TBM通过不良地质段施工技术简要分析

TBM通过不良地质段施工技术简要分析

摘要：简要阐述TBM通过不良地质段的施工技术，结合那邦水电站10km引水隧洞工程，对TBM通过不良地质段的技术措施作以简单介绍，以资其他工程借鉴。

关键词：TBM 不良地质段 快速通过 应对措施

Abstract: Brief description of the TBM by adverse geological construction technology, combined with that state hydropower station 10km diversion tunnel works by adverse geological section of the technical measures provided for other projects draw a brief TBM.

Keywords: TBM, poor geological section, fast by the response measures 1.引言

TBM因其施工功效高、安全等优越性，在近年来的隧道、地铁、较长的水工隧洞等地下工程施工中得到广泛应用。但是，TBM对不良地质条件的适应性，却突显出受地质条件影响较大，甚或出现TBM损坏或难以继续掘进的情况。遇不良地质情况致使TMB停止掘进，在我国的天生桥水电站引水隧洞施工中就曾出现过。

基于TBM的施工特点，在通过不良地质段时，要求必须根据TBM的结构、布局特点进行必要的初期支护，且必须保证初期支护的质量，初期支护应能承受地层的反作用荷载，确保TBM能够快速通过。TBM初期支护具有较大的局限性，不如钻爆法在初期支护方面灵活，施工中应予以充分考虑。云南省那邦水电站10km引水隧洞采用TBM施工，通过不良地质段特别是断层破碎带时，针对实际地质条件，采取了地质预报、局部勘探洞、超前预加固、早期支护等相应的技术措施，成为云南省第一条采用TBM施工贯通的引水隧洞。

2.不良地质条件对TBM施工的制约及影响

TBM施工时，刀具切削岩体会对围岩造成一定程度的扰动，就其影响而言，其对围岩的扰动要比钻爆法施工对围岩的扰动小得多，但是，不良地质条件对正常掘进的制约和影响也非常明显，主要表现为：

a.已开挖工作面、拱顶部位剥落、坍塌，初期支护严重变形、变异，设备刀具被掩埋或掘进旋转受阻；

b.底鼓、边墙坍塌，支撑靴支反力不足，无法提供TBM所需的支反力；

c.围岩强度离散，掘进中刀具易震动，影响刀具寿命、增加正常消耗，施工成本增加；同时，刀具震动可能引起掘进系统的较大震动甚至位移，给掘进方向

控制增加难度；

d.围岩渗水、涌水，由于水压作用掉块、局部坍塌甚至较大规模的塌方，也可能造成设备损坏或者将设备掩埋等。

3.通过不良地质段的必要辅助设备

选用合适的设备，快速、安全通过断层破碎带等不良地质段是至关要的。目前的主要辅助设备有超前钻机、锚杆钻机、环梁安装器等，一般均安装于TBM系统的头部、刀盘支撑体的后面、大梁顶部，必要时及时启用进行初期支护、应急处理。

那邦水电站引水隧洞工程，采用德国海瑞克公司设计制造的全新开敞式S-515型TBM系统，辅助设备主要有超前钻机、锚杆钻机、喷射混凝土机械臂等。

4.通过不良地质段的常规施工程序及处理措施

通过不良地质段时，一般按如下程序施工，结合具体情况采用不同的处理措施。

施工程序

施工程序和措施：

a.TBM施工掘进前控制

基于TBM系统掘进时受不良地质条件约束较为敏感，TBM施工时，超前地质预报尤为重要，以确定拟掘进前方段的围岩的特性、含水情况等。对掘进影响不大时，可先行掘进再跟进支护；若地质条件不允许掘进，则停止掘进，必要时可使用辅助设备或与其他设备配合使用，先行超前支护处理后视超前支护效果确定可否继续掘进。

b. TBM施工掘进过程控制

掘进参数的选取须结合实际的地质条件确定，掘进所需的推力、掘进速度、刀盘转速和扭矩、支撑靴的支撑力应随时调整。通过不良地质段时，适当降低掘进速度、刀盘转速等参数，这样可以有效减少对围岩的扰动，以减少或避免发生

