不良地质洞段TBM施工方法

由于TBM设备庞大，对地质条件适应性没有钻爆法那样灵活,在没有预警的情况下遇到不良地质条件时，TBM掘进受到的影响远大于钻爆法开挖,往往导致掘进速度缓慢、效率低下以及工期拖延。如果处理不当，甚至会带来灾难性的后果。要根据TMB自身特点和工程地质条件采取相应的施工步骤及处理措施,以保证安全、顺利地通过不良地质地段。

1、超前地质探测

根据前期勘探以及几个辅助洞的开挖分析表明，隧洞工程区存在地下水、高地应力和岩爆、有害气体、断层破碎带等不良地质问题,特别是涌水是引水隧洞的主要地质问题。TBM施工是一种机械化程度很高的全断面施工技术，若在施工中突遇地质灾害,在无支护之前产生大量塌方、涌水、掉块，使机器被埋、被淹、被卡,将会出现进退两难、难以处理的局面。为避免事故的发生，除提高勘察精度外，在隧道施工过程中，运用各种先进技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确地预测,可以提前采取预防措施，避免灾害的发生，保证隧道施工的安全。

超前地质预报是勘测设计阶段工程地质工作的延续，结合实际地质状况与设计不一致的部分进行对比，有助于提高地下工程勘测质量,超前预报提供有关隧道前方地质条件的变化信息,从而能够及时指导TBM施工，采取有效措施，安全通过不良区域。本工程采用beam系统实时探测方法作为TBM掘进探测主要手段。

2、不良地质段超前处理

在TBM施工中对于不良地质洞段采取超前处理，避免揭露之后在后期处理，工程效

果明显。若地质条件复杂,采取单一的超前处理措施不能满足工程需要，则采取多种处理方法进行综合处理。

超前支护包括超前锚杆、超前灌浆等措施进行超前处理,遭遇特殊不良地质时，可采取钻爆法绕前处理.

(1）超前锚杆支护

超前锚杆主要用于节理裂隙发育,但岩石较完整的洞段。采用设备L1区配置的钻进设备,向掌子面前方钻设超前锚杆，形成对前方围岩掌子面外围的围岩支护，并对前方围岩进行灌浆固结,形成锚固圈保护下的掘进作业.超前锚杆与钢支撑形成牢固连接；超前锚杆胶凝材料使用早强水泥砂浆或快速锚固剂。

在断层破碎带等洞段，由于围岩易产生塌方,故施工前应采用超前小导管注浆进行预支护.超前小导管采用热轧无缝钢管加工制成，前端加工成锥形，尾部焊接加劲箍，管壁钻设注浆孔，施工时钢管沿隧洞开挖外轮廓线布置,环向间距视围岩情况进行布置。

(2）超前灌浆

当超前预报及勘探判断地质条件较差或可能存在大量涌水的情况下,需进行超前灌浆处理。位置一般情况下在TBM护盾外侧，采用L1区配置的钻进设备施钻，孔深需根据地质条件进行布设。超前灌浆施工时可采用纯压式灌浆,孔深可达30~50m,灌浆压力依据测定的地下水压力确定.灌浆材料水泥浆为主，根据实际情况添加环保型的速凝剂.

3、地下突涌水处理

地下突涌水具有压力高、稳定流量大等特点，地下水涌水的处理是工程安全、快速施工的关键.涌水量大于20L/s的涌水点除个别地段为密集线状渗水外,一般为高压集中涌水。隧洞地下水处理思路为：根据地质超前预报成果,立足于超前注浆封堵，争取在开挖前封闭地下水通道；对意外揭露的突发性涌水，根据涌水量大小采取合适的施工方法将动水变成静水后再实施注浆封堵。

对于渗滴型出水，因其量少、水压力低,可以不考虑注浆处理或在引水隧洞开挖过后再进行后注浆处理，不影响引水隧洞掘进进度.

线状渗水一般出现在断层、破碎带或节理裂隙发育洞段，虽其涌水压力不高，但涌水量大，对引水隧洞施工也有一定的影响，宜作一般性处理.

高压集中涌水段涌水量大、压力高、突发性强、危害性大，一旦揭露后再行封堵难度加大。对高压集中涌水，原则上必须在涌水点未揭露前进行注浆封堵,即采用超前预注浆的施工措施，在静水条件下将其封堵。

当出现流量小于3m³/s的低压大流量管道突涌水时，由于TBM设备的设计、制造已考虑应对措施，能够保证人员和设备的安全,掘进可以照常进行，后处理工作及时跟进.

当TBM掘进前方出现大于3m³/s的大流量涌水时,由于TBM刀盘下部预留了可控制排水孔，为防止水流将岩渣带出刀盘，需适时控制液压防水门，以免设备L1区堆集较多岩渣，增大清理难度.

在辅助洞开挖过程中取得了宝贵的超前预报相关资料和预报经验的基础上，结合TBM设备配置的超前预报设备，可更加准确地判断引水隧洞前方的地下水情况，判断出水位置，

特殊情况下,可通过辅助导坑进行掌子面前方的超前处理，确保TBM设备顺利通过该洞段.

4、高地应力及岩爆处理

依据三维初始应力场反演回归分析,洞线高程1600m处最大主应力值为63MPa、最小主应力值为26MPa，属高地应力区。其主应力值基本上是从上到下逐渐增大，断层穿过的岩体周围主应力值有明显的减小，等值线分布规律变化较大，说明断层对初始应力场分布有明显的影响。因此，引水隧洞在施工开挖过程中,将产生轻微~中等强度的岩爆,部分洞段为强岩爆.

