TBM在隧道不良地質條件下的施工技術探討

劉利斌

(中鐵十九局集團 第二工程有限公司，遼寧 遼陽111000)

1 工程概況

1.1 工程概況

某隧道建設工程左側隧道長8.7km，右側隧道長8.4km。為上、下分離式雙洞，圍巖主要為Ⅱ-V級。

主要設計標準：

（1）道路等級：雙向四車道高速公路；

（2）設計速度：80km/h：

（3）行車道寬度：2×3.75m(單洞)；

隧道建筑界限：行車道寬度為2×3.75m，左側向寬度為0.5m，右側向寬度為0.75m，兩側設檢修道寬0.75m米，凈高5m。

人行橫洞建筑界限：凈寬2m，凈高2.5m。

車行橫洞建筑界限：凈寬4.5m，凈高5.0m。

（4）路面設計荷載：公路I級。

1.2 工程地質情況

隧道經過的地區是某山脈的北延部分，穿越的山峰海拔在150-200m之間，無區域性大斷裂通過，區域構造相對穩定，但局部地應力較大。根據勘察，已發現5條斷層、1個大向斜構造、1座山峰和1條河流谷地。洞室Ⅱ、Ⅲ類圍巖占洞線總長度的88.5%，IV、V類圍巖僅占11.5%。圍巖以中硬巖為主，飽和抗壓強度一般為15-40MPa。

2 TBM在隧道不良地質條件下的施工技術

本隧道工程采用TBM開挖段總體上地質條件較好，但仍然存在少量的破碎松散地帶、涌水等不良地質條件。在地下洞室開挖過程中，在工程地質勘測階段的預測基礎上，結合施工中出現的新情況，采取了有效的工程措施。

2.1 不良地質段施工超前加固

（1）管棚支護：采用2臺超前鉆機鉆孔。選用89×8mm，長6m的鋼管。將鋼管加工成3m/根，鋼管絲口和鉆機鉆頭絲口匹配，每根鋼管套絲長度不小于l0cm，管棚總長視地質情況而定，超前鉆仰角6-8度，孔間距30-40cm。通過管棚施工，為掘進提供較為安全的施工環境，保證刀盤的順利掘進。

（2）超前小導管注漿：采用超前鉆機，通過弧梁可在拱部84度范圍進行鉆孔施工。超前注漿范圍根據圍巖破碎情況及拱部塌落高度確定，由于掘進機刀盤護盾長約5m，沿護盾后緣的導向套以6度仰角在刀盤上部84度區域內鉆高12m深的鉆孔，鉆頭直徑64mm，成孔直徑70mm。

2.2 軟弱破碎圍巖時的施工

（1）本工程TBM采取了平面狀刀盤設計。類似于在軟弱圍巖鉆爆法施工的核心土，具有保持掌子面穩定的作用，這對保證施工安全作用很大。因此，TBM掘進至斷層破碎帶時將充分利用刀盤穩定掌子面的作用，不要輕易后退，TBM一旦后退，機退渣進，會造成更大范圍坍塌。

（2）本工程TBM設計采用了變頻電機驅動。使TBM對圍巖條件有更好的適應性，在軟弱破碎圍巖掘進時，將采用較低的刀盤轉速進行掘進，以減少對圍巖的擾動。

（3）充分利用刀盤的扭矩能力，以防止在軟弱破碎圍巖掘進中刀盤被卡死。

（4）利用TBM設計中刀盤推力和撐靴支撐力的可調性。在軟弱破碎圍巖掘進時，將采用較小的刀盤推力和撐靴支撐，以減少掌子面坍塌和解決洞壁承壓力不足的問題；必要時對撐靴洞壁處采取臨時墊枕木和灌注混凝土等加固措施。

（5）根據巖石的不同破碎程度，利用TBM推進行程的可調性，在軟弱破碎圍巖掘進時，采取每循環1/2或1/4的短行程進行掘進，以維持掌子面巖石的穩定。

2.3 軟弱破碎和斷層破碎施工的支護

（1）充分利用TBM主機前部裝備的超前鉆機進行超前作業。對刀盤前15m左右的地層進行超前小導管流漿處理或打超前錨桿、或施做管棚。通過采取超前導管注漿等措施在刀盤前面及護盾上方圍巖，提高圍巖自穩能力，有效控制圍巖出刀盤護盾前的變形，保證施工安全。

