TBM 掘进技术在软岩隧洞中的应用探讨

段正强

广东水电二局股份有限公司（511340）

1 TBM 技术与软岩地质概述

TBM 技术，即全断面隧洞掘进技术，主要是应用机械压力原理，对隧洞岩石进行切削、破碎，涉及到机械化、自动化大型地下隧洞掘进开挖设备的应用。 该技术在具体应用方面具备较强的复杂性，对于软岩地质隧洞施工有着高效、快速、优质、安全等应用特点。 相对于锚杆支护等隧洞施工技术而言，TBM 技术是一种较为新型的隧洞施工技术， 其应用原理是以TBM 为核心技术， 采用大型现代化装载运输机械作为辅助设备，实现对隧洞掘进、出渣、衬砌、灌浆等施工环节的操作，实现全断面掘进的一次性成型。 TBM 施工技术还具备施工进度有保障、安全水平高、通风效果好、衬砌支护施工量少的优势。 经过多年来的发展，TBM 掘进施工技术越来越成熟，已成为隧洞工程的主要施工技术之一[1]。

软岩地质，是指受到特定环境影响而形成的塑性变形明显、岩石介质复杂的岩层，主要包括工程软岩与地质软岩两种类型。 地质软岩通常为页岩、泥岩、粉砂岩、泥质矿岩等，具备强度低、黏性大、胶结性差、松散度高的岩层特点，通常是天然形成的；工程软岩则是在施工作用下形成的具备塑性变形特性的工程岩体。 在隧洞工程中，软岩地质掘进支护施工具备极大难度，对于施工安全的要求也比较高。唯有结合工程实际，选择合适的施工技术，方可确保隧洞施工顺利、安全进行。

2 隧洞工程案例概述

甘肃省某隧洞工程全长约17.28 km，最大深度超过360 m。 设计的开挖围岩类型主要包括Ⅳ类与Ⅴ类， Ⅳ类围岩主要集中在隧洞工程的前半部分，主要由白垩系K1hk3岩层构成，局部段属于上第三系N2L3砂岩或者砂砾岩。 隧洞岩质总体由软岩组成，并且裂隙较为发达，部分围岩存在基岩裂隙水，呈滴渗状态，在不整合界面附近甚至出现线装流水现象；V 类围岩分布在隧洞工程的后半部分，主要由上第三系N2L3及白垩系K1hk4岩层结构组成，泥质胶结性较大，岩性软弱特征明显，部分属于极软岩质，涉水极易膨胀崩解，失水后干缩性特征明显。

3 TBM 技术在软岩隧洞工程施工中的具体应用

3.1 地质探测

在隧洞施工过程中，含水层、软岩层等部分极易出现地下水大量涌出现象以及隧洞围岩冒落等问题，严重影响隧洞工程的顺利安全施工。 对此，必须认真做好施工前的地质探测工作，这也是软岩隧洞施工的重要前提。首先，详细的地质、水文情况调查，可以为施工提供准确的岩质数据材料；其次，详细、全面的地质探测能够有效预防和避免因施工而导致的岩层失稳现象，从而避免施工中出现地下水冒涌、巷道围岩冒落等施工安全问题。 在隧洞工程施工过程中，可合理运用地质超前预报系统来获取前方岩石数据，进而针对岩层变化情况制订相应的施工措施，提高隧洞工程施工的安全性及施工效率[2]。

3.2 上第三系红层地段施工

软弱岩层的泥岩往往含有较多水分， 透水性较差，所以在进行落岩施工时，刀盘、刀具极易被糊，因此在隧洞掘进施工过程中应合理控制刀盘喷水 （或者是不用刀盘喷水），以减少或降低刀盘和刀具的被糊程度。但是这样一来，就会导致隧洞掘进时的粉尘量大幅增加，所以应在刀盘出渣口、皮带机、皮带连接处设置水帘或者雾状喷水装置，与除尘风机配合使用，以最大限度地减少粉尘。 根据施工规模，可考虑增加2～3 套皮带刮渣装置，避免皮带因被黏土糊住而出现打滑现象，同时需要加强皮带出渣口处的渣土清理工作，避免黏土堵住出渣口[3]。 结合工程施工实际对掘进参数进行合理优化，尤其是TBM 掘进主推力、刀盘转速、刀具贯入度、掘进速度等关键性参数，避免出现刀具悬磨、刀盘被糊等问题。 对于软岩地质隧洞开挖施工，在确保盾体滚动与管片滚动可控的前提下，应尽可能地提高掘进推力、适当减小刀盘转速，以避免刀具过度损耗，进而提高隧洞掘进效率。 值得注意的是，在冬季施工时应注意做好防寒及渣土运输工作，避免因受冻渣土粘在矿车上而影响正常的施工进度。

