TBM在不良巖層掘進時的治理方法和超前預報技術(shù)

高松

摘要：在簡要介紹新疆某硬巖隧道水利工程概況的基礎(chǔ)上，闡述了全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）的工作機理及影響因素、巖層地質(zhì)條件存在問題及治理方法、超前地質(zhì)預報的種類和技術(shù)、TBM掘進施工難點和解決方法，可供從事全斷面硬巖隧道掘進工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：TBM；不良巖層；治理方法；預報技術(shù)

0? ?引言

全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）的工作效率高、施工質(zhì)量好，安全性能強，在深埋地下超長硬巖隧道工程中得到廣泛使用。雖然TBM有很多優(yōu)點，但是也會由于巖層塌陷、地下水土流失、巖爆等不利影響致使整體施工速度受到影響。在隧道施工的全過程中，為了提高施工水平、優(yōu)化施工進度、保證工程質(zhì)量，須針對TBM在隧道工程施工中經(jīng)常遇到的問題，進行認真研究。

1? ?工程概況

新疆某水利工程為硬巖隧道，隧道主洞總長46.153km，分為采用全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）掘進施工洞段和采用鉆爆法開挖洞段。其中TBM掘進開挖洞段采用2臺全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）進行掘進施工。此外，該水利工程還包括1.671km的P3支洞、1.71km的P4支洞、250m的通風豎井（內(nèi)徑為3.5m）、P2至P3連接道路及P3進場連接道路。

2? ?TBM工作機理及影響因素

2.1? TBM工作機理

全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）可分為敞開式隧道掘進機、護盾式隧道掘進機，而護盾式隧道掘進機又可分為單護盾式隧道掘進機和雙護盾式隧道掘進機。

TBM是利用刀盤的旋轉(zhuǎn)力和推力，使?jié)L刀繞著刀盤的中心轉(zhuǎn)動，對掌面上的巖石進行滾壓、切削。當滾刀的作用力超過巖石的承受能力時，巖石就會碎裂形成巖渣。刀盤上的鏟斗齒在刀盤旋轉(zhuǎn)的過程中，收集巖渣落入主機膠帶機上向后輸送到洞外。

2.2? 影響TBM掘進施工的主要因素

施工技術(shù)不成熟、人員和機械存在安全隱患、較差的地質(zhì)條件、隧洞的設(shè)計存在問題等因素，都會影響 TBM的正常掘進施工。但是，隧道施工所在的巖層地質(zhì)情況以及TBM合理的設(shè)計，是影響硬巖掘進施工的主要因素。

3? ?巖層地質(zhì)條件存在問題及治理方法

3.1? 地下水涌流及其治理

地下涌水通常分為承壓水和滲漏水2類。這2種地下水的壓力不同，處理方式也不相同。

3.1.1? 承壓水層的治理方法

承壓水層通常出現(xiàn)在地下水涌量較大的圍巖破碎帶和巖層有較大縫隙的部位。利用圍巖有透水性較好這一特點，可以采用導出和圍堵方法對承壓水層進行雙重治理。在某些圍巖較易破裂的區(qū)域，可以采用灌漿方法對其縫隙進行灌漿，以控制圍巖的穩(wěn)定性，從而達到控制圍巖變形的目的[1]。

對承壓水的處理方法多種多樣，可根據(jù)超前報告數(shù)據(jù)對其進行可行性研究。如果數(shù)據(jù)表明超前鉆孔方法可行，則可用于解決承壓水層問題，此時只需要仔細觀察排水量即可。如果數(shù)據(jù)表明該方法存在安全隱患，這就需要采取全方位注漿封堵圍巖的方法。

3.1.2? 地下水滲漏的治理方法

在TBM進行掘進施工時，要提前判定斷層地下水的水體是否容易封閉、圍巖結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。導入、排出和封堵方法經(jīng)常用來治理滲漏水上反情況，避免滲漏水突破圍巖造成損害。

