不良地質(zhì)下TBM隧道掘進(jìn)技術(shù)

楊世童 李 康

（中鐵五局電務(wù)城通公司， 四川 阿壩 410006）

0 引言

綜合隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的出現(xiàn)使得長大隧道或不良地質(zhì)條件下的隧道機(jī)械化施工成為可能，與傳統(tǒng)爆破法相比，TBM技術(shù)集機(jī)械化程度高、施工效果顯著、排渣效率快、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)于一體。國內(nèi)大多數(shù)水工、運(yùn)輸深長隧道和礦山的縱軸直徑比為600～1000或更高，在這種情況下，國際公認(rèn)TBM設(shè)計在施工時間、成本和技術(shù)方面具有明顯優(yōu)勢，這也是TBM施工技術(shù)在世界各地的不良地質(zhì)隧道和長大隧道中得到廣泛應(yīng)用的原因，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，實際建成TBM技術(shù)隧道1000余座，總長4000余公里。因此TBM的設(shè)計和施工必須與工程技術(shù)緊密結(jié)合，并與成本效益相協(xié)調(diào)，以充分發(fā)揮TBM的安全、優(yōu)質(zhì)和快速效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1851年，第一臺巖石掘進(jìn)機(jī)由美國工程師設(shè)計，它具有連續(xù)挖掘隧道功能，但是由于機(jī)器制造工藝不能滿足巖石開采，且TBM的施工速度無法與鉆爆法相比，故該TBM沒有得到重視[1]。

隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計越來越完善，應(yīng)用范圍越來越廣，應(yīng)用數(shù)量越來越多。瑞士Vereina項目隧道掘進(jìn)速度達(dá)到30～40m/d；南非萊索托項目取得了許多突出成就，月進(jìn)度超過1000m[2]。

國內(nèi)外TBM的發(fā)展趨于現(xiàn)代化，設(shè)計的刀盤既要適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，又要保證隧道的效率，由于大型隧道運(yùn)輸?shù)男枰?，大直徑TBM的研制和設(shè)計已成為一種趨勢。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，在不久的將來，將出現(xiàn)無線控制的全自動TBM，TBM未來的發(fā)展趨勢也將逐漸智能化。

1964年，TBM在國內(nèi)用于隧道施工，然而，由于國內(nèi)生產(chǎn)的關(guān)鍵部件不能滿足TBM的技術(shù)要求，并且與類似的外國機(jī)械相差甚遠(yuǎn)，工程界停止使用國內(nèi)機(jī)械，轉(zhuǎn)而選擇了國外市場[3]。

2 不良地質(zhì)段施工關(guān)鍵問題

工程位于都江堰至四姑娘山之間，屬青藏高原與四川盆地過渡的侵蝕構(gòu)造地形齒狀高山地貌，地形陡峻，起伏大。工程下穿8條斷裂帶，上跨漁子溪引水隧洞，下穿國道G350，隧道全長10414.486m，隧道最大埋深約709m，有著地質(zhì)復(fù)雜、地下水豐富等諸多難題。隨著隧道長度和埋深的迅速增加，出現(xiàn)了一些前所未有的特殊地質(zhì)問題，我國目前尚無完善的理論和技術(shù)來進(jìn)行高質(zhì)量、高效、安全的不良地段隧道的施工。

2.1 巖溶、涌水

由于TBM的適應(yīng)性差，施工前地質(zhì)調(diào)查已成為TBM施工的重要參考依據(jù)，但由于不良地質(zhì)隧道施工前地質(zhì)調(diào)查難度大，在施工過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些不可預(yù)見的地質(zhì)災(zāi)害。北上線在施工期間，TBM經(jīng)歷了七次不良地質(zhì)等問題，通常是護(hù)盾尾部加固段的混凝土突然塌落，使得地下水灌入隧道。南部下線的TBM在開挖時遇到了巖溶，改用頂導(dǎo)洞和TBM的混合施工。在危地馬拉Rio Chixoy的水電站修建過程中，TBM因巖溶而被埋在侵蝕洞穴中，使項目無法繼續(xù)進(jìn)行并關(guān)閉了相關(guān)的開挖工作。

2.2 巖爆

不良地質(zhì)條件下TBM施工通過滾刀與巖石擠壓進(jìn)而破巖，開挖使得初始地應(yīng)力釋放，使工作面巖體集中。如果張力超過巖塊的抗拉強(qiáng)度，則會產(chǎn)生裂縫，整個巖石將成為節(jié)理發(fā)育的巖體。從這個角度來看，由于地應(yīng)力高而導(dǎo)致的巖石砌體裂縫的發(fā)展有利于TBM施工，且可以減少刀盤磨損，促進(jìn)隧道開挖，即硬巖開挖中的“良好研磨和良好破碎”現(xiàn)象。同時，巖爆發(fā)生削弱了TBM開挖的能力。如果刀頭前部出現(xiàn)巖爆，除了刀盤受到巖體沖擊造成的損壞外，滾刀在掌子面上的振動壓力會對刀頭結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重?fù)p壞[4]。

