硬巖隧洞采用TBM施工的難點及處理辦法

謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆烏魯木齊830000）

硬巖隧洞采用TBM施工的難點及處理辦法

謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆烏魯木齊830000）

隨著隧道工程施工技術(shù)的發(fā)展和進步，TBM掘進方式成為隧洞開挖中最先進、應用最廣泛的技術(shù)，常見于能源、交通、水利等項目的地下施工建設。由于TBM施工在不同地質(zhì)條件下的適應性受到限制，使得隧洞施工更加復雜。本文通過對TBM隧洞掘進技術(shù)的介紹，著重探討了在工程建設中遇到的施工難點，提出了針對性的解決措施，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供理論研究依據(jù)，提高隧洞施工質(zhì)量。

隧洞施工；TBM；難點分析

1TBM基本介紹

隧洞掘進機TBM（Tunne1BoringMachine）雖在國內(nèi)外工程建設項目的地下施工中得到了廣泛應用，但由于地質(zhì)條件的限制，在施工中往往會遇到突發(fā)性的施工問題，在地質(zhì)條件復雜、施工技術(shù)要求越來越嚴格的現(xiàn)代工程建設中，TBM施工中的問題不僅會導致嚴重的工程事故，還會造成較大的經(jīng)濟損失，從一定程度上阻礙了工程建設的發(fā)展。因此對TBM掘進技術(shù)在實際施工應用中的問題加以探討和分析已迫在眉睫，針對施工難點提出可靠的解決措施對隧洞工程建設具有重要的現(xiàn)實意義。

TBM已有一百多年的發(fā)展歷史，在漫長的技術(shù)演變過程中，TBM施工技術(shù)逐漸穩(wěn)定成熟，在國內(nèi)外的建設施工中均得到了廣泛的推廣和應用［1］。TBM是一種先進的隧洞機械化施工設備，設備整體長度達200多米，主要由主機和后配套設備構(gòu)成。TBM在隧洞施工中的應用為實現(xiàn)建設者的夢想提供了契機，使隧洞施工快速走向機械化和標準化道路，簡化了施工程序，實現(xiàn)了流水線作業(yè)，因此它在國內(nèi)外被稱為“移動式掘進工廠”。

TBM的不足之處在于對實際施工中地質(zhì)條件的適應能力不強，投資較大，施工團隊中需要有高水平高素質(zhì)的技術(shù)人員。采用TBM掘進技術(shù)已成為隧洞開挖的發(fā)展趨勢，一般情況下，隧洞長度在6km以上可優(yōu)先采用TBM掘進技術(shù)。

2大埋深隧道

2.1大埋深隧道圍巖結(jié)構(gòu)分析

所謂隧道埋深，是指隧道開挖斷面的頂部到自然地面的垂直間距。隧道埋深超過100m的稱為大埋深隧道，在TBM隧道施工中，由于施工環(huán)境和地殼形變等一系列不確定因素，導致掘進工作不能順利進行，針對這一問題，需對隧道圍巖結(jié)構(gòu)進行分析。

對于深埋隧道而言，圍巖大多是新鮮巖體或卸荷范圍內(nèi)的弱風化巖體，初始應力場取決于自重應力場和構(gòu)造應力場。對于硬巖來講，圍巖在開挖卸荷過程中主要表現(xiàn)為巖爆和變形，如果支護工作中缺乏嚴格的技術(shù)要求，例如支護不合理或支護不及時，圍巖的漸進性能導致開挖斷面增大，還導致施工中大巖塊脫落。對于巖爆，開挖將使隧道周圍應力重新分布，給施工帶來一定的困難，必須在施工中解決巖爆和圍巖變形問題。

2.2大埋深隧道的處理方式

針對大埋深隧道的施工，近代工程建設中提出了利用安全高效的雙護盾TBM施工，人員和設備在護盾的保護下工作，安全性較高，雙護盾TBM在掘進和出渣作業(yè)中，保持較高的連續(xù)性，實現(xiàn)了安全高效施工，對大埋深隧道有較強的適應性。

對深埋隧道而言，地質(zhì)圍巖的復雜特性使得在掘進過程中圍巖應力較為集中，圍巖巖體會受到一定程度的破壞。而利用雙護盾TBM掘進時，因其圓順的掌子面可以大大降低巖體的損傷，對圍巖形態(tài)起到了保護作用，應力不易集中，從一定程度上解決了隧道埋深大的施工難題。對巖爆地段，因TBM刀盤設置有噴水裝置，利用超前鉆機鉆孔，在施工過程中噴水濕化，對掌子面巖石起到很好的軟化作用，使得應力提前釋放。同時通過管片的合理安裝，在礫石回填和水泥漿灌注后，TBM可以快速支護并順利通過巖爆地帶。