3.2? ?斷層結(jié)構(gòu)的治理方法

在TBM進行掘進施工過程中，會遇到不良斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其治理方法如下所述。

3.2.1? ?斷層破碎帶治理方法

斷層處于破碎狀態(tài)，其圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，需要防止在TBM掘進過程中，其周圍的零碎巖石掉落下來。因此在TBM掘進之前，應該先對圍巖進行封閉作業(yè)。在TBM掘進過程中，在圍巖無法支撐的情況下，為了防止圍巖掉落，須治理巖體的不可控制性。此時應對拱架進行加密，以延長圍巖的使用周期。如果圍巖出現(xiàn)破碎或者有水滲入的情況時，應立即用調(diào)配好的水泥漿或水玻璃對圍巖進行加固填補。

3.2.2? ?斷層破碎帶超前治理方法

超前治理又稱為預先治理。在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析和預測影響掘進施工的圍巖的主要斷裂部位及其特點，提出超前治理方法并進行治理，以保證圍巖支護的穩(wěn)定性。

3.3? ?隧道塌方的治理方法

3.3.1? ?縮小隧道塌方范圍

為了縮小隧道塌方范圍，應暫停TBM掘進施工，重點是對沒有發(fā)生垮塌的部位進行加固，并且加快排水的速率；對坍塌較小的部位，可采用TBM的刀盤抵住坍塌部位，防止其擴大，并灌注混凝土進行加固，使塌方趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如果塌方面積較大，應先將圍巖穩(wěn)定，再確定TBM掘進的時間，與此同時還需要施工人員具有豐富的施工經(jīng)驗和精湛的施工手段。

3.3.2? ?洞內(nèi)坍塌處理措施

洞內(nèi)發(fā)生坍塌，經(jīng)常采取堵、排結(jié)合的方法。首先，要確定管片是否安裝牢固；其次，用手工和機械配合，同時旋轉(zhuǎn)刀盤，根據(jù)礦渣的數(shù)量來判斷塌方的范圍；然后從內(nèi)、外部同時進行監(jiān)控，觀察洞內(nèi)是否發(fā)生滲漏現(xiàn)象和積水，按照規(guī)定時間將積水排除，防止泥漿與護盾黏結(jié)在一起。

3.3.3? ?提前預防坍塌

處理圍巖坍塌最常用的辦法就是采用灌注方式來控制圍巖發(fā)生變形，施工隊通過提前勘測施工部位，先支護洞頂，再 TBM掘進的方法，以便及時應對發(fā)生意外情況。此外，還需要提前對圍巖和支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行大量的數(shù)據(jù)分析，以確定相對應的處理方法[2]。

3.4? ?巖爆的處理方法

巖爆是巖石內(nèi)部變形引起的巖體噴射現(xiàn)象。對不同程度的巖爆，可采取以下處理措施：一是超前處理，預先將圍巖降溫，以減小巖爆概率；二是加固圍巖，可有效解決該問題。

3.5? ?其他預防措施

在TBM開始掘進施工之前，應該對該地區(qū)的施工環(huán)境、地質(zhì)地貌、有無地下水進行勘測，對勘測數(shù)據(jù)和具體情況進行細致分析，制定出應急預案，同時認真做好施工前的每一項準備工作。這樣，當遇到問題時就可以對癥下藥，及時、有效解決施工中發(fā)生的各種問題，以便縮短掘進工期、保證施工質(zhì)量。

4? ?超前地質(zhì)預報的種類和預報技術(shù)

4.1? ?預測預報種類

為了做好TBM硬巖隧道工程施工的地質(zhì)災害的長期、短期預測及工程地質(zhì)災害預警，獲得更精確的地質(zhì)資料，確保掘進安全快速施工，根據(jù)該項目的地質(zhì)特征，對其進行了以下預測：一是通過與勘察階段的地質(zhì)數(shù)據(jù)對比，對工程地質(zhì)狀況的改變和施工的影響進行預測；二是對富水斷層及破碎帶的預報；三是對涌水（涌水點、泥土含量、水量）的預報。