坍塌；同时，也可以根据掘进参数的变化调整，分析围岩的变化情况，以便调整掘进参数或采取相应的措施。

c．TBM施工掘进后控制

及时跟进支护。地质条件差，围岩破碎程度一般时，可直接喷护混凝土、喷钢纤维混凝土或配合锚杆支护；地质条件恶化、严重破碎时，则需设钢拱架同时辅以锚杆支护、钢筋网喷护，甚至于置换、回填混凝土。

4.1超前地质预报与分析

基于地质勘探的局限性,隧洞掘进中往往会遇到一些地质图上没有反映出来的不良情况。为了进一步探明前方不良地质段的确切情况,积极开展工程地质超前预报与分析、预测工作,较为详细掌握不良地质段的情况,从而采取合理的施工措施。

工程常用方法：a.利用TBM上配备的超前钻机造探孔；b.地震地质预报系统TSP;c.平导洞或地质探洞推断；d.出露岩石、渣料情况及掘进异常情况分析。

那邦水电站引水隧洞施工中，地质分析、预测主要根据掌子面出露的岩石、出渣渣料以及掘进时的掘进参数变化等情况进行判断。TBM进入软弱破碎带时，胶带运输机渣量与渣粒的变化随围岩类别、岩性、节理发育的不同有所差异，大致情况如下：

a.节理不发育，渣粒呈粉碎片状。

b.节理较发育，渣粒明显增大呈块状，直径一般在10cm左右。

c.节理发育，渣粒明显增大呈块状，直径一般在10cm以上。

经过综合分析，较为准确地判断出前方一定范围内围岩的破碎情况，为掘进前的预处理提供依据，为TBM顺利通过提供了可靠的技术支持。

4.2超前预支护（加固）

结合前方一定范围内的地质情况判断可否掘进，若不适于继续掘进，则应对前方不良地质段进行预处理（加固），或采用其他方法通过。

那邦水电站引水隧洞在掘进中，根据地质预报并结合其他方面的地质信息综合分析，对需预支护的断层破碎带采取了超前固结灌浆、局部长锚杆加固或局部置换回填细石混凝土的预处理方法，保证了预掘进段的围岩满足掘进要求，充分显示了TBM施工时，对不良地质段特别是断层破碎带预支护处理的必要性和积极意义所在。

4.3对剥落、掉块、坍塌的处理

不良地质段的围岩自稳时间一般较短，按照随机支护配合系统支护的原则及时跟进支护，必要时应采取快速应急处理后再做系统支护，保证继续掘进。那邦水电站引水隧洞施工时，采取了如下措施：

a.围岩局部破碎，少量剥落、掉块。在周围安装φ22mm、L=3.0m锚杆，随机挂φ6.5mm（@20cm×20cm）钢筋网，将锚杆头与钢筋网焊接为整体，并及时喷护C20混凝土。

b.拱顶坍塌的处理。开挖后在刀盘护盾处出现部分崩塌或局部掉块，采用加密安装φ22mm、L=3.0m锚杆，挂钢筋网φ6.5mm（@10cm×10cm） ，将锚杆头与钢筋网焊接为整体，再喷护C20混凝土，此过程不影响正常掘进。开挖后在刀盘或刀盘顶护盾处出现较大坍塌，必须停机处理。先对危石进行清除，然后素喷一层混凝土，再设钢拱架，在钢拱架上部焊接φ22mm钢筋作为围囹，围囹钢筋上面焊接1.5mm厚钢板封闭坍塌空腔，后用C25细石混凝土将空腔回填密实。

C.边墙（撑靴）处坍塌，较大范围掉块的处理。边墙处发生较大坍塌，造成一侧撑靴无法支撑时，必须停机处理。采用联合支护方式，先清理危石、松散体及浮渣，然后设钢拱架，在钢拱架与塌腔之间用型钢支撑，并用1.5mm厚钢板将空腔体封闭严实，再用C25混凝土（拌制时按照配合比要求掺加速凝剂）回填。

4.4 TBM在软弱破碎地段撑脚部位的加固

掘进时，撑靴支撑着设备的重量并将推力和刀盘扭矩的反力传给边墙的围岩，当边墙围岩强度足以支撑撑靴压力时，才能正常进行掘进。故对小范围的边墙坍塌，可以锁死部分撑靴，调整掘进参数，减小对围岩的支撑压力，相应减小掘进推力、掘进速度，不用停机而快速通过坍塌地段。

