特殊地質(zhì)條件下TBM的施工

【摘要】TBM掘進(jìn)機(jī)自50年代問世以來，得到了快速發(fā)展，國外每年掘進(jìn)的隧道，有30%-40%是用TBM完成的。TBM掘進(jìn)速度高（為常規(guī)鉆爆法的2-3倍）、作業(yè)人員少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、作業(yè)安全、節(jié)約能源、自動(dòng)化程度高，具有對圍巖擾動(dòng)小，硐室圍巖穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)越來越廣泛地被國內(nèi)應(yīng)用于隧洞開挖中，然而在不良地質(zhì)洞段中TBM掘進(jìn)緩慢。結(jié)合遼寧大伙房輸水隧洞工程，總結(jié)在特殊地質(zhì)條件下的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及圍巖處理措施。

【關(guān)鍵詞】TBM施工；不良地質(zhì)；超前探測；富水帶治理

前言

TBM能實(shí)現(xiàn)快速、高效、優(yōu)質(zhì)和安全施工，總工期和綜合效益優(yōu)于鉆爆法，然而在不良地質(zhì)條件下TBM掘進(jìn)速度降低，甚至出現(xiàn)TBM損壞或不能順利通過的情況，因此必須對不良地質(zhì)洞段進(jìn)行超前處理，確保TBM掘進(jìn)效率。

本工程位于遼寧省東部山區(qū)的桓仁縣境內(nèi)，是一項(xiàng)大型調(diào)水工程。TBM4標(biāo)段主洞施工長度15555.139m，樁號(hào)72+476.7558-79+796.816及63+811.677-72+046.758，設(shè)計(jì)引水流量77m3/s，洞徑8.5m，為圓形斷面，用TBM法施工。

1、地質(zhì)概況和主要不良地質(zhì)

TBM4標(biāo)段主洞主要巖性由集安群古老變質(zhì)巖及侵入巖（早元古代侵入巖和白堊紀(jì)侵入巖）兩部分組成。本段發(fā)育有YFF4、YFF3、YFF8、Ygf423共4條較大斷層。

主洞主要不良地質(zhì)是上述4條斷層破碎帶、嚴(yán)重影響帶、密集節(jié)理帶和古風(fēng)化殼，涉及洞身總長的1/5。主要的施工地質(zhì)災(zāi)害是坍塌、涌水甚至突水。除此之外的不良地質(zhì)則是處于200-500m埋深的混合巖、混合花崗巖，特別是其中斜長角閃巖殘留體，可能引發(fā)的施工地質(zhì)災(zāi)害則是巖爆。

2、TBM施工地質(zhì)超前探測技術(shù)

為保障安全、快速施工，必須做好洞身不良地質(zhì)體的長期和短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前鉆探、施工地質(zhì)災(zāi)害臨近預(yù)警工作，判斷可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的相對位置，在確保安全的前提下制定出切實(shí)可行的掘進(jìn)方案。

2.1 TSP長期地質(zhì)預(yù)報(bào)。長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用的主要技術(shù)手段是TSP探測，是20世紀(jì)90年代地下工程地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的最新科研成果，目前這種方法在國內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛。

其工作原理是利用在隧道圍巖以排列方式激發(fā)彈性波，彈性波在向三維空間傳播的過程中，遇到聲阻抗界面，即地質(zhì)巖性變化的界面、構(gòu)造破碎帶、巖溶和巖溶發(fā)育帶等，會(huì)產(chǎn)生彈性波的反射現(xiàn)象，這種反射波被布置在隧道圍巖內(nèi)的檢波裝置接收下來，輸入到儀器中進(jìn)行信號(hào)的放大、數(shù)字采集和處理。然后，將數(shù)據(jù)通過軟件的處理，經(jīng)過復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算后，最后形成反應(yīng)相關(guān)界面或地質(zhì)體反射能量的影像圖和平面、剖面圖，供工程技術(shù)人員解譯。可基本判斷前方地質(zhì)體（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）的性質(zhì)、位置和規(guī)模。探測有效距離一般為掌子面前方100-200m，極限距離可達(dá)到300m。最高分辨率為1m地質(zhì)體。TSP具有適用范圍廣，超前預(yù)報(bào)距離較長，對隧洞施工干擾小，探測時(shí)間短，一次完整的探測僅為60-90min，提交資料及時(shí)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。其不足之處在于對地下水的反應(yīng)不敏感。

