謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

硬巖隧洞采用TBM施工的難點(diǎn)及處理辦法

謝天智

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊830000）

隨著隧道工程施工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，TBM掘進(jìn)方式成為隧洞開挖中最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，常見于能源、交通、水利等項(xiàng)目的地下施工建設(shè)。由于TBM施工在不同地質(zhì)條件下的適應(yīng)性受到限制，使得隧洞施工更加復(fù)雜。本文通過對(duì)TBM隧洞掘進(jìn)技術(shù)的介紹，著重探討了在工程建設(shè)中遇到的施工難點(diǎn)，提出了針對(duì)性的解決措施，以期為相關(guān)從業(yè)人員提供理論研究依據(jù)，提高隧洞施工質(zhì)量。

隧洞施工；TBM；難點(diǎn)分析

1TBM基本介紹

隧洞掘進(jìn)機(jī)TBM（Tunne1BoringMachine）雖在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)項(xiàng)目的地下施工中得到了廣泛應(yīng)用，但由于地質(zhì)條件的限制，在施工中往往會(huì)遇到突發(fā)性的施工問題，在地質(zhì)條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求越來越嚴(yán)格的現(xiàn)代工程建設(shè)中，TBM施工中的問題不僅會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的工程事故，還會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，從一定程度上阻礙了工程建設(shè)的發(fā)展。因此對(duì)TBM掘進(jìn)技術(shù)在實(shí)際施工應(yīng)用中的問題加以探討和分析已迫在眉睫，針對(duì)施工難點(diǎn)提出可靠的解決措施對(duì)隧洞工程建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

TBM已有一百多年的發(fā)展歷史，在漫長(zhǎng)的技術(shù)演變過程中，TBM施工技術(shù)逐漸穩(wěn)定成熟，在國(guó)內(nèi)外的建設(shè)施工中均得到了廣泛的推廣和應(yīng)用［1］。TBM是一種先進(jìn)的隧洞機(jī)械化施工設(shè)備，設(shè)備整體長(zhǎng)度達(dá)200多米，主要由主機(jī)和后配套設(shè)備構(gòu)成。TBM在隧洞施工中的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)建設(shè)者的夢(mèng)想提供了契機(jī)，使隧洞施工快速走向機(jī)械化和標(biāo)準(zhǔn)化道路，簡(jiǎn)化了施工程序，實(shí)現(xiàn)了流水線作業(yè)，因此它在國(guó)內(nèi)外被稱為“移動(dòng)式掘進(jìn)工廠”。

TBM的不足之處在于對(duì)實(shí)際施工中地質(zhì)條件的適應(yīng)能力不強(qiáng)，投資較大，施工團(tuán)隊(duì)中需要有高水平高素質(zhì)的技術(shù)人員。采用TBM掘進(jìn)技術(shù)已成為隧洞開挖的發(fā)展趨勢(shì)，一般情況下，隧洞長(zhǎng)度在6km以上可優(yōu)先采用TBM掘進(jìn)技術(shù)。

2大埋深隧道

2.1大埋深隧道圍巖結(jié)構(gòu)分析

所謂隧道埋深，是指隧道開挖斷面的頂部到自然地面的垂直間距。隧道埋深超過100m的稱為大埋深隧道，在TBM隧道施工中，由于施工環(huán)境和地殼形變等一系列不確定因素，導(dǎo)致掘進(jìn)工作不能順利進(jìn)行，針對(duì)這一問題，需對(duì)隧道圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

對(duì)于深埋隧道而言，圍巖大多是新鮮巖體或卸荷范圍內(nèi)的弱風(fēng)化巖體，初始應(yīng)力場(chǎng)取決于自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)于硬巖來講，圍巖在開挖卸荷過程中主要表現(xiàn)為巖爆和變形，如果支護(hù)工作中缺乏嚴(yán)格的技術(shù)要求，例如支護(hù)不合理或支護(hù)不及時(shí)，圍巖的漸進(jìn)性能導(dǎo)致開挖斷面增大，還導(dǎo)致施工中大巖塊脫落。對(duì)于巖爆，開挖將使隧道周圍應(yīng)力重新分布，給施工帶來一定的困難，必須在施工中解決巖爆和圍巖變形問題。

