段正強

廣東水電二局股份有限公司（511340）

1 TBM 技術與軟巖地質概述

TBM 技術，即全斷面隧洞掘進技術，主要是應用機械壓力原理，對隧洞巖石進行切削、破碎，涉及到機械化、自動化大型地下隧洞掘進開挖設備的應用。 該技術在具體應用方面具備較強的復雜性，對于軟巖地質隧洞施工有著高效、快速、優(yōu)質、安全等應用特點。 相對于錨桿支護等隧洞施工技術而言，TBM 技術是一種較為新型的隧洞施工技術， 其應用原理是以TBM 為核心技術， 采用大型現(xiàn)代化裝載運輸機械作為輔助設備，實現(xiàn)對隧洞掘進、出渣、襯砌、灌漿等施工環(huán)節(jié)的操作，實現(xiàn)全斷面掘進的一次性成型。 TBM 施工技術還具備施工進度有保障、安全水平高、通風效果好、襯砌支護施工量少的優(yōu)勢。 經(jīng)過多年來的發(fā)展，TBM 掘進施工技術越來越成熟，已成為隧洞工程的主要施工技術之一[1]。

軟巖地質，是指受到特定環(huán)境影響而形成的塑性變形明顯、巖石介質復雜的巖層，主要包括工程軟巖與地質軟巖兩種類型。 地質軟巖通常為頁巖、泥巖、粉砂巖、泥質礦巖等，具備強度低、黏性大、膠結性差、松散度高的巖層特點，通常是天然形成的；工程軟巖則是在施工作用下形成的具備塑性變形特性的工程巖體。 在隧洞工程中，軟巖地質掘進支護施工具備極大難度，對于施工安全的要求也比較高。唯有結合工程實際，選擇合適的施工技術，方可確保隧洞施工順利、安全進行。

2 隧洞工程案例概述

甘肅省某隧洞工程全長約17.28 km，最大深度超過360 m。 設計的開挖圍巖類型主要包括Ⅳ類與Ⅴ類， Ⅳ類圍巖主要集中在隧洞工程的前半部分，主要由白堊系K1hk3巖層構成，局部段屬于上第三系N2L3砂巖或者砂礫巖。 隧洞巖質總體由軟巖組成，并且裂隙較為發(fā)達，部分圍巖存在基巖裂隙水，呈滴滲狀態(tài)，在不整合界面附近甚至出現(xiàn)線裝流水現(xiàn)象；V 類圍巖分布在隧洞工程的后半部分，主要由上第三系N2L3及白堊系K1hk4巖層結構組成，泥質膠結性較大，巖性軟弱特征明顯，部分屬于極軟巖質，涉水極易膨脹崩解，失水后干縮性特征明顯。

3 TBM 技術在軟巖隧洞工程施工中的具體應用

3.1 地質探測

在隧洞施工過程中，含水層、軟巖層等部分極易出現(xiàn)地下水大量涌出現(xiàn)象以及隧洞圍巖冒落等問題，嚴重影響隧洞工程的順利安全施工。 對此，必須認真做好施工前的地質探測工作，這也是軟巖隧洞施工的重要前提。首先，詳細的地質、水文情況調查，可以為施工提供準確的巖質數(shù)據(jù)材料；其次，詳細、全面的地質探測能夠有效預防和避免因施工而導致的巖層失穩(wěn)現(xiàn)象，從而避免施工中出現(xiàn)地下水冒涌、巷道圍巖冒落等施工安全問題。 在隧洞工程施工過程中，可合理運用地質超前預報系統(tǒng)來獲取前方巖石數(shù)據(jù)，進而針對巖層變化情況制訂相應的施工措施，提高隧洞工程施工的安全性及施工效率[2]。

3.2 上第三系紅層地段施工

軟弱巖層的泥巖往往含有較多水分， 透水性較差，所以在進行落巖施工時，刀盤、刀具極易被糊，因此在隧洞掘進施工過程中應合理控制刀盤噴水 （或者是不用刀盤噴水），以減少或降低刀盤和刀具的被糊程度。但是這樣一來，就會導致隧洞掘進時的粉塵量大幅增加，所以應在刀盤出渣口、皮帶機、皮帶連接處設置水簾或者霧狀噴水裝置，與除塵風機配合使用，以最大限度地減少粉塵。 根據(jù)施工規(guī)模，可考慮增加2～3 套皮帶刮渣裝置，避免皮帶因被黏土糊住而出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，同時需要加強皮帶出渣口處的渣土清理工作，避免黏土堵住出渣口[3]。 結合工程施工實際對掘進參數(shù)進行合理優(yōu)化，尤其是TBM 掘進主推力、刀盤轉速、刀具貫入度、掘進速度等關鍵性參數(shù)，避免出現(xiàn)刀具懸磨、刀盤被糊等問題。 對于軟巖地質隧洞開挖施工，在確保盾體滾動與管片滾動可控的前提下，應盡可能地提高掘進推力、適當減小刀盤轉速，以避免刀具過度損耗，進而提高隧洞掘進效率。 值得注意的是，在冬季施工時應注意做好防寒及渣土運輸工作，避免因受凍渣土粘在礦車上而影響正常的施工進度。

