TBM法在隧洞工程中不良地段施工要點分析

李榮飛

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆烏魯木齊 830002）

隧洞工程在水利及交通建設方面有著極為廣泛的應用，該類工程具有技術要求高、施工期長、投資成本大等特征，因此各國都在不斷研究更為科學、快速的隧洞開掘技術。目前，TBM（全斷面隧洞掘進機）集合了挖掘、支護、探測等技術為一體，成為目前隧洞開掘工程最高技術的代表，但在具體施工中有很多技術要點需要注意。

1 工程概況

SS隧洞為無壓洞，總長92.350km，縱坡1/5000，隧洞埋深65～180m，設計直徑5.5m。經地質勘查發現：洞身段Ⅱ類圍巖總長36.010km，占比38.98%；Ⅲ類圍巖總長25.050km，占比27.13%；Ⅳ類圍巖總長6.440km，占比6.98%；Ⅴ類圍巖總長24.855km，占比26.91%，總體圍巖條件較好。其中Ⅱ標段包括主洞（樁號SD0-520.000—SD21+031.160）和1號支洞（樁號0+000—1+059）兩部分，在此主要針對主洞段TBM施工技術進行分析。

2 鉆爆法與TBM法選擇適應性分析

2.1 TBM法應用場景說明

我國SL303-2017《水利水電工程施工組織設計規范》中規定符合以下情況比較適合應用TBM法：1）圓形斷面，直徑3.0～10.0m，洞長超過3.000 km或大于600倍洞涇；2）圍巖類別為Ⅰ～Ⅲ類，巖溶不發育，斷層破碎帶較少；3）巖石平均抗壓強度小于100MPa；4）地下水涌水量小于30L/s[1]。

2.2 具體施工方法選擇分析

雖然TBM法對比傳統的鉆爆法在掘進速度、開挖質量、安全及經濟性方面有著絕對優勢，但是其應用場景限制較多，因此針對SS隧洞Ⅱ標段的具體地質情況，采用“鉆爆+TBM”聯合施工方案，其施工方法設計詳見表1。

表1 SS隧洞Ⅱ標段工程具體施工方法設計表

3 TBM機選型設計分析

3.1 選型

TBM機按照類型不同，可分為敞開式、單護盾式、雙護盾式，這3種TBM機特征對比見表2所示[2]。結合該項目圍巖條件較好、工程量較小等實際情況，從成本、工期等方面考慮，確定采用敞開式TBM施工。

表2 不同類型TBM機特征對比

3.2 單機掘進長度設計

單機掘進長度L0直接決定了TBM機所需數量及施工段設計，具體用下式計算[3]：

式中：I——每轉基本掘進值，mm；Ks——滾刀直徑修正系數；Kd——巖石性質修正系數；r——轉速，mm/h；t——設計運轉時間，h；k——安全系數。

該項目經計算，設計結果：用2臺TBM機，分別掘進8645.307和9785.853m可完成任務。

4 TBM法在不良地段施工要點分析

雖然該工程總體地質條件較好，但依然有個別地段存在破碎松散帶、涌水等不良條件，提前發現、早做應對才是保證施工順利的關鍵[4]。下面針對SS隧洞TBM掘進期間所遇到的不良地段施工技術要點進行分析。

4.1 超前地質預報技術的應用

超前地質預報是前期地質勘探的重要補充，可有效判斷發生地質災害的確切位置。為保證預報的準確性，項目采用地震波法（TSP）與超前鉆預報相結合方式。所需要預報的內容包括巖石性質、巖體結構、地質構造、地下水等。

4.1.1 TSP法應用分析

TSP法目前可以較準確查明工作面前方100.000m范圍內較大規模不良地質體的性質、位置、規模、含水量，且對正常施工影響較小，具體原理見圖1：在掌子面附近邊墻位置布設多處炮眼和接收器，依次對炮眼微爆，記錄產生的地震波信號，通過軟件處理分析后得到不良地質體位置[5]。

圖1 TSP系統探測原理示意圖

1）孔位設計

項目在使用TSP技術時，共布設了20個炮孔，深1.5m，間隔1.5m，下傾角度為10°～15°范圍，一字水平排開；接收器孔布置在最外面，距最近炮孔20.0m，深2.0m，孔內下傾角度為8°。

