不良地质下TBM隧道掘进技术

不良地质下TBM隧道掘进技术

颜学东

中铁隧道股份有限公司  450000

摘要：TBM在应用中具备挖掘、支护、出渣等功能，在实际的施工中可以达到连续作业的目的，因此在隧道施工中可以实现一次成洞的效果，具有高效、高质、环保等优点。而在隧道施工中，若是遇到不良地质条件，则需要严格的按照规定要求来制定相应的TBM施工技术方案，以此来对TBM施工技术进行合理的运用，这样可以保证TBM更加安全、稳定地进行掘进施工，从而提高工程的实际施工效益。

关键词：不良地质；TBM隧道掘进技术

1 引言

随着我国基础设施建设的不断推进，隧道工程在交通、水利、地下能源等领域发挥着越来越重要的作用。然而，不良地质条件下隧道的建设和掘进面临着诸多难题，如围岩稳定性问题、涌水涌泥、地层变形等。TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）作为一种高效、安全的隧道掘进设备，在我国得到了广泛的应用。本文以某隧道工程为背景，探讨了不良地质下TBM隧道掘进技术的应用及应对措施，以期为类似工程提供借鉴。

2 TBM施工技术在不良地质段施工中的优点

2.1 TBM施工技术快速的优点

TBM施工技术是集聚多种先进设备和技术于一身的隧道施工技术，TBM施工技术中包括机器、传感、液压、电压、信息技术等许多的综合性科学技术。因为这些技术合在一起，在当今的隧道建设中具有了持续掘进的作用，这项技术能够一起完成破岩、出碴、支护等施工过程，实现了工厂化的施工，恰好是因为这些因素，就很大程度上地提高了TBM施工技术在不良地质段中施工效率。

2.2 TBM施工技术优质的优点

TBM施工技术可以使整个隧道在施工过程中永保优质性，它采用的是滚刀进行破岩合打洞，这种做法不仅远离了危险而传统的爆破作业，同时也不会造成因为爆破的影响而使洞周围岩石晃动，而且还会使得整个洞壁光滑完整。

2.3 TBM施工技术具有高效的优点

TBM施工技术因为具有快速的优点，这样就很大程度上节约了施工时间，就更快的缩短了工期，因此大大提升了工作的效率；TBM施工技术也节约了很多爆破的费用，因为其没有采用比较传统的爆破方式；TBM施工技术由于劳动力的投入减少了从而使工作效率也提高了。

2.4 TBM施工技术具有安全的优点

采用TBM施工技术的整个施工过程都是安全的，因为采用TBM不仅使工作人员的洞内条件改善了，而且还使劳动力的投入减少了。由于没有采取传统的爆破方法，很大程度上减少了工作人员的伤亡人数。

2.5 TBM施工技术具有环保的优点

TBM施工技术在施工的过程中降低了炸药的使用率，进而使爆破过程中产生的污染物减少了，这样就减少了施工现场的环境污染指数，生态环境得到了很好的保护；在施工过程中采用的双护盾TBM施工技术，采取这个技术就很大程度上使隧道里面的水土流失减少了。TBM技术的应用有利于环境的保护。

2.6 TBM施工技术的自动化和信息化程度高

在TBM施工的技术中，使用了计算机的控制、激光向导、测量、传感器等一些高科技的工具，在TBM技术里包括机、电、传感、液压等许多东西的综合性技术，这样就使得TBM施工技术的自动化和信息化程度较高的优点突显出来。TBM施工技术具有施工数据管理的功能、采集功能以及数据远传的功能，促进了现在信息化施工。

3 TBM通过不良地质段的主要技术措施

3.1软岩或不稳定围岩的处理措施

如遇到泥质粉砂岩、泥岩等类地层，由于该类地层以泥质胶结为主且胶结程度差，存在遇水崩解或膨胀的现象，当掘进时，有可能将掘进机紧紧抱住，出现卡机现象。在该地层掘进应选择快速通过，相对于护盾型（双护盾机、单护盾）TBM而言，应根据地质预报明确掘进机所处地层应力变形模量（单位时间内洞型变化量）。在预知工程所处地质存在塑性变形洞段，在TBM设计时应考虑刀盘开挖直径与各盾体直径预留倒阶梯型变化余量，并从分考虑在TBM快速通过时，岩石的塑性变化到最大，时间与盾体长度之间的关系。相对于开敞式TBM而言，由于盾体的特殊，其盾体为浮动直径可变化形式，再加盾体较短卡机/压机几率极小。发生卡机多为大块岩石跌落对刀盘的卡死现象，此类卡机一般比较容易处理。

