不良地质段 TBM 施工方案分析

施春生

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

不良地质段 TBM 施工方案分析

施春生

（辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166）

在国内采用 TBM（隧洞掘进机）施工的长距离隧洞工程为数不多，文章较为详尽地阐述了在大伙房水库输水工程中,针对不良地址段采用 TBM 施工方案，取得了良好的效果。

隧洞施工；TBM 施工；不良地址段

1 工程概况

大伙房水库输水工程位于辽宁省东部山区的本溪市桓仁县内，主体工程为长 85.32km、开挖直径 8.0m 的输水隧洞及附属建筑物。TBM2 标段为辽宁省大伙房水库输水工程疙疤寨～台宝段输水隧洞合同段，全长22464.25m。

2 断层破碎带施工

2.1 断层破碎带及其处理方法

在通过 F44 断层带及 K1xl 与 J3x 地层时，严格按先预报、再超前支护、后钻爆开挖通过的原则进行施工。对断层破碎带坚持“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测、快反馈”的原则，循环进尺控制在 0.5～1.0m。当围岩量测结果显示围岩和支护变形异常时，及时调整支护参数，加强初期支护并及时进行初期支护。

2.2 断层破碎带的处理

1）当断层规模不大，渗水量不大的情况下，可采用超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆、管棚等超前支护的方法以及固结灌浆的方法处理。

2）断层规模较大，或有大量涌水的情况下，应先进行超前灌浆，再结合超前支护的方法进行处理。

3）根据位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态，及时调整支护参数，确保施工安全。

4）通过断层地段的各施工工序之间的距离宜尽量缩短，尽快使全断面支护封闭，减少岩层暴露、松动时间。

5）断层地段的支护宁强勿弱，并加强量测反馈，以保证安全。

2.3 段层破碎带施工工艺

针对敞开式掘进机在软弱围岩掘进的实际情况，在进行超前地质预报的基础上，为有效控制不良地质对掘进造成的负面影响，TBM 施工需采用相应的辅助施工措施。辅助施工措施的方法是先进行超前加固，目的是尽量减少掘进过程中的坍剥量和围岩出护盾后的收敛量，并通过加强初期支护等手段有效控制围岩收敛和变形。

施工过程中应根据超前地质预报预测前方围岩的破碎程度后确定相应的支护原则：对于较破碎（有少量剥落、坍塌）围岩，应慢速掘进通过，通过后及时施作初期支护；对于严重破碎（剥落较多，出现坍塌），应采用先超前加固，后掘进、及时支护的措施。

辅助施工主要包括：超前锚杆、超前小钢管支护；超前小导管注浆；管棚及自进式锚杆注浆等形式。

3 富水段施工

3.1 地质预报

施工中首先加强地质预报工作，运用 TSP202超前地质预报、地质雷达探测、超前红外线探水等手段，探明前方及洞身周边可能的突水情况。同时，及时与设计单位、工程师人员联系，根据现场实际情况，采取注浆封堵、超前加固地层等措施。利用超前地质预报手段（地质素描、地质超前预报仪、超前红外线探水仪），进一步探明断层破碎带特征，调查地表水流分布及其与地下水的相互关系，根据结果反馈信息，为选择正确的施工方法、采取特殊的处理措施提供依据，并指导施工，杜绝事故发生，保证工程质量，使施工顺利进行。

施工中，根据超前地质预报结果，采用超前钻孔探明的方法，提前探明是否突水，判明涌水量、分布情况、补给方式、变化规律，根据结果采取相应的处理措施。

3.2 处理原则

根据判明的涌水涌泥性质，采取“大堵、小疏、疏堵结合，以堵为主和地表地下综合治理”的原则。

4 岩爆段施工

4.1 预测预报

采用地应力、岩石强度进行宏观预报预测，进行岩石强度室内试验，判断岩爆的可能性。

4.2 加固围岩措施

在完整、坚固地段的岩层中一般可不设支护，但在岩爆地段则必须进行支护，第一是改善围岩应力状态，不仅要改变大小及其分布，还要使洞室周边岩体从二向应力状态变为三向应力状态，第二是起防护作用，防止岩石弹射与塌落等破坏性事故的发生。

