不良地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)T BM施工的影響及應(yīng)對(duì)措施

魏立鴻

（山西省水利建筑工程局 山西太原030006）

TBM施工可能遇到的地質(zhì)問題主要有：斷層破碎帶、軟弱圍巖擠出變形、涌水突泥、巖溶、有害氣體、巖爆等不良地質(zhì)現(xiàn)象，防止圍巖坍塌是關(guān)鍵。

1 不良地質(zhì)對(duì)TBM施工的影響

1.1 斷層破碎帶

在TBM掘進(jìn)時(shí)圍巖破碎易導(dǎo)致坍塌，造成出渣量和清渣量大幅度增加，對(duì)設(shè)備和人員安全造成威脅，增加了大量支護(hù)工作量和清渣工作量，嚴(yán)重的由于刀盤扭矩或推力不足導(dǎo)致卡機(jī)；另外由于撐靴部位坍塌無(wú)法支撐，無(wú)法為TBM前進(jìn)提供反力。

1.2 軟弱圍巖擠出變形

圍巖自身強(qiáng)度低，在應(yīng)力重分布和水分重分布的作用下，主要有塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出、重力坍塌等不同類型。TBM掘進(jìn)施工時(shí)護(hù)盾與圍巖之間的間隙在應(yīng)力作用下收斂變形，當(dāng)TBM掘進(jìn)速度低于圍巖收斂變形速度會(huì)造成卡機(jī)；圍巖收斂變形量超過100 mm后會(huì)發(fā)生重力坍塌，如刀盤扭矩不足會(huì)造成卡機(jī)。另外軟弱圍巖在水的作用下惡化會(huì)造成涌水突泥。

1.3 涌水突泥

涌水、突泥洞段最可能出現(xiàn)在如河谷、溝谷淺埋段、岔路河、構(gòu)造發(fā)育的溝谷段、斷層構(gòu)造及低阻帶發(fā)育的溝谷和線路穿越靠近水庫(kù)段等。隧洞開挖后，即成為地下水的排泄通道，巖層中的壓力水匯集于洞室周圍，進(jìn)一步促進(jìn)了巖體內(nèi)裂隙的擴(kuò)張，巖溶、裂隙、斷層破碎帶等形成涌水通道或暗河時(shí)，會(huì)造成淹沒事故，危害人員安全和洞室結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

1.4 巖溶

由于巖溶洞穴圍巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖石破碎或充填物松軟，在施工中極易發(fā)生坍塌，危害施工安全，如遇暗河巖溶水的突然襲擊，往往泥砂涌流，堵塞隧洞，給施工安全造成威脅，嚴(yán)重阻礙TBM正常掘進(jìn)，更有甚者會(huì)使TBM設(shè)備沉陷，停滯不前，影響工期，溶洞基礎(chǔ)處理難、易崩塌和巖溶水等給施工帶來極大困難。

1.5 有害氣體

巖體內(nèi)空隙常含有氣體，氣體處于有壓狀態(tài)可能引起塌方事故；有毒氣體如二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等超過一定濃度會(huì)引起爆炸或者導(dǎo)致人員死亡等事故。

1.6 巖爆

據(jù)國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，高地應(yīng)力是巖爆發(fā)生的基本條件之一，其最大主應(yīng)力一般大于20 MPa。巖爆的發(fā)生對(duì)人員和TBM設(shè)備安全會(huì)造成很大危險(xiǎn)。

2 不良地質(zhì)條件的應(yīng)對(duì)措施

施工中如遇不良地質(zhì)現(xiàn)象，首先進(jìn)行補(bǔ)充地質(zhì)勘探，其次加強(qiáng)TBM設(shè)備管理，針對(duì)不良地質(zhì)現(xiàn)象情況對(duì)TBM進(jìn)行較小投資的改造，并注意TBM的養(yǎng)護(hù)。

