TBM施工中地质条件预判方法实践与总结

2015-04-28王雪峰周斌中国电建中南勘测设计研究院有限公司湖南长沙410014

中国科技纵横 2015年8期

王雪峰　周斌（中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

TBM施工中地质条件预判方法实践与总结

王雪峰周斌
（中国电建中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

隧道掘进机（tunnel boring machine）英文缩写为TBM，可一次性完成隧洞的开挖和支护，开挖速度可以达到传统钻爆法的4～8倍。TBM隧洞施工安全、高效，但因其特殊性，地质工作与传统的钻爆方法有一定的区别。本文笔者通过在埃塞俄比亚GD-3水电站引水隧洞TBM开挖段的地质工作经历，对TBM施工过程中地质工作和地质条件预判进行分析总结。

TBM 地质工作埃塞俄比亚GD-3水电站

TBM其特点为作业面单一，机电一体化程度高，多工种流水作业，集机、电、液压、传感、信息技术于一体，同时完成破岩、出碴、支护等作业，具有快速、优质、高效、安全、环保、自动化、信息化程度高等诸多优点。目前在全世界范围内水电工程，城市地铁工程和煤矿开采等领域有着广泛的应用。由于TBM施工的特殊性，常规钻爆法洞室开挖的地质工作方法，在TBM施工过程中并不完全适用或略显不足，这便给传统的施工地质工作提出了新的课题。本文，以埃塞俄比亚GD-3水电工程为例，通过实践对TBM施工中的地质条件预判方法进行总结，希望能对TBM这种先进的施工工艺在我国各工程领域的推广起到积极作用。

1　TBM简介

1.1TBM基本结构

依据不同的地质条件，对应不同的TBM的选型。GD-3水电站位于埃塞俄比亚南部，引水隧洞使用隧道掘进机（TBM）开挖部分长度约为10.4km，直径为8.1m。洞室通过段围岩为太古代片岩和晚前寒武系花岗岩地层，其中大部分位于晚前寒武系花岗岩地层内，埋深大，岩体新鲜，岩石强度高，且比较完整。本工程采用的是一台通用双护盾紧凑型硬岩掘进机，尤其适用硬岩隧道开挖。在结构上，TBM主要分为主机、后配套、驾驶室、起吊和输送设备四部分。其中主机是进行掘进的重要组成部分，分为刀盘、盾体（包括前盾、伸缩盾、支撑盾、指型护盾）、刀盘驱动系统、回转接头和推进系统。

1.2TBM工作流程简介

开挖工作由安装滚刀的旋转刀盘实现。旋转动力由装在主轴承后方的电机通过减速机、小齿轮提供，刀盘与主轴承外圈连接。主轴承安装在刀盘后方，前盾内部。刀盘转动时，一组油缸（主推进油缸）提供向前的推力。掘进过程中刀盘转动会产生一个反扭矩作用于TBM，该扭矩通过两条反扭矩油缸实现平衡，以避免其对盾体产生作用力。其工作流程和步骤如下：

（1）撑靴向外撑出；前盾和支撑盾之间是两个同轴的重叠在一起的护盾，在整个掘进循环中保护主推进油缸。外伸缩护盾随前盾一起移动，内伸缩护盾通过6条铰接油缸和支撑盾相连。通过铰接油缸，即使在主推进油缸伸出的情况下，内伸缩盾也可以收在外伸缩盾内以便于转向、维护观察岩石等。（2）主推进油缸伸出（掘进阶段）；主推进油缸达到满行程时，撑靴缩回。随后，带靴板的稳定器油缸穿过外伸缩盾伸出并锚固到岩壁上，主推进油缸缩回拉动TBM其余部分（内伸缩盾，支撑盾，指形盾）前进。开挖过程中两个稳定器油缸也可以低压模式伸出，起到减小震动的作用。（3）前撑靴收回，复位之后，撑靴油缸伸出，开始新的掘进循环。

2　TBM隧洞施工地质工作实践

埃塞俄比亚GD-3水电站TBM隧洞自下游向上游掘进。下游约3.4km主要为片岩夹伟晶岩，上游约7km主要花岗岩。前期判断，洞室围岩整体坚硬、完整，以Ⅰ～Ⅱ类为主，少量地质条件较差，为Ⅲ类围岩，局部可能存在Ⅳ～Ⅴ类围岩。本工程TBM从桩号Y12+131开始掘进，开挖过程中揭露的围岩条件与前期判断基本一致。

当掘进至桩号约Y10+443时，推进压力由11300 KN骤降至3800 KN，而贯入度由27 mm/min增加至35 mm/min，同时，主机皮带上岩渣中岩块变大，部分可达30cm以上，其中伴随有墨绿色岩块，结构面上多呈蜡状，硬度较低，指甲可刻划，后经检测，该岩石为微晶辉绿岩。结合之前所进行超前地质预报资料，判断掌子面为微晶辉绿岩侵入带，岩石破碎，结构面胶结强度低，预测可能会出现塌方险情。项目部降低了掘进速度，至桩号Y10+441时出现塌方，立即停止掘进，随后掌子面岩体因自身重力持续自动垮塌。为不使刀盘与掌子面间空隙造成塌方进一步扩大，TBM需继续掘进使刀盘对掌子面形成反作用力。这时的掘进参数为，推力压力1200KN，贯入度为30mm/min。

