论文部分内容阅读
摘 要：在TBM掘进过程中会经常遇到各种破碎带及不良地质条件。不良地质条件会造成TBM卡机、无法支撑等问题，严重制约了施工进度。本文结合辽西北工程施工实践经验，阐述了TBM通过不良地质条件的技术措施。
关键词：不良地质条件 卡机 TBM
中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0042-02
1 不良地质条件
在掘进机掘进施工中，可能会遇到的不良地质主要有裂隙和断层、极软岩或不稳定围岩、地下水洞、岩爆等。提前预防并合理处置是提高TBM掘进效率的关键。
2 TBM通过不良地质段的主要技术措施
TBM在通过不良地质段应提前准确预测，提前采取防范措施，防护是确保快速、安全掘进的关键环节。同时优化掘进参数，从而减少或避免塌方的發生。
2.1 软岩或不稳定围岩的处理措施
如遇到泥质粉砂岩、泥岩等类地层，由于该类地层以泥质胶结为主且胶结程度差，存在遇水崩解或膨胀的现象，当掘进时，有可能将掘进机紧紧抱住，出现卡机现象。在该地层掘进应选择快速通过，相对于护盾型（双护盾机、单护盾）TBM而言，应根据地质预报明确掘进机所处地层应力变形模量（单位时间内洞型变化量）。在预知工程所处地质存在塑性变形洞段，在TBM设计时应考虑刀盘开挖直径与各盾体直径预留倒阶梯型变化余量，并从分考虑在TBM快速通过时，岩石的塑性变化到最大，时间与盾体长度之间的关系。相对于开敞式TBM而言，由于盾体的特殊，其盾体为浮动直径可变化形式，再加盾体较短卡机/压机几率极小。发生卡机多为大块岩石跌落对刀盘的卡死现象，此类卡机一般比较容易处理。
2.2 断层破碎带的处理措施
TBM在隧洞的挖掘过程中，掌子面围岩被破碎之后无法自稳而出现坍塌，进而大量的石块、石渣就会夹杂着泥水涌入TBM的刀盘内，这时设备皮带机的出渣量就会突然增加，刀盘扭矩和电机的电流急剧增加，最终导致刀盘无法转动；围岩软硬不均，刀盘旋转时易产生震动，影响刀具的使用寿命，造成滚刀密封漏油，轴承损坏等问题；开挖面及边墙坍塌，撑靴支撑不稳，受力不均，易损坏掘进机支撑结构；围岩软硬不匀，造成接地比压变化较大，可能会引起TBM机体的不均匀下沉，掘进方向难以控制。
遇到该类地层应在随机掘进时，随时观察主机胶带机出渣口岩渣的粒度、品质、含水量，同时观察推进速度、压力、电机功率，可以对现有开挖的掌子面做出判断。对地质资料中预测的破碎带、断层、软地质，在必要时，可用超前钻进行掘进机头部100m范围内的取样预测。敞开式掘进机的超前钻直接放置在掘进机头部的顶护盾下的主梁上，以<4°的角度向掘进机头部前方钻进获取岩芯。
如掘进后岩石出现小面积塌落应该第一时间采用合理支护措施，撑靴以上部位挂钢筋网、打系统锚杆，视情况架立拱架，拱架之间打入长锚杆，必要时手动喷混凝土及时封闭岩面。
如遇到大规模的岩石塌落现象需第一时间利用手动喷混凝土系统向坍塌处喷射混凝土，及时封闭围岩，减少岩石暴露时间。安装全圆钢拱架，间距0.8～2.0m。拱架安装前先在撑靴以上部位挂钢筋网。撑靴处坍塌较严重部位，为防止坍塌继续发展，保证后部支撑靴的顺利通过，在钢拱架背面立模板浇灌C30细石混凝土与坍塌处围岩构成封闭的受力整体。
大规模岩石破碎带的超前处理非常重要，可以减少不必要的支护耗时，利用超前钻机预注浆加固处理岩层方案。由于原装的围岩（膨胀泥岩）的可灌性差，主要用于对松散围岩的固结，确保主机周边围岩的稳定。一般采用聚氨酯类灌浆材料。该材料由A、B两组份组成，施用配比为固定体积比1∶1。
2.3 涌水地段施工
突发性涌水将会对TBM的掘进造成很大的影响，甚至是灾难性的事故。例如：对人员生命安全、电气系统、液压体系的破坏性损坏。严重影响TBM的正常掘进，例如：皮带机出渣等。
对于涌水处理主要有疏导和封堵两种处理措施，如水量不大，利用TBM前面的钻机打排水孔排水，在做好排水系统的情况下，TBM继续掘进；如水量较大，岩石破碎不具备排水条件时，则要通过注浆堵水等处理后再掘进，否则涌水可能会造成工作面及侧壁坍塌；遇到裂隙发育、漏水量大的破碎带，并且破碎带含承压水层，岩石的导水性及富水性较好，可采用排堵结合的施工方法，若断层规模较大，通过钻孔排水和降低水压力相当困难，可采用侧向坑法，在尾盾后方适当位置处凿开一个弧形导洞，高度为1.2m，根据现场实际情况，及时采用16#工字钢进行支护，支护间距为1.0m。为了防止已经开挖好的洞室上部围岩坍塌影响施工，在工字钢之间接触岩石围岩面用20mm厚度木板作为挡板，为导洞的开挖创造良好的条件。