3.3 上第三系含砾砂岩施工

在这一阶段的施工中，需针对含砾砂岩地质情况对掘进参数进行合理优化， 通常需要采用大推力、低刀盘转速的方式进行施工，以降低对周边围岩的扰动，避免出现塌方现象。 在此过程中需要对出渣量进行严格控制，避免出现出渣口被堵死的现象，必要时通过减小刀盘开口率、优化掘进参数等方式来提高出渣效率。 为提高隧洞排水效率，应在尾盾处加设排水泵， 确保掘进施工能够均匀进行，连续、快速地对含砾砂层进行挖掘施工。 对于施工中出现的管片不能回填砾石的现象，应采用小导管插入工作孔注浆加固的方式对管片进行固结稳定；对于管片漏水较为严重的情况，可采用双液浆灌注的方式进行管片漏洞封堵。 还应注意加强对TBM设备的保养与维修， 避免出现因TBM 设备停机时间过长、 围岩收敛而抱死TBM 主机的现象。 若是TBM 异常停机时间过长，则应派专人观察、测量盾体与围岩的间隙，同时往盾体预留孔洞中注入油脂或者膨润土浆液，避免出现TBM 主机抱死问题。

3.4 不整合接触面施工

TBM 采用的是反坡施工方式。在对不整合接触面进行施工时，应重点做好隧道排水施工。 可结合工程实际情况，采用合适规格的钢管进行排污管路布设，同时在TBM 后配套上增设排水水管卷筒，并且随着掘进而不断向前延伸。 还要对后配套增设污水箱并定期清理沉淀物，避免泥沙堵塞管道。 使用TBM 在竖井工作面施工时，应从竖井处排水，充分利用竖井井架与吊泵间的配合进行抽排。

3.5 含水疏松砂岩层支护施工

隧洞竖井工作面施工中难免会碰到含水疏松砂岩层，这种岩层的结构较为疏松，缺乏足够的自稳能力，初期的支护结构承受着大部分周边围岩压力，极易出现变形、坍塌事故。 为了使TBM 可以顺利空推通过该层，必须在含水疏松砂岩洞段预留足够的变形量空间，并强化支护措施。 具体而言，应在加强施工监控的同时，合理地调整初期支护结构参数，保障隧洞支护结构的稳定、安全。

3.6 滑行轨道床底部围岩换填施工

在隧洞开挖后，若是未能及时安装底部滑行轨道床，底部围岩极易出现涌沙问题，阻碍TBM 向前开挖。对此，需要在底拱66°范围内开挖换填层并采用干硬性混凝土进行换填，且换填层需在开挖轮廓线50 cm 以下。 完成换填后即刻封闭底拱，同时采用混凝土挂网喷射的方式确保底拱不出现涌沙。 完成换填之后， 轨道床的承载力得到有效提升，为TBM 顺利滑行通过提供了保障。

4 TBM 技术通过不良地质洞段的方法

4.1 裂隙与断层发育洞段

在遇到裂隙与断层发育洞段时，可以将刀头喷水减小，同时将TBM 推力以及刀盘转速降低，将单位时间的出渣量减小；不停机，短时间内通过，避免机头被塌方压到。 可以将具有较大配筋量的重型管片设置于此区域，待TRM 通过后，采取固结灌浆的方式来处理此部位的围岩。 如若机头被塌方压到，就要将TBM 尾部管片拆掉， 开挖上导洞实施喷锚支护，通过此导洞来固结灌浆围岩。 如若情况需要，还可扩挖TEM 机头部位岩石，让TEM 得以重新开启并往前推进。

4.2 极软岩、稳定性差围岩洞段

如若出现卡机现象，则务必要立即进行处理，避免损坏TBM。 在施工到该区域时，要使用扩挖刀将开挖直径扩大，同时密切观测施工情况；每进2～3个行程，则可以利用伸缩护窗口来测量开挖直径；尽可能降低刀头喷水，如若发现膨胀现象，则需要马上停止喷水，同时加速通过。

5 结语

该工程在使用TBM 掘进过程中，遇到了含水疏松砂岩，并且掌子面坍塌较严重，导致掘进速度严重受阻。 在对TBM 实施前盾延伸改造、封堵部分刮渣口之后，实现了对出渣量和刀盘扭矩的有效控制，隧洞掘进工程得以顺利进行。