王雪峰　周斌（中國電建中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

TBM施工中地質(zhì)條件預(yù)判方法實踐與總結(jié)

王雪峰周斌
（中國電建中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

隧道掘進機（tunnel boring machine）英文縮寫為TBM，可一次性完成隧洞的開挖和支護，開挖速度可以達到傳統(tǒng)鉆爆法的4～8倍。TBM隧洞施工安全、高效，但因其特殊性，地質(zhì)工作與傳統(tǒng)的鉆爆方法有一定的區(qū)別。本文筆者通過在埃塞俄比亞GD-3水電站引水隧洞TBM開挖段的地質(zhì)工作經(jīng)歷，對TBM施工過程中地質(zhì)工作和地質(zhì)條件預(yù)判進行分析總結(jié)。

TBM 地質(zhì)工作 埃塞俄比亞GD-3水電站

TBM其特點為作業(yè)面單一，機電一體化程度高，多工種流水作業(yè)，集機、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體，同時完成破巖、出碴、支護等作業(yè)，具有快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保、自動化、信息化程度高等諸多優(yōu)點。目前在全世界范圍內(nèi)水電工程，城市地鐵工程和煤礦開采等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。由于TBM施工的特殊性，常規(guī)鉆爆法洞室開挖的地質(zhì)工作方法，在TBM施工過程中并不完全適用或略顯不足，這便給傳統(tǒng)的施工地質(zhì)工作提出了新的課題。本文，以埃塞俄比亞GD-3水電工程為例，通過實踐對TBM施工中的地質(zhì)條件預(yù)判方法進行總結(jié)，希望能對TBM這種先進的施工工藝在我國各工程領(lǐng)域的推廣起到積極作用。

1　TBM簡介

1.1TBM基本結(jié)構(gòu)

依據(jù)不同的地質(zhì)條件，對應(yīng)不同的TBM的選型。GD-3水電站位于埃塞俄比亞南部，引水隧洞使用隧道掘進機（TBM）開挖部分長度約為10.4km，直徑為8.1m。洞室通過段圍巖為太古代片巖和晚前寒武系花崗巖地層，其中大部分位于晚前寒武系花崗巖地層內(nèi)，埋深大，巖體新鮮，巖石強度高，且比較完整。本工程采用的是一臺通用雙護盾緊湊型硬巖掘進機，尤其適用硬巖隧道開挖。在結(jié)構(gòu)上，TBM主要分為主機、后配套、駕駛室、起吊和輸送設(shè)備四部分。其中主機是進行掘進的重要組成部分，分為刀盤、盾體（包括前盾、伸縮盾、支撐盾、指型護盾）、刀盤驅(qū)動系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)接頭和推進系統(tǒng)。

1.2TBM工作流程簡介

開挖工作由安裝滾刀的旋轉(zhuǎn)刀盤實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)動力由裝在主軸承后方的電機通過減速機、小齒輪提供，刀盤與主軸承外圈連接。主軸承安裝在刀盤后方，前盾內(nèi)部。刀盤轉(zhuǎn)動時，一組油缸（主推進油缸）提供向前的推力。掘進過程中刀盤轉(zhuǎn)動會產(chǎn)生一個反扭矩作用于TBM，該扭矩通過兩條反扭矩油缸實現(xiàn)平衡，以避免其對盾體產(chǎn)生作用力。其工作流程和步驟如下：

（1）撐靴向外撐出；前盾和支撐盾之間是兩個同軸的重疊在一起的護盾，在整個掘進循環(huán)中保護主推進油缸。外伸縮護盾隨前盾一起移動，內(nèi)伸縮護盾通過6條鉸接油缸和支撐盾相連。通過鉸接油缸，即使在主推進油缸伸出的情況下，內(nèi)伸縮盾也可以收在外伸縮盾內(nèi)以便于轉(zhuǎn)向、維護觀察巖石等。（2）主推進油缸伸出（掘進階段）；主推進油缸達到滿行程時，撐靴縮回。隨后，帶靴板的穩(wěn)定器油缸穿過外伸縮盾伸出并錨固到巖壁上，主推進油缸縮回拉動TBM其余部分（內(nèi)伸縮盾，支撐盾，指形盾）前進。 開挖過程中兩個穩(wěn)定器油缸也可以低壓模式伸出，起到減小震動的作用。（3）前撐靴收回，復(fù)位之后，撐靴油缸伸出，開始新的掘進循環(huán)。

