不良地質(zhì)條件對TBM施工的影響及預防應對措施

許成發(fā)

摘 要：在TBM掘進過程中會經(jīng)常遇到各種破碎帶及不良地質(zhì)條件。不良地質(zhì)條件會造成TBM卡機、無法支撐等問題，嚴重制約了施工進度。本文結(jié)合遼西北工程施工實踐經(jīng)驗，闡述了TBM通過不良地質(zhì)條件的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞：不良地質(zhì)條件 卡機 TBM

中圖分類號：U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0042-02

1 不良地質(zhì)條件

在掘進機掘進施工中，可能會遇到的不良地質(zhì)主要有裂隙和斷層、極軟巖或不穩(wěn)定圍巖、地下水洞、巖爆等。提前預防并合理處置是提高TBM掘進效率的關(guān)鍵。

2 TBM通過不良地質(zhì)段的主要技術(shù)措施

TBM在通過不良地質(zhì)段應提前準確預測，提前采取防范措施，防護是確?？焖?、安全掘進的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。同時優(yōu)化掘進參數(shù)，從而減少或避免塌方的發(fā)生。

2.1 軟巖或不穩(wěn)定圍巖的處理措施

如遇到泥質(zhì)粉砂巖、泥巖等類地層，由于該類地層以泥質(zhì)膠結(jié)為主且膠結(jié)程度差，存在遇水崩解或膨脹的現(xiàn)象，當掘進時，有可能將掘進機緊緊抱住，出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。在該地層掘進應選擇快速通過，相對于護盾型（雙護盾機、單護盾）TBM而言，應根據(jù)地質(zhì)預報明確掘進機所處地層應力變形模量（單位時間內(nèi)洞型變化量）。在預知工程所處地質(zhì)存在塑性變形洞段，在TBM設(shè)計時應考慮刀盤開挖直徑與各盾體直徑預留倒階梯型變化余量，并從分考慮在TBM快速通過時，巖石的塑性變化到最大，時間與盾體長度之間的關(guān)系。相對于開敞式TBM而言，由于盾體的特殊，其盾體為浮動直徑可變化形式，再加盾體較短卡機/壓機幾率極小。發(fā)生卡機多為大塊巖石跌落對刀盤的卡死現(xiàn)象，此類卡機一般比較容易處理。

2.2 斷層破碎帶的處理措施

TBM在隧洞的挖掘過程中，掌子面圍巖被破碎之后無法自穩(wěn)而出現(xiàn)坍塌，進而大量的石塊、石渣就會夾雜著泥水涌入TBM的刀盤內(nèi)，這時設(shè)備皮帶機的出渣量就會突然增加，刀盤扭矩和電機的電流急劇增加，最終導致刀盤無法轉(zhuǎn)動；圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生震動，影響刀具的使用壽命，造成滾刀密封漏油，軸承損壞等問題；開挖面及邊墻坍塌，撐靴支撐不穩(wěn)，受力不均，易損壞掘進機支撐結(jié)構(gòu)；圍巖軟硬不勻，造成接地比壓變化較大，可能會引起TBM機體的不均勻下沉，掘進方向難以控制。

遇到該類地層應在隨機掘進時，隨時觀察主機膠帶機出渣口巖渣的粒度、品質(zhì)、含水量，同時觀察推進速度、壓力、電機功率，可以對現(xiàn)有開挖的掌子面做出判斷。對地質(zhì)資料中預測的破碎帶、斷層、軟地質(zhì)，在必要時，可用超前鉆進行掘進機頭部100m范圍內(nèi)的取樣預測。敞開式掘進機的超前鉆直接放置在掘進機頭部的頂護盾下的主梁上，以<4°的角度向掘進機頭部前方鉆進獲取巖芯。

如掘進后巖石出現(xiàn)小面積塌落應該第一時間采用合理支護措施，撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)、打系統(tǒng)錨桿，視情況架立拱架，拱架之間打入長錨桿，必要時手動噴混凝土及時封閉巖面。

如遇到大規(guī)模的巖石塌落現(xiàn)象需第一時間利用手動噴混凝土系統(tǒng)向坍塌處噴射混凝土，及時封閉圍巖，減少巖石暴露時間。安裝全圓鋼拱架，間距0.8～2.0m。拱架安裝前先在撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)。撐靴處坍塌較嚴重部位，為防止坍塌繼續(xù)發(fā)展，保證后部支撐靴的順利通過，在鋼拱架背面立模板澆灌C30細石混凝土與坍塌處圍巖構(gòu)成封閉的受力整體。

