長距離小洞徑TBM施工關(guān)鍵問題探討

慕光明 任杰

中國水利水電第六工程局有限公司 遼寧 沈陽 110000

引言

全斷面隧道硬巖掘進(jìn)機(jī)（簡稱TBM）是一種先進(jìn)的隧道施工技術(shù)，特別是地下工程施工技術(shù)。我國隧道項目的快速發(fā)展為該技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的前景，因此TBM施工技術(shù)的應(yīng)用和研究具有重要意義和價值。

1 TBM技術(shù)資料

TBM法是隧道開挖中常用的一種方法，隧道開挖所用的機(jī)械分為盾構(gòu)和隧道挖掘機(jī)（TBM）。由于開挖方法的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，這些區(qū)別變得越來越少，針對不同地質(zhì)條件的復(fù)合型盾構(gòu)及TBM設(shè)備越來越多樣化，現(xiàn)在都被認(rèn)為是隧道掘進(jìn)機(jī)。

與以前使用的傳統(tǒng)爆破方法相比，TBM具有許多優(yōu)點(diǎn)，但同時也存在許多問題，即該技術(shù)比鉆爆法施工技術(shù)更安全。可以通過改善鉆爆法的爆破震動和飛揚(yáng)的粉塵使其滿足環(huán)境保護(hù)要求，減少對開挖地層的擾動。該技術(shù)的問題如下，該設(shè)備相對昂貴，施工造價比鉆爆法方法更昂貴，TBM設(shè)備的最大單件重量和長度較大，進(jìn)場運(yùn)輸也有很大的限制，需滿足交通運(yùn)輸要求，并且開挖直徑相比鉆爆法較為固定[1]。

2 TBM施工的主要問題

較長的地下隧道經(jīng)常面臨諸如高水壓和高地壓，尤其是小洞徑隧洞，面臨通風(fēng)和施工環(huán)境溫度高難題。其中，最突出的三個是：大變形（屏蔽）問題，巖石破裂問題以及由于對正面地質(zhì)的檢測不正確而導(dǎo)致的水流入。目前，國內(nèi)TBM設(shè)備制造和施工技術(shù)發(fā)展迅速，國家推動重大水利工程建設(shè)，涉及多地跨流域或是跨省調(diào)水，需要越來越多的深長隧道，而TBM技術(shù)向高精尖發(fā)展已成為當(dāng)務(wù)之急，下面將具體分析深埋長隧道的問題。

（1）小洞徑長距離隧洞支護(hù)及TBM。盡管出現(xiàn)了更先進(jìn)的TBM技術(shù)，但傳統(tǒng)的爆破技術(shù)仍然是實際操作的核心。為適應(yīng)獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境結(jié)構(gòu)，TBM長距離小洞徑施工隧洞的進(jìn)出口洞段仍采用鉆爆法。總之，TBM技術(shù)對隧道進(jìn)出口洞段開挖的適應(yīng)性差，直接掘進(jìn)進(jìn)洞較少，我國傳統(tǒng)的連續(xù)爆破方法可以有效地減少這一問題。

對于小洞徑長距離的支護(hù)，目前主要采用聯(lián)合支護(hù)體系。根據(jù)地質(zhì)層的柔軟性和硬度，支撐方法也不同。但是，這些組合也難以滿足諸如噴砂和應(yīng)力倒塌等控制要求。

TBM技術(shù)通常用于硬巖長距離隧道中，并且上面介紹的技術(shù)還允許將碎石和刨花留下的碎石和礦渣運(yùn)出隧道。在正常情況下，將根據(jù)實際運(yùn)行經(jīng)驗進(jìn)行選擇。例如，如果隧道的整體長度與半徑的比例過大時，我們將考慮采用先進(jìn)的TBM技術(shù)進(jìn)行施工。我們研究了在TBM中使用分段支撐的方法，該支撐強(qiáng)度高并且可以滿足各種控制要求。

（2）巖爆。當(dāng)深部隧道周圍的巖石層經(jīng)歷塑性和彈性變形并且易碎時，也會產(chǎn)生許多危險因素，例如，大變形巖石破裂是隧道開挖中的常見災(zāi)害，所有隧道都具有最大強(qiáng)度值，當(dāng)壓力超過隧道強(qiáng)度值時會發(fā)生這些災(zāi)害。近年來，巖石破裂的發(fā)生率一直在增加，例如，在秦嶺隧道開挖期間，巖石破裂經(jīng)常發(fā)生[2]。

