不良地质下TBM隧道掘进技术

杨世童 李 康

（中铁五局电务城通公司， 四川 阿坝 410006）

0 引言

综合隧道掘进机（TBM）的出现使得长大隧道或不良地质条件下的隧道机械化施工成为可能，与传统爆破法相比，TBM技术集机械化程度高、施工效果显著、排渣效率快、安全性能高等优点于一体。国内大多数水工、运输深长隧道和矿山的纵轴直径比为600～1000或更高，在这种情况下，国际公认TBM设计在施工时间、成本和技术方面具有明显优势，这也是TBM施工技术在世界各地的不良地质隧道和长大隧道中得到广泛应用的原因，根据相关统计，实际建成TBM技术隧道1000余座，总长4000余公里。因此TBM的设计和施工必须与工程技术紧密结合，并与成本效益相协调，以充分发挥TBM的安全、优质和快速效益。

1 国内外研究现状

1851年，第一台岩石掘进机由美国工程师设计，它具有连续挖掘隧道功能，但是由于机器制造工艺不能满足岩石开采，且TBM的施工速度无法与钻爆法相比，故该TBM没有得到重视[1]。

随着现代社会科学技术的发展，掘进机的设计越来越完善，应用范围越来越广，应用数量越来越多。瑞士Vereina项目隧道掘进速度达到30～40m/d；南非莱索托项目取得了许多突出成就，月进度超过1000m[2]。

国内外TBM的发展趋于现代化，设计的刀盘既要适应复杂的地质条件，又要保证隧道的效率，由于大型隧道运输的需要，大直径TBM的研制和设计已成为一种趋势。随着科学技术的不断发展，在不久的将来，将出现无线控制的全自动TBM，TBM未来的发展趋势也将逐渐智能化。

1964年，TBM在国内用于隧道施工，然而，由于国内生产的关键部件不能满足TBM的技术要求，并且与类似的外国机械相差甚远，工程界停止使用国内机械，转而选择了国外市场[3]。

2 不良地质段施工关键问题

工程位于都江堰至四姑娘山之间，属青藏高原与四川盆地过渡的侵蚀构造地形齿状高山地貌，地形陡峻，起伏大。工程下穿8条断裂带，上跨渔子溪引水隧洞，下穿国道G350，隧道全长10414.486m，隧道最大埋深约709m，有着地质复杂、地下水丰富等诸多难题。随着隧道长度和埋深的迅速增加，出现了一些前所未有的特殊地质问题，我国目前尚无完善的理论和技术来进行高质量、高效、安全的不良地段隧道的施工。

2.1 岩溶、涌水

由于TBM的适应性差，施工前地质调查已成为TBM施工的重要参考依据，但由于不良地质隧道施工前地质调查难度大，在施工过程中，经常会出现一些不可预见的地质灾害。北上线在施工期间，TBM经历了七次不良地质等问题，通常是护盾尾部加固段的混凝土突然塌落，使得地下水灌入隧道。南部下线的TBM在开挖时遇到了岩溶，改用顶导洞和TBM的混合施工。在危地马拉Rio Chixoy的水电站修建过程中，TBM因岩溶而被埋在侵蚀洞穴中，使项目无法继续进行并关闭了相关的开挖工作。

2.2 岩爆

不良地质条件下TBM施工通过滚刀与岩石挤压进而破岩，开挖使得初始地应力释放，使工作面岩体集中。如果张力超过岩块的抗拉强度，则会产生裂缝，整个岩石将成为节理发育的岩体。从这个角度来看，由于地应力高而导致的岩石砌体裂缝的发展有利于TBM施工，且可以减少刀盘磨损，促进隧道开挖，即硬岩开挖中的“良好研磨和良好破碎”现象。同时，岩爆发生削弱了TBM开挖的能力。如果刀头前部出现岩爆，除了刀盘受到岩体冲击造成的损坏外，滚刀在掌子面上的振动压力会对刀头结构造成严重损坏[4]。

2.3 卡机

深埋隧道常存在高地应力，长隧道常穿越软弱地层，高地应力和软弱围岩是形成压力层的充分条件。在实际技术中，当TBM在隧道挤压层中开挖时，在轻型情况下，很容易由于围岩的挤压变形导致TBM卡机并延迟施工时间，在严重情况下，TBM将受损。

3 不良地质段施工应对措施

3.1 岩爆段施工措施

隧道TBM段岩爆防控应采取探、控、防相结合，实现连续防护。TBM岩爆隧道施工采用以下主要防治措施(见表1）：

表1 钻爆法岩爆地段支护参数表

（1）采取微震监测等手段，开展岩爆预测和监控，及早做出方案，以免岩爆发生并有效降低岩爆等级，减小施工单位的损失，并保证施工安全。TBM设备配置超前探测、微震监测等系统接口，做好超前地质预报及岩爆预警[5]。

（2）及时打锚杆进行支护，用来提高围岩强度，同时优化围岩应力状态，充分利用围岩自身的承载能力。采用低预应力锚杆、柔性防护网、钢筋排、钢拱架及喷射混凝土的方式，尽快支护裸露围岩。