大規(guī)模巖石破碎帶的超前處理非常重要，可以減少不必要的支護耗時，利用超前鉆機預注漿加固處理巖層方案。由于原裝的圍巖（膨脹泥巖）的可灌性差，主要用于對松散圍巖的固結(jié)，確保主機周邊圍巖的穩(wěn)定。一般采用聚氨酯類灌漿材料。該材料由A、B兩組份組成，施用配比為固定體積比1∶1。

2.3 涌水地段施工

突發(fā)性涌水將會對TBM的掘進造成很大的影響，甚至是災難性的事故。例如：對人員生命安全、電氣系統(tǒng)、液壓體系的破壞性損壞。嚴重影響TBM的正常掘進，例如：皮帶機出渣等。

對于涌水處理主要有疏導和封堵兩種處理措施，如水量不大，利用TBM前面的鉆機打排水孔排水，在做好排水系統(tǒng)的情況下，TBM繼續(xù)掘進；如水量較大，巖石破碎不具備排水條件時，則要通過注漿堵水等處理后再掘進，否則涌水可能會造成工作面及側(cè)壁坍塌；遇到裂隙發(fā)育、漏水量大的破碎帶，并且破碎帶含承壓水層，巖石的導水性及富水性較好，可采用排堵結(jié)合的施工方法，若斷層規(guī)模較大，通過鉆孔排水和降低水壓力相當困難，可采用側(cè)向坑法，在尾盾后方適當位置處鑿開一個弧形導洞，高度為1.2m，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，及時采用16#工字鋼進行支護，支護間距為1.0m。為了防止已經(jīng)開挖好的洞室上部圍巖坍塌影響施工，在工字鋼之間接觸巖石圍巖面用20mm厚度木板作為擋板，為導洞的開挖創(chuàng)造良好的條件。

預防突發(fā)涌水，應在隧洞設(shè)計前期所獲得的水汶地質(zhì)資料，預估判斷涌水量的大小盡量設(shè)計TBM掘進方向為逆坡方向（即由低到高），這樣遇到涌水大部分水能夠自流到洞外，或集中排污水泵站。應根據(jù)水文地質(zhì)資料給出的涌水參考數(shù)據(jù)，TBM設(shè)計時相應增加配置足夠的具有自吸功能的高性能排污水泵（即排污水系統(tǒng)），流量應在涌水量的2～3倍。

2.4 巖爆段施工

經(jīng)驗總結(jié)，發(fā)生巖爆一般都在24h之內(nèi)。存在巖爆的區(qū)域無水，而且?guī)r石節(jié)理不發(fā)育，地應力較大。

在TBM掘進過后，緊接護盾露出巖面及時灑水降溫、巖層及時吸水、能夠緩解地應力。及時支護鋼拱架利用錨桿鉆機打孔，并用錨桿加固巖層（錨桿最好利用水漲錨桿）錨桿間距按1～1.2m布置，同時加鋼筋網(wǎng)的防止巖石彈落傷害人員和設(shè)備。在中等巖爆地段，為防止巖石碎塊彈射和提高結(jié)構(gòu)整體支護作用，可在錨桿鋼筋網(wǎng)、槽鋼拱架支護基礎(chǔ)上，人工噴射混凝土約5cm厚，基本上可以控制巖爆的發(fā)展。

為了預防巖爆的發(fā)生，要先進行超前地質(zhì)預測、預報；在隧道頂部區(qū)域30°范圍內(nèi)打孔，打孔深度控制在0.5～1m，孔密度應在0.5m×0.5m在掌子面上噴灑高壓水，在圍巖和拱線上打注水孔，降低巖石的強度及彈性模量，加快圍巖應力釋放；對開挖的洞壁及時加固，并在掌子面前上方進行超前錨固等。

3 結(jié)語

對于深埋長距離引水隧洞，其地應力較大、圍巖地質(zhì)條件復雜，如何應對不良地質(zhì)地段是TBM施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過不斷地總結(jié)和歸納，提出更為有效的處理不良地質(zhì)段的措施，對長距離深埋引水隧道工程具有重大的工程意義和經(jīng)濟價值。

參考文獻

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