特殊地质条件下TBM的施工

【摘要】TBM掘进机自50年代问世以来，得到了快速发展，国外每年掘进的隧道，有30%-40%是用TBM完成的。TBM掘进速度高（为常规钻爆法的2-3倍）、作业人员少、劳动强度低、作业安全、节约能源、自动化程度高，具有对围岩扰动小，硐室围岩稳定性好等优点越来越广泛地被国内应用于隧洞开挖中，然而在不良地质洞段中TBM掘进缓慢。结合辽宁大伙房输水隧洞工程，总结在特殊地质条件下的超前地质预报方法及围岩处理措施。

【关键词】TBM施工；不良地质；超前探测；富水带治理

前言

TBM能实现快速、高效、优质和安全施工，总工期和综合效益优于钻爆法，然而在不良地质条件下TBM掘进速度降低，甚至出现TBM损坏或不能顺利通过的情况，因此必须对不良地质洞段进行超前处理，确保TBM掘进效率。

本工程位于辽宁省东部山区的桓仁县境内，是一项大型调水工程。TBM4标段主洞施工长度15555.139m，桩号72+476.7558-79+796.816及63+811.677-72+046.758，设计引水流量77m3/s，洞径8.5m，为圆形断面，用TBM法施工。

1、地质概况和主要不良地质

TBM4标段主洞主要岩性由集安群古老变质岩及侵入岩（早元古代侵入岩和白垩纪侵入岩）两部分组成。本段发育有YFF4、YFF3、YFF8、Ygf423共4条较大断层。

主洞主要不良地质是上述4条断层破碎带、严重影响带、密集节理带和古风化壳，涉及洞身总长的1/5。主要的施工地质灾害是坍塌、涌水甚至突水。除此之外的不良地质则是处于200-500m埋深的混合岩、混合花岗岩，特别是其中斜长角闪岩残留体，可能引发的施工地质灾害则是岩爆。

2、TBM施工地质超前探测技术

为保障安全、快速施工，必须做好洞身不良地质体的长期和短期超前地质预报、超前钻探、施工地质灾害临近预警工作，判断可能发生地质灾害的相对位置，在确保安全的前提下制定出切实可行的掘进方案。

2.1 TSP长期地质预报。长期超前地质预报采用的主要技术手段是TSP探测，是20世纪90年代地下工程地质预报技术的最新科研成果，目前这种方法在国内外应用比较广泛。

其工作原理是利用在隧道围岩以排列方式激发弹性波，弹性波在向三维空间传播的过程中，遇到声阻抗界面，即地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带等，会产生弹性波的反射现象，这种反射波被布置在隧道围岩内的检波装置接收下来，输入到仪器中进行信号的放大、数字采集和处理。然后，将数据通过软件的处理，经过复杂数学计算后，最后形成反应相关界面或地质体反射能量的影像图和平面、剖面图，供工程技术人员解译。可基本判断前方地质体（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）的性质、位置和规模。探测有效距离一般为掌子面前方100-200m，极限距离可达到300m。最高分辨率为1m地质体。TSP具有适用范围广，超前预报距离较长，对隧洞施工干扰小，探测时间短，一次完整的探测仅为60-90min，提交资料及时、经济等优点。其不足之处在于对地下水的反应不敏感。

2.2 短期超前地质预报。短期超前地质预报采用掌子面编录预测法（地质素描法）。每一循环进尺后由地质专业人员对掌子面的岩石、节理、断层和出水情况进行素描，然后按经验和地质规律对下一循环地质情况进行预报。根据地质素描进行推断，初步判断围岩类别，制定相应的支护方案。

其基本原理是：掌子面出露的岩层与地表某段岩层确为同一岩层的前提下，用地表岩层的层序预报掌子面前方将要出现的岩层。

在长期超前地质预报得出的不良地质体厚度的基础上，依据掌子面已揭露的不良地质体的产状位置，经过一系列的三角函数运算，求得条带状不良地质体在隧洞掌子面前方延伸和消失的位置。

