TBM 施工隧洞中超前地质预报的应用研究

2020-02-16包广昌

设备管理与维修 2020年8期

包广昌

（中铁十九局集团第一工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

在TBM 施工隧洞超前地质预报方案中，有效运用钻探法和现代物探法等相关技术，对隧洞范围内的地质条件进行有效勘查和分析。通过对施工阶段的隧洞围岩条件、地质状况展开分析和研究，从整个围岩条件的性质状态以及地下水等相关地质信息进行有效分析和探索。基于敞开式TBM 施工中，对超前地质预报破碎段的围岩条件进行考察和分析，有效确定了施工区域范围内地下水的具体活动状况，以及周围岩石结构的整体变化条件。

1 工程概况

朱溪水库工程施工过程中，输水隧洞的进口位置位于进口事故检修闸后方，出口在长潭水库的南侧，桩号为K2+000.000 m～K22+501.019 m。施工中使用TBM 和钻爆法。TBM 法施工段的长度为15.718 km，开挖的洞口直径为4.0 m。TBM 计划在2019 年1 月20 日前，完成厂内相应的组装调试工作以及相关设备验收工作，并且依照工程的实际施工要求提供相应运输工作条件。2019 年3 月27 日，正式开始现场组装，对施工设备进行了有效组装和调试，5 月25 日，正式开始TBM 试掘进工作。

2 TBM 施工隧洞施工要点

在TBM 施工过程中，其中重要的施工环节是掘进施工。TBM 在掘进速率以及掘进作业时间上需要进行有效控制，这也是TBM 快速掘进需要重点关注的控制指标。通过该工程施工要点的合理控制，有效提高了TBM 工程的施工安全性和效率。在掘进技术应用过程中，主要是对不同的隧洞围岩条件进行有效控制，同时对TBM 掘进工作参数进行有效分配，保证隧洞支护结构的安全性和稳定性。在施工过程中需要及时进行跟进作业，充分保证岩石条件的安全性和稳定性，尤其是针对隧洞周围的软弱围岩条件，需要充分重视。

3 TBM 掘进作业流程和方法

3.1 TBM 掘进作业流程

本次测试工作中，选用TBM-SGP 隧道地质超前预报系统，该系统在工作过程中，主要是通过多波多分量、高分辨率的地震反射法来进行预报操作。有效运用锚杆钻机来激发产生地震波，地震波在发射过程中遇到周围的岩石结构条件会受到一定的阻抗差异。例如，在面对一些断层结构、岩石破碎带以及粘性变化地带等，地震波信号一部分会受到不同地质条件的影响直接被反射回来，然后通过后方的检波器进行接收。同时还存在一部分地震波信号，通过透射直接进入到更深层次的介质中，所反射出的地震信号被灵敏度较高的地震检波器接收。通过分析不同信号数据，使用TBM-SGP 软件进行信号处理，因此可以充分了解到隧道工作面存在的各种地质条件，以及其中一些软弱带破碎带断层结构等不良地质结构。

在TBM 施工过程中，主要分为隧洞掘进、隧洞支护，以及隧洞出渣等3 个重要工作环节，其中还包含一些隧洞的轨道延伸、隧洞通风、供电、供水等辅助作业环节。在实际工作过程中，必须要以掘进工作作为核心要点，保证掘进工作的安全性和稳定性。在掘进作业开展的同时，相关施工人员需要通过锚杆和混凝土喷射等方法，对隧洞周围结构进行有效支护和处理，保证隧洞整体的通风供电供水以及运输轨道铺设等作业同时进行，有效防止隧洞出现不良的施工延误问题，提高整个隧洞施工的质量和效率。针对软弱围岩区域地段需要依照实际的工作状况，同时或停机进行钢拱架的安装和施工操作，对于不良区域位置需要进行超前地质探测，有效处理不良地质条件。

3.2 TBM 掘进模式和掘进参数

TBM 掘进工作模式设置自动控制模式以及手动控制模式，自动控制模式中又分为推力控制模式和扭矩控制模式。当隧洞周围的岩石条件均匀并且质地良好的情况下，可以通过自动掘进控制的方法来进行掘进操作，而对于隧洞周围研究条件比较坚硬的环境，可以使用推力控制方法来进行掘进操作，有效提高掘进机的工作力度。各种不同类型的围岩结构，都可以采取手动控制的方法来进行操控，尤其是针对不均匀的软弱地质结构，需要采取不同的掘进工作参数来加以匹配，以此达到更加安全和高效化的掘进施工。在TBM 掘进施工中需要对掘进工作的相关工作参数进行有效调整，对掘进过程中的刀盘旋转速度、刀盘推进速率以及刀盘电流等相关参数进行有效监测，以此保证掘进工作的高质量进行。

