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TBM施工的影響

1.1 斷層破碎帶

在TBM掘進時圍巖破碎易導(dǎo)致坍塌，造成出渣量和清渣量大幅度增加，對設(shè)備和人員安全造成威脅，增加了大量支護工作量和清渣工作量，嚴重的由于刀盤扭矩或推力不足導(dǎo)致卡機；另外由于撐靴部位坍塌無法支撐，無法為TBM前進提供反力。

1.2 軟弱圍巖擠出變形

圍巖自身強度低，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掘進施工時護盾與圍巖之間的間隙在應(yīng)力作用下收斂變形，當(dāng)TBM掘進速度低于圍巖收斂變形速度會造成卡機；圍巖收斂變形量超過100 mm后會發(fā)生重力坍塌，如刀盤扭矩不足會造成卡機。另外軟弱圍巖在水的作用下惡化會造成涌水突泥。

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，進一步促進了巖體內(nèi)裂隙的擴張，巖溶、裂隙、斷層破碎帶等形成涌水通道或暗河時，會造成淹沒事故，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，嚴重阻礙TBM正常掘進，更有甚者會使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引起爆炸或者導(dǎo)致人員死亡等事故。

1.6 巖爆

據(jù)國內(nèi)外工程經(jīng)驗，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)生對人員和TBM設(shè)備安全會造成很大危險。

2 不良地質(zhì)條件的應(yīng)對措施

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

2.1 斷層

2.1.1 掘進原則

按“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的原則施工。

2.1.2 掘進措施

利用地質(zhì)資料、掘進參數(shù)和巖渣性狀變化，以及TBM上配備的超前鉆機和BEAM系統(tǒng)、TSP等技術(shù)手段，做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，及時調(diào)整掘進參數(shù)和準備好相應(yīng)的支護手段。

對于出露護盾頂側(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)速和掘進速度，采取加密拱架支護、立模灌注混凝土的技術(shù)措施，使TBM穩(wěn)步向前推進。

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

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

當(dāng)掌子面的條件差時，停止TBM掘進，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，再進行TBM掘進。

若TBM被卡，則加大掘進推力并在護盾與圍巖間強行注入潤滑劑，減少護盾與圍巖間的摩擦，勉強通過后立即施作初期支護系統(tǒng)。若TBM無法推進，則通過護盾范圍內(nèi)人工擴挖后通過。

2.2 軟弱圍巖擠出變形

2.2.1 施工原則

①到達該地質(zhì)段時，首先用擴挖刀加大開挖直徑，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）的施工措施，減少該地質(zhì)洞段停留時間，加快速度盡快通過。

③發(fā)生卡機現(xiàn)象，必須在最短時間內(nèi)進行處理。

④使用配筋量大的重型管片，并進行固結(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。

②利用TBM上配置的超前鉆機或多功能鉆機，進行管棚或小導(dǎo)管預(yù)注漿處理加固護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；從護盾上方開挖。

④化學(xué)灌漿?？刹捎盟?水玻璃灌漿或聚酯類灌漿材料等進行灌漿處理。

2.2.3 后期處理

及時對脫困段圍巖進行固結(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)驗的地質(zhì)工程師跟班判斷再加以超前探測的方法，準確預(yù)報前方地質(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”的原則進行施工。

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

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

2.4 溶洞

當(dāng)TBM施工通過潛在巖溶發(fā)育洞段時，以預(yù)防為主，預(yù)測先行，先預(yù)報后掘進，以保證施工順利進行；當(dāng)TBM掘進進入巖溶發(fā)育地段時，為了預(yù)防因巖溶造成TBM機頭下沉的事故，及時采取巖溶預(yù)報方法，并利用TBM所配備的超前鉆機進行巖溶超前鉆探孔，預(yù)測前方巖溶的位置、巖溶水發(fā)育程度及溶洞規(guī)模，超前鉆探的深度應(yīng)大于每日的掘進長度，以確保TBM掘進的安全，鉆探安排在每日TBM檢修時進行。

2.4.1 小型溶洞的處理措施

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

2.4.2 較大溶洞處理措施

TBM在掘進過程應(yīng)做好超前預(yù)報和地質(zhì)描述，根據(jù)地質(zhì)預(yù)報情況指導(dǎo)生產(chǎn)；巖溶洞段應(yīng)減小TBM掘進行程，邊掘邊探。如掌子面前方發(fā)現(xiàn)巖溶洞段，應(yīng)立即停機；通過超前鉆探或TBM機頭上的人孔勘察溶洞的情況，準確掌握溶洞位置、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)動刀盤出渣；側(cè)、底、頂巖溶必須在刀盤前部進行處理回填，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的后期支護進行處理；對鋼拱架外側(cè)及頂拱溶洞的其它部位進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，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，需要采用步進措施步進，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)人員進行現(xiàn)場監(jiān)測，在隧洞內(nèi)監(jiān)測到有害氣體濃度低于國家劑量限值時，應(yīng)縮短隧洞內(nèi)施工人員的單班工作時間和總工作時間，保證施工人員年工作時間不超過1800 h，并且增強通風(fēng)，保持洞內(nèi)通風(fēng)良好；在隧洞內(nèi)監(jiān)測到有害氣體濃度高于國家劑量限值時，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準以下，制定出合理的防護方案后再進行施工。

2.6 巖爆

2.6.1 施工前措施

根據(jù)已有勘測資料，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，進行必要的圍巖監(jiān)測，加強超前地質(zhì)探測，預(yù)報巖爆發(fā)生的可能性及地應(yīng)力的大小，利用隧道掘進前方電監(jiān)測技術(shù)，實時了解掌子面圍巖狀態(tài)。

（1）對應(yīng)措施

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

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

采取臨時支護和永久支護相結(jié)合的方式，臨時支護要施工速度快，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、強度高能夠快速封閉和加固圍巖；采用柔性防護網(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)測到的地應(yīng)力較高，可在超前探孔中進行松動爆破，或向孔內(nèi)壓水，以避免應(yīng)力集中現(xiàn)象的出現(xiàn)；TBM掘進過程中采用“短進尺、緊支護”，盡可能縮短巖石裸露時間，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尺嚴格控制在2.5m以內(nèi)。

（2）施工防護措施

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

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

2.6.3 施工監(jiān)測

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

2.6.4 滯后巖爆

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

通過人工撬挖使刀盤轉(zhuǎn)動，然后通過超前鉆機對護盾頂部、兩側(cè)進行探測。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，隨后人工翹挖松動圍巖，然后啟動TBM強行通過；如巖爆規(guī)模和范圍較大，可采用超前小導(dǎo)管支護，然后進行水泥灌漿，灌漿完成48h后，開始人工松動TBM刀盤和刀盤支撐圍巖，然后啟動TBM前進，如仍存在類似情況，不可貿(mào)然前進，應(yīng)邊支護邊前進，防止TBM處于危險境地。

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，及時對護盾前方進行超前自鉆式錨桿/小導(dǎo)管支護/超前管棚支護，并進行水泥灌漿。管片襯砌后應(yīng)及時回填豆礫石，防止巖爆直接沖擊管片引起結(jié)構(gòu)損壞。

3 結(jié)語

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