2.2大埋深隧道的處理方式

針對(duì)大埋深隧道的施工，近代工程建設(shè)中提出了利用安全高效的雙護(hù)盾TBM施工，人員和設(shè)備在護(hù)盾的保護(hù)下工作，安全性較高，雙護(hù)盾TBM在掘進(jìn)和出渣作業(yè)中，保持較高的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了安全高效施工，對(duì)大埋深隧道有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

對(duì)深埋隧道而言，地質(zhì)圍巖的復(fù)雜特性使得在掘進(jìn)過程中圍巖應(yīng)力較為集中，圍巖巖體會(huì)受到一定程度的破壞。而利用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)，因其圓順的掌子面可以大大降低巖體的損傷，對(duì)圍巖形態(tài)起到了保護(hù)作用，應(yīng)力不易集中，從一定程度上解決了隧道埋深大的施工難題。對(duì)巖爆地段，因TBM刀盤設(shè)置有噴水裝置，利用超前鉆機(jī)鉆孔，在施工過程中噴水濕化，對(duì)掌子面巖石起到很好的軟化作用，使得應(yīng)力提前釋放。同時(shí)通過管片的合理安裝，在礫石回填和水泥漿灌注后，TBM可以快速支護(hù)并順利通過巖爆地帶。

3高原地?zé)釂栴}

高原地?zé)釛l件會(huì)對(duì)隧道施工產(chǎn)生較大的危害，危害作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備健康安全之外，阻礙了生產(chǎn)效率的提高，嚴(yán)重時(shí)不得不停工，機(jī)械設(shè)備工作條件不斷惡化，TBM故障增多，必須在隧洞施工中對(duì)地?zé)釂栴}更加重視。

3.1地?zé)釋?duì)隧道施工的主要影響

隧道施工中，地?zé)釋?duì)施工人員和施工機(jī)械都有較大程度的影響，主要包括以下幾種。

（1）施工人員在長(zhǎng)時(shí)間地?zé)岘h(huán)境中工作，會(huì)出現(xiàn)頭暈、嘔吐等癥狀。

（2）施工機(jī)械工作溫度升高，散熱困難的問題出現(xiàn)，機(jī)械故障率升高，測(cè)量?jī)x器精準(zhǔn)度下降，砂漿錨桿強(qiáng)度降低。

（3）部分圍巖地帶出現(xiàn)潮解，遇水后粉末化，巖面上噴筑的混凝土很難凝結(jié)。

（4）工程中使用的部分工程炸藥膨脹，部分導(dǎo)爆管出現(xiàn)軟化失去彈性。

3.2高地?zé)釂栴}的解決措施

3.2.1降溫措施

可以采用注入冷水的方式降低洞內(nèi)熱量，某些復(fù)雜條件下，在地?zé)崴淼赖氖┕み^程中，需要修建合適的輔助坑道，考慮順坡橫洞，避免延長(zhǎng)施工周期，另外可以借助水泵將冷水抽到洞中，洞內(nèi)熱水進(jìn)行熱交換后排出隧道外，以降低洞內(nèi)熱水溫度。

采用冷水降溫的同時(shí)，必須及時(shí)關(guān)注TBM的運(yùn)行狀況，及時(shí)對(duì)洞內(nèi)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要包括溫度變化、濕度變化，降溫措施應(yīng)與TBM掘進(jìn)同步進(jìn)行，避免地?zé)峤档秃笫┕]有跟上進(jìn)度，造成極大的浪費(fèi)。對(duì)于洞內(nèi)出現(xiàn)的熱水，應(yīng)以堵為主，以排為輔。冷水降溫的同時(shí)可以采用通風(fēng)或隔熱的方式，以改善洞內(nèi)的濕熱條件，在熱害問題不太嚴(yán)重的工程中尤為適用，也最為經(jīng)濟(jì)。

3.2.2支護(hù)措施

針對(duì)地下水較多且洞段集中的區(qū)域可以利用灌漿攔截地下水，若圍巖自穩(wěn)能力差，必須采取有效的支護(hù)措施，保證開挖期間圍巖的穩(wěn)定性不會(huì)受到影響。支護(hù)中一般采用隧道襯砌，施工中隨時(shí)關(guān)注洞內(nèi)溫度，確保TBM的正常運(yùn)行，以施工期和運(yùn)營(yíng)期的綜合要求為基準(zhǔn)選擇襯砌形式。