2　TBM隧洞施工地質(zhì)工作實踐

埃塞俄比亞GD-3水電站TBM隧洞自下游向上游掘進。下游約3.4km主要為片巖夾偉晶巖，上游約7km主要花崗巖。前期判斷，洞室圍巖整體堅硬、完整，以Ⅰ～Ⅱ類為主，少量地質(zhì)條件較差，為Ⅲ類圍巖，局部可能存在Ⅳ～Ⅴ類圍巖。本工程TBM從樁號Y12+131開始掘進，開挖過程中揭露的圍巖條件與前期判斷基本一致。

當掘進至樁號約Y10+443時，推進壓力由11300 KN驟降至3800 KN，而貫入度由27 mm/min增加至35 mm/min，同時，主機皮帶上巖渣中巖塊變大，部分可達30cm以上，其中伴隨有墨綠色巖塊，結(jié)構(gòu)面上多呈蠟狀，硬度較低，指甲可刻劃，后經(jīng)檢測，該巖石為微晶輝綠巖。結(jié)合之前所進行超前地質(zhì)預(yù)報資料，判斷掌子面為微晶輝綠巖侵入帶，巖石破碎，結(jié)構(gòu)面膠結(jié)強度低，預(yù)測可能會出現(xiàn)塌方險情。項目部降低了掘進速度，至樁號Y10+441時出現(xiàn)塌方，立即停止掘進，隨后掌子面巖體因自身重力持續(xù)自動垮塌。為不使刀盤與掌子面間空隙造成塌方進一步擴大，TBM需繼續(xù)掘進使刀盤對掌子面形成反作用力。這時的掘進參數(shù)為，推力壓力1200KN，貫入度為30mm/min。

為查明破碎巖體的范圍，以便采取合理的應(yīng)對措施，布置了7個超前勘探孔進行取芯分析，證實微晶輝綠巖呈脈狀產(chǎn)出，破碎帶與巖脈基本吻合。根據(jù)分析結(jié)果，對圍巖進行固結(jié)灌漿，防止松散巖體繼續(xù)塌落，待固結(jié)灌漿完成后，在保證安全的情況下緩慢掘進，同時進行鋼拱架錨噴跟進支護，以保證人員及設(shè)備安全。在空腔位置，鋼拱架的外沿采用鋼板將其鋼拱架焊接連接，后續(xù)作為回填混凝土的模板使用。

3　TBM隧洞施工的地質(zhì)條件預(yù)判方法總結(jié)

TBM施工的洞段，往往洞線長。本工程前期受各方面條件制約，無法針對引水線路布置足夠的勘探工作。為保證TBM施工過程中盡量減小不良地質(zhì)體和復(fù)雜地質(zhì)條件對掘進的影響，及時對前方的地質(zhì)條件進行預(yù)判便成為TBM隧洞施工中地質(zhì)工作的重要課題。本工程通過觀察巖渣、掘進參數(shù)、超前地質(zhì)探孔以及超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)來進行對前方地質(zhì)條件的預(yù)判。

3.1對巖渣的觀察

對巖渣的觀察可以清楚地了解到巖石的組成、強度、蝕變程度等，與區(qū)域地質(zhì)資料相結(jié)合，可以預(yù)判掌子面的地質(zhì)情況，并為施工準備做出指導(dǎo)性建議。

首先，通過對巖渣形狀的觀察，初步推斷圍巖的完整性。一般情況下，巖渣從形態(tài)上分為巖片、巖塊、巖粉。當圍巖較完整且強度較高時，巖渣主要呈均勻片狀產(chǎn)出，稱為巖片，伴有少量巖粉，這時的圍巖類別多為Ⅰ、Ⅱ類；當節(jié)理或其他結(jié)構(gòu)面較發(fā)育時，如巖石強度較高而結(jié)構(gòu)面強度較低時，掘進過程中巖體多沿結(jié)構(gòu)面破壞，巖渣中會出現(xiàn)許多大小不一的巖塊，巖塊上可見2組或以上結(jié)構(gòu)面，這時的圍巖類別可判斷為Ⅲ、Ⅳ類甚至Ⅴ類圍巖，需及時做好支護準備，以防止塌方對人員及機器設(shè)備造成危害；當巖渣中巖粉含量增加時，說明巖石的強度相應(yīng)降低，有蝕變現(xiàn)象，如果巖粉呈泥狀，表明地下水發(fā)育，需要及時做好超前排水工作。