在隧洞掘进过程中，在出现断层破碎带、溶洞、暗河和洞穴淤泥之前，一般都会出现各自的明显或不明显的前兆标志。这些标志的出现，常常预示前述不良地质体已经临近了。因此，不良地质前兆预测法，一方面有助于掌子面前方不良地质体的性质的鉴别，更有助于对不良地质体临近的判断。

2.3 超前钻探。根据宏观预报和长期、短期超前地质预报结果，还要对断层破碎带、严重影响带、密集节理带等软弱、破碎围岩段，特别是富水带，和可能产生岩爆不良地质洞段实施超前钻探。

超前钻探是在掌子面布设钻孔，超前钻孔深一般15-20m。以水平钻为主，一般布置1-3个钻孔。对于富水带，一般布置5个钻孔，即掌子面中间1个钻孔，掌子面底部和拱部各布置2个钻孔，而且周边的4个钻孔应向外有一定倾斜，倾斜角度视具体情况决定。

对于可能产生岩爆不良地质洞段来说，主要根据钻孔中的岩屑物质成份、钻进速度、和是否夹钻等特征判断不良地质的性质、类型。在挤压变形地质洞段，进行超前地质钻孔取芯，分析试验芯样的物理力学性质，预测软岩的膨胀性和洞室变形的特征，制定处理方案。

对于富水带来说，则主要依据地下水的特征和水量大小及变化情况，综合判断前方的工程地质和水文地质条件，判断富水带的性质、类型和规模。

3、TBM在不良地质洞段的施工技术

3.1 断层破碎带的施工

3.1.1 断层破碎带的支护措施。根据不同的地质条件合理选用TBM掘进参数。TBM掘进过程中，通过观察TBM的切深和转速变化，及通过皮带输送机上的石渣情况判断，发现岩石开始破碎，出现夹层、渗水等现象时应特别注意，必要时可停止掘进，用超前钻进行钻孔取芯，进一步查明地质情况。

（1）对规模较小围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级的断层破碎带、严重影响带、密集节理带和古风化壳，在渗水量不大的情况下，采用超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆等支护方法，并在TBM通过后，采用挂网锚喷初期支护等辅助工法来治理。

（2）规模较大围岩级别为Ⅴ级的断层破碎带、严重影响带、密集节理带和古风化壳，特别是在有较大涌水的情况下，首先采用超前固结灌浆，结合长管棚超前支护方法，然后，采用挂网锚喷和钢拱支撑支护等辅助工法来治理。

（3）通过不良地段时，各施工工序之间衔接要紧密，减少岩层暴露、松动时间。严格贯彻“管超前、严注浆、短开挖、早封闭、勤测量、快衬砌”的十八字施工方针。

（4）对围岩较差的部分，还可以使用全圆钢拱架结合顶拱钢筋排的支护方式进行支护，支护范围在顶拱120°，可有效防止掉块，保证施工人员及设备安全。

3.1.2 TBM掘进方法。TBM施工前，对提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析判断，切实掌握断层带的情况，包括破碎带的宽度、填充物、地下水以及隧洞轴线与断层构造的关系。

（1）TBM掘进至断层破碎带时，由于掌子面附近的围岩破碎、松散，TBM刀盘应顶在掌子面上，不要轻易后退，更不能在无推进的状态下转动刀盘掘进。否则，会造成刀盘前部更大范围坍塌，形成空穴。

（2）紧跟掘进进行锚喷支护，及时封闭围岩。对不同的地质段，及时调整喷混凝土的厚度，控制围岩变形，确保主机撑靴不会撑跨围岩。及时进行围岩量测并反馈量测信息，若顶拱下沉仍得不到控制，则采取补喷或加强钢拱架等一系列加强支护措施。另外调整设备的技术参数，降低对围岩的承压力，减小扰动。此时用较低的刀盘转速并控制刀盘的推进速度，使掘进速度降为50%以下。当洞壁围岩被撑靴撑跨时，可采用10mm以上厚度的铁板临时放于撑靴处，也可用铁皮封堵撑跨区，向内喷射混凝土或灌注混凝土。为减少等强时间，提高工效，在混凝土中加入适量的速凝剂（速凝剂量适中，以保证混凝土有一定的流动性，确保坍塌部位回填密实）。

