硬岩隧洞采用TBM施工的难点及处理办法

谢天智

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）

硬岩隧洞采用TBM施工的难点及处理办法

谢天智

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐830000）

随着隧道工程施工技术的发展和进步，TBM掘进方式成为隧洞开挖中最先进、应用最广泛的技术，常见于能源、交通、水利等项目的地下施工建设。由于TBM施工在不同地质条件下的适应性受到限制，使得隧洞施工更加复杂。本文通过对TBM隧洞掘进技术的介绍，着重探讨了在工程建设中遇到的施工难点，提出了针对性的解决措施，以期为相关从业人员提供理论研究依据，提高隧洞施工质量。

隧洞施工；TBM；难点分析

1TBM基本介绍

隧洞掘进机TBM（Tunne1BoringMachine）虽在国内外工程建设项目的地下施工中得到了广泛应用，但由于地质条件的限制，在施工中往往会遇到突发性的施工问题，在地质条件复杂、施工技术要求越来越严格的现代工程建设中，TBM施工中的问题不仅会导致严重的工程事故，还会造成较大的经济损失，从一定程度上阻碍了工程建设的发展。因此对TBM掘进技术在实际施工应用中的问题加以探讨和分析已迫在眉睫，针对施工难点提出可靠的解决措施对隧洞工程建设具有重要的现实意义。

TBM已有一百多年的发展历史，在漫长的技术演变过程中，TBM施工技术逐渐稳定成熟，在国内外的建设施工中均得到了广泛的推广和应用［1］。TBM是一种先进的隧洞机械化施工设备，设备整体长度达200多米，主要由主机和后配套设备构成。TBM在隧洞施工中的应用为实现建设者的梦想提供了契机，使隧洞施工快速走向机械化和标准化道路，简化了施工程序，实现了流水线作业，因此它在国内外被称为“移动式掘进工厂”。

TBM的不足之处在于对实际施工中地质条件的适应能力不强，投资较大，施工团队中需要有高水平高素质的技术人员。采用TBM掘进技术已成为隧洞开挖的发展趋势，一般情况下，隧洞长度在6km以上可优先采用TBM掘进技术。

2大埋深隧道

2.1大埋深隧道围岩结构分析

所谓隧道埋深，是指隧道开挖断面的顶部到自然地面的垂直间距。隧道埋深超过100m的称为大埋深隧道，在TBM隧道施工中，由于施工环境和地壳形变等一系列不确定因素，导致掘进工作不能顺利进行，针对这一问题，需对隧道围岩结构进行分析。

对于深埋隧道而言，围岩大多是新鲜岩体或卸荷范围内的弱风化岩体，初始应力场取决于自重应力场和构造应力场。对于硬岩来讲，围岩在开挖卸荷过程中主要表现为岩爆和变形，如果支护工作中缺乏严格的技术要求，例如支护不合理或支护不及时，围岩的渐进性能导致开挖断面增大，还导致施工中大岩块脱落。对于岩爆，开挖将使隧道周围应力重新分布，给施工带来一定的困难，必须在施工中解决岩爆和围岩变形问题。

2.2大埋深隧道的处理方式

针对大埋深隧道的施工，近代工程建设中提出了利用安全高效的双护盾TBM施工，人员和设备在护盾的保护下工作，安全性较高，双护盾TBM在掘进和出渣作业中，保持较高的连续性，实现了安全高效施工，对大埋深隧道有较强的适应性。

对深埋隧道而言，地质围岩的复杂特性使得在掘进过程中围岩应力较为集中，围岩岩体会受到一定程度的破坏。而利用双护盾TBM掘进时，因其圆顺的掌子面可以大大降低岩体的损伤，对围岩形态起到了保护作用，应力不易集中，从一定程度上解决了隧道埋深大的施工难题。对岩爆地段，因TBM刀盘设置有喷水装置，利用超前钻机钻孔，在施工过程中喷水湿化，对掌子面岩石起到很好的软化作用，使得应力提前释放。同时通过管片的合理安装，在砾石回填和水泥浆灌注后，TBM可以快速支护并顺利通过岩爆地带。