若边墙围岩较弱，可在撑靴处加垫枕木等以增大接触面积，然后通过。当边墙存在较大坍塌或围岩强度不足以承受撑靴压力，上述方法又不凑效时，应先停机，对撑靴部位可进行锚杆(或锚筋桩、钢拱架)、灌浆固结或几种加固方式联合使用进行处理，使其承载力满足撑靴要求时再行掘进。

4.5 TBM在软弱地段下沉处理

掘进中发生设备下沉，应将TBM后退到断层软弱区外，后退前应对开挖面及开挖段进行初期支护，以防坍塌。然后装上枕木垛，用千斤顶对TBM进行姿态校正，之后再浇筑混凝土置换，为使混凝土能承受撑靴的压力，混凝土必须浇筑至起拱点。

4.6断层破碎带涌水的处理

掘进时,突发涌水会给施工带来严重影响,甚至危及人员及设备安全。因此，涌水处理方案，应坚持“预测先行，预防为主，防微杜渐，确保安全”的原则。

涌水处理常用引排和封堵两种措施。掘进前，打超前钻孔，也可结合破碎带探孔，探测钻孔出水量、水压，确定涌水里程。钻超前排水孔进行排水，排水时，观察水压及水量变化，若水压、水量变小，则有序引排；否则，注浆封堵，必要时进行围岩固结灌浆，将涌水堵在围岩内部，避免开挖掘进后造成排水不力、边墙坍塌。遇有高承压水施工时，采取超前灌浆处理。

那邦水电站引水隧洞施工中，对破碎带涌水采用主动引排的方式进行处理，根据出水点的水量情况，钻打排水孔，一般孔深0.5~1.0m深，用软管引排，然后集中有序排水。

5.规模较大区域性断层破碎带的处理

为快速、安全通过规模较大区域性断层破碎带，一般先进行预处理，而后TBM系统通过或直接步进通过。目前惯用方案: a.全断面钻爆法开挖、TBM系统直接穿行通过；b.中导洞钻爆法开挖、TBM扩挖方案。第一种方案，在进行全断面开挖时，需考虑TBM通过对开挖断面的几何尺寸要求。第二种方案，应充分考虑与中导洞相连的侧旁洞洞口处的支护，该处的支护必须满足围岩对支撑靴支反力的要求，否则，在侧旁洞部位扩挖时，刀盘将受到轴向偏心荷载作用，对大轴承和外围刀具的工况均会造成不利影响。当然，无论哪种方案，其初期支护必须满足方案要求，此处不再赘述。

那邦水电站引水隧洞施工中，遇到长约120m的大断层，引水隧洞恰好从中穿过，考虑该段隧洞完全处于断层破碎带中，采取在断层破碎带段全断面开挖、TBM直接穿行通过方案，成功穿越了这一规模较大的断层破碎带。

6.结语

采用TBM进行隧道、地铁、水工引水隧洞施工是一项较为复杂的系统工程，在保证安全、质量的前提下，快速通过不良地质段具有非常重要的现实意义。那邦水电站引水隧洞TBM施工，最高月进尺达553.03m、最高日进尺达42.0m，是云南省第一条采用TBM施工贯通的引水隧洞。笔者认为，采用TBM进行隧道、地铁、水工引水隧洞等地下工程施工，务必做好以下工作：

a.做好超前地质预报，合理充分利用探孔、探洞、导洞、岩渣信息，综合分析、判断，较为准确地预测前方不良地质段的地质状况，采取相应措施，合理施工。

b.充分认识工程所使用的特定TBM系统的掘进、支护特点，结合TBM系统自身特点和地质条件，合理选用掘进参数。

c.自备至少一套适用于特定TBM系统的人工操作喷护系统，便于和TBM

配合或单独使用于不良地质段，便捷快速支护、安全通过。

d.积极组织技术管理人员培训、学习，充分做好技术、物资储备。

参考文献

1. 张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术.中国水利水电出版社，2006.1。

2. 关宝树，赵勇.软弱围岩隧道施工技术.人民交通出版社，2011年8月第一版。

3. 陈馈，洪开荣，吴学松主编.盾构施工技术. 人民交通出版社，2009年5月第一版。

4. 张庆贺主编，朱合华，黄宏伟副主编.地下工程.同济大学出版社，2005年2月第一版。

5. 陈永华. 隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施. 铁科院1992年学术报告会论文集。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。