不良地質(zhì)段 TBM 施工方案分析

施春生

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

不良地質(zhì)段 TBM 施工方案分析

施春生

（遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166）

在國內(nèi)采用 TBM（隧洞掘進(jìn)機(jī)）施工的長距離隧洞工程為數(shù)不多，文章較為詳盡地闡述了在大伙房水庫輸水工程中,針對(duì)不良地址段采用 TBM 施工方案，取得了良好的效果。

隧洞施工；TBM 施工；不良地址段

1 工程概況

大伙房水庫輸水工程位于遼寧省東部山區(qū)的本溪市桓仁縣內(nèi)，主體工程為長 85.32km、開挖直徑 8.0m 的輸水隧洞及附屬建筑物。TBM2 標(biāo)段為遼寧省大伙房水庫輸水工程疙疤寨～臺(tái)寶段輸水隧洞合同段，全長22464.25m。

2 斷層破碎帶施工

2.1 斷層破碎帶及其處理方法

在通過 F44 斷層帶及 K1xl 與 J3x 地層時(shí)，嚴(yán)格按先預(yù)報(bào)、再超前支護(hù)、后鉆爆開挖通過的原則進(jìn)行施工。對(duì)斷層破碎帶堅(jiān)持“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測、快反饋”的原則，循環(huán)進(jìn)尺控制在 0.5～1.0m。當(dāng)圍巖量測結(jié)果顯示圍巖和支護(hù)變形異常時(shí)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，加強(qiáng)初期支護(hù)并及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)。

2.2 斷層破碎帶的處理

1）當(dāng)斷層規(guī)模不大，滲水量不大的情況下，可采用超前錨桿、超前小鋼管支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿、管棚等超前支護(hù)的方法以及固結(jié)灌漿的方法處理。

2）斷層規(guī)模較大，或有大量涌水的情況下，應(yīng)先進(jìn)行超前灌漿，再結(jié)合超前支護(hù)的方法進(jìn)行處理。

3）根據(jù)位移量測結(jié)果，評(píng)價(jià)支護(hù)的可靠性和圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，確保施工安全。

4）通過斷層地段的各施工工序之間的距離宜盡量縮短，盡快使全斷面支護(hù)封閉，減少巖層暴露、松動(dòng)時(shí)間。

5）斷層地段的支護(hù)寧強(qiáng)勿弱，并加強(qiáng)量測反饋，以保證安全。

2.3 段層破碎帶施工工藝

針對(duì)敞開式掘進(jìn)機(jī)在軟弱圍巖掘進(jìn)的實(shí)際情況，在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，為有效控制不良地質(zhì)對(duì)掘進(jìn)造成的負(fù)面影響，TBM 施工需采用相應(yīng)的輔助施工措施。輔助施工措施的方法是先進(jìn)行超前加固，目的是盡量減少掘進(jìn)過程中的坍剝量和圍巖出護(hù)盾后的收斂量，并通過加強(qiáng)初期支護(hù)等手段有效控制圍巖收斂和變形。

施工過程中應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測前方圍巖的破碎程度后確定相應(yīng)的支護(hù)原則：對(duì)于較破碎（有少量剝落、坍塌）圍巖，應(yīng)慢速掘進(jìn)通過，通過后及時(shí)施作初期支護(hù)；對(duì)于嚴(yán)重破碎（剝落較多，出現(xiàn)坍塌），應(yīng)采用先超前加固，后掘進(jìn)、及時(shí)支護(hù)的措施。

輔助施工主要包括：超前錨桿、超前小鋼管支護(hù)；超前小導(dǎo)管注漿；管棚及自進(jìn)式錨桿注漿等形式。

3 富水段施工

3.1 地質(zhì)預(yù)報(bào)

