复杂地况下TBM掘进应对措施分析

张波

中铁隧道股份有限公司 河南郑州 450000

1 隧道的地质特点

在花岗岩底层地段，TBM掘进受到了很大的影响，其原因分析如下：第一，岩石埋深大，地应力强，岩爆频繁；第二，围岩断层、破碎带较多；第三，围岩变化频繁，整体稳定性差。TBM掘进对地质依赖性较大，在复杂困难的地质条件下，TBM掘进会有较大的难度，常见的有三种情况：第一，TBM掘进时在掌子面与喷浆桥之间常会出现岩爆和坍塌的情况，且会形成较大石碴和塌腔，刀具和刮板会在使用中受损严重；第二，围岩埋深大，在高应力的情况下易软弱变形，掘进过程中护盾容易被卡；第三，掌子面出现严重坍塌时，刀盘极易被卡[1-2]。

2 TBM掘进在复杂地况下的对策

TBM掘进过程中，首先要详细的了解地质情况，这是进行掘进的基础，其次要根据地质条件设计可靠安全、掘进效率高的TBM，根据地质情况设计掘进预案；最后主司机对TBM掘进操作的熟练程度和紧急情况下的应对能力是掘进顺利快速完成的根本[1]。在TBM掘进中遇到阻碍时可以采取以下几方面的措施。

2.1 改进刀盘和刀具

刀盘和刀具是TBM掘进过程中的唯一破岩机构，刀盘和刀具对地质的适应性越高，TBM掘进效率越好。因而针对刀盘和刀具的改良，是非常有必要的措施[3]。

（1）改良刮板系统。刮板在大石块的冲击下容易脱落，影响掘进进度，为避免造成重大损失，可以通过加大刮板的分担受力减缓刮板受到的冲击。改良措施如：①增加支座板的厚度；②加大刮板固定螺栓孔的数量；③改进刮板支座的连接方法，采用螺孔镶套弹簧取代原来老式的支座背后焊丝方式；④增加刮板支座筋板的个数。

（2）改进刀具系统。刀具对提高TBM掘进效率有不可忽视的作用，通过以下方式可以改进刀具系统，提高TBM掘进效率。①降低刀圈硬度。TBM的刀圈在掘进过程中遇到埋深大的硬岩以及断层较多的情况，刀具的受力会很大，若刀具抗冲击能力低，刀具会损坏。刀具的抗冲击能力与刀具硬度有关，硬度越低，刀具抗冲击能力越好。因此，通过降低刀圈硬度，刀圈在复杂地质情况下的适用性增强，使刀圈在TBM掘进过程中更耐用，提高TBM掘进效率。②增加刀圈的宽度。TBM的刀圈在面对硬岩时，会受到很大的冲击力，但是刀圈很薄时，面对大的冲击力时会抵抗不住，导致刀圈崩裂，增加刀圈宽度，在刀圈面对硬岩时，可以缓解冲击力，提高刀圈的使用寿命[2]。

2.2 提前设计掘进预案

根据地质状况和经验预估可能发生的突发事件，提前作出相应的方案。如发生断层破碎带、护盾卡死、刀盘被卡和坍塌等情况，根据突发情况的影响轻重设计出针对性的掘进预案，确保掘进不被影响，高效的完成掘进计划。

（1）断层破碎带的应急方案。主司机根据经验和敏锐的预感判断掘进地段即将出现的坍塌等突发状况，综合利用超前地质预报、地质勘探资料和相邻线掘进情况等方法迅速准确判断出具体的位置，马上停止掘进，在判断出的危险地段进行超前支护，必要时可进行围岩支护参数变更，同时作业人员要时刻敏锐的注意地段是否安全，及时做出准确的判断，避免人员受伤。

（2）护盾被卡时的应对方法。推进油缸的压力快速升高和刀盘前进被阻时，可以判断护盾被卡，TBM掘进被阻。针对这种情况的处理方案是：主司机马上停止刀盘推进，将刀盘后退，若是刀盘能够后退，则后退一个循环的刀盘，此时TBM可以继续前进[3]。

（3）刀盘被卡时的应对方法。第一种情况，坍塌程度小，塌腔比较稳定。若刀盘能够继续旋转，则表明塌方程度小。此时主司机应停止推进刀盘。第二种情况，坍塌程度较大，塌腔比较稳定。若造成坍塌程度较大时，主司机应马上停止推进刀盘，并进行以下操作步骤：将刀盘后退至50cm左右；随后安排作业人员检测坍塌程度，作业人员判断掌子面相对稳定后可以较缓的速度掘进，在掘进过程中及时将产生的废渣清理，避免TBM设备受损；若经检查发现坍塌的体积大于刀盘的1/4时，后退刀盘直至到坍塌顶部高度低于刀盘1/4的位置，转动刀盘并清理掘进产生的石碴；若作业人员发现掌子面出现塌腔，针对此情况，应后退刀盘，回填掌子面，采取超前支护措施，控制住塌腔，待作业人员检测前方地段稳定后继续使用TBM掘进[4-5]。第三种情况，坍塌严重塌腔不稳。刀盘后退连续两个循环后，坍塌顶部仍然要比刀盘的1/4位置高时，为保证掌子面的基本稳定，停止后退刀盘，掘进人员应根据地质勘探的情况以及掘进经验从护盾的侧面来开挖新的通道，在刀盘的前方安装人工支护装置，掘进人员在检测到隧道地况安全和稳定之后，使用TBM掘进，保证掘进顺利进行[4]。

3 结语

通过对TBM设备的刀具和刀盘进行改良，提高了TBM设备对复杂地质的适应性，提高了掘进效率。根据地质勘探和掘进经验判断掘进可能出现的状况，做好掘进预案，并结合现场实际做出正确的掘进处理方式。