2.1 斷層

2.1.1 掘進(jìn)原則

按“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的原則施工。

2.1.2 掘進(jìn)措施

利用地質(zhì)資料、掘進(jìn)參數(shù)和巖渣性狀變化，以及TBM上配備的超前鉆機(jī)和BEAM系統(tǒng)、TSP等技術(shù)手段，做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和準(zhǔn)備好相應(yīng)的支護(hù)手段。

對(duì)于出露護(hù)盾頂側(cè)部位的坍塌或撐靴部位的軟弱破碎或坍塌，可以降低刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速度，采取加密拱架支護(hù)、立模灌注混凝土的技術(shù)措施，使TBM穩(wěn)步向前推進(jìn)。

前方特別軟弱破碎、TBM難以直接掘進(jìn)通過的地段，可以采取超前注漿等超前處理技術(shù)方案，提前對(duì)前方地質(zhì)進(jìn)行處理，然后TBM再掘進(jìn)通過。

對(duì)于軟弱變形大的地段，可以利用TBM上的擴(kuò)挖設(shè)計(jì)，加大洞徑的開挖，并及早進(jìn)行拱架、混凝土的封閉支護(hù)。

當(dāng)掌子面的條件差時(shí)，停止TBM掘進(jìn)，采用固結(jié)灌漿（化學(xué)灌漿）技術(shù)措施加固圍巖和堵水后，再進(jìn)行TBM掘進(jìn)。

若TBM被卡，則加大掘進(jìn)推力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤(rùn)滑劑，減少護(hù)盾與圍巖間的摩擦，勉強(qiáng)通過后立即施作初期支護(hù)系統(tǒng)。若TBM無(wú)法推進(jìn)，則通過護(hù)盾范圍內(nèi)人工擴(kuò)挖后通過。

2.2 軟弱圍巖擠出變形

2.2.1 施工原則

①到達(dá)該地質(zhì)段時(shí)，首先用擴(kuò)挖刀加大開挖直徑，保證TBM有較大的調(diào)整空間。

②采用三低一高一連續(xù)（低轉(zhuǎn)速、低貫入度、低推力；高扭矩；連續(xù)掘進(jìn)）的施工措施，減少該地質(zhì)洞段停留時(shí)間，加快速度盡快通過。

③發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象，必須在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行處理。

④使用配筋量大的重型管片，并進(jìn)行固結(jié)灌漿加固。

2.2.2 脫困施工

①首先加固掌子面，確保TBM能夠正常起動(dòng)。

②利用TBM上配置的超前鉆機(jī)或多功能鉆機(jī)，進(jìn)行管棚或小導(dǎo)管預(yù)注漿處理加固護(hù)盾和掌子面前方圍巖。

③導(dǎo)洞開挖。從兩腰線部位向前、后方開挖；從兩側(cè)底部向前方開挖；從護(hù)盾上方開挖。

④化學(xué)灌漿。可采用水泥-水玻璃灌漿或聚酯類灌漿材料等進(jìn)行灌漿處理。

2.2.3 后期處理

及時(shí)對(duì)脫困段圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿處理，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和TBM施工的安全。

2.3 涌水突泥

在可能發(fā)生涌水、涌泥的洞段，有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工程師跟班判斷再加以超前探測(cè)的方法，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況；按“早探明、預(yù)注漿、快封閉，先探后掘，堵排結(jié)合，節(jié)制排放”的原則進(jìn)行施工。

當(dāng)探測(cè)前方有涌水時(shí)，停止TBM掘進(jìn)，采用固結(jié)灌漿技術(shù)措施加固圍巖堵水后，再進(jìn)行TBM掘進(jìn)。