施工中首先加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，運(yùn)用 TSP202超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)探測、超前紅外線探水等手段，探明前方及洞身周邊可能的突水情況。同時(shí)，及時(shí)與設(shè)計(jì)單位、工程師人員聯(lián)系，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采取注漿封堵、超前加固地層等措施。利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段（地質(zhì)素描、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀、超前紅外線探水儀），進(jìn)一步探明斷層破碎帶特征，調(diào)查地表水流分布及其與地下水的相互關(guān)系，根據(jù)結(jié)果反饋信息，為選擇正確的施工方法、采取特殊的處理措施提供依據(jù)，并指導(dǎo)施工，杜絕事故發(fā)生，保證工程質(zhì)量，使施工順利進(jìn)行。

施工中，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，采用超前鉆孔探明的方法，提前探明是否突水，判明涌水量、分布情況、補(bǔ)給方式、變化規(guī)律，根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)的處理措施。

3.2 處理原則

根據(jù)判明的涌水涌泥性質(zhì)，采取“大堵、小疏、疏堵結(jié)合，以堵為主和地表地下綜合治理”的原則。

4 巖爆段施工

4.1 預(yù)測預(yù)報(bào)

采用地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度進(jìn)行宏觀預(yù)報(bào)預(yù)測，進(jìn)行巖石強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，判斷巖爆的可能性。

4.2 加固圍巖措施

在完整、堅(jiān)固地段的巖層中一般可不設(shè)支護(hù)，但在巖爆地段則必須進(jìn)行支護(hù)，第一是改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，不僅要改變大小及其分布，還要使洞室周邊巖體從二向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)槿驊?yīng)力狀態(tài)，第二是起防護(hù)作用，防止巖石彈射與塌落等破壞性事故的發(fā)生。

1）加強(qiáng)初期支護(hù)。施工中若發(fā)現(xiàn)有巖爆的征狀，則需采取錨網(wǎng)噴支護(hù)。網(wǎng)噴混凝土厚度視巖爆的等級(jí)確定。

2）應(yīng)力釋放措施。巖爆等級(jí)較低地段，采用對(duì)掘進(jìn)面高壓水沖洗，使圍巖受到濕潤，提高其韌性，軟化表面，促使應(yīng)力的釋放和調(diào)整，以進(jìn)一步減少巖爆發(fā)生的可能。

巖爆等級(jí)較高地段，采用超前鉆孔，二次釋放地應(yīng)力，并在鉆孔中灌水，增加巖石濕度。掘進(jìn)時(shí)，則可配合刀具掘進(jìn)，邊灑水邊切削。掘進(jìn)后，可在工作面及側(cè)壁上定期灑水，以濕化圍巖。

4.3 改善施工方法

由于采用 TBM 施工，采用多循環(huán)的掘進(jìn)作業(yè)方式，掘進(jìn)出來的圍巖周邊圓順，光滑，最大限度的減少了局部應(yīng)力集中的可能性，從而減弱了巖爆、誘發(fā)的可能。

4.4 設(shè)臨時(shí)防護(hù)網(wǎng)

在掌子面及其附近巖爆地帶加鐵絲帷幕，以增加作業(yè)場所的安全，保證人員、設(shè)備的安全。

4.5 監(jiān)測控制措施

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，用彈道地震儀對(duì)掌子面及掌子面前方 15～20m 的地段進(jìn)行監(jiān)測，用地震波速推算巖石強(qiáng)度，并根據(jù)巖石強(qiáng)度及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式判定存在巖爆的可能性。

4.6 其它防護(hù)措施

1）對(duì)滯后型巖爆要加強(qiáng)觀察，專人巡視，重點(diǎn)監(jiān)視巖爆征兆，發(fā)現(xiàn)情況，立即處理。

2）機(jī)械車輛易損部位，人員乘坐部位要加焊鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)棚。

