不良地质现象对T BM施工的影响及应对措施

2014-04-06魏立鸿

山西水利科技 2014年2期

关键词：岩爆刀盘溶洞

魏立鸿

（山西省水利建筑工程局山西太原030006）

TBM施工可能遇到的地质问题主要有：断层破碎带、软弱围岩挤出变形、涌水突泥、岩溶、有害气体、岩爆等不良地质现象，防止围岩坍塌是关键。

1 不良地质对TBM施工的影响

1.1 断层破碎带

在TBM掘进时围岩破碎易导致坍塌，造成出渣量和清渣量大幅度增加，对设备和人员安全造成威胁，增加了大量支护工作量和清渣工作量，严重的由于刀盘扭矩或推力不足导致卡机；另外由于撑靴部位坍塌无法支撑，无法为TBM前进提供反力。

1.2 软弱围岩挤出变形

围岩自身强度低，在应力重分布和水分重分布的作用下，主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、重力坍塌等不同类型。TBM掘进施工时护盾与围岩之间的间隙在应力作用下收敛变形，当TBM掘进速度低于围岩收敛变形速度会造成卡机；围岩收敛变形量超过100 mm后会发生重力坍塌，如刀盘扭矩不足会造成卡机。另外软弱围岩在水的作用下恶化会造成涌水突泥。

1.3 涌水突泥

涌水、突泥洞段最可能出现在如河谷、沟谷浅埋段、岔路河、构造发育的沟谷段、断层构造及低阻带发育的沟谷和线路穿越靠近水库段等。隧洞开挖后，即成为地下水的排泄通道，岩层中的压力水汇集于洞室周围，进一步促进了岩体内裂隙的扩张，岩溶、裂隙、断层破碎带等形成涌水通道或暗河时，会造成淹没事故，危害人员安全和洞室结构稳定。

1.4 岩溶

由于岩溶洞穴围岩节理、裂隙发育，岩石破碎或充填物松软，在施工中极易发生坍塌，危害施工安全，如遇暗河岩溶水的突然袭击，往往泥砂涌流，堵塞隧洞，给施工安全造成威胁，严重阻碍TBM正常掘进，更有甚者会使TBM设备沉陷，停滞不前，影响工期，溶洞基础处理难、易崩塌和岩溶水等给施工带来极大困难。

1.5 有害气体

岩体内空隙常含有气体，气体处于有压状态可能引起塌方事故；有毒气体如二氧化硫、一氧化碳、二氧化碳等超过一定浓度会引起爆炸或者导致人员死亡等事故。

1.6 岩爆

据国内外工程经验，高地应力是岩爆发生的基本条件之一，其最大主应力一般大于20 MPa。岩爆的发生对人员和TBM设备安全会造成很大危险。

2 不良地质条件的应对措施

施工中如遇不良地质现象，首先进行补充地质勘探，其次加强TBM设备管理，针对不良地质现象情况对TBM进行较小投资的改造，并注意TBM的养护。

2.1 断层

2.1.1 掘进原则

按“先探后掘、超前处理、紧跟加固”的原则施工。

2.1.2 掘进措施

利用地质资料、掘进参数和岩渣性状变化，以及TBM上配备的超前钻机和BEAM系统、TSP等技术手段，做好超前地质预报工作，及时调整掘进参数和准备好相应的支护手段。

对于出露护盾顶侧部位的坍塌或撑靴部位的软弱破碎或坍塌，可以降低刀盘转速和掘进速度，采取加密拱架支护、立模灌注混凝土的技术措施，使TBM稳步向前推进。

前方特别软弱破碎、TBM难以直接掘进通过的地段，可以采取超前注浆等超前处理技术方案，提前对前方地质进行处理，然后TBM再掘进通过。

对于软弱变形大的地段，可以利用TBM上的扩挖设计，加大洞径的开挖，并及早进行拱架、混凝土的封闭支护。

当掌子面的条件差时，停止TBM掘进，采用固结灌浆（化学灌浆）技术措施加固围岩和堵水后，再进行TBM掘进。

若TBM被卡，则加大掘进推力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，减少护盾与围岩间的摩擦，勉强通过后立即施作初期支护系统。若TBM无法推进，则通过护盾范围内人工扩挖后通过。

2.2 软弱围岩挤出变形

2.2.1 施工原则

①到达该地质段时，首先用扩挖刀加大开挖直径，保证TBM有较大的调整空间。

②采用三低一高一连续（低转速、低贯入度、低推力；高扭矩；连续掘进）的施工措施，减少该地质洞段停留时间，加快速度尽快通过。

③发生卡机现象，必须在最短时间内进行处理。

④使用配筋量大的重型管片，并进行固结灌浆加固。

2.2.2 脱困施工

①首先加固掌子面，确保TBM能够正常起动。

②利用TBM上配置的超前钻机或多功能钻机，进行管棚或小导管预注浆处理加固护盾和掌子面前方围岩。

③导洞开挖。从两腰线部位向前、后方开挖；从两侧底部向前方开挖；从护盾上方开挖。

④化学灌浆。可采用水泥-水玻璃灌浆或聚酯类灌浆材料等进行灌浆处理。

2.2.3 后期处理

及时对脱困段围岩进行固结灌浆处理，确保结构稳定和TBM施工的安全。

2.3 涌水突泥

在可能发生涌水、涌泥的洞段，有经验的地质工程师跟班判断再加以超前探测的方法，准确预报前方地质情况；按“早探明、预注浆、快封闭，先探后掘，堵排结合，节制排放”的原则进行施工。