2）成果解釋

成果解釋需的重要步驟：數據設置→濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→反射層提取，其中以P波資料為主，結合橫波資料進行共同解釋[6]。在該項目中依據以下原則解釋正確率較高：反射幅為正，表明為硬巖層，反射幅為負，表明是軟巖層；S波反射強度大于P波強度，則表明巖層中含水量較大；VP/VS的值突然增大，則表明前方存在松散破碎層；VP值下降，則表明前方圍巖裂隙發育較多。應用TSP技術預測的部分成果：SD4+032.000—SD4+68.000泊松比變大，反射面變多，推斷圍巖裂隙發育多，強度變低；SD6+124.000—SD6+148.000的VP與VS值均大幅減小，泊松比增大，密度降低，推斷有小型溶洞；SD8+119.000—SD8+155.000泊松比降低，VS增加，會出現硬巖段。

4.1.2 超前鉆預報法應用

超前鉆孔深度一般為15.0～25.0m，分為取芯和不取芯兩類，每個預報界面以布置3孔為宜，該方法可較為直觀、準確地探測前方圍巖硬度、裂隙、含水量、松散破碎帶等不良地質條件，該項目主要通過巖芯來分析巖層的RQD（巖石質量指標）值，計算公式：[7]。

式中：li——10cm以上巖芯累計長度，cm；L——鉆孔長度，cm。

項目采用“雙層單動巖芯管”取芯，鉆頭為φ54mm的NX鉆頭，應綜合評價巖體完整性，如節理間距、體積節理數、完整性系數、RQD等多個參數，評價標準見表3。通過測定，其Ⅲ類及以上圍巖占TBM法施工總長度的80%左右，總體圍巖完整性較好。

表3 巖體完整性評價表

4.2 軟弱破碎圍巖段施工要點分析

軟弱破碎圍巖段可能會發生坍塌、卡盤等問題，這對掘進和支護都會帶來較大影響，同時也是常見的地質問題，項目采取以下措施來保證該類型巖段的順利施工：

1）TBM機不得輕易后退，應充分利用刀盤來穩定掌子面，否則一旦后退可能會引起更大范圍坍塌。

2）項目采用的TBM機均為變頻電機作動力源，在軟弱破碎圍巖段時可通過低速度、大扭矩來減少對圍巖擾動，且防止刀盤被卡死，并采用1/2以下短行程掘進。

3）充分利用TBM前部的超前鉆機對刀盤前方15.0m范圍內的破碎帶進行超前小導管注漿處理，或者打超前錨桿、管棚，提高圍巖自穩能力。并在TBM機上配噴射混凝土裝置，能夠做到“隨掘隨噴”。

4）小范圍坍塌區以錨桿為著力點，焊接螺紋鋼抵緊塌腔并固定，然后噴射混凝土；大范圍坍塌區用鐵板封堵，然后往塌腔內灌注速強混凝土。

4.3 地下水處理措施分析

1）若隧洞內呈現不連續出水點，則采用噴射混凝土法直接封堵即可，注意適當多添加速凝劑，必要時可利用高壓風將巖面水滴清理干凈后再噴射。

2）若地下水呈現連續水流狀態，則在出水部位鉆排水孔并利用塑料管引水排出，之后采用噴射混凝土封堵，孔口采用水玻璃或錨固藥卷封堵。

3）若出現涌水量較大區域，且采取了放水措施后依然無水量、水壓減少現象，則需立即停止TBM作業，采取超前預注漿措施對裂隙封堵。在注漿作業前，應保證刀盤前的不透水層厚度不小于5.0m，將其作為止漿盤。灌漿采用“水泥+水玻璃”雙液漿，注漿方式為分段下行式，止漿塞長度不低于10.0m。項目采用該措施，有效治理了3處涌水點，實際應用效果很好。

5 結語

TBM法掘進隧洞是目前最為先進、現代化的施工手段，SS隧洞Ⅱ標段工程在結合“鉆爆法和TBM法”后，在規定工期內順利完成了掘進作業，掘進期間遇到的地質問題也得到了妥善解決。但同時應認識到TBM法對地質勘探、應急處理等工作要求很高，必須要在各項資料和施工隊伍完善的情況下才能充分發揮優勢，否則會嚴重影響施工進度。因此必須要根據工程情況來量身定制掘進方案，避免盲目追求“高大上”技術。