TBM在不良巖層掘進(jìn)時(shí)的治理方法和超前預(yù)報(bào)技術(shù)

高松

摘要：在簡要介紹新疆某硬巖隧道水利工程概況的基礎(chǔ)上，闡述了全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的工作機(jī)理及影響因素、巖層地質(zhì)條件存在問題及治理方法、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的種類和技術(shù)、TBM掘進(jìn)施工難點(diǎn)和解決方法，可供從事全斷面硬巖隧道掘進(jìn)工程技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：TBM；不良巖層；治理方法；預(yù)報(bào)技術(shù)

0? ?引言

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的工作效率高、施工質(zhì)量好，安全性能強(qiáng)，在深埋地下超長硬巖隧道工程中得到廣泛使用。雖然TBM有很多優(yōu)點(diǎn)，但是也會由于巖層塌陷、地下水土流失、巖爆等不利影響致使整體施工速度受到影響。在隧道施工的全過程中，為了提高施工水平、優(yōu)化施工進(jìn)度、保證工程質(zhì)量，須針對TBM在隧道工程施工中經(jīng)常遇到的問題，進(jìn)行認(rèn)真研究。

1? ?工程概況

新疆某水利工程為硬巖隧道，隧道主洞總長46.153km，分為采用全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）掘進(jìn)施工洞段和采用鉆爆法開挖洞段。其中TBM掘進(jìn)開挖洞段采用2臺全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）進(jìn)行掘進(jìn)施工。此外，該水利工程還包括1.671km的P3支洞、1.71km的P4支洞、250m的通風(fēng)豎井（內(nèi)徑為3.5m）、P2至P3連接道路及P3進(jìn)場連接道路。

2? ?TBM工作機(jī)理及影響因素

2.1? TBM工作機(jī)理

全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）可分為敞開式隧道掘進(jìn)機(jī)、護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)，而護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)又可分為單護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)和雙護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)。

TBM是利用刀盤的旋轉(zhuǎn)力和推力，使?jié)L刀繞著刀盤的中心轉(zhuǎn)動，對掌面上的巖石進(jìn)行滾壓、切削。當(dāng)滾刀的作用力超過巖石的承受能力時(shí)，巖石就會碎裂形成巖渣。刀盤上的鏟斗齒在刀盤旋轉(zhuǎn)的過程中，收集巖渣落入主機(jī)膠帶機(jī)上向后輸送到洞外。

2.2? 影響TBM掘進(jìn)施工的主要因素

施工技術(shù)不成熟、人員和機(jī)械存在安全隱患、較差的地質(zhì)條件、隧洞的設(shè)計(jì)存在問題等因素，都會影響 TBM的正常掘進(jìn)施工。但是，隧道施工所在的巖層地質(zhì)情況以及TBM合理的設(shè)計(jì)，是影響硬巖掘進(jìn)施工的主要因素。

3? ?巖層地質(zhì)條件存在問題及治理方法

3.1? 地下水涌流及其治理

地下涌水通常分為承壓水和滲漏水2類。這2種地下水的壓力不同，處理方式也不相同。

3.1.1? 承壓水層的治理方法

承壓水層通常出現(xiàn)在地下水涌量較大的圍巖破碎帶和巖層有較大縫隙的部位。利用圍巖有透水性較好這一特點(diǎn)，可以采用導(dǎo)出和圍堵方法對承壓水層進(jìn)行雙重治理。在某些圍巖較易破裂的區(qū)域，可以采用灌漿方法對其縫隙進(jìn)行灌漿，以控制圍巖的穩(wěn)定性，從而達(dá)到控制圍巖變形的目的[1]。

對承壓水的處理方法多種多樣，可根據(jù)超前報(bào)告數(shù)據(jù)對其進(jìn)行可行性研究。如果數(shù)據(jù)表明超前鉆孔方法可行，則可用于解決承壓水層問題，此時(shí)只需要仔細(xì)觀察排水量即可。如果數(shù)據(jù)表明該方法存在安全隱患，這就需要采取全方位注漿封堵圍巖的方法。

3.1.2? 地下水滲漏的治理方法

在TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工時(shí)，要提前判定斷層地下水的水體是否容易封閉、圍巖結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。導(dǎo)入、排出和封堵方法經(jīng)常用來治理滲漏水上反情況，避免滲漏水突破圍巖造成損害。