3高原地熱問題

高原地熱條件會對隧道施工產(chǎn)生較大的危害，危害作業(yè)人員和機械設備健康安全之外，阻礙了生產(chǎn)效率的提高，嚴重時不得不停工，機械設備工作條件不斷惡化，TBM故障增多，必須在隧洞施工中對地熱問題更加重視。

3.1地熱對隧道施工的主要影響

隧道施工中，地熱對施工人員和施工機械都有較大程度的影響，主要包括以下幾種。

（1）施工人員在長時間地熱環(huán)境中工作，會出現(xiàn)頭暈、嘔吐等癥狀。

（2）施工機械工作溫度升高，散熱困難的問題出現(xiàn)，機械故障率升高，測量儀器精準度下降，砂漿錨桿強度降低。

（3）部分圍巖地帶出現(xiàn)潮解，遇水后粉末化，巖面上噴筑的混凝土很難凝結(jié)。

（4）工程中使用的部分工程炸藥膨脹，部分導爆管出現(xiàn)軟化失去彈性。

3.2高地熱問題的解決措施

3.2.1降溫措施

可以采用注入冷水的方式降低洞內(nèi)熱量，某些復雜條件下，在地熱隧道的施工過程中，需要修建合適的輔助坑道，考慮順坡橫洞，避免延長施工周期，另外可以借助水泵將冷水抽到洞中，洞內(nèi)熱水進行熱交換后排出隧道外，以降低洞內(nèi)熱水溫度。

采用冷水降溫的同時，必須及時關(guān)注TBM的運行狀況，及時對洞內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測，主要包括溫度變化、濕度變化，降溫措施應與TBM掘進同步進行，避免地熱降低后施工沒有跟上進度，造成極大的浪費。對于洞內(nèi)出現(xiàn)的熱水，應以堵為主，以排為輔。冷水降溫的同時可以采用通風或隔熱的方式，以改善洞內(nèi)的濕熱條件，在熱害問題不太嚴重的工程中尤為適用，也最為經(jīng)濟。

3.2.2支護措施

針對地下水較多且洞段集中的區(qū)域可以利用灌漿攔截地下水，若圍巖自穩(wěn)能力差，必須采取有效的支護措施，保證開挖期間圍巖的穩(wěn)定性不會受到影響。支護中一般采用隧道襯砌，施工中隨時關(guān)注洞內(nèi)溫度，確保TBM的正常運行，以施工期和運營期的綜合要求為基準選擇襯砌形式。

隧洞穿越斷層，地下含有較高熱量的水噴出導致洞內(nèi)溫度升高。必須在掌子面推進時安排超前勘探，為了避免在開挖過程中出現(xiàn)塌方、涌水等問題，必須根據(jù)掌子面的具體地質(zhì)條件采取合理的防范措施。

4軟巖的大變形問題

軟土圍巖簡稱軟巖，若此部分產(chǎn)生變形，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)在收斂過程中將導致混凝土管片發(fā)生不同程度的變形和破損，嚴重時導致TBM機械卡死，降低了施工效率。

4.1軟巖大變形的特征

大變形問題一般出現(xiàn)在變質(zhì)巖、破碎斷層、煤系地層等低強度圍巖中，常見的巖石類型有板巖、蛇紋巖、砂頁巖、千枚巖、泥灰?guī)r等。

變形問題一旦發(fā)生，將以快速、大量的形式進行，變形速率達到10cm/min～5m/min。軟巖地帶的大變形問題有較大的危害，嚴重阻礙了TBM的正常掘進，嚴重時發(fā)生卡機現(xiàn)象，增加了設備的故障機率。

4.2軟巖大變形的形成機制

隨著軟巖大變形問題的頻頻發(fā)生，此類問題已引起了相關(guān)人士的廣泛關(guān)注，ISRM（國際巖石力學學會）成立了專門的工作小組，對大變形問題進行了研究。從破壞形式和形成機理方面來劃分，大變形的形成機制主要分為下列2種。