3.2软弱破碎和断层破碎施工的支护

（1）充分利用TBM主机前部装备的超前钻机进行超前作业。对刀盘前15m左右的地层进行超前小导管流浆处理或打超前锚杆、或施做管棚。通过采取超前导管注浆等措施在刀盘前面及护盾上方围岩，提高围岩自稳能力，有效控制围岩出刀盘护盾前的变形，保证施工安全。

（2）充分利用TBM主机前部的2台锚杆钻机，在掘进作业同时，进行锚杆作业。可完成3000以上范围的锚杆作业，围岩出护盾后及时进行锚杆施作。

（3）利用掘进机上配备的喷射混凝土装置，在连接桥上用混凝土喷射机械手进行喷射混凝土；此外，在刀盘后平台上，采用应急混凝土喷射装置，及时进行人工初喷混凝土。

（4）利用掘进机紧靠刀盘后的钢拱架安装器，紧跟刀盘后部进行岩石支护。钢拱架分成若干段并由安装器迅速拼装，其间距可视现场围岩条件而定。当掘进破碎围岩时，缩短掘进行程，采用钢拱架加大支护密度，以提高支护能力。

3.3涌水地段施工

TBM在掘进过程中遇到与河流、沟谷相通的断层破碎带，或者通过长期、短期超前地质预报得知掌子面前方临近富水带，此时，采用超前钻孔探明隧道前方地下水及工程地质情况。根据探测钻孔出水量、水压，确定涌水点桩号位置，并依据探测孔出水量、水压的变化采取相应措施处理涌水。

对于涌水量较大，并且探测孔在放水过程中水压、水量不减，预计开挖后会造成围岩坍塌时，TBM停止掘进，除进行必要的排水外，还采取了超前预注浆进行处理。超前注浆阻水主要作用是封堵裂隙，隔离水源，阻塞水点，减少洞内涌水量。阻水注浆前，应保证刀盘前有至少5m的不透水层作为止浆盘，灌注水泥浆液堵水防渗。

实践证明采用双液灌浆方法，对导水孔及局部渗水处进行灌浆处理，使出水部位的涌水均得到有效封堵。灌浆结束后，已经没有明显漏水点，远远低于1m范围内漏水总量不大于0.3L/s的设计要求。隧道洞壁集中性管道型涌水、线状涌水点基本消除，总涌水量大幅度减少。

3.4岩爆段施工

经验总结，发生岩爆一般都在24h之内。存在岩爆的区域无水，而且岩石节理不发育，地应力较大。

在TBM掘进过后，紧接护盾露出岩面及时洒水降温、岩层及时吸水、能够缓解地应力。及时支护钢拱架利用锚杆钻机打孔，并用锚杆加固岩层（锚杆最好利用水涨锚杆）锚杆间距按1～1.2m布置，同时加钢筋网的防止岩石弹落伤害人员和设备。在中等岩爆地段，为防止岩石碎块弹射和提高结构整体支护作用，可在锚杆钢筋网、槽钢拱架支护基础上，人工喷射混凝土约5cm厚，基本上可以控制岩爆的发展。

为了预防岩爆的发生，要先进行超前地质预测、预报；在隧道顶部区域30°范围内打孔，打孔深度控制在0.5～1m，孔密度应在0.5m×0.5m在掌子面上喷洒高压水，在围岩和拱线上打注水孔，降低岩石的强度及弹性模量，加快围岩应力释放；对开挖的洞壁及时加固，并在掌子面前上方进行超前锚固等。

4 结束语

在不良地质条件下隧道中使用TBM有其特殊的优缺点，在解决主要岩石力学问题的基础上，改进TBM施工可以发挥其优势且能满足工程需要，同时也满足了解决不良地质条件下隧道开挖与支护诸多难题的技术需求，TBM开挖技术将是不良地质条件下隧道施工的首选和重要发展方向。

参考文献

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[3]刘晓瑞.小导洞迂回反向支护在TBM卡机脱困中的应用[J].人民黄河, 2020, 42(2): 109.