隧洞穿越斷層，地下含有較高熱量的水噴出導(dǎo)致洞內(nèi)溫度升高。必須在掌子面推進(jìn)時(shí)安排超前勘探，為了避免在開挖過程中出現(xiàn)塌方、涌水等問題，必須根據(jù)掌子面的具體地質(zhì)條件采取合理的防范措施。

4軟巖的大變形問題

軟土圍巖簡(jiǎn)稱軟巖，若此部分產(chǎn)生變形，隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)在收斂過程中將導(dǎo)致混凝土管片發(fā)生不同程度的變形和破損，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致TBM機(jī)械卡死，降低了施工效率。

4.1軟巖大變形的特征

大變形問題一般出現(xiàn)在變質(zhì)巖、破碎斷層、煤系地層等低強(qiáng)度圍巖中，常見的巖石類型有板巖、蛇紋巖、砂頁(yè)巖、千枚巖、泥灰?guī)r等。

變形問題一旦發(fā)生，將以快速、大量的形式進(jìn)行，變形速率達(dá)到10cm/min～5m/min。軟巖地帶的大變形問題有較大的危害，嚴(yán)重阻礙了TBM的正常掘進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象，增加了設(shè)備的故障機(jī)率。

4.2軟巖大變形的形成機(jī)制

隨著軟巖大變形問題的頻頻發(fā)生，此類問題已引起了相關(guān)人士的廣泛關(guān)注，ISRM（國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)）成立了專門的工作小組，對(duì)大變形問題進(jìn)行了研究。從破壞形式和形成機(jī)理方面來劃分，大變形的形成機(jī)制主要分為下列2種。

（1）塑性擠壓大變形，主要是由于開挖后形成的圍巖應(yīng)力在重分布后使強(qiáng)度高于軟巖的自身強(qiáng)度。

（2）巖體體積膨脹大變形，主要是由于礦物與水發(fā)生反應(yīng)后膨脹造成。常見的礦物有高嶺土、綠泥石、蒙脫石、含石膏和芒硝的鹽類礦物。

4.3TBM施工過程中大變形問題的解決辦法

軟巖大變形將給隧道施工帶來嚴(yán)重的危害，必須在施工中引起足夠的重視。TBM在軟巖地層中掘進(jìn)，可以采取如下防治措施。

（1）當(dāng)TBM通過膨脹性圍巖地段時(shí)，必須根據(jù)施工特點(diǎn)做好隧道防水防滲工作，在施工中及時(shí)關(guān)注洞內(nèi)襯砌管片接縫寬度和止水帶的安裝質(zhì)量，避免施工用水滲漏后導(dǎo)致圍巖軟化、坍塌。

（2）對(duì)于大多數(shù)TBM而言，在掘進(jìn)過程中可以適當(dāng)擴(kuò)挖，一般情況下盾殼與開挖面的間隙是6～10cm，考慮到圍巖變形，必須給變形留有足夠的空間，一般將間隙調(diào)整到15～20cm。

（3）針對(duì)護(hù)盾式TBM而言，在解決軟巖大變形的過程中應(yīng)秉持2個(gè)原則。①在掘進(jìn)過程中，控制掘進(jìn)速度，保證快速通過軟巖地帶，避免給易變性區(qū)域造成更大的壓力沖擊；②軟巖地帶極易造成卡機(jī)，針對(duì)此種狀況，應(yīng)合理設(shè)置TBM掘進(jìn)力度，在卡機(jī)洞段采用大推力通過。

5隧道突涌水問題

施工區(qū)域的地下水位線高于隧洞時(shí)，地下水會(huì)以較高的壓力噴出，形成大涌水現(xiàn)象，對(duì)圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成不同程度的影響，惡化圍巖的地質(zhì)條件，降低了TBM的掘進(jìn)效率。隧道掘進(jìn)過程中，必然會(huì)不同程度地對(duì)含水圍巖造成破壞，暴露出部分導(dǎo)水通道，在這種情況下，地下水、地下暗河、地表水、溶洞水等就會(huì)突然涌入，出現(xiàn)涌水突水災(zāi)害。隧道涌水主要是從掌子面結(jié)構(gòu)的空隙中涌出，給施工帶來較大的影響，當(dāng)隧洞開挖突破隔水層，掌子面含水層高壓水涌出埋沒隧洞則稱為突水。若突水或涌水中含有較多的固體物質(zhì)，則稱為突泥災(zāi)害。