2.2 短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用掌子面編錄預(yù)測法（地質(zhì)素描法）。每一循環(huán)進(jìn)尺后由地質(zhì)專業(yè)人員對掌子面的巖石、節(jié)理、斷層和出水情況進(jìn)行素描，然后按經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)規(guī)律對下一循環(huán)地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。根據(jù)地質(zhì)素描進(jìn)行推斷，初步判斷圍巖類別，制定相應(yīng)的支護(hù)方案。

其基本原理是：掌子面出露的巖層與地表某段巖層確為同一巖層的前提下，用地表巖層的層序預(yù)報(bào)掌子面前方將要出現(xiàn)的巖層。

在長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)得出的不良地質(zhì)體厚度的基礎(chǔ)上，依據(jù)掌子面已揭露的不良地質(zhì)體的產(chǎn)狀位置，經(jīng)過一系列的三角函數(shù)運(yùn)算，求得條帶狀不良地質(zhì)體在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。

在隧洞掘進(jìn)過程中，在出現(xiàn)斷層破碎帶、溶洞、暗河和洞穴淤泥之前，一般都會(huì)出現(xiàn)各自的明顯或不明顯的前兆標(biāo)志。這些標(biāo)志的出現(xiàn)，常常預(yù)示前述不良地質(zhì)體已經(jīng)臨近了。因此，不良地質(zhì)前兆預(yù)測法，一方面有助于掌子面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)的鑒別，更有助于對不良地質(zhì)體臨近的判斷。

2.3 超前鉆探。根據(jù)宏觀預(yù)報(bào)和長期、短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，還要對斷層破碎帶、嚴(yán)重影響帶、密集節(jié)理帶等軟弱、破碎圍巖段，特別是富水帶，和可能產(chǎn)生巖爆不良地質(zhì)洞段實(shí)施超前鉆探。

超前鉆探是在掌子面布設(shè)鉆孔，超前鉆孔深一般15-20m。以水平鉆為主，一般布置1-3個(gè)鉆孔。對于富水帶，一般布置5個(gè)鉆孔，即掌子面中間1個(gè)鉆孔，掌子面底部和拱部各布置2個(gè)鉆孔，而且周邊的4個(gè)鉆孔應(yīng)向外有一定傾斜，傾斜角度視具體情況決定。

對于可能產(chǎn)生巖爆不良地質(zhì)洞段來說，主要根據(jù)鉆孔中的巖屑物質(zhì)成份、鉆進(jìn)速度、和是否夾鉆等特征判斷不良地質(zhì)的性質(zhì)、類型。在擠壓變形地質(zhì)洞段，進(jìn)行超前地質(zhì)鉆孔取芯，分析試驗(yàn)芯樣的物理力學(xué)性質(zhì)，預(yù)測軟巖的膨脹性和洞室變形的特征，制定處理方案。

對于富水帶來說，則主要依據(jù)地下水的特征和水量大小及變化情況，綜合判斷前方的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，判斷富水帶的性質(zhì)、類型和規(guī)模。

3、TBM在不良地質(zhì)洞段的施工技術(shù)

3.1 斷層破碎帶的施工

3.1.1 斷層破碎帶的支護(hù)措施。根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選用TBM掘進(jìn)參數(shù)。TBM掘進(jìn)過程中，通過觀察TBM的切深和轉(zhuǎn)速變化，及通過皮帶輸送機(jī)上的石渣情況判斷，發(fā)現(xiàn)巖石開始破碎，出現(xiàn)夾層、滲水等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)特別注意，必要時(shí)可停止掘進(jìn)，用超前鉆進(jìn)行鉆孔取芯，進(jìn)一步查明地質(zhì)情況。

（1）對規(guī)模較小圍巖級(jí)別為Ⅳ、Ⅴ級(jí)的斷層破碎帶、嚴(yán)重影響帶、密集節(jié)理帶和古風(fēng)化殼，在滲水量不大的情況下，采用超前錨桿、超前小鋼管支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿等支護(hù)方法，并在TBM通過后，采用掛網(wǎng)錨噴初期支護(hù)等輔助工法來治理。