3.3 上第三系含礫砂巖施工

在這一階段的施工中，需針對含礫砂巖地質情況對掘進參數(shù)進行合理優(yōu)化， 通常需要采用大推力、低刀盤轉速的方式進行施工，以降低對周邊圍巖的擾動，避免出現(xiàn)塌方現(xiàn)象。 在此過程中需要對出渣量進行嚴格控制，避免出現(xiàn)出渣口被堵死的現(xiàn)象，必要時通過減小刀盤開口率、優(yōu)化掘進參數(shù)等方式來提高出渣效率。 為提高隧洞排水效率，應在尾盾處加設排水泵， 確保掘進施工能夠均勻進行，連續(xù)、快速地對含礫砂層進行挖掘施工。 對于施工中出現(xiàn)的管片不能回填礫石的現(xiàn)象，應采用小導管插入工作孔注漿加固的方式對管片進行固結穩(wěn)定；對于管片漏水較為嚴重的情況，可采用雙液漿灌注的方式進行管片漏洞封堵。 還應注意加強對TBM設備的保養(yǎng)與維修， 避免出現(xiàn)因TBM 設備停機時間過長、 圍巖收斂而抱死TBM 主機的現(xiàn)象。 若是TBM 異常停機時間過長，則應派專人觀察、測量盾體與圍巖的間隙，同時往盾體預留孔洞中注入油脂或者膨潤土漿液，避免出現(xiàn)TBM 主機抱死問題。

3.4 不整合接觸面施工

TBM 采用的是反坡施工方式。在對不整合接觸面進行施工時，應重點做好隧道排水施工。 可結合工程實際情況，采用合適規(guī)格的鋼管進行排污管路布設，同時在TBM 后配套上增設排水水管卷筒，并且隨著掘進而不斷向前延伸。 還要對后配套增設污水箱并定期清理沉淀物，避免泥沙堵塞管道。 使用TBM 在豎井工作面施工時，應從豎井處排水，充分利用豎井井架與吊泵間的配合進行抽排。

3.5 含水疏松砂巖層支護施工

隧洞豎井工作面施工中難免會碰到含水疏松砂巖層，這種巖層的結構較為疏松，缺乏足夠的自穩(wěn)能力，初期的支護結構承受著大部分周邊圍巖壓力，極易出現(xiàn)變形、坍塌事故。 為了使TBM 可以順利空推通過該層，必須在含水疏松砂巖洞段預留足夠的變形量空間，并強化支護措施。 具體而言，應在加強施工監(jiān)控的同時，合理地調整初期支護結構參數(shù)，保障隧洞支護結構的穩(wěn)定、安全。

3.6 滑行軌道床底部圍巖換填施工

在隧洞開挖后，若是未能及時安裝底部滑行軌道床，底部圍巖極易出現(xiàn)涌沙問題，阻礙TBM 向前開挖。對此，需要在底拱66°范圍內開挖換填層并采用干硬性混凝土進行換填，且換填層需在開挖輪廓線50 cm 以下。 完成換填后即刻封閉底拱，同時采用混凝土掛網(wǎng)噴射的方式確保底拱不出現(xiàn)涌沙。 完成換填之后， 軌道床的承載力得到有效提升，為TBM 順利滑行通過提供了保障。

4 TBM 技術通過不良地質洞段的方法

4.1 裂隙與斷層發(fā)育洞段

在遇到裂隙與斷層發(fā)育洞段時，可以將刀頭噴水減小，同時將TBM 推力以及刀盤轉速降低，將單位時間的出渣量減??；不停機，短時間內通過，避免機頭被塌方壓到。 可以將具有較大配筋量的重型管片設置于此區(qū)域，待TRM 通過后，采取固結灌漿的方式來處理此部位的圍巖。 如若機頭被塌方壓到，就要將TBM 尾部管片拆掉， 開挖上導洞實施噴錨支護，通過此導洞來固結灌漿圍巖。 如若情況需要，還可擴挖TEM 機頭部位巖石，讓TEM 得以重新開啟并往前推進。

4.2 極軟巖、穩(wěn)定性差圍巖洞段

如若出現(xiàn)卡機現(xiàn)象，則務必要立即進行處理，避免損壞TBM。 在施工到該區(qū)域時，要使用擴挖刀將開挖直徑擴大，同時密切觀測施工情況；每進2～3個行程，則可以利用伸縮護窗口來測量開挖直徑；盡可能降低刀頭噴水，如若發(fā)現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，則需要馬上停止噴水，同時加速通過。

5 結語

該工程在使用TBM 掘進過程中，遇到了含水疏松砂巖，并且掌子面坍塌較嚴重，導致掘進速度嚴重受阻。 在對TBM 實施前盾延伸改造、封堵部分刮渣口之后，實現(xiàn)了對出渣量和刀盤扭矩的有效控制，隧洞掘進工程得以順利進行。