（1）塑性擠壓大變形，主要是由于開挖后形成的圍巖應力在重分布后使強度高于軟巖的自身強度。

（2）巖體體積膨脹大變形，主要是由于礦物與水發(fā)生反應后膨脹造成。常見的礦物有高嶺土、綠泥石、蒙脫石、含石膏和芒硝的鹽類礦物。

4.3TBM施工過程中大變形問題的解決辦法

軟巖大變形將給隧道施工帶來嚴重的危害，必須在施工中引起足夠的重視。TBM在軟巖地層中掘進，可以采取如下防治措施。

（1）當TBM通過膨脹性圍巖地段時，必須根據(jù)施工特點做好隧道防水防滲工作，在施工中及時關(guān)注洞內(nèi)襯砌管片接縫寬度和止水帶的安裝質(zhì)量，避免施工用水滲漏后導致圍巖軟化、坍塌。

（2）對于大多數(shù)TBM而言，在掘進過程中可以適當擴挖，一般情況下盾殼與開挖面的間隙是6～10cm，考慮到圍巖變形，必須給變形留有足夠的空間，一般將間隙調(diào)整到15～20cm。

（3）針對護盾式TBM而言，在解決軟巖大變形的過程中應秉持2個原則。①在掘進過程中，控制掘進速度，保證快速通過軟巖地帶，避免給易變性區(qū)域造成更大的壓力沖擊；②軟巖地帶極易造成卡機，針對此種狀況，應合理設置TBM掘進力度，在卡機洞段采用大推力通過。

5隧道突涌水問題

施工區(qū)域的地下水位線高于隧洞時，地下水會以較高的壓力噴出，形成大涌水現(xiàn)象，對圍巖強度和穩(wěn)定性造成不同程度的影響，惡化圍巖的地質(zhì)條件，降低了TBM的掘進效率。隧道掘進過程中，必然會不同程度地對含水圍巖造成破壞，暴露出部分導水通道，在這種情況下，地下水、地下暗河、地表水、溶洞水等就會突然涌入，出現(xiàn)涌水突水災害。隧道涌水主要是從掌子面結(jié)構(gòu)的空隙中涌出，給施工帶來較大的影響，當隧洞開挖突破隔水層，掌子面含水層高壓水涌出埋沒隧洞則稱為突水。若突水或涌水中含有較多的固體物質(zhì)，則稱為突泥災害。

5.1突涌水對隧道施工的影響

縱觀各種隧道施工工程，突涌水在施工中是難以避免的，且突涌水具有水量大、壓力高、突發(fā)性強的特點，嚴重影響圍巖的穩(wěn)定度，嚴重時會淹沒隧洞，給施工人員和施工設備的安全帶來極大的威脅。TBM掘進過程中，受到突涌水的主要危害概括如下。

（1）在水壓的作用下，隧洞工作面發(fā)生坍塌，TBM刀盤的旋轉(zhuǎn)力矩加大，機械掘進效率降低。

（2）給管片襯砌安裝帶來困難，支護作業(yè)受到嚴重影響，可能導致洞壁坍塌，降低撐靴反力，降低TBM的推進效率。

（3）大量涌水可能淹沒施工設備，危及工作人員的安全。

5.2施工過程中的突涌水防治

結(jié)合國內(nèi)的技術(shù)和施工特點，主要以引排和封堵為主要思路，防治突涌水的主要措施如下。

（1）及時做好地下水的探測工作，掘進前先探測出水量、水壓、水位等資料。針對低水量、低水壓的施工環(huán)境，可在實行排水預防措施后繼續(xù)開動TBM掘進；針對高水量、高水壓的施工環(huán)境，在施工前必須利用注漿法做好可靠的堵水措施，避免掌子面或洞壁坍塌。

（2）對于掘進過程中的突涌水，可以按照涌水量的大小進行分類處理。若涌水量較小，可以借助TBM本身的排水系統(tǒng)將涌水排出后即可掘進；若涌水量較大，可以在整體掘進系統(tǒng)中加設排水設備，增強排水能力，也可以利用注漿法封堵涌水。

（3）掘進過程中，及時排出工作面涌水，結(jié)合施工特點安裝好管片。

（4）針對熔巖或斷層地帶，TBM掘進過程中更需要及時檢測涌水量，避免較大程度的涌水事故。

6結(jié)語

TBM在隧洞掘進中的應用，實現(xiàn)了計算機技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)的有機結(jié)合，在TBM的應用中，需要將其與實際施工環(huán)境和施工特點相結(jié)合，結(jié)合施工中出現(xiàn)的各種難題采取具有針對性的措施，提高施工質(zhì)量，以推進現(xiàn)代化建設的進程。

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U455.44，TV554+.2

B

1008-1305（2016）03-0108-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.041

2016-04-02

謝天智（1983年—），男，工程師。