3高原地热问题

高原地热条件会对隧道施工产生较大的危害，危害作业人员和机械设备健康安全之外，阻碍了生产效率的提高，严重时不得不停工，机械设备工作条件不断恶化，TBM故障增多，必须在隧洞施工中对地热问题更加重视。

3.1地热对隧道施工的主要影响

隧道施工中，地热对施工人员和施工机械都有较大程度的影响，主要包括以下几种。

（1）施工人员在长时间地热环境中工作，会出现头晕、呕吐等症状。

（2）施工机械工作温度升高，散热困难的问题出现，机械故障率升高，测量仪器精准度下降，砂浆锚杆强度降低。

（3）部分围岩地带出现潮解，遇水后粉末化，岩面上喷筑的混凝土很难凝结。

（4）工程中使用的部分工程炸药膨胀，部分导爆管出现软化失去弹性。

3.2高地热问题的解决措施

3.2.1降温措施

可以采用注入冷水的方式降低洞内热量，某些复杂条件下，在地热隧道的施工过程中，需要修建合适的辅助坑道，考虑顺坡横洞，避免延长施工周期，另外可以借助水泵将冷水抽到洞中，洞内热水进行热交换后排出隧道外，以降低洞内热水温度。

采用冷水降温的同时，必须及时关注TBM的运行状况，及时对洞内环境进行监测，主要包括温度变化、湿度变化，降温措施应与TBM掘进同步进行，避免地热降低后施工没有跟上进度，造成极大的浪费。对于洞内出现的热水，应以堵为主，以排为辅。冷水降温的同时可以采用通风或隔热的方式，以改善洞内的湿热条件，在热害问题不太严重的工程中尤为适用，也最为经济。

3.2.2支护措施

针对地下水较多且洞段集中的区域可以利用灌浆拦截地下水，若围岩自稳能力差，必须采取有效的支护措施，保证开挖期间围岩的稳定性不会受到影响。支护中一般采用隧道衬砌，施工中随时关注洞内温度，确保TBM的正常运行，以施工期和运营期的综合要求为基准选择衬砌形式。

隧洞穿越断层，地下含有较高热量的水喷出导致洞内温度升高。必须在掌子面推进时安排超前勘探，为了避免在开挖过程中出现塌方、涌水等问题，必须根据掌子面的具体地质条件采取合理的防范措施。

4软岩的大变形问题

软土围岩简称软岩，若此部分产生变形，隧道内部结构在收敛过程中将导致混凝土管片发生不同程度的变形和破损，严重时导致TBM机械卡死，降低了施工效率。

4.1软岩大变形的特征

大变形问题一般出现在变质岩、破碎断层、煤系地层等低强度围岩中，常见的岩石类型有板岩、蛇纹岩、砂页岩、千枚岩、泥灰岩等。

变形问题一旦发生，将以快速、大量的形式进行，变形速率达到10cm/min～5m/min。软岩地带的大变形问题有较大的危害，严重阻碍了TBM的正常掘进，严重时发生卡机现象，增加了设备的故障机率。

4.2软岩大变形的形成机制

随着软岩大变形问题的频频发生，此类问题已引起了相关人士的广泛关注，ISRM（国际岩石力学学会）成立了专门的工作小组，对大变形问题进行了研究。从破坏形式和形成机理方面来划分，大变形的形成机制主要分为下列2种。

