TBM法在隧洞工程中不良地段施工要點(diǎn)分析

李榮飛

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆烏魯木齊 830002）

隧洞工程在水利及交通建設(shè)方面有著極為廣泛的應(yīng)用，該類工程具有技術(shù)要求高、施工期長(zhǎng)、投資成本大等特征，因此各國(guó)都在不斷研究更為科學(xué)、快速的隧洞開(kāi)掘技術(shù)。目前，TBM（全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)）集合了挖掘、支護(hù)、探測(cè)等技術(shù)為一體，成為目前隧洞開(kāi)掘工程最高技術(shù)的代表，但在具體施工中有很多技術(shù)要點(diǎn)需要注意。

1 工程概況

SS隧洞為無(wú)壓洞，總長(zhǎng)92.350km，縱坡1/5000，隧洞埋深65～180m，設(shè)計(jì)直徑5.5m。經(jīng)地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)：洞身段Ⅱ類圍巖總長(zhǎng)36.010km，占比38.98%；Ⅲ類圍巖總長(zhǎng)25.050km，占比27.13%；Ⅳ類圍巖總長(zhǎng)6.440km，占比6.98%；Ⅴ類圍巖總長(zhǎng)24.855km，占比26.91%，總體圍巖條件較好。其中Ⅱ標(biāo)段包括主洞（樁號(hào)SD0-520.000—SD21+031.160）和1號(hào)支洞（樁號(hào)0+000—1+059）兩部分，在此主要針對(duì)主洞段TBM施工技術(shù)進(jìn)行分析。

2 鉆爆法與TBM法選擇適應(yīng)性分析

2.1 TBM法應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明

我國(guó)SL303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定符合以下情況比較適合應(yīng)用TBM法：1）圓形斷面，直徑3.0～10.0m，洞長(zhǎng)超過(guò)3.000 km或大于600倍洞涇；2）圍巖類別為Ⅰ～Ⅲ類，巖溶不發(fā)育，斷層破碎帶較少；3）巖石平均抗壓強(qiáng)度小于100MPa；4）地下水涌水量小于30L/s[1]。

2.2 具體施工方法選擇分析

雖然TBM法對(duì)比傳統(tǒng)的鉆爆法在掘進(jìn)速度、開(kāi)挖質(zhì)量、安全及經(jīng)濟(jì)性方面有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但是其應(yīng)用場(chǎng)景限制較多，因此針對(duì)SS隧洞Ⅱ標(biāo)段的具體地質(zhì)情況，采用“鉆爆+TBM”聯(lián)合施工方案，其施工方法設(shè)計(jì)詳見(jiàn)表1。

表1 SS隧洞Ⅱ標(biāo)段工程具體施工方法設(shè)計(jì)表

3 TBM機(jī)選型設(shè)計(jì)分析

3.1 選型

TBM機(jī)按照類型不同，可分為敞開(kāi)式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式，這3種TBM機(jī)特征對(duì)比見(jiàn)表2所示[2]。結(jié)合該項(xiàng)目圍巖條件較好、工程量較小等實(shí)際情況，從成本、工期等方面考慮，確定采用敞開(kāi)式TBM施工。

表2 不同類型TBM機(jī)特征對(duì)比

3.2 單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度L0直接決定了TBM機(jī)所需數(shù)量及施工段設(shè)計(jì)，具體用下式計(jì)算[3]：

式中：I——每轉(zhuǎn)基本掘進(jìn)值，mm；Ks——滾刀直徑修正系數(shù)；Kd——巖石性質(zhì)修正系數(shù)；r——轉(zhuǎn)速，mm/h；t——設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，h；k——安全系數(shù)。

該項(xiàng)目經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)結(jié)果：用2臺(tái)TBM機(jī)，分別掘進(jìn)8645.307和9785.853m可完成任務(wù)。

4 TBM法在不良地段施工要點(diǎn)分析

雖然該工程總體地質(zhì)條件較好，但依然有個(gè)別地段存在破碎松散帶、涌水等不良條件，提前發(fā)現(xiàn)、早做應(yīng)對(duì)才是保證施工順利的關(guān)鍵[4]。下面針對(duì)SS隧洞TBM掘進(jìn)期間所遇到的不良地段施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是前期地質(zhì)勘探的重要補(bǔ)充，可有效判斷發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的確切位置。為保證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，項(xiàng)目采用地震波法（TSP）與超前鉆預(yù)報(bào)相結(jié)合方式。所需要預(yù)報(bào)的內(nèi)容包括巖石性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等。

4.1.1 TSP法應(yīng)用分析

TSP法目前可以較準(zhǔn)確查明工作面前方100.000m范圍內(nèi)較大規(guī)模不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模、含水量，且對(duì)正常施工影響較小，具體原理見(jiàn)圖1：在掌子面附近邊墻位置布設(shè)多處炮眼和接收器，依次對(duì)炮眼微爆，記錄產(chǎn)生的地震波信號(hào)，通過(guò)軟件處理分析后得到不良地質(zhì)體位置[5]。

圖1 TSP系統(tǒng)探測(cè)原理示意圖

1）孔位設(shè)計(jì)

項(xiàng)目在使用TSP技術(shù)時(shí)，共布設(shè)了20個(gè)炮孔，深1.5m，間隔1.5m，下傾角度為10°～15°范圍，一字水平排開(kāi)；接收器孔布置在最外面，距最近炮孔20.0m，深2.0m，孔內(nèi)下傾角度為8°。