当探测前方有涌水时，停止TBM掘进，采用固结灌浆技术措施加固围岩堵水后，再进行TBM掘进。

如遇大水或涌泥，首先封闭刀盘人孔，采取必要措施实现水和泥的有节制排出方可堵水，再进行TBM掘进。

2.4 溶洞

当TBM施工通过潜在岩溶发育洞段时，以预防为主，预测先行，先预报后掘进，以保证施工顺利进行；当TBM掘进进入岩溶发育地段时，为了预防因岩溶造成TBM机头下沉的事故，及时采取岩溶预报方法，并利用TBM所配备的超前钻机进行岩溶超前钻探孔，预测前方岩溶的位置、岩溶水发育程度及溶洞规模，超前钻探的深度应大于每日的掘进长度，以确保TBM掘进的安全，钻探安排在每日TBM检修时进行。

2.4.1 小型溶洞的处理措施

对于前方预测出的一些小型溶洞，如果不影响TBM施工安全，可暂不处理，在TBM掘进通过后，必须采用钢筋混凝土结构进行封堵，然后进行灌浆固结，以利于TBM施工和支护工作的顺利进行。

2.4.2 较大溶洞处理措施

TBM在掘进过程应做好超前预报和地质描述，根据地质预报情况指导生产；岩溶洞段应减小TBM掘进行程，边掘边探。如掌子面前方发现岩溶洞段，应立即停机；通过超前钻探或TBM机头上的人孔勘察溶洞的情况，准确掌握溶洞位置、规模及出水情况。

刀盘前方岩溶采用钻爆法爆破，TBM原地转动刀盘出渣；侧、底、顶岩溶必须在刀盘前部进行处理回填，并形成能够承载TBM和撑靴支撑力的混凝土结构；顶部溶洞可在TBM经过后随TBM的后期支护进行处理；对钢拱架外侧及顶拱溶洞的其它部位进行填筑骨料灌浆或填筑混凝土，将溶洞部分都用混凝土填密实，并且和钢拱架结合成整体，起到完整围岩的作用。

如果TBM侧面在处理后形不成支撑体，需要采用步进措施步进，并在TBM前方开挖始发洞室，以利于TBM的再次出发。

2.5 有害气体

在隧洞施工过程中要配备专业人员进行现场监测，在隧洞内监测到有害气体浓度低于国家剂量限值时，应缩短隧洞内施工人员的单班工作时间和总工作时间，保证施工人员年工作时间不超过1800 h，并且增强通风，保持洞内通风良好；在隧洞内监测到有害气体浓度高于国家剂量限值时，应停止施工，采取措施尽快形成巷道式通风，降低有害气体浓度到安全标准以下，制定出合理的防护方案后再进行施工。

2.6 岩爆

2.6.1 施工前措施

根据已有勘测资料，通过三维有限元分析及隧道开挖工序、工况的模拟，初步确定施工区域地应力的数量级和施工中容易出现岩爆现象的洞段，为施工中岩爆的防治提供理论依据。

2.6.2 施工中措施

施工过程中，进行必要的围岩监测，加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小，利用隧道掘进前方电监测技术，实时了解掌子面围岩状态。

（1）对应措施

a主要采取喷锚支护方式，掘进过程中进行锚杆、钢筋网施工。针对围岩具体特性选择不同支护方式（围岩较差：立即喷射混凝土，围岩崩塌范围较大：选择钢拱架加强支护）。

b对于可能发生岩爆洞段和轻微岩爆段保证TBM快速施工是关键。

采取临时支护和永久支护相结合的方式，临时支护要施工速度快，能够迅速锚固围岩；采用纳米材料混凝土或钢纤维、仿纤维混凝土，凝固速度快、强度高能够快速封闭和加固围岩；采用柔性防护网代替传统的钢筋网，能有效地避免岩爆落石。

若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破，或向孔内压水，以避免应力集中现象的出现；TBM掘进过程中采用“短进尺、紧支护”，尽可能缩短岩石裸露时间，减小局部应力集中发生的可能性；在岩爆地段的开挖进尺严格控制在2.5m以内。

（2）施工防护措施

给主要的施工设备增设临时防护设施，给施工人员配发钢盔、防弹背心等。利用防护网、尼龙网等防护物拦挡岩爆飞石。

岩爆非常剧烈时，应在危险距离范围以外躲避一段时间，等待围岩应力释放，直至岩爆平静为止。之后，应加强巡回撬顶，及时清除爆裂的危石。

2.6.3 施工监测

施工中加强围岩、支护结构和洞拱顶下沉监测工作，定量化地预测滞后发生的深部冲击型岩爆，用于指导开挖和支护的施工，确保安全。

2.6.4 滞后岩爆

如发生超前处理不到位，强烈或极强烈岩爆在TBM开挖完成后，在刀盘支撑护盾侧顶发生，导致刀盘和刀盘支撑体被卡，发生卡机事件。

通过人工撬挖使刀盘转动，然后通过超前钻机对护盾顶部、两侧进行探测。如岩爆规模和范围较小，可采用超前自钻式锚杆超前支护，随后人工翘挖松动围岩，然后启动TBM强行通过；如岩爆规模和范围较大，可采用超前小导管支护，然后进行水泥灌浆，灌浆完成48h后，开始人工松动TBM刀盘和刀盘支撑围岩，然后启动TBM前进，如仍存在类似情况，不可贸然前进，应边支护边前进，防止TBM处于危险境地。

2.6.5 岩石初次出露就因岩爆而发生坍塌

人工撬挖危岩，及时对护盾前方进行超前自钻式锚杆/小导管支护/超前管棚支护，并进行水泥灌浆。管片衬砌后应及时回填豆砾石，防止岩爆直接冲击管片引起结构损坏。