（2）規(guī)模較大圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)的斷層破碎帶、嚴(yán)重影響帶、密集節(jié)理帶和古風(fēng)化殼，特別是在有較大涌水的情況下，首先采用超前固結(jié)灌漿，結(jié)合長管棚超前支護(hù)方法，然后，采用掛網(wǎng)錨噴和鋼拱支撐支護(hù)等輔助工法來治理。

（3）通過不良地段時(shí)，各施工工序之間銜接要緊密，減少巖層暴露、松動(dòng)時(shí)間。嚴(yán)格貫徹“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、早封閉、勤測量、快襯砌”的十八字施工方針。

（4）對圍巖較差的部分，還可以使用全圓鋼拱架結(jié)合頂拱鋼筋排的支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)范圍在頂拱120°，可有效防止掉塊，保證施工人員及設(shè)備安全。

3.1.2 TBM掘進(jìn)方法。TBM施工前，對提供的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)分析判斷，切實(shí)掌握斷層帶的情況，包括破碎帶的寬度、填充物、地下水以及隧洞軸線與斷層構(gòu)造的關(guān)系。

（1）TBM掘進(jìn)至斷層破碎帶時(shí)，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，TBM刀盤應(yīng)頂在掌子面上，不要輕易后退，更不能在無推進(jìn)的狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤掘進(jìn)。否則，會(huì)造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴。

（2）緊跟掘進(jìn)進(jìn)行錨噴支護(hù)，及時(shí)封閉圍巖。對不同的地質(zhì)段，及時(shí)調(diào)整噴混凝土的厚度，控制圍巖變形，確保主機(jī)撐靴不會(huì)撐跨圍巖。及時(shí)進(jìn)行圍巖量測并反饋量測信息，若頂拱下沉仍得不到控制，則采取補(bǔ)噴或加強(qiáng)鋼拱架等一系列加強(qiáng)支護(hù)措施。另外調(diào)整設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，降低對圍巖的承壓力，減小擾動(dòng)。此時(shí)用較低的刀盤轉(zhuǎn)速并控制刀盤的推進(jìn)速度，使掘進(jìn)速度降為50%以下。當(dāng)洞壁圍巖被撐靴撐跨時(shí)，可采用10mm以上厚度的鐵板臨時(shí)放于撐靴處，也可用鐵皮封堵?lián)慰鐓^(qū)，向內(nèi)噴射混凝土或灌注混凝土。為減少等強(qiáng)時(shí)間，提高工效，在混凝土中加入適量的速凝劑（速凝劑量適中，以保證混凝土有一定的流動(dòng)性，確保坍塌部位回填密實(shí)）。

（3）TBM設(shè)計(jì)上采用平面大刀盤結(jié)構(gòu)和液壓可調(diào)頂部護(hù)盾，使掘進(jìn)機(jī)對軟弱圍巖有很強(qiáng)的適應(yīng)性，采用凹入式滾刀，防止邊刀區(qū)域圍巖松動(dòng)，可調(diào)頂部護(hù)盾控制邊刀后方圍巖穩(wěn)定。約120°的指狀頂護(hù)盾的下部空間，是安裝鋼拱架、超前錨桿、超前鉆孔和實(shí)施超前注漿等作業(yè)的安全作業(yè)區(qū)。同時(shí)、降低水平撐靴推力以便與圍巖承載能力相符合，在全負(fù)荷下正常的水平支撐壓力約2.9MPa，在軟弱巖層中最小可以減小到1.3MPa。

當(dāng)巖體十分破碎，以致刮渣器不能及時(shí)清渣時(shí)，可利用刀盤的反轉(zhuǎn)，避免刀盤卡塞事故發(fā)生。

3.2 巖爆段TBM施工。巖爆是地下工程施工中一種災(zāi)害性地質(zhì)現(xiàn)象，崩落的巖塊會(huì)傷害施工人員、損壞施工設(shè)備。本工程最大埋深500m，為預(yù)防巖爆發(fā)生，施工中加強(qiáng)預(yù)測預(yù)報(bào)，對可能發(fā)生巖爆的程度加以判斷，采用相應(yīng)預(yù)防措施。

