方法迅速準確判斷出具體的位置，馬上停止掘進，在判斷出的危險地段進行超前支護，必要時可進行圍巖支護參數變更，同時作業人員要時刻敏銳的注意地段是否安全，及時做出準確的判斷，避免人員受傷。

（2）護盾被卡時的應對方法。推進油缸的壓力快速升高和刀盤前進被阻時，可以判斷護盾被卡，TBM掘進被阻。針對這種情況的處理方案是：主司機馬上停止刀盤推進，將刀盤后退，若是刀盤能夠后退，則后退一個循環的刀盤，此時TBM可以繼續前進[3]。

（3）刀盤被卡時的應對方法。第一種情況，坍塌程度小，塌腔比較穩定。若刀盤能夠繼續旋轉，則表明塌方程度小。此時主司機應停止推進刀盤。第二種情況，坍塌程度較大，塌腔比較穩定。若造成坍塌程度較大時，主司機應馬上停止推進刀盤，并進行以下操作步驟：將刀盤后退至50cm左右；隨后安排作業人員檢測坍塌程度，作業人員判斷掌子面相對穩定后可以較緩的速度掘進，在掘進過程中及時將產生的廢渣清理，避免TBM設備受損；若經檢查發現坍塌的體積大于刀盤的1/4時，后退刀盤直至到坍塌頂部高度低于刀盤1/4的位置，轉動刀盤并清理掘進產生的石碴；若作業人員發現掌子面出現塌腔，針對此情況，應后退刀盤，回填掌子面，采取超前支護措施，控制住塌腔，待作業人員檢測前方地段穩定后繼續使用TBM掘進[4-5]。第三種情況，坍塌嚴重塌腔不穩。刀盤后退連續兩個循環后，坍塌頂部仍然要比刀盤的1/4位置高時，為保證掌子面的基本穩定，停止后退刀盤，掘進人員應根據地質勘探的情況以及掘進經驗從護盾的側面來開挖新的通道，在刀盤的前方安裝人工支護裝置，掘進人員在檢測到隧道地況安全和穩定之后，使用TBM掘進，保證掘進順利進行[4]。

3 結語

通過對TBM設備的刀具和刀盤進行改良，提高了TBM設備對復雜地質的適應性，提高了掘進效率。根據地質勘探和掘進經驗判斷掘進可能出現的狀況，做好掘進預案，并結合現場實際做出正確的掘進處理方式。