TBM 掘進(jìn)技術(shù)在軟巖隧洞中的應(yīng)用探討

段正強(qiáng)

廣東水電二局股份有限公司（511340）

1 TBM 技術(shù)與軟巖地質(zhì)概述

TBM 技術(shù)，即全斷面隧洞掘進(jìn)技術(shù)，主要是應(yīng)用機(jī)械壓力原理，對(duì)隧洞巖石進(jìn)行切削、破碎，涉及到機(jī)械化、自動(dòng)化大型地下隧洞掘進(jìn)開挖設(shè)備的應(yīng)用。 該技術(shù)在具體應(yīng)用方面具備較強(qiáng)的復(fù)雜性，對(duì)于軟巖地質(zhì)隧洞施工有著高效、快速、優(yōu)質(zhì)、安全等應(yīng)用特點(diǎn)。 相對(duì)于錨桿支護(hù)等隧洞施工技術(shù)而言，TBM 技術(shù)是一種較為新型的隧洞施工技術(shù)， 其應(yīng)用原理是以TBM 為核心技術(shù)， 采用大型現(xiàn)代化裝載運(yùn)輸機(jī)械作為輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧洞掘進(jìn)、出渣、襯砌、灌漿等施工環(huán)節(jié)的操作，實(shí)現(xiàn)全斷面掘進(jìn)的一次性成型。 TBM 施工技術(shù)還具備施工進(jìn)度有保障、安全水平高、通風(fēng)效果好、襯砌支護(hù)施工量少的優(yōu)勢(shì)。 經(jīng)過多年來的發(fā)展，TBM 掘進(jìn)施工技術(shù)越來越成熟，已成為隧洞工程的主要施工技術(shù)之一[1]。

軟巖地質(zhì)，是指受到特定環(huán)境影響而形成的塑性變形明顯、巖石介質(zhì)復(fù)雜的巖層，主要包括工程軟巖與地質(zhì)軟巖兩種類型。 地質(zhì)軟巖通常為頁巖、泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)礦巖等，具備強(qiáng)度低、黏性大、膠結(jié)性差、松散度高的巖層特點(diǎn)，通常是天然形成的；工程軟巖則是在施工作用下形成的具備塑性變形特性的工程巖體。 在隧洞工程中，軟巖地質(zhì)掘進(jìn)支護(hù)施工具備極大難度，對(duì)于施工安全的要求也比較高。唯有結(jié)合工程實(shí)際，選擇合適的施工技術(shù)，方可確保隧洞施工順利、安全進(jìn)行。

2 隧洞工程案例概述

甘肅省某隧洞工程全長約17.28 km，最大深度超過360 m。 設(shè)計(jì)的開挖圍巖類型主要包括Ⅳ類與Ⅴ類， Ⅳ類圍巖主要集中在隧洞工程的前半部分，主要由白堊系K1hk3巖層構(gòu)成，局部段屬于上第三系N2L3砂巖或者砂礫巖。 隧洞巖質(zhì)總體由軟巖組成，并且裂隙較為發(fā)達(dá)，部分圍巖存在基巖裂隙水，呈滴滲狀態(tài)，在不整合界面附近甚至出現(xiàn)線裝流水現(xiàn)象；V 類圍巖分布在隧洞工程的后半部分，主要由上第三系N2L3及白堊系K1hk4巖層結(jié)構(gòu)組成，泥質(zhì)膠結(jié)性較大，巖性軟弱特征明顯，部分屬于極軟巖質(zhì)，涉水極易膨脹崩解，失水后干縮性特征明顯。