根據(jù)該項目在施工前所獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)，重點采取鉆孔記錄分析法、基于TBM掘進參數(shù)和巖渣性狀預報法、地震波超前預測法（TSP和TRT）、隧道地質(zhì)超前實時預報法（BEAM），下面將著重介紹這4種預報技術(shù)。

4.2? ?鉆孔記錄分析方法

在TBM上安裝超前的鉆孔記錄分析系統(tǒng)（MWD-Measuring While Drilling），通過預留的護盾孔，以5°的角度，對著前方30m處的地形進行探測。如果發(fā)現(xiàn)巖體有較大的變形趨勢，且在工程前期的勘察設(shè)計中也顯示出了潛在的不良地質(zhì)，可以采用這種方法進行進一步的驗證，從而保證工程施工安全。

MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)配有系統(tǒng)軟件、傳感器和鉆進數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，可以將鉆孔過程中接收到的壓力、鉆孔速度、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆桿波動、鉆孔水量、溫度等數(shù)據(jù)實時輸出。這些資料會被臨時儲存在一張記錄卡片中，待鉆井周期結(jié)束后，就可以將其錄入電腦，由系統(tǒng)提供的專業(yè)軟件對其進行分析，從而得到鉆井區(qū)域內(nèi)的圍巖狀況[3]。MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)替代鉆孔取芯、孔內(nèi)電視、聲波測試等方法，能夠快速準確了解前方的圍巖情況，為TBM掘進操作提供可靠的參考。MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

4.3? ?基于TBM掘進參數(shù)和巖渣性狀預報法

該預報方法是投標人根據(jù)TBM掘進施工的特點，結(jié)合可靠的施工技術(shù)和大量施工經(jīng)驗而形成。其原理為：通過對 TBM與巖體的交互作用，以及膠帶機出渣狀況，對前方工作面的巖體狀況及變化趨勢進行實時監(jiān)控，并針對不同的地質(zhì)條件，對TBM工況適時進行調(diào)整。

TBM的掘進施工參數(shù)在操作間的顯示屏上可以直觀地看到，在操作間的監(jiān)視器中，在工作面上可以看到巖層的變化，在膠帶機的出渣過程中也可以看到。其主要有以下3種預報方法：一是TBM掘進過程中，存在著較大的推進力、較大的貫入度、較大的振動和扭矩變化。此時巖渣中除了薄片外，還含有各種不同大小的顆粒和少量的渣土，這說明前面巖石較硬，但節(jié)理裂縫較發(fā)育，甚至有崩塌。二是TBM掘進過程中，存在著較小的推進力，較大的貫入度，較低的振動。此時巖渣中含有大量的渣土和非片狀小顆粒，這說明前面的巖體是軟弱的。三是TBM掘進過程中，存在著較大推進力、較小貫入度、較大的振動、扭矩變化幅度小。此時礦渣呈片狀，這說明工作面前方巖石堅硬完整。

4.4? ?地震波超前預測法

利用地震波超前預測法（TSP和TRT）進行預測。TSP是長期超前地質(zhì)預測的重要技術(shù)方法，瑞士安伯格公司研制的TSP-202超前地質(zhì)預測系統(tǒng)，是目前世界上最先進的隧道超前地質(zhì)預報裝置，可在前方150m處進行預測。敞開式 TBM主梁的兩側(cè)洞壁暴露，為TSP探測提供了一定的空間。在隧道中，人為地產(chǎn)生一系列有規(guī)律的小震源，小震源的地震波碰到地質(zhì)不良的界面，會形成一種反射波，其延遲時間、傳播速度、方向、強度、波形等都與巖體的特征和產(chǎn)狀有很大的關(guān)系，并在不同的資料中得到反映。該資料是由裝置所設(shè)定的地震反射波的系統(tǒng)收集而成，并由電腦進行存貯，再將資料輸入電腦中，再進行精密的運算，得到相應的界面或巖層的反射能量的相關(guān)圖片，以便于工程師們對其進行研究。