1）加强初期支护。施工中若发现有岩爆的征状，则需采取锚网喷支护。网喷混凝土厚度视岩爆的等级确定。

2）应力释放措施。岩爆等级较低地段，采用对掘进面高压水冲洗，使围岩受到湿润，提高其韧性，软化表面，促使应力的释放和调整，以进一步减少岩爆发生的可能。

岩爆等级较高地段，采用超前钻孔，二次释放地应力，并在钻孔中灌水，增加岩石湿度。掘进时，则可配合刀具掘进，边洒水边切削。掘进后，可在工作面及侧壁上定期洒水，以湿化围岩。

4.3 改善施工方法

由于采用 TBM 施工，采用多循环的掘进作业方式，掘进出来的围岩周边圆顺，光滑，最大限度的减少了局部应力集中的可能性，从而减弱了岩爆、诱发的可能。

4.4 设临时防护网

在掌子面及其附近岩爆地带加铁丝帷幕，以增加作业场所的安全，保证人员、设备的安全。

4.5 监测控制措施

结合超前地质预报技术，用弹道地震仪对掌子面及掌子面前方 15～20m 的地段进行监测，用地震波速推算岩石强度，并根据岩石强度及有关经验公式判定存在岩爆的可能性。

4.6 其它防护措施

1）对滞后型岩爆要加强观察，专人巡视，重点监视岩爆征兆，发现情况，立即处理。

2）机械车辆易损部位，人员乘坐部位要加焊钢结构防护棚。

5 TBM 掘进参数的选择调整

掘进参数的选择也是影响软弱围岩施工的主要因素。掘进参数是指刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、掘进速度、撑靴系统的撑紧压力等，根据掘进参数的变化可以推断前方围岩的变化情况，其中推力的大小反映前方围岩强度情况，刀盘扭矩的大小反映前方围岩完整性情况。合理的选择和调整掘进参数可以有效地减少剥落和坍塌。

5.1 TBM 掘进参数调整

TBM 在软弱围岩中掘进施工，如果仍按掘进机在硬岩下的掘进参数进行施工，易产生围岩剥落增大，支护工作量增加，严重时，可能发生刀盘被卡，皮带机皮带被拉伤或被卡滞；也易使刀具过多损坏；或导致 TBM 撑靴打滑，造成意外停机；掘进方向不好控制，刀盘易下沉，机身滚动，造成掘进方向出现过大偏差。这些问题影响了 TBM 的高效施工性能的发挥，严重地制约了 TBM 的施工进度，且施工质量也很难保证。为了尽可能的避免上述问题的发生，取得一个合理的掘进施工速度，必须对掘进机在软弱围岩下的掘进参数进行必要的调整。

1）刀盘转速。在软弱围岩中，依据上一个掘进循环的掘进参数，若刀盘推进力较大时，而且皮带上的岩碴均匀，大块较少，可采用高速掘进。若上一个循环的刀盘推力较小，且岩碴不均匀，大块较多，宜采用低速掘进。

2）撑靴压力。在软弱围岩下，撑靴压力不宜太高，否则，可能压碎洞壁岩石，造成坍落；撑靴压力的大小取决于洞壁岩石的完整性及饱和抗压强度。撑靴压力控制在要求的范围内。撑靴压力的大小，决定了 TBM 的推进速度的快慢。掘进中，若撑靴压力变化，应及时补压。

3）刀盘扭矩：在软弱围岩时，刀盘扭矩过大，易产生机身滚动、撑靴打滑。扭矩一般控制在 75%左右。

5.2 特殊情况下 TBM 的操作参数要求

1）刀盘掌子面坍塌时。会在监视器屏幕上看到皮带机上的岩碴有很多大块，并且皮带机上的岩碴突增，皮带机压力指示明显升高，必须立即停止 TBM 推进，继续转动刀盘和皮带机，防止皮带机被卡或拉伤。如果碴量仍不能下降，应立即使刀盘后退 3～5cm，严重时继续后退刀盘，直到上述参数恢复正常，方可恢复 TBM 推进。

2）护盾后发生坍塌时。如果坍塌不严重时，仍继续推进直到能立拱的尺寸，停止掘进，进行支护。如果坍塌严重时，应立即停机进行支护，待支护完成后，方可掘进。因围岩软弱而产生的剥落无法通过正常的出碴系统排出，可在护盾后边增设的一套机械清碴系统，缩短清碴工序时间、提高软弱围岩中的掘进速度。

TV52

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1002－0624（2014）11－0029－02

2013-12-24