2）成果解釋

成果解釋需的重要步驟：數(shù)據(jù)設(shè)置→濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→反射層提取，其中以P波資料為主，結(jié)合橫波資料進(jìn)行共同解釋[6]。在該項(xiàng)目中依據(jù)以下原則解釋正確率較高：反射幅為正，表明為硬巖層，反射幅為負(fù)，表明是軟巖層；S波反射強(qiáng)度大于P波強(qiáng)度，則表明巖層中含水量較大；VP/VS的值突然增大，則表明前方存在松散破碎層；VP值下降，則表明前方圍巖裂隙發(fā)育較多。應(yīng)用TSP技術(shù)預(yù)測(cè)的部分成果：SD4+032.000—SD4+68.000泊松比變大，反射面變多，推斷圍巖裂隙發(fā)育多，強(qiáng)度變低；SD6+124.000—SD6+148.000的VP與VS值均大幅減小，泊松比增大，密度降低，推斷有小型溶洞；SD8+119.000—SD8+155.000泊松比降低，VS增加，會(huì)出現(xiàn)硬巖段。

4.1.2 超前鉆預(yù)報(bào)法應(yīng)用

超前鉆孔深度一般為15.0～25.0m，分為取芯和不取芯兩類，每個(gè)預(yù)報(bào)界面以布置3孔為宜，該方法可較為直觀、準(zhǔn)確地探測(cè)前方圍巖硬度、裂隙、含水量、松散破碎帶等不良地質(zhì)條件，該項(xiàng)目主要通過(guò)巖芯來(lái)分析巖層的RQD（巖石質(zhì)量指標(biāo)）值，計(jì)算公式：[7]。

式中：li——10cm以上巖芯累計(jì)長(zhǎng)度，cm；L——鉆孔長(zhǎng)度，cm。

項(xiàng)目采用“雙層單動(dòng)巖芯管”取芯，鉆頭為φ54mm的NX鉆頭，應(yīng)綜合評(píng)價(jià)巖體完整性，如節(jié)理間距、體積節(jié)理數(shù)、完整性系數(shù)、RQD等多個(gè)參數(shù)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。通過(guò)測(cè)定，其Ⅲ類及以上圍巖占TBM法施工總長(zhǎng)度的80%左右，總體圍巖完整性較好。

表3 巖體完整性評(píng)價(jià)表

4.2 軟弱破碎圍巖段施工要點(diǎn)分析

軟弱破碎圍巖段可能會(huì)發(fā)生坍塌、卡盤等問(wèn)題，這對(duì)掘進(jìn)和支護(hù)都會(huì)帶來(lái)較大影響，同時(shí)也是常見(jiàn)的地質(zhì)問(wèn)題，項(xiàng)目采取以下措施來(lái)保證該類型巖段的順利施工：

1）TBM機(jī)不得輕易后退，應(yīng)充分利用刀盤來(lái)穩(wěn)定掌子面，否則一旦后退可能會(huì)引起更大范圍坍塌。

2）項(xiàng)目采用的TBM機(jī)均為變頻電機(jī)作動(dòng)力源，在軟弱破碎圍巖段時(shí)可通過(guò)低速度、大扭矩來(lái)減少對(duì)圍巖擾動(dòng)，且防止刀盤被卡死，并采用1/2以下短行程掘進(jìn)。

3）充分利用TBM前部的超前鉆機(jī)對(duì)刀盤前方15.0m范圍內(nèi)的破碎帶進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿處理，或者打超前錨桿、管棚，提高圍巖自穩(wěn)能力。并在TBM機(jī)上配噴射混凝土裝置，能夠做到“隨掘隨噴”。

4）小范圍坍塌區(qū)以錨桿為著力點(diǎn)，焊接螺紋鋼抵緊塌腔并固定，然后噴射混凝土；大范圍坍塌區(qū)用鐵板封堵，然后往塌腔內(nèi)灌注速?gòu)?qiáng)混凝土。

4.3 地下水處理措施分析

1）若隧洞內(nèi)呈現(xiàn)不連續(xù)出水點(diǎn)，則采用噴射混凝土法直接封堵即可，注意適當(dāng)多添加速凝劑，必要時(shí)可利用高壓風(fēng)將巖面水滴清理干凈后再噴射。

2）若地下水呈現(xiàn)連續(xù)水流狀態(tài)，則在出水部位鉆排水孔并利用塑料管引水排出，之后采用噴射混凝土封堵，孔口采用水玻璃或錨固藥卷封堵。

3）若出現(xiàn)涌水量較大區(qū)域，且采取了放水措施后依然無(wú)水量、水壓減少現(xiàn)象，則需立即停止TBM作業(yè)，采取超前預(yù)注漿措施對(duì)裂隙封堵。在注漿作業(yè)前，應(yīng)保證刀盤前的不透水層厚度不小于5.0m，將其作為止?jié){盤。灌漿采用“水泥+水玻璃”雙液漿，注漿方式為分段下行式，止?jié){塞長(zhǎng)度不低于10.0m。項(xiàng)目采用該措施，有效治理了3處涌水點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用效果很好。

5 結(jié)語(yǔ)

TBM法掘進(jìn)隧洞是目前最為先進(jìn)、現(xiàn)代化的施工手段，SS隧洞Ⅱ標(biāo)段工程在結(jié)合“鉆爆法和TBM法”后，在規(guī)定工期內(nèi)順利完成了掘進(jìn)作業(yè)，掘進(jìn)期間遇到的地質(zhì)問(wèn)題也得到了妥善解決。但同時(shí)應(yīng)認(rèn)識(shí)到TBM法對(duì)地質(zhì)勘探、應(yīng)急處理等工作要求很高，必須要在各項(xiàng)資料和施工隊(duì)伍完善的情況下才能充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，否則會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此必須要根據(jù)工程情況來(lái)量身定制掘進(jìn)方案，避免盲目追求“高大上”技術(shù)。