预防突发涌水，应在隧洞设计前期所获得的水汶地质资料，预估判断涌水量的大小尽量设计TBM掘进方向为逆坡方向（即由低到高），这样遇到涌水大部分水能够自流到洞外，或集中排污水泵站。应根据水文地质资料给出的涌水参考数据，TBM设计时相应增加配置足够的具有自吸功能的高性能排污水泵（即排污水系统），流量应在涌水量的2～3倍。
2.4 岩爆段施工
经验总结，发生岩爆一般都在24h之内。存在岩爆的区域无水，而且岩石节理不发育，地应力较大。
在TBM掘进过后，紧接护盾露出岩面及时洒水降温、岩层及时吸水、能够缓解地应力。及时支护钢拱架利用锚杆钻机打孔，并用锚杆加固岩层（锚杆最好利用水涨锚杆）锚杆间距按1～1.2m布置，同时加钢筋网的防止岩石弹落伤害人员和设备。在中等岩爆地段，为防止岩石碎块弹射和提高结构整体支护作用，可在锚杆钢筋网、槽钢拱架支护基础上，人工喷射混凝土约5cm厚，基本上可以控制岩爆的发展。
为了预防岩爆的发生，要先进行超前地质预测、预报；在隧道顶部区域30°范围内打孔，打孔深度控制在0.5～1m，孔密度应在0.5m×0.5m在掌子面上喷洒高压水，在围岩和拱线上打注水孔，降低岩石的强度及弹性模量，加快围岩应力释放；对开挖的洞壁及时加固，并在掌子面前上方进行超前锚固等。
3 结语
对于深埋长距离引水隧洞，其地应力较大、围岩地质条件复杂，如何应对不良地质地段是TBM施工中的关键环节。通过不断地总结和归纳，提出更为有效的处理不良地质段的措施，对长距离深埋引水隧道工程具有重大的工程意义和经济价值。
参考文献
[1] 宋天田，肖正学，苏华友，等.上公山TBM施工2.22卡机事故工程地质分析[J].岩石力学与工程学报，2004（Z1）：4544-4546.
[2] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.
[3] 李建斌，陈馈.双护盾TBM的技术特点及工程应用[J].建筑机械化，2006（3）：47-50.
[4] 刘波.全断面双护盾掘进机在引黄工程断层破碎带的卡机处理[J].山西水利科技，2006，5（2）：13-14.
关键词：不良地质条件 卡机 TBM
中图分类号：U455.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0042-02
1 不良地质条件
在掘进机掘进施工中，可能会遇到的不良地质主要有裂隙和断层、极软岩或不稳定围岩、地下水洞、岩爆等。提前预防并合理处置是提高TBM掘进效率的关键。
2 TBM通过不良地质段的主要技术措施
TBM在通过不良地质段应提前准确预测，提前采取防范措施，防护是确保快速、安全掘进的关键环节。同时优化掘进参数，从而减少或避免塌方的發生。
2.1 软岩或不稳定围岩的处理措施
如遇到泥质粉砂岩、泥岩等类地层，由于该类地层以泥质胶结为主且胶结程度差，存在遇水崩解或膨胀的现象，当掘进时，有可能将掘进机紧紧抱住，出现卡机现象。在该地层掘进应选择快速通过，相对于护盾型（双护盾机、单护盾）TBM而言，应根据地质预报明确掘进机所处地层应力变形模量（单位时间内洞型变化量）。在预知工程所处地质存在塑性变形洞段，在TBM设计时应考虑刀盘开挖直径与各盾体直径预留倒阶梯型变化余量，并从分考虑在TBM快速通过时，岩石的塑性变化到最大，时间与盾体长度之间的关系。相对于开敞式TBM而言，由于盾体的特殊，其盾体为浮动直径可变化形式，再加盾体较短卡机/压机几率极小。发生卡机多为大块岩石跌落对刀盘的卡死现象，此类卡机一般比较容易处理。
2.2 断层破碎带的处理措施
TBM在隧洞的挖掘过程中，掌子面围岩被破碎之后无法自稳而出现坍塌，进而大量的石块、石渣就会夹杂着泥水涌入TBM的刀盘内，这时设备皮带机的出渣量就会突然增加，刀盘扭矩和电机的电流急剧增加，最终导致刀盘无法转动；围岩软硬不均，刀盘旋转时易产生震动，影响刀具的使用寿命，造成滚刀密封漏油，轴承损坏等问题；开挖面及边墙坍塌，撑靴支撑不稳，受力不均，易损坏掘进机支撑结构；围岩软硬不匀，造成接地比压变化较大，可能会引起TBM机体的不均匀下沉，掘进方向难以控制。
