TBM在隧道不良地质条件下的施工技术探讨

刘利斌

(中铁十九局集团 第二工程有限公司，辽宁 辽阳111000)

1 工程概况

1.1 工程概况

某隧道建设工程左侧隧道长8.7km，右侧隧道长8.4km。为上、下分离式双洞，围岩主要为Ⅱ-V级。

主要设计标准：

（1）道路等级：双向四车道高速公路；

（2）设计速度：80km/h：

（3）行车道宽度：2×3.75m(单洞)；

隧道建筑界限：行车道宽度为2×3.75m，左侧向宽度为0.5m，右侧向宽度为0.75m，两侧设检修道宽0.75m米，净高5m。

人行横洞建筑界限：净宽2m，净高2.5m。

车行横洞建筑界限：净宽4.5m，净高5.0m。

（4）路面设计荷载：公路I级。

1.2 工程地质情况

隧道经过的地区是某山脉的北延部分，穿越的山峰海拔在150-200m之间，无区域性大断裂通过，区域构造相对稳定，但局部地应力较大。根据勘察，已发现5条断层、1个大向斜构造、1座山峰和1条河流谷地。洞室Ⅱ、Ⅲ类围岩占洞线总长度的88.5%，IV、V类围岩仅占11.5%。围岩以中硬岩为主，饱和抗压强度一般为15-40MPa。

2 TBM在隧道不良地质条件下的施工技术

本隧道工程采用TBM开挖段总体上地质条件较好，但仍然存在少量的破碎松散地带、涌水等不良地质条件。在地下洞室开挖过程中，在工程地质勘测阶段的预测基础上，结合施工中出现的新情况，采取了有效的工程措施。

2.1 不良地质段施工超前加固

（1）管棚支护：采用2台超前钻机钻孔。选用89×8mm，长6m的钢管。将钢管加工成3m/根，钢管丝口和钻机钻头丝口匹配，每根钢管套丝长度不小于l0cm，管棚总长视地质情况而定，超前钻仰角6-8度，孔间距30-40cm。通过管棚施工，为掘进提供较为安全的施工环境，保证刀盘的顺利掘进。

（2）超前小导管注浆：采用超前钻机，通过弧梁可在拱部84度范围进行钻孔施工。超前注浆范围根据围岩破碎情况及拱部塌落高度确定，由于掘进机刀盘护盾长约5m，沿护盾后缘的导向套以6度仰角在刀盘上部84度区域内钻高12m深的钻孔，钻头直径64mm，成孔直径70mm。

2.2 软弱破碎围岩时的施工

（1）本工程TBM采取了平面状刀盘设计。类似于在软弱围岩钻爆法施工的核心土，具有保持掌子面稳定的作用，这对保证施工安全作用很大。因此，TBM掘进至断层破碎带时将充分利用刀盘稳定掌子面的作用，不要轻易后退，TBM一旦后退，机退渣进，会造成更大范围坍塌。

（2）本工程TBM设计采用了变频电机驱动。使TBM对围岩条件有更好的适应性，在软弱破碎围岩掘进时，将采用较低的刀盘转速进行掘进，以减少对围岩的扰动。

（3）充分利用刀盘的扭矩能力，以防止在软弱破碎围岩掘进中刀盘被卡死。

（4）利用TBM设计中刀盘推力和撑靴支撑力的可调性。在软弱破碎围岩掘进时，将采用较小的刀盘推力和撑靴支撑，以减少掌子面坍塌和解决洞壁承压力不足的问题；必要时对撑靴洞壁处采取临时垫枕木和灌注混凝土等加固措施。

（5）根据岩石的不同破碎程度，利用TBM推进行程的可调性，在软弱破碎围岩掘进时，采取每循环1/2或1/4的短行程进行掘进，以维持掌子面岩石的稳定。

2.3 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。

2.4 地下水的处理与控制

在TBM隧道开挖施工中，对隧道内渗漏水、地下涌水等采取了必要措施加以控制，控制方法主要采用以排为主，引排、封堵相结合措施。处理突发涌水坚持的原则为：预测先行，预防为主，防微杜渐，确保安全。

2.4.1 渗漏水的处理

1）洞内地下水渗出呈不连续滴水点，采用喷射混凝土直接封堵，为改善喷射效果，增加喷射时的速凝剂含量。

2）洞内地下水沿岩面裂隙缓慢渗出，岩面湿润，经过长时间汇集成水滴，这些地段可先用高压风将岩面的滴水吹掉，立即喷射混凝土直接封堵。

3）洞内地下水沿岩面裂隙呈线流或股流时，在出水部位钻排水孔并插埋塑料软管将水引入洞底部，采用喷射混凝土对表面进行封堵，喷射作业时，以排水孔为中心由四周向中间喷射。埋管的孔口采用水泥和水玻璃封堵或用浸泡过的药卷锚固剂封堵或用棉花等封堵。

4）洞室开挖过程中渗水面积较大时，布置一定数量的排水孔，方法同上。

2.4.2 地下涌水的处理

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 结语

由于TBM存在自身设备庞大，没有钻爆法机动灵活等缺点，因此地质条件对施工效率的影响极大，遇到不良地质条件，往往会导致掘进效率低下、工期拖延，甚至有可能带来灾难性的严重后果。因此，TBM在实际结论与展望施工过程中需要研究针对不同的地质情况，如断层破碎带、挤压地层、涌水、岩溶等的施工技术研究。

［1］高攀，邹翀.比能法在渤海海峡隧道TBM施工中的应用分析[J].中国工程科学，2013（12）.

［2］彭道富，李忠献.特长隧道TBM掘进施工技术研究[J].岩土工程学报，2003（2）.

［3］唐志强.青岛地铁隧道施工采用TBM工法分析[J].铁道标准设计，2013（5）.