（3）应力释放。针对强烈岩爆段落，根据监测情况，考虑采用超前应力释放孔、超前应力解除爆破等应力释放措施。易发生岩爆段落预先采用超前钻机在掌子面打设超前应力释放孔或利用设备上配置的锚杆钻机在拱墙处增设释能卸压孔。

注：喷砼采用C30高性能钢纤维喷混凝土；锚杆采用Φ25低预应力涨壳式中空注浆锚杆。

（4）加强防护。在TBM主机和后配套人员作业部位和主要设备顶部增加防护板（棚），加强TBM上人员和设备的防护，降低岩爆造成的损失。

（5）加强施工过程中的监测，现场检查围岩和支护结构，以及下层变化和隧道拱顶收敛情况，可定量预测和检测延迟影响，建立的支护措施是否安全，以支持施工和开挖作业，并确保安全。

（6）加强监控。密切关注TBM刀盘推力及扭矩等情况，安装闭路监控系统，监控施工情况，及时反馈信息。

（7）对TBM段岩爆部位初支背后松散体进行钢花管注浆加固，如岩爆形成塌腔，塌腔内部采用同级混凝土回填。

（8）强烈、极强岩爆地段正洞二衬增加配筋，结合施工监测情况优化调整补充施工方法、施工工艺等相关内容。

3.2 涌水段施工措施

通过物探、超前钻孔等超前地质预报方法判明前方掌子面涌突水流量，当隧洞底部条件特殊无法进行施工时，必须停止掘进，采取超前小导管、管棚支护、超前注浆封堵处理，其超前注浆和支护采用TBM自带的设备进行，必要时增加设备。待出水量明显减小具备掘进条件时再行掘进，超前支护方案报请监理审批后实施。与此同进，增加临时大功率潜水泵和管路，将水抽排至后配套后至少50m区域。

如果TBM自身设备进行超前加固后，隧道壁的围岩条件没有明显改善，应向监理报告，要求对施工方案进行调整，倒退刀盘，从护盾背面打侧洞进入掌子面，用于推进超前管棚支护，并且进行加固和水钻孔处理，TBM开挖后，应进行径向固结灌浆处理。

3.3 岩溶段施工措施

岩溶地段施工主要采取封堵、充填、加强支护等措施。对于拱上方的岩溶洞，根据岩石的破裂程度，采用锚杆支护、护拱、填砾缓冲层等方法，TBM开挖时，调整开挖参数，加大推力，降低速度，尽量不要在刀头前面留下空腔，将切割头关闭到顶部，防止岩石的冲击损坏刀盘[6]。

3.3.1 钢拱架的架设

在溶洞段安装钢拱架，为保证钢拱架安装稳定，采用型钢将两个拱架焊接牢固，在靴部位置焊接连接钢筋，钢拱安装完成后，向外放置钢筋网，其中两层钢筋网放置在断裂腔内，并用厚铁板封闭。

3.3.2 混凝土回填封堵

在空腔坍塌时用混凝土填充空腔以修补开口，向下空洞由于深度不确定，采用钢管在缝洞内砌筑，缝洞内岩石采用型钢支护，缝洞上部回填混凝土。充填后堵住充填孔，预留下孔，在保证支撑靴安全通过后，通过输送泵向预留的注入孔充填孔底。岩溶洞填筑压实后，应清除塌陷洞内的铁板，并在安装钢框架的截面上进行系统锚固，并保证系统锚固与钢拱空间的可靠焊接。

3.3.3 灌浆

采取低压、浓浆和定量措施，输送机压力应与注射速度相对应，且在短时间内压力不得增加过快。

3.4 防卡应对措施

3.4.1 地质调查法

TBM地质调查法同钻爆法超前地质预报相关内容。但主要在TBM施工掌子面刀盘后方开展地质调查法超前地质预报工作，根据超前地质预报的结果判断刀盘前方掌子面的相关地质条件。TBM施工段落一般地段地质素描10～30m进行一次，地质条件复杂、对施工影响较大地段建议控制在5～10m实施一次。

3.4.2 综合物探法

TBM物探主要采用其搭载的超前地质预报方法进行探测，其中弹性波法类超前预报方法有三维地震、主动震源、破岩震源及HSP等方法；电（磁）法类超前预报方法有激发激化法超前预报方法；但由于各类方法在目前TBM设备中应用相对较少，属于超前地质预报的新方法，在实际应用前或实施过程中建议可以开展相应的试验工作，根据试验结果结合相应的地质条件进行选择性使用。

3.4.3 增大开挖断面

在围岩变形大的隧道段，适当增大开挖直径，不仅可以增大围岩与护盾之间的间隙，为TBM施工提供更大的空间，也为TBM在围岩挤入护盾前提供更多的掘进时间，以确保TBM通过。TBM主机采用大前小后设计，以便在TBM和围岩之间形成间隙。在TBM选型设计中，可充分考虑扩大刀头直径，在保持盾外壳直径不变的情况下，增加刀盘轮廓，并扩大岩石层和盾构之间的间隙。同时，当TBM在岩性差的隧道段掘进时，将刀头上的切刃换为较大的刀具，增加挖掘直径也能达到上述效果。

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。