3.2? ?斷層結(jié)構(gòu)的治理方法

在TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工過程中，會遇到不良斷層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其治理方法如下所述。

3.2.1? ?斷層破碎帶治理方法

斷層處于破碎狀態(tài)，其圍巖結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，需要防止在TBM掘進(jìn)過程中，其周圍的零碎巖石掉落下來。因此在TBM掘進(jìn)之前，應(yīng)該先對圍巖進(jìn)行封閉作業(yè)。在TBM掘進(jìn)過程中，在圍巖無法支撐的情況下，為了防止圍巖掉落，須治理巖體的不可控制性。此時(shí)應(yīng)對拱架進(jìn)行加密，以延長圍巖的使用周期。如果圍巖出現(xiàn)破碎或者有水滲入的情況時(shí)，應(yīng)立即用調(diào)配好的水泥漿或水玻璃對圍巖進(jìn)行加固填補(bǔ)。

3.2.2? ?斷層破碎帶超前治理方法

超前治理又稱為預(yù)先治理。在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，分析和預(yù)測影響掘進(jìn)施工的圍巖的主要斷裂部位及其特點(diǎn)，提出超前治理方法并進(jìn)行治理，以保證圍巖支護(hù)的穩(wěn)定性。

3.3? ?隧道塌方的治理方法

3.3.1? ?縮小隧道塌方范圍

為了縮小隧道塌方范圍，應(yīng)暫停TBM掘進(jìn)施工，重點(diǎn)是對沒有發(fā)生垮塌的部位進(jìn)行加固，并且加快排水的速率；對坍塌較小的部位，可采用TBM的刀盤抵住坍塌部位，防止其擴(kuò)大，并灌注混凝土進(jìn)行加固，使塌方趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如果塌方面積較大，應(yīng)先將圍巖穩(wěn)定，再確定TBM掘進(jìn)的時(shí)間，與此同時(shí)還需要施工人員具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和精湛的施工手段。

3.3.2? ?洞內(nèi)坍塌處理措施

洞內(nèi)發(fā)生坍塌，經(jīng)常采取堵、排結(jié)合的方法。首先，要確定管片是否安裝牢固；其次，用手工和機(jī)械配合，同時(shí)旋轉(zhuǎn)刀盤，根據(jù)礦渣的數(shù)量來判斷塌方的范圍；然后從內(nèi)、外部同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，觀察洞內(nèi)是否發(fā)生滲漏現(xiàn)象和積水，按照規(guī)定時(shí)間將積水排除，防止泥漿與護(hù)盾黏結(jié)在一起。

3.3.3? ?提前預(yù)防坍塌

處理圍巖坍塌最常用的辦法就是采用灌注方式來控制圍巖發(fā)生變形，施工隊(duì)通過提前勘測施工部位，先支護(hù)洞頂，再 TBM掘進(jìn)的方法，以便及時(shí)應(yīng)對發(fā)生意外情況。此外，還需要提前對圍巖和支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析，以確定相對應(yīng)的處理方法[2]。

3.4? ?巖爆的處理方法

巖爆是巖石內(nèi)部變形引起的巖體噴射現(xiàn)象。對不同程度的巖爆，可采取以下處理措施：一是超前處理，預(yù)先將圍巖降溫，以減小巖爆概率；二是加固圍巖，可有效解決該問題。

3.5? ?其他預(yù)防措施

在TBM開始掘進(jìn)施工之前，應(yīng)該對該地區(qū)的施工環(huán)境、地質(zhì)地貌、有無地下水進(jìn)行勘測，對勘測數(shù)據(jù)和具體情況進(jìn)行細(xì)致分析，制定出應(yīng)急預(yù)案，同時(shí)認(rèn)真做好施工前的每一項(xiàng)準(zhǔn)備工作。這樣，當(dāng)遇到問題時(shí)就可以對癥下藥，及時(shí)、有效解決施工中發(fā)生的各種問題，以便縮短掘進(jìn)工期、保證施工質(zhì)量。

4? ?超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的種類和預(yù)報(bào)技術(shù)