（3）高級地質(zhì)預(yù)報檢測問題。考慮到前文中提到的TBM的隱患和問題，將重點(diǎn)介紹適應(yīng)性問題。關(guān)于這個適應(yīng)性問題，我們必須談?wù)摳呒壍刭|(zhì)預(yù)測和探測問題。實際上，由于許多變化的因素，幾乎不可能創(chuàng)建更嚴(yán)格和可靠的預(yù)測報告，這些因素包括斷層，高地應(yīng)力和噴水。隧道高級地質(zhì)勘探常用的方法是探地雷達(dá)、TST和CFC綜合物探。前者用于傳統(tǒng)爆破模式，后者主要用于探測TBM掘進(jìn)刀盤前方100m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。

（4）卡盾。除了巖石破裂以外，在TBM施工期間經(jīng)常遇到的另一個問題是卡盾。深埋的長隧道面臨著高地應(yīng)力問題，這些力量將在項目開始后改變分布。地下隧道的開挖過程中還存在一些問題，例如，由于工作面后面的變形，使施工面沉降并且工作面與工作面之間的距離發(fā)生了變形。根據(jù)多年的隧道開挖經(jīng)驗，需在TBM設(shè)計制造階段就重點(diǎn)設(shè)計卡盾后的脫困能力。

3 TBM施工的關(guān)鍵技術(shù)

（1）軟巖。顧名思義，軟巖很容易在外力和壓力作用下變形，當(dāng)實際變化量超過預(yù)期變化量時，防護(hù)罩會與周圍的巖石接觸并相互施加作用力。在隧穿過程中最容易形成摩擦。如果無法避免和減小該外力，則可能會對挖掘機(jī)造成巨大損壞。對于地質(zhì)情況稍差的隧洞，多采用雙護(hù)盾TBM加管片支護(hù)模式[3]。

（2）硬巖。如上所述，隧道對承載能力有一定的限制，當(dāng)應(yīng)力超過此水平時，巖石的斷裂特性會從脆性過渡到可塑性。

長距離小洞徑進(jìn)出口隧道現(xiàn)場施工中遇到的其他問題是傳統(tǒng)隧道進(jìn)出口回填中常見的解決方法。土方開挖技術(shù)逐漸成熟。我們正在尋找解決一些問題的通用方法，繼續(xù)學(xué)習(xí)補(bǔ)充和更先進(jìn)的技術(shù)，將我國傳統(tǒng)爆破技術(shù)與各種TBM技術(shù)相結(jié)合，針對中國獨(dú)特的地質(zhì)環(huán)境和結(jié)構(gòu)，采用不同的設(shè)計方法進(jìn)行開挖施工。此外，在隧道進(jìn)出口開挖的兩個過程中，應(yīng)特別注意以下細(xì)節(jié)，包括隧道進(jìn)出口現(xiàn)場施工期間的通風(fēng)問題，隧道通風(fēng)與工人的人身安全和TBM操作的安全有關(guān)，因此應(yīng)特別注意。另外，由于掘進(jìn)機(jī)的高效率，對挖掘速度的要求很高，因此有必要加強(qiáng)運(yùn)輸車輛的運(yùn)行規(guī)章制度，加強(qiáng)調(diào)度系統(tǒng)，建立和完善科學(xué)合理的運(yùn)行系統(tǒng)[4]。

4 結(jié)束語

在我們這個時代，隨著各種技術(shù)和先進(jìn)設(shè)備的不斷發(fā)展，對速度的要求也越來越高。公路建設(shè)關(guān)系到國家和經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，國家公路隧道普遍提速對提高國家公路隧道的整體性和功能實用性具有重要影響。隧道開挖技術(shù)也在不斷發(fā)展，從過去傳統(tǒng)的爆破技術(shù)到昨天的TBM隧道出口技術(shù)，現(xiàn)代人對這一技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展更加感到驚訝。與國外較為先進(jìn)的技術(shù)相比，該技術(shù)的應(yīng)用為長隧道的人工開挖節(jié)省了大量的勞動力，提高了效率。