TBM施工中地質(zhì)條件預(yù)判方法實(shí)踐與總結(jié)

王雪峰　周斌（中國(guó)電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410014）

TBM施工中地質(zhì)條件預(yù)判方法實(shí)踐與總結(jié)

王雪峰周斌
（中國(guó)電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410014）

隧道掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine）英文縮寫為TBM，可一次性完成隧洞的開挖和支護(hù)，開挖速度可以達(dá)到傳統(tǒng)鉆爆法的4～8倍。TBM隧洞施工安全、高效，但因其特殊性，地質(zhì)工作與傳統(tǒng)的鉆爆方法有一定的區(qū)別。本文筆者通過在埃塞俄比亞GD-3水電站引水隧洞TBM開挖段的地質(zhì)工作經(jīng)歷，對(duì)TBM施工過程中地質(zhì)工作和地質(zhì)條件預(yù)判進(jìn)行分析總結(jié)。

TBM 地質(zhì)工作 埃塞俄比亞GD-3水電站

TBM其特點(diǎn)為作業(yè)面單一，機(jī)電一體化程度高，多工種流水作業(yè)，集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體，同時(shí)完成破巖、出碴、支護(hù)等作業(yè)，具有快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保、自動(dòng)化、信息化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。目前在全世界范圍內(nèi)水電工程，城市地鐵工程和煤礦開采等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于TBM施工的特殊性，常規(guī)鉆爆法洞室開挖的地質(zhì)工作方法，在TBM施工過程中并不完全適用或略顯不足，這便給傳統(tǒng)的施工地質(zhì)工作提出了新的課題。本文，以埃塞俄比亞GD-3水電工程為例，通過實(shí)踐對(duì)TBM施工中的地質(zhì)條件預(yù)判方法進(jìn)行總結(jié)，希望能對(duì)TBM這種先進(jìn)的施工工藝在我國(guó)各工程領(lǐng)域的推廣起到積極作用。

1　TBM簡(jiǎn)介

1.1TBM基本結(jié)構(gòu)

依據(jù)不同的地質(zhì)條件，對(duì)應(yīng)不同的TBM的選型。GD-3水電站位于埃塞俄比亞南部，引水隧洞使用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）開挖部分長(zhǎng)度約為10.4km，直徑為8.1m。洞室通過段圍巖為太古代片巖和晚前寒武系花崗巖地層，其中大部分位于晚前寒武系花崗巖地層內(nèi)，埋深大，巖體新鮮，巖石強(qiáng)度高，且比較完整。本工程采用的是一臺(tái)通用雙護(hù)盾緊湊型硬巖掘進(jìn)機(jī)，尤其適用硬巖隧道開挖。在結(jié)構(gòu)上，TBM主要分為主機(jī)、后配套、駕駛室、起吊和輸送設(shè)備四部分。其中主機(jī)是進(jìn)行掘進(jìn)的重要組成部分，分為刀盤、盾體（包括前盾、伸縮盾、支撐盾、指型護(hù)盾）、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)接頭和推進(jìn)系統(tǒng)。

1.2TBM工作流程簡(jiǎn)介

開挖工作由安裝滾刀的旋轉(zhuǎn)刀盤實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由裝在主軸承后方的電機(jī)通過減速機(jī)、小齒輪提供，刀盤與主軸承外圈連接。主軸承安裝在刀盤后方，前盾內(nèi)部。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，一組油缸（主推進(jìn)油缸）提供向前的推力。掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反扭矩作用于TBM，該扭矩通過兩條反扭矩油缸實(shí)現(xiàn)平衡，以避免其對(duì)盾體產(chǎn)生作用力。其工作流程和步驟如下：

（1）撐靴向外撐出；前盾和支撐盾之間是兩個(gè)同軸的重疊在一起的護(hù)盾，在整個(gè)掘進(jìn)循環(huán)中保護(hù)主推進(jìn)油缸。外伸縮護(hù)盾隨前盾一起移動(dòng)，內(nèi)伸縮護(hù)盾通過6條鉸接油缸和支撐盾相連。通過鉸接油缸，即使在主推進(jìn)油缸伸出的情況下，內(nèi)伸縮盾也可以收在外伸縮盾內(nèi)以便于轉(zhuǎn)向、維護(hù)觀察巖石等。（2）主推進(jìn)油缸伸出（掘進(jìn)階段）；主推進(jìn)油缸達(dá)到滿行程時(shí)，撐靴縮回。隨后，帶靴板的穩(wěn)定器油缸穿過外伸縮盾伸出并錨固到巖壁上，主推進(jìn)油缸縮回拉動(dòng)TBM其余部分（內(nèi)伸縮盾，支撐盾，指形盾）前進(jìn)。 開挖過程中兩個(gè)穩(wěn)定器油缸也可以低壓模式伸出，起到減小震動(dòng)的作用。（3）前撐靴收回，復(fù)位之后，撐靴油缸伸出，開始新的掘進(jìn)循環(huán)。