4.1? ?預(yù)測預(yù)報(bào)種類

為了做好TBM硬巖隧道工程施工的地質(zhì)災(zāi)害的長期、短期預(yù)測及工程地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，獲得更精確的地質(zhì)資料，確保掘進(jìn)安全快速施工，根據(jù)該項(xiàng)目的地質(zhì)特征，對其進(jìn)行了以下預(yù)測：一是通過與勘察階段的地質(zhì)數(shù)據(jù)對比，對工程地質(zhì)狀況的改變和施工的影響進(jìn)行預(yù)測；二是對富水?dāng)鄬蛹捌扑閹У念A(yù)報(bào)；三是對涌水（涌水點(diǎn)、泥土含量、水量）的預(yù)報(bào)。

根據(jù)該項(xiàng)目在施工前所獲得的地質(zhì)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)采取鉆孔記錄分析法、基于TBM掘進(jìn)參數(shù)和巖渣性狀預(yù)報(bào)法、地震波超前預(yù)測法（TSP和TRT）、隧道地質(zhì)超前實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)法（BEAM），下面將著重介紹這4種預(yù)報(bào)技術(shù)。

4.2? ?鉆孔記錄分析方法

在TBM上安裝超前的鉆孔記錄分析系統(tǒng)（MWD-Measuring While Drilling），通過預(yù)留的護(hù)盾孔，以5°的角度，對著前方30m處的地形進(jìn)行探測。如果發(fā)現(xiàn)巖體有較大的變形趨勢，且在工程前期的勘察設(shè)計(jì)中也顯示出了潛在的不良地質(zhì)，可以采用這種方法進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，從而保證工程施工安全。

MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)配有系統(tǒng)軟件、傳感器和鉆進(jìn)數(shù)據(jù)記錄設(shè)備，可以將鉆孔過程中接收到的壓力、鉆孔速度、轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆桿波動、鉆孔水量、溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)輸出。這些資料會被臨時(shí)儲存在一張記錄卡片中，待鉆井周期結(jié)束后，就可以將其錄入電腦，由系統(tǒng)提供的專業(yè)軟件對其進(jìn)行分析，從而得到鉆井區(qū)域內(nèi)的圍巖狀況[3]。MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)替代鉆孔取芯、孔內(nèi)電視、聲波測試等方法，能夠快速準(zhǔn)確了解前方的圍巖情況，為TBM掘進(jìn)操作提供可靠的參考。MWD鉆孔記錄分析系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

4.3? ?基于TBM掘進(jìn)參數(shù)和巖渣性狀預(yù)報(bào)法

該預(yù)報(bào)方法是投標(biāo)人根據(jù)TBM掘進(jìn)施工的特點(diǎn)，結(jié)合可靠的施工技術(shù)和大量施工經(jīng)驗(yàn)而形成。其原理為：通過對 TBM與巖體的交互作用，以及膠帶機(jī)出渣狀況，對前方工作面的巖體狀況及變化趨勢進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并針對不同的地質(zhì)條件，對TBM工況適時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

TBM的掘進(jìn)施工參數(shù)在操作間的顯示屏上可以直觀地看到，在操作間的監(jiān)視器中，在工作面上可以看到巖層的變化，在膠帶機(jī)的出渣過程中也可以看到。其主要有以下3種預(yù)報(bào)方法：一是TBM掘進(jìn)過程中，存在著較大的推進(jìn)力、較大的貫入度、較大的振動和扭矩變化。此時(shí)巖渣中除了薄片外，還含有各種不同大小的顆粒和少量的渣土，這說明前面巖石較硬，但節(jié)理裂縫較發(fā)育，甚至有崩塌。二是TBM掘進(jìn)過程中，存在著較小的推進(jìn)力，較大的貫入度，較低的振動。此時(shí)巖渣中含有大量的渣土和非片狀小顆粒，這說明前面的巖體是軟弱的。三是TBM掘進(jìn)過程中，存在著較大推進(jìn)力、較小貫入度、較大的振動、扭矩變化幅度小。此時(shí)礦渣呈片狀，這說明工作面前方巖石堅(jiān)硬完整。

