不良地質下TBM隧道掘進技術

楊世童 李 康

（中鐵五局電務城通公司， 四川 阿壩 410006）

0 引言

綜合隧道掘進機（TBM）的出現使得長大隧道或不良地質條件下的隧道機械化施工成為可能，與傳統爆破法相比，TBM技術集機械化程度高、施工效果顯著、排渣效率快、安全性能高等優點于一體。國內大多數水工、運輸深長隧道和礦山的縱軸直徑比為600～1000或更高，在這種情況下，國際公認TBM設計在施工時間、成本和技術方面具有明顯優勢，這也是TBM施工技術在世界各地的不良地質隧道和長大隧道中得到廣泛應用的原因，根據相關統計，實際建成TBM技術隧道1000余座，總長4000余公里。因此TBM的設計和施工必須與工程技術緊密結合，并與成本效益相協調，以充分發揮TBM的安全、優質和快速效益。

1 國內外研究現狀

1851年，第一臺巖石掘進機由美國工程師設計，它具有連續挖掘隧道功能，但是由于機器制造工藝不能滿足巖石開采，且TBM的施工速度無法與鉆爆法相比，故該TBM沒有得到重視[1]。

隨著現代社會科學技術的發展，掘進機的設計越來越完善，應用范圍越來越廣，應用數量越來越多。瑞士Vereina項目隧道掘進速度達到30～40m/d；南非萊索托項目取得了許多突出成就，月進度超過1000m[2]。

國內外TBM的發展趨于現代化，設計的刀盤既要適應復雜的地質條件，又要保證隧道的效率，由于大型隧道運輸的需要，大直徑TBM的研制和設計已成為一種趨勢。隨著科學技術的不斷發展，在不久的將來，將出現無線控制的全自動TBM，TBM未來的發展趨勢也將逐漸智能化。

1964年，TBM在國內用于隧道施工，然而，由于國內生產的關鍵部件不能滿足TBM的技術要求，并且與類似的外國機械相差甚遠，工程界停止使用國內機械，轉而選擇了國外市場[3]。

2 不良地質段施工關鍵問題

工程位于都江堰至四姑娘山之間，屬青藏高原與四川盆地過渡的侵蝕構造地形齒狀高山地貌，地形陡峻，起伏大。工程下穿8條斷裂帶，上跨漁子溪引水隧洞，下穿國道G350，隧道全長10414.486m，隧道最大埋深約709m，有著地質復雜、地下水豐富等諸多難題。隨著隧道長度和埋深的迅速增加，出現了一些前所未有的特殊地質問題，我國目前尚無完善的理論和技術來進行高質量、高效、安全的不良地段隧道的施工。

2.1 巖溶、涌水

由于TBM的適應性差，施工前地質調查已成為TBM施工的重要參考依據，但由于不良地質隧道施工前地質調查難度大，在施工過程中，經常會出現一些不可預見的地質災害。北上線在施工期間，TBM經歷了七次不良地質等問題，通常是護盾尾部加固段的混凝土突然塌落，使得地下水灌入隧道。南部下線的TBM在開挖時遇到了巖溶，改用頂導洞和TBM的混合施工。在危地馬拉Rio Chixoy的水電站修建過程中，TBM因巖溶而被埋在侵蝕洞穴中，使項目無法繼續進行并關閉了相關的開挖工作。

2.2 巖爆

不良地質條件下TBM施工通過滾刀與巖石擠壓進而破巖，開挖使得初始地應力釋放，使工作面巖體集中。如果張力超過巖塊的抗拉強度，則會產生裂縫，整個巖石將成為節理發育的巖體。從這個角度來看，由于地應力高而導致的巖石砌體裂縫的發展有利于TBM施工，且可以減少刀盤磨損，促進隧道開挖，即硬巖開挖中的“良好研磨和良好破碎”現象。同時，巖爆發生削弱了TBM開挖的能力。如果刀頭前部出現巖爆，除了刀盤受到巖體沖擊造成的損壞外，滾刀在掌子面上的振動壓力會對刀頭結構造成嚴重損壞[4]。

2.3 卡機

深埋隧道常存在高地應力，長隧道常穿越軟弱地層，高地應力和軟弱圍巖是形成壓力層的充分條件。在實際技術中，當TBM在隧道擠壓層中開挖時，在輕型情況下，很容易由于圍巖的擠壓變形導致TBM卡機并延遲施工時間，在嚴重情況下，TBM將受損。

3 不良地質段施工應對措施

3.1 巖爆段施工措施

隧道TBM段巖爆防控應采取探、控、防相結合，實現連續防護。TBM巖爆隧道施工采用以下主要防治措施(見表1）：

表1 鉆爆法巖爆地段支護參數表

（1）采取微震監測等手段，開展巖爆預測和監控，及早做出方案，以免巖爆發生并有效降低巖爆等級，減小施工單位的損失，并保證施工安全。TBM設備配置超前探測、微震監測等系統接口，做好超前地質預報及巖爆預警[5]。

（2）及時打錨桿進行支護，用來提高圍巖強度，同時優化圍巖應力狀態，充分利用圍巖自身的承載能力。采用低預應力錨桿、柔性防護網、鋼筋排、鋼拱架及噴射混凝土的方式，盡快支護裸露圍巖。

（3）應力釋放。針對強烈巖爆段落，根據監測情況，考慮采用超前應力釋放孔、超前應力解除爆破等應力釋放措施。易發生巖爆段落預先采用超前鉆機在掌子面打設超前應力釋放孔或利用設備上配置的錨桿鉆機在拱墻處增設釋能卸壓孔。