如遇大水或涌泥，首先封閉刀盤人孔，采取必要措施實(shí)現(xiàn)水和泥的有節(jié)制排出方可堵水，再進(jìn)行TBM掘進(jìn)。

2.4 溶洞

當(dāng)TBM施工通過潛在巖溶發(fā)育洞段時(shí)，以預(yù)防為主，預(yù)測(cè)先行，先預(yù)報(bào)后掘進(jìn)，以保證施工順利進(jìn)行；當(dāng)TBM掘進(jìn)進(jìn)入巖溶發(fā)育地段時(shí)，為了預(yù)防因巖溶造成TBM機(jī)頭下沉的事故，及時(shí)采取巖溶預(yù)報(bào)方法，并利用TBM所配備的超前鉆機(jī)進(jìn)行巖溶超前鉆探孔，預(yù)測(cè)前方巖溶的位置、巖溶水發(fā)育程度及溶洞規(guī)模，超前鉆探的深度應(yīng)大于每日的掘進(jìn)長(zhǎng)度，以確保TBM掘進(jìn)的安全，鉆探安排在每日TBM檢修時(shí)進(jìn)行。

2.4.1 小型溶洞的處理措施

對(duì)于前方預(yù)測(cè)出的一些小型溶洞，如果不影響TBM施工安全，可暫不處理，在TBM掘進(jìn)通過后，必須采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行封堵，然后進(jìn)行灌漿固結(jié)，以利于TBM施工和支護(hù)工作的順利進(jìn)行。

2.4.2 較大溶洞處理措施

TBM在掘進(jìn)過程應(yīng)做好超前預(yù)報(bào)和地質(zhì)描述，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)情況指導(dǎo)生產(chǎn)；巖溶洞段應(yīng)減小TBM掘進(jìn)行程，邊掘邊探。如掌子面前方發(fā)現(xiàn)巖溶洞段，應(yīng)立即停機(jī)；通過超前鉆探或TBM機(jī)頭上的人孔勘察溶洞的情況，準(zhǔn)確掌握溶洞位置、規(guī)模及出水情況。

刀盤前方巖溶采用鉆爆法爆破，TBM原地轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤出渣；側(cè)、底、頂巖溶必須在刀盤前部進(jìn)行處理回填，并形成能夠承載TBM和撐靴支撐力的混凝土結(jié)構(gòu)；頂部溶洞可在TBM經(jīng)過后隨TBM的后期支護(hù)進(jìn)行處理；對(duì)鋼拱架外側(cè)及頂拱溶洞的其它部位進(jìn)行填筑骨料灌漿或填筑混凝土，將溶洞部分都用混凝土填密實(shí)，并且和鋼拱架結(jié)合成整體，起到完整圍巖的作用。

如果TBM側(cè)面在處理后形不成支撐體，需要采用步進(jìn)措施步進(jìn)，并在TBM前方開挖始發(fā)洞室，以利于TBM的再次出發(fā)。

2.5 有害氣體

在隧洞施工過程中要配備專業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，在隧洞內(nèi)監(jiān)測(cè)到有害氣體濃度低于國(guó)家劑量限值時(shí)，應(yīng)縮短隧洞內(nèi)施工人員的單班工作時(shí)間和總工作時(shí)間，保證施工人員年工作時(shí)間不超過1800 h，并且增強(qiáng)通風(fēng)，保持洞內(nèi)通風(fēng)良好；在隧洞內(nèi)監(jiān)測(cè)到有害氣體濃度高于國(guó)家劑量限值時(shí)，應(yīng)停止施工，采取措施盡快形成巷道式通風(fēng)，降低有害氣體濃度到安全標(biāo)準(zhǔn)以下，制定出合理的防護(hù)方案后再進(jìn)行施工。

2.6 巖爆

2.6.1 施工前措施

根據(jù)已有勘測(cè)資料，通過三維有限元分析及隧道開挖工序、工況的模擬，初步確定施工區(qū)域地應(yīng)力的數(shù)量級(jí)和施工中容易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象的洞段，為施工中巖爆的防治提供理論依據(jù)。

2.6.2 施工中措施

施工過程中，進(jìn)行必要的圍巖監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)超前地質(zhì)探測(cè)，預(yù)報(bào)巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小，利用隧道掘進(jìn)前方電監(jiān)測(cè)技術(shù)，實(shí)時(shí)了解掌子面圍巖狀態(tài)。