3.2掘進參數(shù)

TBM的掘進參數(shù)可以準確反映出掘進時圍巖的地質(zhì)情況，可以使操作手第一時間判斷出掌子面的圍巖狀況，因此對掘進參數(shù)的分析是TBM施工中地質(zhì)條件預(yù)判的重要手段。最能夠直接反應(yīng)掘進中地質(zhì)條件的參數(shù)有兩個：推進壓力（單位KN）、貫入度（單位mm/ min）。

推進壓力可以反應(yīng)圍巖狀況，隨著圍巖條件而變化。如果圍巖完整性較好，強度高，則推力較大；相反，如果圍巖完整性較差，強度低，則推力較低。貫入度即為刀盤的掘進速度，一般巖石的硬度與強度越高，掘進速度越慢。本工程中，在新鮮完整的中?；◢弾r中的貫入度為8～15mm/min；強度相對較低的片巖中的貫入度為20～40mm/min，當片巖中云母等軟質(zhì)礦物含量較多時，貫入度可達40 mm/mi n以上。

在掘進過程中，當推力和貫入度穩(wěn)定時，表明地質(zhì)條件較穩(wěn)定。當推力和貫入度出現(xiàn)較大變化時，表明掌子面附近地質(zhì)條件出現(xiàn)變化，尤其是當推力突然變小，或貫入度增大時，需要密切關(guān)注其變化，必要時停機采用TST或超前鉆孔查明前方地的地質(zhì)條件，以便采用合適的處理方式。

3.3超前地質(zhì)勘探孔

超前地質(zhì)勘探是通過TBM盾體上預(yù)留孔，用自身攜帶的超前鉆機或者專用的地質(zhì)鉆機進行對圍巖的取樣分析。這是一種最直觀且最準確的地質(zhì)條件預(yù)判方法。但因其操作時間長，對掘進效率影響大，故此方法并不經(jīng)常使用。

3.4超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)

超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)由于其探測范圍大（有效距離可達200m）、檢測時間短（1～1.5h）、根據(jù)圍巖的力學(xué)性質(zhì)對隧洞地質(zhì)條件進行判斷，且對施工的干預(yù)相對較小，逐漸在隧道施工中形成廣泛應(yīng)用。本工程隧道內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報采用TST系統(tǒng)。TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧道散射地震成像技術(shù)的簡稱。地震波由小規(guī)模爆破或電火花產(chǎn)生，并由地震檢波器接收，并能同時獲得掌子面前方圍巖的準確波速和地質(zhì)體的位置圖像。TST利用回波的波速、頻率、振幅等差異來獲知前方圍巖條件。當?shù)卣鸩▊鞑ブ杏龅綆r石強度變化大（如巖性接觸帶、斷層帶、蝕變帶、破碎區(qū)域的出現(xiàn)）的情況時，地震檢波器可以準確的采集回波數(shù)據(jù)，并由計算機進行數(shù)據(jù)處理，形成最終成果供工程技術(shù)人員進行解譯，主要是根據(jù)地震波的變化判斷圍巖條件的變化。

4　結(jié)語

TBM在長隧洞開挖中的應(yīng)用越來越廣泛，而施工地質(zhì)方法也有別于傳統(tǒng)鉆爆法。準確的對隧洞圍巖地質(zhì)條件的預(yù)判是減少施工地質(zhì)災(zāi)害、順利施工的關(guān)鍵。本文通過作者的實踐，對TBM施工地質(zhì)條件預(yù)判的方法進行了淺顯的總結(jié)、分析，旨在拋磚引玉，若有欠缺與不妥之處，敬請指正。

［1］劉文元.深埋長大隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報方法淺析［J］.2005.

［2］張川鎖.TBM施工地質(zhì)工作方法探索［J］.2008.

［3］朱望初.GD-3水電站工程地質(zhì)報告.2012.