4.4? ?地震波超前預(yù)測法

利用地震波超前預(yù)測法（TSP和TRT）進(jìn)行預(yù)測。TSP是長期超前地質(zhì)預(yù)測的重要技術(shù)方法，瑞士安伯格公司研制的TSP-202超前地質(zhì)預(yù)測系統(tǒng)，是目前世界上最先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)裝置，可在前方150m處進(jìn)行預(yù)測。敞開式 TBM主梁的兩側(cè)洞壁暴露，為TSP探測提供了一定的空間。在隧道中，人為地產(chǎn)生一系列有規(guī)律的小震源，小震源的地震波碰到地質(zhì)不良的界面，會形成一種反射波，其延遲時(shí)間、傳播速度、方向、強(qiáng)度、波形等都與巖體的特征和產(chǎn)狀有很大的關(guān)系，并在不同的資料中得到反映。該資料是由裝置所設(shè)定的地震反射波的系統(tǒng)收集而成，并由電腦進(jìn)行存貯，再將資料輸入電腦中，再進(jìn)行精密的運(yùn)算，得到相應(yīng)的界面或巖層的反射能量的相關(guān)圖片，以便于工程師們對其進(jìn)行研究。

4.5? ?BEAM隧道地質(zhì)超前實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)法

隧道超前地質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)法（BEAM）是由德國GEOHYDRAULIC DATA公司發(fā)明的，將BEAM配置在TBM上，掘進(jìn)時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)報(bào)在掘進(jìn)面前方近3倍于隧道直徑距離的地質(zhì)情況，BEAM裝置可安裝在TBM主控室、屏障電極A1（+）（如護(hù)盾）、接地電極B（-）、跟蹤測量電極A0（+）（如刀盤刀具）、電纜等。利用2個(gè)不同頻率的跟蹤測量電流，得出與巖體孔隙度和水量相關(guān)的蓄電量系數(shù)（PFE）和電阻率（R），預(yù)測前方巖層的整體性和含水率[4]。

5? ?TBM掘進(jìn)施工難點(diǎn)和解決方法

5.1? ?掘進(jìn)施工難點(diǎn)

該硬巖隧道工程中，2#TBM掘進(jìn)施工段，有6條10～20m寬的斷層，2條9～10m的次級斷層，0.5～10m的小斷層；3#TBM掘進(jìn)施工段，有8條3～16m寛的斷層，3條11～16m的大斷裂，最大的寬度達(dá)到37m。

2#和3#TBM掘進(jìn)施工段的斷裂和V型圍巖各有103m、105m，所占的比重較低，有利于整體掘進(jìn)，但施工圍巖坍塌、撐靴無法支撐、刀盤被卡住等問題仍是制約掘進(jìn)工程進(jìn)度與安全的重要技術(shù)問題。需要做好TBM穿越斷層破碎帶和軟弱圍巖的施工預(yù)案。

該標(biāo)段TBM施工部分為滲水、滴水、部分為線性流水。其中2#TBM掘進(jìn)、順坡排水，3#TBM掘進(jìn)、逆向排水，綜合坡度為1/2583。2#TBM隧道因坡度較低，自然排水不能順利進(jìn)行，而順坡排水裝置受淹的危險(xiǎn)性較低；3#TBM全靠反坡排水，存在一定的危險(xiǎn)性。另外，由于突涌水會對TBM造成淹沒，在有水洞的情況下，給巖體噴混作業(yè)造成一定困難；在斷裂帶中，軟弱圍巖與突涌水流的疊加，也給TBM掘進(jìn)施工造成一定困難。

5.2? ?解決方法

根據(jù)以上掘進(jìn)施工難點(diǎn)可知，TBM掘進(jìn)施工面對的主要不良地質(zhì)環(huán)境為突涌水和斷層破碎帶軟弱圍巖，但是總體地質(zhì)條件還算是良好的。解決TBM掘進(jìn)施工塌方、側(cè)壁撐靴不能支撐、TBM刀盤被卡住等問題，主要采用連續(xù)封閉鋼筋排支護(hù)技術(shù)、側(cè)壁立模換填灌注混凝土技術(shù)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，必要時(shí)的超前地質(zhì)處理等預(yù)防技術(shù)措施。

6? ?結(jié)束語

綜上所述，本文對全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）的隧道施工進(jìn)行了細(xì)致的研究，重點(diǎn)介紹了 TBM在硬巖地質(zhì)條件較差的情況下如何解決施工進(jìn)度問題。從硬巖隧道建設(shè)的發(fā)展歷程來看，地質(zhì)條件差的問題是不可避免的。因此在硬巖隧道工程施工中應(yīng)該大力推廣TBM技術(shù)，并配以預(yù)測和注漿等最常用和成功的施工方法和預(yù)報(bào)技術(shù)，不僅可以合理分配資源，而且可以節(jié)省投資，達(dá)到縮短工期、保證安全和提高質(zhì)量的目的。

參考文獻(xiàn)

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