2　TBM隧洞施工地質(zhì)工作實(shí)踐

埃塞俄比亞GD-3水電站TBM隧洞自下游向上游掘進(jìn)。下游約3.4km主要為片巖夾偉晶巖，上游約7km主要花崗巖。前期判斷，洞室圍巖整體堅(jiān)硬、完整，以Ⅰ～Ⅱ類為主，少量地質(zhì)條件較差，為Ⅲ類圍巖，局部可能存在Ⅳ～Ⅴ類圍巖。本工程TBM從樁號(hào)Y12+131開始掘進(jìn)，開挖過程中揭露的圍巖條件與前期判斷基本一致。

當(dāng)掘進(jìn)至樁號(hào)約Y10+443時(shí)，推進(jìn)壓力由11300 KN驟降至3800 KN，而貫入度由27 mm/min增加至35 mm/min，同時(shí)，主機(jī)皮帶上巖渣中巖塊變大，部分可達(dá)30cm以上，其中伴隨有墨綠色巖塊，結(jié)構(gòu)面上多呈蠟狀，硬度較低，指甲可刻劃，后經(jīng)檢測(cè)，該巖石為微晶輝綠巖。結(jié)合之前所進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，判斷掌子面為微晶輝綠巖侵入帶，巖石破碎，結(jié)構(gòu)面膠結(jié)強(qiáng)度低，預(yù)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)塌方險(xiǎn)情。項(xiàng)目部降低了掘進(jìn)速度，至樁號(hào)Y10+441時(shí)出現(xiàn)塌方，立即停止掘進(jìn)，隨后掌子面巖體因自身重力持續(xù)自動(dòng)垮塌。為不使刀盤與掌子面間空隙造成塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，TBM需繼續(xù)掘進(jìn)使刀盤對(duì)掌子面形成反作用力。這時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)為，推力壓力1200KN，貫入度為30mm/min。

為查明破碎巖體的范圍，以便采取合理的應(yīng)對(duì)措施，布置了7個(gè)超前勘探孔進(jìn)行取芯分析，證實(shí)微晶輝綠巖呈脈狀產(chǎn)出，破碎帶與巖脈基本吻合。根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，防止松散巖體繼續(xù)塌落，待固結(jié)灌漿完成后，在保證安全的情況下緩慢掘進(jìn)，同時(shí)進(jìn)行鋼拱架錨噴跟進(jìn)支護(hù)，以保證人員及設(shè)備安全。在空腔位置，鋼拱架的外沿采用鋼板將其鋼拱架焊接連接，后續(xù)作為回填混凝土的模板使用。

3　TBM隧洞施工的地質(zhì)條件預(yù)判方法總結(jié)

TBM施工的洞段，往往洞線長(zhǎng)。本工程前期受各方面條件制約，無(wú)法針對(duì)引水線路布置足夠的勘探工作。為保證TBM施工過程中盡量減小不良地質(zhì)體和復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)掘進(jìn)的影響，及時(shí)對(duì)前方的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)判便成為TBM隧洞施工中地質(zhì)工作的重要課題。本工程通過觀察巖渣、掘進(jìn)參數(shù)、超前地質(zhì)探孔以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行對(duì)前方地質(zhì)條件的預(yù)判。

3.1對(duì)巖渣的觀察

對(duì)巖渣的觀察可以清楚地了解到巖石的組成、強(qiáng)度、蝕變程度等，與區(qū)域地質(zhì)資料相結(jié)合，可以預(yù)判掌子面的地質(zhì)情況，并為施工準(zhǔn)備做出指導(dǎo)性建議。

首先，通過對(duì)巖渣形狀的觀察，初步推斷圍巖的完整性。一般情況下，巖渣從形態(tài)上分為巖片、巖塊、巖粉。當(dāng)圍巖較完整且強(qiáng)度較高時(shí)，巖渣主要呈均勻片狀產(chǎn)出，稱為巖片，伴有少量巖粉，這時(shí)的圍巖類別多為Ⅰ、Ⅱ類；當(dāng)節(jié)理或其他結(jié)構(gòu)面較發(fā)育時(shí)，如巖石強(qiáng)度較高而結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí)，掘進(jìn)過程中巖體多沿結(jié)構(gòu)面破壞，巖渣中會(huì)出現(xiàn)許多大小不一的巖塊，巖塊上可見2組或以上結(jié)構(gòu)面，這時(shí)的圍巖類別可判斷為Ⅲ、Ⅳ類甚至Ⅴ類圍巖，需及時(shí)做好支護(hù)準(zhǔn)備，以防止塌方對(duì)人員及機(jī)器設(shè)備造成危害；當(dāng)巖渣中巖粉含量增加時(shí)，說(shuō)明巖石的強(qiáng)度相應(yīng)降低，有蝕變現(xiàn)象，如果巖粉呈泥狀，表明地下水發(fā)育，需要及時(shí)做好超前排水工作。