（1）對(duì)應(yīng)措施

a主要采取噴錨支護(hù)方式，掘進(jìn)過程中進(jìn)行錨桿、鋼筋網(wǎng)施工。針對(duì)圍巖具體特性選擇不同支護(hù)方式（圍巖較差：立即噴射混凝土，圍巖崩塌范圍較大：選擇鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)）。

b對(duì)于可能發(fā)生巖爆洞段和輕微巖爆段保證TBM快速施工是關(guān)鍵。

采取臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)相結(jié)合的方式，臨時(shí)支護(hù)要施工速度快，能夠迅速錨固圍巖；采用納米材料混凝土或鋼纖維、仿纖維混凝土，凝固速度快、強(qiáng)度高能夠快速封閉和加固圍巖；采用柔性防護(hù)網(wǎng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋網(wǎng)，能有效地避免巖爆落石。

若預(yù)測(cè)到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)；TBM掘進(jìn)過程中采用“短進(jìn)尺、緊支護(hù)”，盡可能縮短巖石裸露時(shí)間，減小局部應(yīng)力集中發(fā)生的可能性；在巖爆地段的開挖進(jìn)尺嚴(yán)格控制在2.5m以內(nèi)。

（2）施工防護(hù)措施

給主要的施工設(shè)備增設(shè)臨時(shí)防護(hù)設(shè)施，給施工人員配發(fā)鋼盔、防彈背心等。利用防護(hù)網(wǎng)、尼龍網(wǎng)等防護(hù)物攔擋巖爆飛石。

巖爆非常劇烈時(shí)，應(yīng)在危險(xiǎn)距離范圍以外躲避一段時(shí)間，等待圍巖應(yīng)力釋放，直至巖爆平靜為止。之后，應(yīng)加強(qiáng)巡回撬頂，及時(shí)清除爆裂的危石。

2.6.3 施工監(jiān)測(cè)

施工中加強(qiáng)圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)和洞拱頂下沉監(jiān)測(cè)工作，定量化地預(yù)測(cè)滯后發(fā)生的深部沖擊型巖爆，用于指導(dǎo)開挖和支護(hù)的施工，確保安全。

2.6.4 滯后巖爆

如發(fā)生超前處理不到位，強(qiáng)烈或極強(qiáng)烈?guī)r爆在TBM開挖完成后，在刀盤支撐護(hù)盾側(cè)頂發(fā)生，導(dǎo)致刀盤和刀盤支撐體被卡，發(fā)生卡機(jī)事件。

通過人工撬挖使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，然后通過超前鉆機(jī)對(duì)護(hù)盾頂部、兩側(cè)進(jìn)行探測(cè)。如巖爆規(guī)模和范圍較小，可采用超前自鉆式錨桿超前支護(hù)，隨后人工翹挖松動(dòng)圍巖，然后啟動(dòng)TBM強(qiáng)行通過；如巖爆規(guī)模和范圍較大，可采用超前小導(dǎo)管支護(hù)，然后進(jìn)行水泥灌漿，灌漿完成48h后，開始人工松動(dòng)TBM刀盤和刀盤支撐圍巖，然后啟動(dòng)TBM前進(jìn)，如仍存在類似情況，不可貿(mào)然前進(jìn)，應(yīng)邊支護(hù)邊前進(jìn)，防止TBM處于危險(xiǎn)境地。

2.6.5 巖石初次出露就因巖爆而發(fā)生坍塌

人工撬挖危巖，及時(shí)對(duì)護(hù)盾前方進(jìn)行超前自鉆式錨桿/小導(dǎo)管支護(hù)/超前管棚支護(hù)，并進(jìn)行水泥灌漿。管片襯砌后應(yīng)及時(shí)回填豆礫石，防止巖爆直接沖擊管片引起結(jié)構(gòu)損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

不良地質(zhì)對(duì)TBM的掘進(jìn)影響較大，甚至是災(zāi)難性的，采取針對(duì)性強(qiáng)的施工應(yīng)對(duì)措施，能夠?qū)⒐こ田L(fēng)險(xiǎn)降低到最小，加快項(xiàng)目施工建設(shè)速度，確保工程施工質(zhì)量。