为查明破碎岩体的范围，以便采取合理的应对措施，布置了7个超前勘探孔进行取芯分析，证实微晶辉绿岩呈脉状产出，破碎带与岩脉基本吻合。根据分析结果，对围岩进行固结灌浆，防止松散岩体继续塌落，待固结灌浆完成后，在保证安全的情况下缓慢掘进，同时进行钢拱架锚喷跟进支护，以保证人员及设备安全。在空腔位置，钢拱架的外沿采用钢板将其钢拱架焊接连接，后续作为回填混凝土的模板使用。

3　TBM隧洞施工的地质条件预判方法总结

TBM施工的洞段，往往洞线长。本工程前期受各方面条件制约，无法针对引水线路布置足够的勘探工作。为保证TBM施工过程中尽量减小不良地质体和复杂地质条件对掘进的影响，及时对前方的地质条件进行预判便成为TBM隧洞施工中地质工作的重要课题。本工程通过观察岩渣、掘进参数、超前地质探孔以及超前地质预报系统来进行对前方地质条件的预判。

3.1对岩渣的观察

对岩渣的观察可以清楚地了解到岩石的组成、强度、蚀变程度等，与区域地质资料相结合，可以预判掌子面的地质情况，并为施工准备做出指导性建议。

首先，通过对岩渣形状的观察，初步推断围岩的完整性。一般情况下，岩渣从形态上分为岩片、岩块、岩粉。当围岩较完整且强度较高时，岩渣主要呈均匀片状产出，称为岩片，伴有少量岩粉，这时的围岩类别多为Ⅰ、Ⅱ类；当节理或其他结构面较发育时，如岩石强度较高而结构面强度较低时，掘进过程中岩体多沿结构面破坏，岩渣中会出现许多大小不一的岩块，岩块上可见2组或以上结构面，这时的围岩类别可判断为Ⅲ、Ⅳ类甚至Ⅴ类围岩，需及时做好支护准备，以防止塌方对人员及机器设备造成危害；当岩渣中岩粉含量增加时，说明岩石的强度相应降低，有蚀变现象，如果岩粉呈泥状，表明地下水发育，需要及时做好超前排水工作。

3.2掘进参数

TBM的掘进参数可以准确反映出掘进时围岩的地质情况，可以使操作手第一时间判断出掌子面的围岩状况，因此对掘进参数的分析是TBM施工中地质条件预判的重要手段。最能够直接反应掘进中地质条件的参数有两个：推进压力（单位KN）、贯入度（单位mm/ min）。

推进压力可以反应围岩状况，随着围岩条件而变化。如果围岩完整性较好，强度高，则推力较大；相反，如果围岩完整性较差，强度低，则推力较低。贯入度即为刀盘的掘进速度，一般岩石的硬度与强度越高，掘进速度越慢。本工程中，在新鲜完整的中粒花岗岩中的贯入度为8～15mm/min；强度相对较低的片岩中的贯入度为20～40mm/min，当片岩中云母等软质矿物含量较多时，贯入度可达40 mm/mi n以上。

在掘进过程中，当推力和贯入度稳定时，表明地质条件较稳定。当推力和贯入度出现较大变化时，表明掌子面附近地质条件出现变化，尤其是当推力突然变小，或贯入度增大时，需要密切关注其变化，必要时停机采用TST或超前钻孔查明前方地的地质条件，以便采用合适的处理方式。

3.3超前地质勘探孔

超前地质勘探是通过TBM盾体上预留孔，用自身携带的超前钻机或者专用的地质钻机进行对围岩的取样分析。这是一种最直观且最准确的地质条件预判方法。但因其操作时间长，对掘进效率影响大，故此方法并不经常使用。

3.4超前地质预报系统

超前地质预报系统由于其探测范围大（有效距离可达200m）、检测时间短（1～1.5h）、根据围岩的力学性质对隧洞地质条件进行判断，且对施工的干预相对较小，逐渐在隧道施工中形成广泛应用。本工程隧道内超前地质预报采用TST系统。TST（Tunnel Seismic Tomography）是隧道散射地震成像技术的简称。地震波由小规模爆破或电火花产生，并由地震检波器接收，并能同时获得掌子面前方围岩的准确波速和地质体的位置图像。TST利用回波的波速、频率、振幅等差异来获知前方围岩条件。当地震波传播中遇到岩石强度变化大（如岩性接触带、断层带、蚀变带、破碎区域的出现）的情况时，地震检波器可以准确的采集回波数据，并由计算机进行数据处理，形成最终成果供工程技术人员进行解译，主要是根据地震波的变化判断围岩条件的变化。