考虑到岩爆对TBM施工的影响，在设备制造中增加了顶护盾。但对如此高的地应力,需针对性的采取有效地预防措施。

可采用超前钻探、声反射等方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，综合判断可能发生岩爆高地应力的范围。

（1)改变围岩的物理性能

喷雾洒水卸压法:在干燥围岩的表面上洒水，或用高压水冲洗隧洞拱顶、掌子面和侧壁，目的是增强岩石湿度,一定程度上可以降低表层围岩的强度，松弛岩体中积累的高构造应力。

超前钻孔卸压法:在可能发生岩爆的掌子面上方，钻数个孔径60~80mm、孔深10m的钻孔,释放岩体中的高构造应力，同时向岩体高压均匀注水。其目的有三：一是可以释放应变能，并将最大切向应力向围岩深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩

体的强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。

（2）改变围岩应力条件：采取超前钻孔应力解除等方法,使岩体应力降低.必要时也可以打设部分径向应力释放孔，钻孔方向应垂直岩面。若预测到的地应力较高，可在超前探孔中进行松动爆破或将完整岩体用小炮震裂，或向孔内压水。

（3）加固围岩：对不同程度的岩爆一般采取不同的加固处理措施，主要措施于TBM护盾后方实施：对轻微岩爆段,采取快速锚杆加固，必要时局部挂网喷混凝土；中等岩爆段，采用合适的锚杆、钢筋网及网喷混凝土措施。锚杆均要求带垫板,呈梅花型布置，钢筋网多采用长钢筋绑扎，要求锚杆垫板可靠压连、紧贴洞壁围岩布置，喷射混凝土或纳米混凝土，必要时增设钢架支撑；强岩爆段，常在掘进时发生，容易砸坏机件，掌子面中部易出现爆塌坑，掌子面凹凸不平损坏滚刀严重，将对TBM设备造成损伤，要采取快速锚杆、挂网、钢拱架及喷混凝土支护，必要时进行避让，等岩爆强度基本平静下来再进行支护。

当发生岩爆产生爆坑时,首先清理危石，并用高压水冲洗，然后喷混凝土对爆坑进行封闭，架立钢拱架，在爆坑周边打设加密锚杆。

5、溶洞的处理

溶洞是TBM施工中较为复杂的工程问题之一。溶洞处理与其分布位置、规模大小、充填物性质与充填程度、岩溶水等有关。因此，在隧洞掘进过程中必须加强超前钻探，以便尽早了解即将遇到的溶洞特性,制定合理的处理措施，主要施工对策如下：

（1）对无充填或少量充填的溶洞,进行基础回填和支顶处理。

(2）对较大的已充填溶洞或充填物含水量高、物理力学指标较差的溶洞,需进行全洞周超前注浆,同时紧跟工作面进行回填灌浆，以便TBM通过时减少或防止下沉。此外，为了避免洞底沉陷，也可采用纵向槽钢将若干环管片连接起来。

（3)若溶洞过大难以回填，可在TBM后盾附近开挖一个通向前方溶洞的旁洞，采用现浇桥、拱或桩基渡槽、箱涵结构进行跨越处理。

（4）只有在隧洞前方条件极端复杂难以穿越的情况下，必要时才进行TBM局部改线施工。

6、高温、有害气体的处理

TBM设备配置了喷淋、通风系统等措施以解决可能遇到的地温升高问题。

依据岩性成分判断，岩体中可能存在分散和零星的有毒或易燃气体，但其缓慢积聚仍将会对工程施工造成不良影响。因此，在凝灰岩、侵入岩及断层等易发部位应进行超前探测、有害气体引排和气体含量监测,并保证通风情况良好，确保施工安全。

7、断层破碎带洞段处理

根据地质资料，引水隧洞沿线主要为碳酸盐岩及少量砂岩、板岩、绿泥石片岩，成洞条件较好。数条断层破碎带与特有的水文地质相结合,必定会带来较为严重的地质问题，需采取各种临时支护措施进行处理。

对于规模较小且破碎不很强烈的断层，当断层面产状与隧洞轴线大角度相交时，不必进行超前钻探;当断层面产状与隧洞轴线小角度相交或近乎平行时，应进行超前钻探；若断

层陡倾或虽平缓但位于隧道顶时，要进行必要的超前固结灌浆。

对于规模较大的断层带，要视其产状和掘进机所处的构造部位不同具体处理：

（1）对于陡倾断层，无论断层与洞线的关系如何，当掘进到断层强烈影响带时都应进行超前钻探，并通过不同部位的钻孔进行超前固结灌浆。

（2)对于缓倾断层,若断层面走向与洞线轴线交角较小，当进入断层影响带时就应进行超前钻探，并对破碎带及强影响带固结灌浆。若交角较大，则分为两种情况，当断层倾向与掘进方向相同时，掘进至断层影响带时，就应进行超前钻探，并对破碎带及强影响带固结灌浆；当断层倾向与掘进方向相反时，要注意围岩的变化情况，进入强影响带时要进行超前钻探,并对不同方向的钻孔固结灌浆。

若断层破碎规模大，且围岩破碎强烈，则需要多次钻孔和灌浆，以确保TBM顺利施工。

8、结论及建议

（1）TBM施工，在遇突涌水的情况下人员、设备的安全性大大高于钻爆法.通过TBM配备的支护和超前处理设备对围岩稳定性较差的洞段或赋存大量地下水的洞段进行处理,可有效的规避施工风险。全断面TBM施工对围岩的适应性和解决不良工程地质问题的能力,均优于其它施工方式.

（2）施工中对地质灾害性问题，遵循“先探后掘\"的原则，及时准确地进行超前地质预报，并采用多种地质预报手段相结合的综合方法，提高信息解译精度。对于不良地质洞

段，作出相应的应对措施，以保证TBM在深埋特长隧洞施工中的高效、安全。