注：噴砼采用C30高性能鋼纖維噴混凝土；錨桿采用Φ25低預應力漲殼式中空注漿錨桿。

（4）加強防護。在TBM主機和后配套人員作業部位和主要設備頂部增加防護板（棚），加強TBM上人員和設備的防護，降低巖爆造成的損失。

（5）加強施工過程中的監測，現場檢查圍巖和支護結構，以及下層變化和隧道拱頂收斂情況，可定量預測和檢測延遲影響，建立的支護措施是否安全，以支持施工和開挖作業，并確保安全。

（6）加強監控。密切關注TBM刀盤推力及扭矩等情況，安裝閉路監控系統，監控施工情況，及時反饋信息。

（7）對TBM段巖爆部位初支背后松散體進行鋼花管注漿加固，如巖爆形成塌腔，塌腔內部采用同級混凝土回填。

（8）強烈、極強巖爆地段正洞二襯增加配筋，結合施工監測情況優化調整補充施工方法、施工工藝等相關內容。

3.2 涌水段施工措施

通過物探、超前鉆孔等超前地質預報方法判明前方掌子面涌突水流量，當隧洞底部條件特殊無法進行施工時，必須停止掘進，采取超前小導管、管棚支護、超前注漿封堵處理，其超前注漿和支護采用TBM自帶的設備進行，必要時增加設備。待出水量明顯減小具備掘進條件時再行掘進，超前支護方案報請監理審批后實施。與此同進，增加臨時大功率潛水泵和管路，將水抽排至后配套后至少50m區域。

如果TBM自身設備進行超前加固后，隧道壁的圍巖條件沒有明顯改善，應向監理報告，要求對施工方案進行調整，倒退刀盤，從護盾背面打側洞進入掌子面，用于推進超前管棚支護，并且進行加固和水鉆孔處理，TBM開挖后，應進行徑向固結灌漿處理。

3.3 巖溶段施工措施

巖溶地段施工主要采取封堵、充填、加強支護等措施。對于拱上方的巖溶洞，根據巖石的破裂程度，采用錨桿支護、護拱、填礫緩沖層等方法，TBM開挖時，調整開挖參數，加大推力，降低速度，盡量不要在刀頭前面留下空腔，將切割頭關閉到頂部，防止巖石的沖擊損壞刀盤[6]。

3.3.1 鋼拱架的架設

在溶洞段安裝鋼拱架，為保證鋼拱架安裝穩定，采用型鋼將兩個拱架焊接牢固，在靴部位置焊接連接鋼筋，鋼拱安裝完成后，向外放置鋼筋網，其中兩層鋼筋網放置在斷裂腔內，并用厚鐵板封閉。

3.3.2 混凝土回填封堵

在空腔坍塌時用混凝土填充空腔以修補開口，向下空洞由于深度不確定，采用鋼管在縫洞內砌筑，縫洞內巖石采用型鋼支護，縫洞上部回填混凝土。充填后堵住充填孔，預留下孔，在保證支撐靴安全通過后，通過輸送泵向預留的注入孔充填孔底。巖溶洞填筑壓實后，應清除塌陷洞內的鐵板，并在安裝鋼框架的截面上進行系統錨固，并保證系統錨固與鋼拱空間的可靠焊接。

3.3.3 灌漿

采取低壓、濃漿和定量措施，輸送機壓力應與注射速度相對應，且在短時間內壓力不得增加過快。

3.4 防卡應對措施

3.4.1 地質調查法

TBM地質調查法同鉆爆法超前地質預報相關內容。但主要在TBM施工掌子面刀盤后方開展地質調查法超前地質預報工作，根據超前地質預報的結果判斷刀盤前方掌子面的相關地質條件。TBM施工段落一般地段地質素描10～30m進行一次，地質條件復雜、對施工影響較大地段建議控制在5～10m實施一次。

3.4.2 綜合物探法

TBM物探主要采用其搭載的超前地質預報方法進行探測，其中彈性波法類超前預報方法有三維地震、主動震源、破巖震源及HSP等方法；電（磁）法類超前預報方法有激發激化法超前預報方法；但由于各類方法在目前TBM設備中應用相對較少，屬于超前地質預報的新方法，在實際應用前或實施過程中建議可以開展相應的試驗工作，根據試驗結果結合相應的地質條件進行選擇性使用。

3.4.3 增大開挖斷面

在圍巖變形大的隧道段，適當增大開挖直徑，不僅可以增大圍巖與護盾之間的間隙，為TBM施工提供更大的空間，也為TBM在圍巖擠入護盾前提供更多的掘進時間，以確保TBM通過。TBM主機采用大前小后設計，以便在TBM和圍巖之間形成間隙。在TBM選型設計中，可充分考慮擴大刀頭直徑，在保持盾外殼直徑不變的情況下，增加刀盤輪廓，并擴大巖石層和盾構之間的間隙。同時，當TBM在巖性差的隧道段掘進時，將刀頭上的切刃換為較大的刀具，增加挖掘直徑也能達到上述效果。

4 結束語

在不良地質條件下隧道中使用TBM有其特殊的優缺點，在解決主要巖石力學問題的基礎上，改進TBM施工可以發揮其優勢且能滿足工程需要，同時也滿足了解決不良地質條件下隧道開挖與支護諸多難題的技術需求，TBM開挖技術將是不良地質條件下隧道施工的首選和重要發展方向。