2.3 卡機(jī)

深埋隧道常存在高地應(yīng)力，長隧道常穿越軟弱地層，高地應(yīng)力和軟弱圍巖是形成壓力層的充分條件。在實際技術(shù)中，當(dāng)TBM在隧道擠壓層中開挖時，在輕型情況下，很容易由于圍巖的擠壓變形導(dǎo)致TBM卡機(jī)并延遲施工時間，在嚴(yán)重情況下，TBM將受損。

3 不良地質(zhì)段施工應(yīng)對措施

3.1 巖爆段施工措施

隧道TBM段巖爆防控應(yīng)采取探、控、防相結(jié)合，實現(xiàn)連續(xù)防護(hù)。TBM巖爆隧道施工采用以下主要防治措施(見表1）：

表1 鉆爆法巖爆地段支護(hù)參數(shù)表

（1）采取微震監(jiān)測等手段，開展巖爆預(yù)測和監(jiān)控，及早做出方案，以免巖爆發(fā)生并有效降低巖爆等級，減小施工單位的損失，并保證施工安全。TBM設(shè)備配置超前探測、微震監(jiān)測等系統(tǒng)接口，做好超前地質(zhì)預(yù)報及巖爆預(yù)警[5]。

（2）及時打錨桿進(jìn)行支護(hù)，用來提高圍巖強(qiáng)度，同時優(yōu)化圍巖應(yīng)力狀態(tài)，充分利用圍巖自身的承載能力。采用低預(yù)應(yīng)力錨桿、柔性防護(hù)網(wǎng)、鋼筋排、鋼拱架及噴射混凝土的方式，盡快支護(hù)裸露圍巖。

（3）應(yīng)力釋放。針對強(qiáng)烈?guī)r爆段落，根據(jù)監(jiān)測情況，考慮采用超前應(yīng)力釋放孔、超前應(yīng)力解除爆破等應(yīng)力釋放措施。易發(fā)生巖爆段落預(yù)先采用超前鉆機(jī)在掌子面打設(shè)超前應(yīng)力釋放孔或利用設(shè)備上配置的錨桿鉆機(jī)在拱墻處增設(shè)釋能卸壓孔。

注：噴砼采用C30高性能鋼纖維噴混凝土；錨桿采用Φ25低預(yù)應(yīng)力漲殼式中空注漿錨桿。

（4）加強(qiáng)防護(hù)。在TBM主機(jī)和后配套人員作業(yè)部位和主要設(shè)備頂部增加防護(hù)板（棚），加強(qiáng)TBM上人員和設(shè)備的防護(hù)，降低巖爆造成的損失。

（5）加強(qiáng)施工過程中的監(jiān)測，現(xiàn)場檢查圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)，以及下層變化和隧道拱頂收斂情況，可定量預(yù)測和檢測延遲影響，建立的支護(hù)措施是否安全，以支持施工和開挖作業(yè)，并確保安全。

（6）加強(qiáng)監(jiān)控。密切關(guān)注TBM刀盤推力及扭矩等情況，安裝閉路監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控施工情況，及時反饋信息。

（7）對TBM段巖爆部位初支背后松散體進(jìn)行鋼花管注漿加固，如巖爆形成塌腔，塌腔內(nèi)部采用同級混凝土回填。

（8）強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆地段正洞二襯增加配筋，結(jié)合施工監(jiān)測情況優(yōu)化調(diào)整補(bǔ)充施工方法、施工工藝等相關(guān)內(nèi)容。

3.2 涌水段施工措施

通過物探、超前鉆孔等超前地質(zhì)預(yù)報方法判明前方掌子面涌突水流量，當(dāng)隧洞底部條件特殊無法進(jìn)行施工時，必須停止掘進(jìn)，采取超前小導(dǎo)管、管棚支護(hù)、超前注漿封堵處理，其超前注漿和支護(hù)采用TBM自帶的設(shè)備進(jìn)行，必要時增加設(shè)備。待出水量明顯減小具備掘進(jìn)條件時再行掘進(jìn)，超前支護(hù)方案報請監(jiān)理審批后實施。與此同進(jìn)，增加臨時大功率潛水泵和管路，將水抽排至后配套后至少50m區(qū)域。

如果TBM自身設(shè)備進(jìn)行超前加固后，隧道壁的圍巖條件沒有明顯改善，應(yīng)向監(jiān)理報告，要求對施工方案進(jìn)行調(diào)整，倒退刀盤，從護(hù)盾背面打側(cè)洞進(jìn)入掌子面，用于推進(jìn)超前管棚支護(hù)，并且進(jìn)行加固和水鉆孔處理，TBM開挖后，應(yīng)進(jìn)行徑向固結(jié)灌漿處理。