（2）充分利用TBM主機前部的2臺錨桿鉆機，在掘進作業同時，進行錨桿作業。可完成3000以上范圍的錨桿作業，圍巖出護盾后及時進行錨桿施作。

（3）利用掘進機上配備的噴射混凝土裝置，在連接橋上用混凝土噴射機械手進行噴射混凝土；此外，在刀盤后平臺上，采用應急混凝土噴射裝置，及時進行人工初噴混凝土。

（4）利用掘進機緊靠刀盤后的鋼拱架安裝器，緊跟刀盤后部進行巖石支護。鋼拱架分成若干段并由安裝器迅速拼裝，其間距可視現場圍巖條件而定。當掘進破碎圍巖時，縮短掘進行程，采用鋼拱架加大支護密度，以提高支護能力。

2.4 地下水的處理與控制

在TBM隧道開挖施工中，對隧道內滲漏水、地下涌水等采取了必要措施加以控制，控制方法主要采用以排為主，引排、封堵相結合措施。處理突發涌水堅持的原則為：預測先行，預防為主，防微杜漸，確保安全。

2.4.1 滲漏水的處理

1）洞內地下水滲出呈不連續滴水點，采用噴射混凝土直接封堵，為改善噴射效果，增加噴射時的速凝劑含量。

2）洞內地下水沿巖面裂隙緩慢滲出，巖面濕潤，經過長時間匯集成水滴，這些地段可先用高壓風將巖面的滴水吹掉，立即噴射混凝土直接封堵。

3）洞內地下水沿巖面裂隙呈線流或股流時，在出水部位鉆排水孔并插埋塑料軟管將水引入洞底部，采用噴射混凝土對表面進行封堵，噴射作業時，以排水孔為中心由四周向中間噴射。埋管的孔口采用水泥和水玻璃封堵或用浸泡過的藥卷錨固劑封堵或用棉花等封堵。

4）洞室開挖過程中滲水面積較大時，布置一定數量的排水孔，方法同上。

2.4.2 地下涌水的處理

TBM在掘進過程中遇到與河流、溝谷相通的斷層破碎帶，或者通過長期、短期超前地質預報得知掌子面前方臨近富水帶，此時，采用超前鉆孔探明隧道前方地下水及工程地質情況。根據探測鉆孔出水量、水壓，確定涌水點樁號位置，并依據探測孔出水量、水壓的變化采取相應措施處理涌水。

對于涌水量較大，并且探測孔在放水過程中水壓、水量不減，預計開挖后會造成圍巖坍塌時，TBM停止掘進，除進行必要的排水外，還采取了超前預注漿進行處理。超前注漿阻水主要作用是封堵裂隙，隔離水源，阻塞水點，減少洞內涌水量。阻水注漿前，應保證刀盤前有至少5m的不透水層作為止漿盤，灌注水泥漿液堵水防滲。

實踐證明采用雙液灌漿方法，對導水孔及局部滲水處進行灌漿處理，使出水部位的涌水均得到有效封堵。灌漿結束后，已經沒有明顯漏水點，遠遠低于1m范圍內漏水總量不大于0.3L/s的設計要求。隧道洞壁集中性管道型涌水、線狀涌水點基本消除，總涌水量大幅度減少。

3 結語

由于TBM存在自身設備龐大，沒有鉆爆法機動靈活等缺點，因此地質條件對施工效率的影響極大，遇到不良地質條件，往往會導致掘進效率低下、工期拖延，甚至有可能帶來災難性的嚴重后果。因此，TBM在實際結論與展望施工過程中需要研究針對不同的地質情況，如斷層破碎帶、擠壓地層、涌水、巖溶等的施工技術研究。

［1］高攀，鄒翀.比能法在渤海海峽隧道TBM施工中的應用分析[J].中國工程科學，2013（12）.

［2］彭道富，李忠獻.特長隧道TBM掘進施工技術研究[J].巖土工程學報，2003（2）.

［3］唐志強.青島地鐵隧道施工采用TBM工法分析[J].鐵道標準設計，2013（5）.