3 TBM 技術(shù)在軟巖隧洞工程施工中的具體應(yīng)用

3.1 地質(zhì)探測

在隧洞施工過程中，含水層、軟巖層等部分極易出現(xiàn)地下水大量涌出現(xiàn)象以及隧洞圍巖冒落等問題，嚴(yán)重影響隧洞工程的順利安全施工。 對(duì)此，必須認(rèn)真做好施工前的地質(zhì)探測工作，這也是軟巖隧洞施工的重要前提。首先，詳細(xì)的地質(zhì)、水文情況調(diào)查，可以為施工提供準(zhǔn)確的巖質(zhì)數(shù)據(jù)材料；其次，詳細(xì)、全面的地質(zhì)探測能夠有效預(yù)防和避免因施工而導(dǎo)致的巖層失穩(wěn)現(xiàn)象，從而避免施工中出現(xiàn)地下水冒涌、巷道圍巖冒落等施工安全問題。 在隧洞工程施工過程中，可合理運(yùn)用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)來獲取前方巖石數(shù)據(jù)，進(jìn)而針對(duì)巖層變化情況制訂相應(yīng)的施工措施，提高隧洞工程施工的安全性及施工效率[2]。

3.2 上第三系紅層地段施工

軟弱巖層的泥巖往往含有較多水分， 透水性較差，所以在進(jìn)行落巖施工時(shí)，刀盤、刀具極易被糊，因此在隧洞掘進(jìn)施工過程中應(yīng)合理控制刀盤噴水 （或者是不用刀盤噴水），以減少或降低刀盤和刀具的被糊程度。但是這樣一來，就會(huì)導(dǎo)致隧洞掘進(jìn)時(shí)的粉塵量大幅增加，所以應(yīng)在刀盤出渣口、皮帶機(jī)、皮帶連接處設(shè)置水簾或者霧狀噴水裝置，與除塵風(fēng)機(jī)配合使用，以最大限度地減少粉塵。 根據(jù)施工規(guī)模，可考慮增加2～3 套皮帶刮渣裝置，避免皮帶因被黏土糊住而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，同時(shí)需要加強(qiáng)皮帶出渣口處的渣土清理工作，避免黏土堵住出渣口[3]。 結(jié)合工程施工實(shí)際對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，尤其是TBM 掘進(jìn)主推力、刀盤轉(zhuǎn)速、刀具貫入度、掘進(jìn)速度等關(guān)鍵性參數(shù)，避免出現(xiàn)刀具懸磨、刀盤被糊等問題。 對(duì)于軟巖地質(zhì)隧洞開挖施工，在確保盾體滾動(dòng)與管片滾動(dòng)可控的前提下，應(yīng)盡可能地提高掘進(jìn)推力、適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，以避免刀具過度損耗，進(jìn)而提高隧洞掘進(jìn)效率。 值得注意的是，在冬季施工時(shí)應(yīng)注意做好防寒及渣土運(yùn)輸工作，避免因受凍渣土粘在礦車上而影響正常的施工進(jìn)度。

3.3 上第三系含礫砂巖施工

在這一階段的施工中，需針對(duì)含礫砂巖地質(zhì)情況對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化， 通常需要采用大推力、低刀盤轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行施工，以降低對(duì)周邊圍巖的擾動(dòng)，避免出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。 在此過程中需要對(duì)出渣量進(jìn)行嚴(yán)格控制，避免出現(xiàn)出渣口被堵死的現(xiàn)象，必要時(shí)通過減小刀盤開口率、優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)等方式來提高出渣效率。 為提高隧洞排水效率，應(yīng)在尾盾處加設(shè)排水泵， 確保掘進(jìn)施工能夠均勻進(jìn)行，連續(xù)、快速地對(duì)含礫砂層進(jìn)行挖掘施工。 對(duì)于施工中出現(xiàn)的管片不能回填礫石的現(xiàn)象，應(yīng)采用小導(dǎo)管插入工作孔注漿加固的方式對(duì)管片進(jìn)行固結(jié)穩(wěn)定；對(duì)于管片漏水較為嚴(yán)重的情況，可采用雙液漿灌注的方式進(jìn)行管片漏洞封堵。 還應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)TBM設(shè)備的保養(yǎng)與維修， 避免出現(xiàn)因TBM 設(shè)備停機(jī)時(shí)間過長、 圍巖收斂而抱死TBM 主機(jī)的現(xiàn)象。 若是TBM 異常停機(jī)時(shí)間過長，則應(yīng)派專人觀察、測量盾體與圍巖的間隙，同時(shí)往盾體預(yù)留孔洞中注入油脂或者膨潤土漿液，避免出現(xiàn)TBM 主機(jī)抱死問題。