3.2掘進(jìn)參數(shù)

TBM的掘進(jìn)參數(shù)可以準(zhǔn)確反映出掘進(jìn)時(shí)圍巖的地質(zhì)情況，可以使操作手第一時(shí)間判斷出掌子面的圍巖狀況，因此對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的分析是TBM施工中地質(zhì)條件預(yù)判的重要手段。最能夠直接反應(yīng)掘進(jìn)中地質(zhì)條件的參數(shù)有兩個(gè)：推進(jìn)壓力（單位KN）、貫入度（單位mm/ min）。

推進(jìn)壓力可以反應(yīng)圍巖狀況，隨著圍巖條件而變化。如果圍巖完整性較好，強(qiáng)度高，則推力較大；相反，如果圍巖完整性較差，強(qiáng)度低，則推力較低。貫入度即為刀盤的掘進(jìn)速度，一般巖石的硬度與強(qiáng)度越高，掘進(jìn)速度越慢。本工程中，在新鮮完整的中?；◢弾r中的貫入度為8～15mm/min；強(qiáng)度相對(duì)較低的片巖中的貫入度為20～40mm/min，當(dāng)片巖中云母等軟質(zhì)礦物含量較多時(shí)，貫入度可達(dá)40 mm/mi n以上。

在掘進(jìn)過程中，當(dāng)推力和貫入度穩(wěn)定時(shí)，表明地質(zhì)條件較穩(wěn)定。當(dāng)推力和貫入度出現(xiàn)較大變化時(shí)，表明掌子面附近地質(zhì)條件出現(xiàn)變化，尤其是當(dāng)推力突然變小，或貫入度增大時(shí)，需要密切關(guān)注其變化，必要時(shí)停機(jī)采用TST或超前鉆孔查明前方地的地質(zhì)條件，以便采用合適的處理方式。

3.3超前地質(zhì)勘探孔

超前地質(zhì)勘探是通過TBM盾體上預(yù)留孔，用自身攜帶的超前鉆機(jī)或者專用的地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)圍巖的取樣分析。這是一種最直觀且最準(zhǔn)確的地質(zhì)條件預(yù)判方法。但因其操作時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)掘進(jìn)效率影響大，故此方法并不經(jīng)常使用。

3.4超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)由于其探測(cè)范圍大（有效距離可達(dá)200m）、檢測(cè)時(shí)間短（1～1.5h）、根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)對(duì)隧洞地質(zhì)條件進(jìn)行判斷，且對(duì)施工的干預(yù)相對(duì)較小，逐漸在隧道施工中形成廣泛應(yīng)用。本工程隧道內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用TST系統(tǒng)。TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧道散射地震成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱。地震波由小規(guī)模爆破或電火花產(chǎn)生，并由地震檢波器接收，并能同時(shí)獲得掌子面前方圍巖的準(zhǔn)確波速和地質(zhì)體的位置圖像。TST利用回波的波速、頻率、振幅等差異來(lái)獲知前方圍巖條件。當(dāng)?shù)卣鸩▊鞑ブ杏龅綆r石強(qiáng)度變化大（如巖性接觸帶、斷層帶、蝕變帶、破碎區(qū)域的出現(xiàn)）的情況時(shí)，地震檢波器可以準(zhǔn)確的采集回波數(shù)據(jù)，并由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成最終成果供工程技術(shù)人員進(jìn)行解譯，主要是根據(jù)地震波的變化判斷圍巖條件的變化。

4　結(jié)語(yǔ)

TBM在長(zhǎng)隧洞開挖中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而施工地質(zhì)方法也有別于傳統(tǒng)鉆爆法。準(zhǔn)確的對(duì)隧洞圍巖地質(zhì)條件的預(yù)判是減少施工地質(zhì)災(zāi)害、順利施工的關(guān)鍵。本文通過作者的實(shí)踐，對(duì)TBM施工地質(zhì)條件預(yù)判的方法進(jìn)行了淺顯的總結(jié)、分析，旨在拋磚引玉，若有欠缺與不妥之處，敬請(qǐng)指正。

［1］劉文元.深埋長(zhǎng)大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法淺析［J］.2005.

［2］張川鎖.TBM施工地質(zhì)工作方法探索［J］.2008.

［3］朱望初.GD-3水電站工程地質(zhì)報(bào)告.2012.