5.1突涌水對(duì)隧道施工的影響

縱觀各種隧道施工工程，突涌水在施工中是難以避免的，且突涌水具有水量大、壓力高、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)，嚴(yán)重影響圍巖的穩(wěn)定度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒隧洞，給施工人員和施工設(shè)備的安全帶來極大的威脅。TBM掘進(jìn)過程中，受到突涌水的主要危害概括如下。

（1）在水壓的作用下，隧洞工作面發(fā)生坍塌，TBM刀盤的旋轉(zhuǎn)力矩加大，機(jī)械掘進(jìn)效率降低。

（2）給管片襯砌安裝帶來困難，支護(hù)作業(yè)受到嚴(yán)重影響，可能導(dǎo)致洞壁坍塌，降低撐靴反力，降低TBM的推進(jìn)效率。

（3）大量涌水可能淹沒施工設(shè)備，危及工作人員的安全。

5.2施工過程中的突涌水防治

結(jié)合國(guó)內(nèi)的技術(shù)和施工特點(diǎn)，主要以引排和封堵為主要思路，防治突涌水的主要措施如下。

（1）及時(shí)做好地下水的探測(cè)工作，掘進(jìn)前先探測(cè)出水量、水壓、水位等資料。針對(duì)低水量、低水壓的施工環(huán)境，可在實(shí)行排水預(yù)防措施后繼續(xù)開動(dòng)TBM掘進(jìn)；針對(duì)高水量、高水壓的施工環(huán)境，在施工前必須利用注漿法做好可靠的堵水措施，避免掌子面或洞壁坍塌。

（2）對(duì)于掘進(jìn)過程中的突涌水，可以按照涌水量的大小進(jìn)行分類處理。若涌水量較小，可以借助TBM本身的排水系統(tǒng)將涌水排出后即可掘進(jìn)；若涌水量較大，可以在整體掘進(jìn)系統(tǒng)中加設(shè)排水設(shè)備，增強(qiáng)排水能力，也可以利用注漿法封堵涌水。

（3）掘進(jìn)過程中，及時(shí)排出工作面涌水，結(jié)合施工特點(diǎn)安裝好管片。

（4）針對(duì)熔巖或斷層地帶，TBM掘進(jìn)過程中更需要及時(shí)檢測(cè)涌水量，避免較大程度的涌水事故。

6結(jié)語(yǔ)

TBM在隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在TBM的應(yīng)用中，需要將其與實(shí)際施工環(huán)境和施工特點(diǎn)相結(jié)合，結(jié)合施工中出現(xiàn)的各種難題采取具有針對(duì)性的措施，提高施工質(zhì)量，以推進(jìn)現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)程。

［1］楊維九，趙大洲，邢建營(yíng)，等.尼亞加拉引水發(fā)電洞-世界最大硬巖TBM設(shè)計(jì)施工［J］.南水北調(diào)與水利科技，2010（01）：14.

［2］張寧.TBM施工條件下深埋隧洞圍巖分類研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，14（01）：128.

［3］卜麗華，杜業(yè)彥，杜士斌，等.超長(zhǎng)隧洞TBM單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度的確定［J］.水利建設(shè)與管理，2012，25（03）：25.

［4］吳世勇，王鴿，徐勁松，等.錦屏二級(jí)水電站TBM選型及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013，27（10）：20.

［5］于洋，馮夏庭，陳天宇，等.深埋隧洞不同掘進(jìn)方式下即時(shí)型巖爆分析［J］.東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，35（03）：42.

［6］張勇智.敞開式硬巖隧洞掘進(jìn)機(jī)TBM遭遇不良地質(zhì)條件時(shí)的施工技術(shù)［J］.中國(guó)水利工程.2012，12（02）：46.

［7］王旭，李曉，蘇鵬程，等.預(yù)測(cè)TBM掘進(jìn)速率的難點(diǎn)及對(duì)策研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2012，46（04）：71.

［8］王夢(mèng)恕.TBM在鐵路長(zhǎng)隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術(shù)［J］.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，38（05）：54.

U455.44，TV554+.2

B

1008-1305（2016）03-0108-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.041

2016-04-02

謝天智（1983年—），男，工程師。