3.4 不整合接觸面施工

TBM 采用的是反坡施工方式。在對(duì)不整合接觸面進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)做好隧道排水施工。 可結(jié)合工程實(shí)際情況，采用合適規(guī)格的鋼管進(jìn)行排污管路布設(shè)，同時(shí)在TBM 后配套上增設(shè)排水水管卷筒，并且隨著掘進(jìn)而不斷向前延伸。 還要對(duì)后配套增設(shè)污水箱并定期清理沉淀物，避免泥沙堵塞管道。 使用TBM 在豎井工作面施工時(shí)，應(yīng)從豎井處排水，充分利用豎井井架與吊泵間的配合進(jìn)行抽排。

3.5 含水疏松砂巖層支護(hù)施工

隧洞豎井工作面施工中難免會(huì)碰到含水疏松砂巖層，這種巖層的結(jié)構(gòu)較為疏松，缺乏足夠的自穩(wěn)能力，初期的支護(hù)結(jié)構(gòu)承受著大部分周邊圍巖壓力，極易出現(xiàn)變形、坍塌事故。 為了使TBM 可以順利空推通過該層，必須在含水疏松砂巖洞段預(yù)留足夠的變形量空間，并強(qiáng)化支護(hù)措施。 具體而言，應(yīng)在加強(qiáng)施工監(jiān)控的同時(shí)，合理地調(diào)整初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，保障隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定、安全。

3.6 滑行軌道床底部圍巖換填施工

在隧洞開挖后，若是未能及時(shí)安裝底部滑行軌道床，底部圍巖極易出現(xiàn)涌沙問題，阻礙TBM 向前開挖。對(duì)此，需要在底拱66°范圍內(nèi)開挖換填層并采用干硬性混凝土進(jìn)行換填，且換填層需在開挖輪廓線50 cm 以下。 完成換填后即刻封閉底拱，同時(shí)采用混凝土掛網(wǎng)噴射的方式確保底拱不出現(xiàn)涌沙。 完成換填之后， 軌道床的承載力得到有效提升，為TBM 順利滑行通過提供了保障。

4 TBM 技術(shù)通過不良地質(zhì)洞段的方法

4.1 裂隙與斷層發(fā)育洞段

在遇到裂隙與斷層發(fā)育洞段時(shí)，可以將刀頭噴水減小，同時(shí)將TBM 推力以及刀盤轉(zhuǎn)速降低，將單位時(shí)間的出渣量減小；不停機(jī)，短時(shí)間內(nèi)通過，避免機(jī)頭被塌方壓到。 可以將具有較大配筋量的重型管片設(shè)置于此區(qū)域，待TRM 通過后，采取固結(jié)灌漿的方式來處理此部位的圍巖。 如若機(jī)頭被塌方壓到，就要將TBM 尾部管片拆掉， 開挖上導(dǎo)洞實(shí)施噴錨支護(hù)，通過此導(dǎo)洞來固結(jié)灌漿圍巖。 如若情況需要，還可擴(kuò)挖TEM 機(jī)頭部位巖石，讓TEM 得以重新開啟并往前推進(jìn)。

4.2 極軟巖、穩(wěn)定性差圍巖洞段

如若出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象，則務(wù)必要立即進(jìn)行處理，避免損壞TBM。 在施工到該區(qū)域時(shí)，要使用擴(kuò)挖刀將開挖直徑擴(kuò)大，同時(shí)密切觀測施工情況；每進(jìn)2～3個(gè)行程，則可以利用伸縮護(hù)窗口來測量開挖直徑；盡可能降低刀頭噴水，如若發(fā)現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，則需要馬上停止噴水，同時(shí)加速通過。

5 結(jié)語

該工程在使用TBM 掘進(jìn)過程中，遇到了含水疏松砂巖，并且掌子面坍塌較嚴(yán)重，導(dǎo)致掘進(jìn)速度嚴(yán)重受阻。 在對(duì)TBM 實(shí)施前盾延伸改造、封堵部分刮渣口之后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)出渣量和刀盤扭矩的有效控制，隧洞掘進(jìn)工程得以順利進(jìn)行。