在干燥的圍巖表面灑水，或用高壓水沖洗拱頂、掌子面和兩壁，增加濕度、松弛地應(yīng)力。

在高地應(yīng)力、干燥脆性圍巖段，觀察巖爆發(fā)生的可能性。用巖石聲發(fā)射儀測試圍巖，必要做巖石的抗拉、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，判斷巖爆發(fā)生的可能性與程度。

軟巖爆區(qū)段，在TBM刀盤護(hù)盾后及時(shí)噴射混凝土封閉巖面，盡可能減少巖層暴露時(shí)間，然后用鋼拱架和錨噴鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)。中等強(qiáng)度以上的巖爆區(qū)段，除上述支護(hù)措施外，采取超前鉆孔釋放地應(yīng)力，鉆孔注水、掌子面灑水等措施軟化圍巖，一般在掌子面上鉆數(shù)個(gè)孔徑60-80mm孔深10m的鉆孔，釋放地應(yīng)力。

3.3 富水帶TBM的施工

3.3.1 涌水洞段對TBM施工的影響

（1）由于水壓作用，工作面會(huì)坍塌，掩埋刀盤，增大刀盤的扭矩。

（2）洞壁發(fā)生坍塌時(shí)，撐靴無支撐點(diǎn)，TBM不能推進(jìn)。

（3）坍塌、涌水量大甚至?xí)蜎]機(jī)體。

3.3.2 TBM施工中對涌水的處理措施

（1）根據(jù)水量不同分別采取措施

對于富水帶，采取“大水排，小水堵”的方針。圍巖內(nèi)只有微量滲水或局部滴水時(shí)，采用錨桿鋼筋網(wǎng)加格柵的加強(qiáng)支護(hù)措施，或者打排水孔，塑料管接引，集水引排。圍巖內(nèi)有較大滲水或線狀涌水時(shí)，加密引排水管，安裝鋼拱架。圍巖內(nèi)有較大股狀涌水時(shí)，根據(jù)水文地質(zhì)情況，超前鉆探，注漿堵水。

（2）掘進(jìn)前采取的措施

打超前鉆孔排放泄水，排放泄水疏干過程中，時(shí)刻觀察水壓及水量變化。如水壓減小，在做好排水系統(tǒng)的條件下，待涌水基本排干時(shí)，TBM可繼續(xù)掘進(jìn)。如排水孔水壓及水量不減，必須采用注漿堵水。

（3）掘進(jìn)后采取的措施

把工作面的涌水或注漿后的剩余水量及時(shí)排離工作面，對洞壁漏水，采用擋遮、引排措施，保證噴混凝土質(zhì)量。

3.4 預(yù)防塌方的措施

3.4.1 堅(jiān)持超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入施工工序。長期地質(zhì)預(yù)報(bào)和短期預(yù)報(bào)相結(jié)合的方法，可較準(zhǔn)確地掌握前方圍巖的破碎帶邊緣、長度、破碎程度、裂隙水等情況，從而為下一步支護(hù)措施提供依據(jù)。

3.4.2 加強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化施工。根據(jù)初步勘探地質(zhì)資料制定不同圍巖的掘進(jìn)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況適時(shí)調(diào)整。按地質(zhì)變化情況，加強(qiáng)支護(hù)措施。

3.4.3 加強(qiáng)監(jiān)控量測。及時(shí)掌握圍巖與支護(hù)的穩(wěn)定狀態(tài)，反饋指導(dǎo)施工，適時(shí)調(diào)整施工方法和支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。

4、結(jié)語

TBM快速、安全通過不良地質(zhì)洞段，對于減少工程投資，縮短工期起著至關(guān)重要的作用。對于特殊地質(zhì)條件并不是能夠發(fā)現(xiàn)和準(zhǔn)確預(yù)見的，要求對意外情況有針對性較強(qiáng)的預(yù)防措施和應(yīng)對措施，因此總結(jié)和借鑒已有工程經(jīng)驗(yàn)至關(guān)重要。