（1）塑性挤压大变形，主要是由于开挖后形成的围岩应力在重分布后使强度高于软岩的自身强度。

（2）岩体体积膨胀大变形，主要是由于矿物与水发生反应后膨胀造成。常见的矿物有高岭土、绿泥石、蒙脱石、含石膏和芒硝的盐类矿物。

4.3TBM施工过程中大变形问题的解决办法

软岩大变形将给隧道施工带来严重的危害，必须在施工中引起足够的重视。TBM在软岩地层中掘进，可以采取如下防治措施。

（1）当TBM通过膨胀性围岩地段时，必须根据施工特点做好隧道防水防渗工作，在施工中及时关注洞内衬砌管片接缝宽度和止水带的安装质量，避免施工用水渗漏后导致围岩软化、坍塌。

（2）对于大多数TBM而言，在掘进过程中可以适当扩挖，一般情况下盾壳与开挖面的间隙是6～10cm，考虑到围岩变形，必须给变形留有足够的空间，一般将间隙调整到15～20cm。

（3）针对护盾式TBM而言，在解决软岩大变形的过程中应秉持2个原则。①在掘进过程中，控制掘进速度，保证快速通过软岩地带，避免给易变性区域造成更大的压力冲击；②软岩地带极易造成卡机，针对此种状况，应合理设置TBM掘进力度，在卡机洞段采用大推力通过。

5隧道突涌水问题

施工区域的地下水位线高于隧洞时，地下水会以较高的压力喷出，形成大涌水现象，对围岩强度和稳定性造成不同程度的影响，恶化围岩的地质条件，降低了TBM的掘进效率。隧道掘进过程中，必然会不同程度地对含水围岩造成破坏，暴露出部分导水通道，在这种情况下，地下水、地下暗河、地表水、溶洞水等就会突然涌入，出现涌水突水灾害。隧道涌水主要是从掌子面结构的空隙中涌出，给施工带来较大的影响，当隧洞开挖突破隔水层，掌子面含水层高压水涌出埋没隧洞则称为突水。若突水或涌水中含有较多的固体物质，则称为突泥灾害。

5.1突涌水对隧道施工的影响

纵观各种隧道施工工程，突涌水在施工中是难以避免的，且突涌水具有水量大、压力高、突发性强的特点，严重影响围岩的稳定度，严重时会淹没隧洞，给施工人员和施工设备的安全带来极大的威胁。TBM掘进过程中，受到突涌水的主要危害概括如下。

（1）在水压的作用下，隧洞工作面发生坍塌，TBM刀盘的旋转力矩加大，机械掘进效率降低。

（2）给管片衬砌安装带来困难，支护作业受到严重影响，可能导致洞壁坍塌，降低撑靴反力，降低TBM的推进效率。

（3）大量涌水可能淹没施工设备，危及工作人员的安全。

5.2施工过程中的突涌水防治

结合国内的技术和施工特点，主要以引排和封堵为主要思路，防治突涌水的主要措施如下。

（1）及时做好地下水的探测工作，掘进前先探测出水量、水压、水位等资料。针对低水量、低水压的施工环境，可在实行排水预防措施后继续开动TBM掘进；针对高水量、高水压的施工环境，在施工前必须利用注浆法做好可靠的堵水措施，避免掌子面或洞壁坍塌。

（2）对于掘进过程中的突涌水，可以按照涌水量的大小进行分类处理。若涌水量较小，可以借助TBM本身的排水系统将涌水排出后即可掘进；若涌水量较大，可以在整体掘进系统中加设排水设备，增强排水能力，也可以利用注浆法封堵涌水。

（3）掘进过程中，及时排出工作面涌水，结合施工特点安装好管片。

（4）针对熔岩或断层地带，TBM掘进过程中更需要及时检测涌水量，避免较大程度的涌水事故。

6结语

TBM在隧洞掘进中的应用，实现了计算机技术、信息技术、自动化技术的有机结合，在TBM的应用中，需要将其与实际施工环境和施工特点相结合，结合施工中出现的各种难题采取具有针对性的措施，提高施工质量，以推进现代化建设的进程。

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U455.44，TV554+.2

B

1008-1305（2016）03-0108-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.041

2016-04-02

谢天智（1983年—），男，工程师。