5 TBM 掘進(jìn)參數(shù)的選擇調(diào)整

掘進(jìn)參數(shù)的選擇也是影響軟弱圍巖施工的主要因素。掘進(jìn)參數(shù)是指刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀盤推力、掘進(jìn)速度、撐靴系統(tǒng)的撐緊壓力等，根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化可以推斷前方圍巖的變化情況，其中推力的大小反映前方圍巖強(qiáng)度情況，刀盤扭矩的大小反映前方圍巖完整性情況。合理的選擇和調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)可以有效地減少剝落和坍塌。

5.1 TBM 掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整

TBM 在軟弱圍巖中掘進(jìn)施工，如果仍按掘進(jìn)機(jī)在硬巖下的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行施工，易產(chǎn)生圍巖剝落增大，支護(hù)工作量增加，嚴(yán)重時(shí)，可能發(fā)生刀盤被卡，皮帶機(jī)皮帶被拉傷或被卡滯；也易使刀具過多損壞；或?qū)е?TBM 撐靴打滑，造成意外停機(jī)；掘進(jìn)方向不好控制，刀盤易下沉，機(jī)身滾動(dòng)，造成掘進(jìn)方向出現(xiàn)過大偏差。這些問題影響了 TBM 的高效施工性能的發(fā)揮，嚴(yán)重地制約了 TBM 的施工進(jìn)度，且施工質(zhì)量也很難保證。為了盡可能的避免上述問題的發(fā)生，取得一個(gè)合理的掘進(jìn)施工速度，必須對(duì)掘進(jìn)機(jī)在軟弱圍巖下的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整。

1）刀盤轉(zhuǎn)速。在軟弱圍巖中，依據(jù)上一個(gè)掘進(jìn)循環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)，若刀盤推進(jìn)力較大時(shí)，而且皮帶上的巖碴均勻，大塊較少，可采用高速掘進(jìn)。若上一個(gè)循環(huán)的刀盤推力較小，且?guī)r碴不均勻，大塊較多，宜采用低速掘進(jìn)。

2）撐靴壓力。在軟弱圍巖下，撐靴壓力不宜太高，否則，可能壓碎洞壁巖石，造成坍落；撐靴壓力的大小取決于洞壁巖石的完整性及飽和抗壓強(qiáng)度。撐靴壓力控制在要求的范圍內(nèi)。撐靴壓力的大小，決定了 TBM 的推進(jìn)速度的快慢。掘進(jìn)中，若撐靴壓力變化，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)壓。

3）刀盤扭矩：在軟弱圍巖時(shí)，刀盤扭矩過大，易產(chǎn)生機(jī)身滾動(dòng)、撐靴打滑。扭矩一般控制在 75%左右。

5.2 特殊情況下 TBM 的操作參數(shù)要求

1）刀盤掌子面坍塌時(shí)。會(huì)在監(jiān)視器屏幕上看到皮帶機(jī)上的巖碴有很多大塊，并且皮帶機(jī)上的巖碴突增，皮帶機(jī)壓力指示明顯升高，必須立即停止 TBM 推進(jìn)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤和皮帶機(jī)，防止皮帶機(jī)被卡或拉傷。如果碴量仍不能下降，應(yīng)立即使刀盤后退 3～5cm，嚴(yán)重時(shí)繼續(xù)后退刀盤，直到上述參數(shù)恢復(fù)正常，方可恢復(fù) TBM 推進(jìn)。

2）護(hù)盾后發(fā)生坍塌時(shí)。如果坍塌不嚴(yán)重時(shí)，仍繼續(xù)推進(jìn)直到能立拱的尺寸，停止掘進(jìn)，進(jìn)行支護(hù)。如果坍塌嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行支護(hù)，待支護(hù)完成后，方可掘進(jìn)。因圍巖軟弱而產(chǎn)生的剝落無法通過正常的出碴系統(tǒng)排出，可在護(hù)盾后邊增設(shè)的一套機(jī)械清碴系統(tǒng)，縮短清碴工序時(shí)間、提高軟弱圍巖中的掘進(jìn)速度。

TV52

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2013-12-24