4.5? ?BEAM隧道地質(zhì)超前實時預報法

隧道超前地質(zhì)實時預報法（BEAM）是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司發(fā)明的，將BEAM配置在TBM上，掘進時可實時監(jiān)控和預報在掘進面前方近3倍于隧道直徑距離的地質(zhì)情況，BEAM裝置可安裝在TBM主控室、屏障電極A1（+）（如護盾）、接地電極B（-）、跟蹤測量電極A0（+）（如刀盤刀具）、電纜等。利用2個不同頻率的跟蹤測量電流，得出與巖體孔隙度和水量相關(guān)的蓄電量系數(shù)（PFE）和電阻率（R），預測前方巖層的整體性和含水率[4]。

5? ?TBM掘進施工難點和解決方法

5.1? ?掘進施工難點

該硬巖隧道工程中，2#TBM掘進施工段，有6條10～20m寬的斷層，2條9～10m的次級斷層，0.5～10m的小斷層；3#TBM掘進施工段，有8條3～16m寛的斷層，3條11～16m的大斷裂，最大的寬度達到37m。

2#和3#TBM掘進施工段的斷裂和V型圍巖各有103m、105m，所占的比重較低，有利于整體掘進，但施工圍巖坍塌、撐靴無法支撐、刀盤被卡住等問題仍是制約掘進工程進度與安全的重要技術(shù)問題。需要做好TBM穿越斷層破碎帶和軟弱圍巖的施工預案。

該標段TBM施工部分為滲水、滴水、部分為線性流水。其中2#TBM掘進、順坡排水，3#TBM掘進、逆向排水，綜合坡度為1/2583。2#TBM隧道因坡度較低，自然排水不能順利進行，而順坡排水裝置受淹的危險性較低；3#TBM全靠反坡排水，存在一定的危險性。另外，由于突涌水會對TBM造成淹沒，在有水洞的情況下，給巖體噴混作業(yè)造成一定困難；在斷裂帶中，軟弱圍巖與突涌水流的疊加，也給TBM掘進施工造成一定困難。

5.2? ?解決方法

根據(jù)以上掘進施工難點可知，TBM掘進施工面對的主要不良地質(zhì)環(huán)境為突涌水和斷層破碎帶軟弱圍巖，但是總體地質(zhì)條件還算是良好的。解決TBM掘進施工塌方、側(cè)壁撐靴不能支撐、TBM刀盤被卡住等問題，主要采用連續(xù)封閉鋼筋排支護技術(shù)、側(cè)壁立模換填灌注混凝土技術(shù)、超前地質(zhì)預報，必要時的超前地質(zhì)處理等預防技術(shù)措施。

6? ?結(jié)束語

綜上所述，本文對全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）的隧道施工進行了細致的研究，重點介紹了 TBM在硬巖地質(zhì)條件較差的情況下如何解決施工進度問題。從硬巖隧道建設(shè)的發(fā)展歷程來看，地質(zhì)條件差的問題是不可避免的。因此在硬巖隧道工程施工中應該大力推廣TBM技術(shù)，并配以預測和注漿等最常用和成功的施工方法和預報技術(shù)，不僅可以合理分配資源，而且可以節(jié)省投資，達到縮短工期、保證安全和提高質(zhì)量的目的。

參考文獻

[1] 方義清.軟弱圍巖隧道施工安全風險管理分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2022（4）：206-209.

[2] 李吉，馮少龍.雙護盾TBM小轉(zhuǎn)彎半徑（R=260m）施工技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2021（23）：152-156.

[3] 姜天宇.TBM法在大伙房輸水工程施工中的應用探析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2016（12）：139-141.

[4] 李文帥.羅賓斯TBM連續(xù)膠帶機急停系統(tǒng)改造[J].蘭州交通大學學報，2014（1）：23-26.