4 TBM 施工超前地质预报及不良地质段施工

4.1 TBM 施工地质超前探测

要有效保证TBM 掘进施工的安全性和稳定性，在实际施工过程中需要对施工区域内存在的不良地质条件进行地质超前探测工作，以此保证整个掘进工作的安全性和稳定性。通过地质超前探测技术的有效应用，可以获得更加准确的地质条件资料信息，有效做好长期和短期的超前地质预报工作，在实际施工过程中为地质灾害的预防工作打下良好基础。在长期地质超前预报工作中，采用的技术方法为TBM-SGP 探测技术，该项技术的应用主要是通过专业的工作人员进行操作。

在隧洞施工过程中，通过人工操作的方法制造出一系列具有规则排列的轻微振动源，振动源产生的地震波，在遇到不同地质条件情况下，会产生相应反射波，反射波的传播速率延迟时间、波形大小以及延迟强度等相关信息都和地质条件的性质有着密切关联。相关检测工作人员可以依照不同的地形波形条件，计算出对应的地质条件数据。通过探测设备的地震波反射波的数据分析和统计，将收集到的地质条件参数进行储存和应用，为后续隧洞开挖工作打下良好基础。将收集到的实时性数据信息直接输入到电脑终端系统，通过系统内部的数据处理和计算后，最终会生成相应的地质条件能量反射图像以及隧洞平面解剖图。通过该图像的生成可以为专业工作人员提供出良好的工作参考。该设备在实际应用过程中，主要是针对超前预报隧洞存在的不良地质条件来进行有效分析，并且对隧洞所处的位置、规模大小等进行有效判断，可以有效探测出距离探测面100 m 区域范围内的地质构成状况，最高分辨率可以达到1 m 地质条件。

4.2 掌子面地质测绘与地质作图

对于短期的超前地质探测和预报工作，在实际工作过程中，可以通过地质素描法对隧洞周围的地质条件构成状况进行合理判断。在每一个循环工作完成后，需要通过相关地质勘测工作人员，对隧洞周围的岩石不同条件、岩石层数以及断层出水状况等进行信息收集和图像素描。然后依照自身长期工作经验，对地质条件的分布规律进行有效分析和总结，依照不同的地质条件构成状况，对地质素描信息进行有效分析和推断。以此可以从初步条件下判断出围岩结构的具体类型，然后上报到工程师手中进行审批，制定出相应的隧洞工程施工方案。在隧洞掘进施工过程中如果出现不良地质环境，如破碎地带、溶洞地带、暗河以及软弱地基等，在明确发现之前，通常隧洞周围并不会出现具体预兆，而当这些预兆已经出现时，基本上已经处于不良地质环境中。因此，针对不良地质条件的判断，需要通过前兆预测法来加以开展，对不同的不良地质条件进行有效分析和判断，以此为后续隧洞工程施工打下良好基础。

4.3 超前钻探技术应用

超前钻探技术在实际应用过程中，依照宏观环境下的预报和长期的超前地质勘测工作报告结果作为基础，通过对断层到破碎带和软弱地层结构带地质条件分析，尤其是针对富水带区域，经常会产生不良的地质空洞情况。因此，需要通过超前钻探技术加以开展。该项工作技术在开展过程中，需要施工单位向工程师正式提出相应的工作申请，并且经过审批工作之后才可以开展后续工程。

超前地质勘测钻孔的位置、方向以及长度方面，必须要做到科学和准确有效应用TBM 系统，配备超前钻探设备来加以控制。通常情况下在超前钻探工作中，需要在其中设置出直径不小于65 mm 的钻孔，并且超前钻孔深度为15～20 m。对于其中存在的一些复杂地质条件，通常情况下需要使用水平钻探法作为主要施工方法，在隧洞中通过设置出1～3 个钻孔，对富水区域进行有效处理。在掌子面底部和巩固区域各设置出两个相同钻孔，同时在周围区域设置出4 个不同钻孔，在钻孔的设置角度上需要保证具有一定倾斜度。

4.4 不良隧洞地质勘测

对于不良的隧洞地质结构，在实际施工过程中，需要依照钻孔中的岩石碎屑和矿物质等相关构成成分进行有效判断和分析，从中可以判断出不良的地质特性以及地质条件的构成状况。依照隧洞工程整体的钻进速率，判断出不良地质条件的整体发展规模，在一些存在挤压形变的地质条件下，需要通过超前地质钻孔取样的分析方法加以开展。有效判断地质条件的力学信息、岩石结构的膨胀程度以及岩石结构的制定处理方案。对于富水区域，相关工作人员需要依照地下水的构成特点以及含水量大小，有效判断和分析所收集的参数变化状况，综合判断前方工程地质条件和水文地质条件结构，对富水带的地质性质、地质类型以及地质规模进行有效判断。