3.3 巖溶段施工措施

巖溶地段施工主要采取封堵、充填、加強(qiáng)支護(hù)等措施。對于拱上方的巖溶洞，根據(jù)巖石的破裂程度，采用錨桿支護(hù)、護(hù)拱、填礫緩沖層等方法，TBM開挖時，調(diào)整開挖參數(shù)，加大推力，降低速度，盡量不要在刀頭前面留下空腔，將切割頭關(guān)閉到頂部，防止巖石的沖擊損壞刀盤[6]。

3.3.1 鋼拱架的架設(shè)

在溶洞段安裝鋼拱架，為保證鋼拱架安裝穩(wěn)定，采用型鋼將兩個拱架焊接牢固，在靴部位置焊接連接鋼筋，鋼拱安裝完成后，向外放置鋼筋網(wǎng)，其中兩層鋼筋網(wǎng)放置在斷裂腔內(nèi)，并用厚鐵板封閉。

3.3.2 混凝土回填封堵

在空腔坍塌時用混凝土填充空腔以修補(bǔ)開口，向下空洞由于深度不確定，采用鋼管在縫洞內(nèi)砌筑，縫洞內(nèi)巖石采用型鋼支護(hù)，縫洞上部回填混凝土。充填后堵住充填孔，預(yù)留下孔，在保證支撐靴安全通過后，通過輸送泵向預(yù)留的注入孔充填孔底。巖溶洞填筑壓實后，應(yīng)清除塌陷洞內(nèi)的鐵板，并在安裝鋼框架的截面上進(jìn)行系統(tǒng)錨固，并保證系統(tǒng)錨固與鋼拱空間的可靠焊接。

3.3.3 灌漿

采取低壓、濃漿和定量措施，輸送機(jī)壓力應(yīng)與注射速度相對應(yīng)，且在短時間內(nèi)壓力不得增加過快。

3.4 防卡應(yīng)對措施

3.4.1 地質(zhì)調(diào)查法

TBM地質(zhì)調(diào)查法同鉆爆法超前地質(zhì)預(yù)報相關(guān)內(nèi)容。但主要在TBM施工掌子面刀盤后方開展地質(zhì)調(diào)查法超前地質(zhì)預(yù)報工作，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果判斷刀盤前方掌子面的相關(guān)地質(zhì)條件。TBM施工段落一般地段地質(zhì)素描10～30m進(jìn)行一次，地質(zhì)條件復(fù)雜、對施工影響較大地段建議控制在5～10m實施一次。

3.4.2 綜合物探法

TBM物探主要采用其搭載的超前地質(zhì)預(yù)報方法進(jìn)行探測，其中彈性波法類超前預(yù)報方法有三維地震、主動震源、破巖震源及HSP等方法；電（磁）法類超前預(yù)報方法有激發(fā)激化法超前預(yù)報方法；但由于各類方法在目前TBM設(shè)備中應(yīng)用相對較少，屬于超前地質(zhì)預(yù)報的新方法，在實際應(yīng)用前或?qū)嵤┻^程中建議可以開展相應(yīng)的試驗工作，根據(jù)試驗結(jié)果結(jié)合相應(yīng)的地質(zhì)條件進(jìn)行選擇性使用。

3.4.3 增大開挖斷面

在圍巖變形大的隧道段，適當(dāng)增大開挖直徑，不僅可以增大圍巖與護(hù)盾之間的間隙，為TBM施工提供更大的空間，也為TBM在圍巖擠入護(hù)盾前提供更多的掘進(jìn)時間，以確保TBM通過。TBM主機(jī)采用大前小后設(shè)計，以便在TBM和圍巖之間形成間隙。在TBM選型設(shè)計中，可充分考慮擴(kuò)大刀頭直徑，在保持盾外殼直徑不變的情況下，增加刀盤輪廓，并擴(kuò)大巖石層和盾構(gòu)之間的間隙。同時，當(dāng)TBM在巖性差的隧道段掘進(jìn)時，將刀頭上的切刃換為較大的刀具，增加挖掘直徑也能達(dá)到上述效果。

4 結(jié)束語

在不良地質(zhì)條件下隧道中使用TBM有其特殊的優(yōu)缺點(diǎn)，在解決主要巖石力學(xué)問題的基礎(chǔ)上，改進(jìn)TBM施工可以發(fā)揮其優(yōu)勢且能滿足工程需要，同時也滿足了解決不良地質(zhì)條件下隧道開挖與支護(hù)諸多難題的技術(shù)需求，TBM開挖技術(shù)將是不良地質(zhì)條件下隧道施工的首選和重要發(fā)展方向。