（3）TBM设计上采用平面大刀盘结构和液压可调顶部护盾，使掘进机对软弱围岩有很强的适应性，采用凹入式滚刀，防止边刀区域围岩松动，可调顶部护盾控制边刀后方围岩稳定。约120°的指状顶护盾的下部空间，是安装钢拱架、超前锚杆、超前钻孔和实施超前注浆等作业的安全作业区。同时、降低水平撑靴推力以便与围岩承载能力相符合，在全负荷下正常的水平支撑压力约2.9MPa，在软弱岩层中最小可以减小到1.3MPa。

当岩体十分破碎，以致刮渣器不能及时清渣时，可利用刀盘的反转，避免刀盘卡塞事故发生。

3.2 岩爆段TBM施工。岩爆是地下工程施工中一种灾害性地质现象，崩落的岩块会伤害施工人员、损坏施工设备。本工程最大埋深500m，为预防岩爆发生，施工中加强预测预报，对可能发生岩爆的程度加以判断，采用相应预防措施。

在干燥的围岩表面洒水，或用高压水冲洗拱顶、掌子面和两壁，增加湿度、松弛地应力。

在高地应力、干燥脆性围岩段，观察岩爆发生的可能性。用岩石声发射仪测试围岩，必要做岩石的抗拉、抗剪强度试验，判断岩爆发生的可能性与程度。

软岩爆区段，在TBM刀盘护盾后及时喷射混凝土封闭岩面，尽可能减少岩层暴露时间，然后用钢拱架和锚喷钢筋网联合支护。中等强度以上的岩爆区段，除上述支护措施外，采取超前钻孔释放地应力，钻孔注水、掌子面洒水等措施软化围岩，一般在掌子面上钻数个孔径60-80mm孔深10m的钻孔，释放地应力。

3.3 富水带TBM的施工

3.3.1 涌水洞段对TBM施工的影响

（1）由于水压作用，工作面会坍塌，掩埋刀盘，增大刀盘的扭矩。

（2）洞壁发生坍塌时，撑靴无支撑点，TBM不能推进。

（3）坍塌、涌水量大甚至会淹没机体。

3.3.2 TBM施工中对涌水的处理措施

（1）根据水量不同分别采取措施

对于富水带，采取“大水排，小水堵”的方针。围岩内只有微量渗水或局部滴水时，采用锚杆钢筋网加格栅的加强支护措施，或者打排水孔，塑料管接引，集水引排。围岩内有较大渗水或线状涌水时，加密引排水管，安装钢拱架。围岩内有较大股状涌水时，根据水文地质情况，超前钻探，注浆堵水。

（2）掘进前采取的措施

打超前钻孔排放泄水，排放泄水疏干过程中，时刻观察水压及水量变化。如水压减小，在做好排水系统的条件下，待涌水基本排干时，TBM可继续掘进。如排水孔水压及水量不减，必须采用注浆堵水。

（3）掘进后采取的措施

把工作面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面，对洞壁漏水，采用挡遮、引排措施，保证喷混凝土质量。

3.4 预防塌方的措施

3.4.1 坚持超前地质预报纳入施工工序。长期地质预报和短期预报相结合的方法，可较准确地掌握前方围岩的破碎带边缘、长度、破碎程度、裂隙水等情况，从而为下一步支护措施提供依据。

3.4.2 加强掘进机标准化施工。根据初步勘探地质资料制定不同围岩的掘进参数，结合实际情况适时调整。按地质变化情况，加强支护措施。

3.4.3 加强监控量测。及时掌握围岩与支护的稳定状态，反馈指导施工，适时调整施工方法和支护设计参数。

4、结语

TBM快速、安全通过不良地质洞段，对于减少工程投资，缩短工期起着至关重要的作用。对于特殊地质条件并不是能够发现和准确预见的，要求对意外情况有针对性较强的预防措施和应对措施，因此总结和借鉴已有工程经验至关重要。