遇到该类地层应在随机掘进时，随时观察主机胶带机出渣口岩渣的粒度、品质、含水量，同时观察推进速度、压力、电机功率，可以对现有开挖的掌子面做出判断。对地质资料中预测的破碎带、断层、软地质，在必要时，可用超前钻进行掘进机头部100m范围内的取样预测。敞开式掘进机的超前钻直接放置在掘进机头部的顶护盾下的主梁上，以<4°的角度向掘进机头部前方钻进获取岩芯。
如掘进后岩石出现小面积塌落应该第一时间采用合理支护措施，撑靴以上部位挂钢筋网、打系统锚杆，视情况架立拱架，拱架之间打入长锚杆，必要时手动喷混凝土及时封闭岩面。
如遇到大规模的岩石塌落现象需第一时间利用手动喷混凝土系统向坍塌处喷射混凝土，及时封闭围岩，减少岩石暴露时间。安装全圆钢拱架，间距0.8～2.0m。拱架安装前先在撑靴以上部位挂钢筋网。撑靴处坍塌较严重部位，为防止坍塌继续发展，保证后部支撑靴的顺利通过，在钢拱架背面立模板浇灌C30细石混凝土与坍塌处围岩构成封闭的受力整体。
大规模岩石破碎带的超前处理非常重要，可以减少不必要的支护耗时，利用超前钻机预注浆加固处理岩层方案。由于原装的围岩（膨胀泥岩）的可灌性差，主要用于对松散围岩的固结，确保主机周边围岩的稳定。一般采用聚氨酯类灌浆材料。该材料由A、B两组份组成，施用配比为固定体积比1∶1。
2.3 涌水地段施工
突发性涌水将会对TBM的掘进造成很大的影响，甚至是灾难性的事故。例如：对人员生命安全、电气系统、液压体系的破坏性损坏。严重影响TBM的正常掘进，例如：皮带机出渣等。
对于涌水处理主要有疏导和封堵两种处理措施，如水量不大，利用TBM前面的钻机打排水孔排水，在做好排水系统的情况下，TBM继续掘进；如水量较大，岩石破碎不具备排水条件时，则要通过注浆堵水等处理后再掘进，否则涌水可能会造成工作面及侧壁坍塌；遇到裂隙发育、漏水量大的破碎带，并且破碎带含承压水层，岩石的导水性及富水性较好，可采用排堵结合的施工方法，若断层规模较大，通过钻孔排水和降低水压力相当困难，可采用侧向坑法，在尾盾后方适当位置处凿开一个弧形导洞，高度为1.2m，根据现场实际情况，及时采用16#工字钢进行支护，支护间距为1.0m。为了防止已经开挖好的洞室上部围岩坍塌影响施工，在工字钢之间接触岩石围岩面用20mm厚度木板作为挡板，为导洞的开挖创造良好的条件。
预防突发涌水，应在隧洞设计前期所获得的水汶地质资料，预估判断涌水量的大小尽量设计TBM掘进方向为逆坡方向（即由低到高），这样遇到涌水大部分水能够自流到洞外，或集中排污水泵站。应根据水文地质资料给出的涌水参考数据，TBM设计时相应增加配置足够的具有自吸功能的高性能排污水泵（即排污水系统），流量应在涌水量的2～3倍。
2.4 岩爆段施工
经验总结，发生岩爆一般都在24h之内。存在岩爆的区域无水，而且岩石节理不发育，地应力较大。
在TBM掘进过后，紧接护盾露出岩面及时洒水降温、岩层及时吸水、能够缓解地应力。及时支护钢拱架利用锚杆钻机打孔，并用锚杆加固岩层（锚杆最好利用水涨锚杆）锚杆间距按1～1.2m布置，同时加钢筋网的防止岩石弹落伤害人员和设备。在中等岩爆地段，为防止岩石碎块弹射和提高结构整体支护作用，可在锚杆钢筋网、槽钢拱架支护基础上，人工喷射混凝土约5cm厚，基本上可以控制岩爆的发展。
为了预防岩爆的发生，要先进行超前地质预测、预报；在隧道顶部区域30°范围内打孔，打孔深度控制在0.5～1m，孔密度应在0.5m×0.5m在掌子面上喷洒高压水，在围岩和拱线上打注水孔，降低岩石的强度及弹性模量，加快围岩应力释放；对开挖的洞壁及时加固，并在掌子面前上方进行超前锚固等。
3 结语
对于深埋长距离引水隧洞，其地应力较大、围岩地质条件复杂，如何应对不良地质地段是TBM施工中的关键环节。通过不断地总结和归纳，提出更为有效的处理不良地质段的措施，对长距离深埋引水隧道工程具有重大的工程意义和经济价值。
参考文献
[1] 宋天田，肖正学，苏华友，等.上公山TBM施工2.22卡机事故工程地质分析[J].岩石力学与工程学报，2004（Z1）：4544-4546.
[2] 王梦恕.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010.
[3] 李建斌，陈馈.双护盾TBM的技术特点及工程应用[J].建筑机械化，2006（3）：47-50.
[4] 刘波.全断面双护盾掘进机在引黄工程断层破碎带的卡机处理[J].山西水利科技，2006，5（2）：13-14.