李荣飞

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830002）

隧洞工程在水利及交通建设方面有着极为广泛的应用，该类工程具有技术要求高、施工期长、投资成本大等特征，因此各国都在不断研究更为科学、快速的隧洞开掘技术。目前，TBM（全断面隧洞掘进机）集合了挖掘、支护、探测等技术为一体，成为目前隧洞开掘工程最高技术的代表，但在具体施工中有很多技术要点需要注意。

1 工程概况

SS隧洞为无压洞，总长92.350km，纵坡1/5000，隧洞埋深65～180m，设计直径5.5m。经地质勘查发现：洞身段Ⅱ类围岩总长36.010km，占比38.98%；Ⅲ类围岩总长25.050km，占比27.13%；Ⅳ类围岩总长6.440km，占比6.98%；Ⅴ类围岩总长24.855km，占比26.91%，总体围岩条件较好。其中Ⅱ标段包括主洞（桩号SD0-520.000—SD21+031.160）和1号支洞（桩号0+000—1+059）两部分，在此主要针对主洞段TBM施工技术进行分析。

2 钻爆法与TBM法选择适应性分析

2.1 TBM法应用场景说明

我国SL303-2017《水利水电工程施工组织设计规范》中规定符合以下情况比较适合应用TBM法：1）圆形断面，直径3.0～10.0m，洞长超过3.000 km或大于600倍洞泾；2）围岩类别为Ⅰ～Ⅲ类，岩溶不发育，断层破碎带较少；3）岩石平均抗压强度小于100MPa；4）地下水涌水量小于30L/s[1]。

2.2 具体施工方法选择分析

虽然TBM法对比传统的钻爆法在掘进速度、开挖质量、安全及经济性方面有着绝对优势，但是其应用场景限制较多，因此针对SS隧洞Ⅱ标段的具体地质情况，采用“钻爆+TBM”联合施工方案，其施工方法设计详见表1。

表1 SS隧洞Ⅱ标段工程具体施工方法设计表

3 TBM机选型设计分析

3.1 选型

TBM机按照类型不同，可分为敞开式、单护盾式、双护盾式，这3种TBM机特征对比见表2所示[2]。结合该项目围岩条件较好、工程量较小等实际情况，从成本、工期等方面考虑，确定采用敞开式TBM施工。

表2 不同类型TBM机特征对比

3.2 单机掘进长度设计

单机掘进长度L0直接决定了TBM机所需数量及施工段设计，具体用下式计算[3]：

式中：I——每转基本掘进值，mm；Ks——滚刀直径修正系数；Kd——岩石性质修正系数；r——转速，mm/h；t——设计运转时间，h；k——安全系数。

该项目经计算，设计结果：用2台TBM机，分别掘进8645.307和9785.853m可完成任务。

4 TBM法在不良地段施工要点分析

虽然该工程总体地质条件较好，但依然有个别地段存在破碎松散带、涌水等不良条件，提前发现、早做应对才是保证施工顺利的关键[4]。下面针对SS隧洞TBM掘进期间所遇到的不良地段施工技术要点进行分析。

4.1 超前地质预报技术的应用

超前地质预报是前期地质勘探的重要补充，可有效判断发生地质灾害的确切位置。为保证预报的准确性，项目采用地震波法（TSP）与超前钻预报相结合方式。所需要预报的内容包括岩石性质、岩体结构、地质构造、地下水等。

4.1.1 TSP法应用分析

TSP法目前可以较准确查明工作面前方100.000m范围内较大规模不良地质体的性质、位置、规模、含水量，且对正常施工影响较小，具体原理见图1：在掌子面附近边墙位置布设多处炮眼和接收器，依次对炮眼微爆，记录产生的地震波信号，通过软件处理分析后得到不良地质体位置[5]。

图1 TSP系统探测原理示意图

1）孔位设计

项目在使用TSP技术时，共布设了20个炮孔，深1.5m，间隔1.5m，下倾角度为10°～15°范围，一字水平排开；接收器孔布置在最外面，距最近炮孔20.0m，深2.0m，孔内下倾角度为8°。

2）成果解释

成果解释需的重要步骤：数据设置→滤波→初至拾取→拾取处理→炮能量均衡→反射波提取→P、S波分离→速度分析→深度偏移→反射层提取，其中以P波资料为主，结合横波资料进行共同解释[6]。在该项目中依据以下原则解释正确率较高：反射幅为正，表明为硬岩层，反射幅为负，表明是软岩层；S波反射强度大于P波强度，则表明岩层中含水量较大；VP/VS的值突然增大，则表明前方存在松散破碎层；VP值下降，则表明前方围岩裂隙发育较多。应用TSP技术预测的部分成果：SD4+032.000—SD4+68.000泊松比变大，反射面变多，推断围岩裂隙发育多，强度变低；SD6+124.000—SD6+148.000的VP与VS值均大幅减小，泊松比增大，密度降低，推断有小型溶洞；SD8+119.000—SD8+155.000泊松比降低，VS增加，会出现硬岩段。

4.1.2 超前钻预报法应用

超前钻孔深度一般为15.0～25.0m，分为取芯和不取芯两类，每个预报界面以布置3孔为宜，该方法可较为直观、准确地探测前方围岩硬度、裂隙、含水量、松散破碎带等不良地质条件，该项目主要通过岩芯来分析岩层的RQD（岩石质量指标）值，计算公式：[7]。

式中：li——10cm以上岩芯累计长度，cm；L——钻孔长度，cm。

项目采用“双层单动岩芯管”取芯，钻头为φ54mm的NX钻头，应综合评价岩体完整性，如节理间距、体积节理数、完整性系数、RQD等多个参数，评价标准见表3。通过测定，其Ⅲ类及以上围岩占TBM法施工总长度的80%左右，总体围岩完整性较好。

表3 岩体完整性评价表

4.2 软弱破碎围岩段施工要点分析

软弱破碎围岩段可能会发生坍塌、卡盘等问题，这对掘进和支护都会带来较大影响，同时也是常见的地质问题，项目采取以下措施来保证该类型岩段的顺利施工：

1）TBM机不得轻易后退，应充分利用刀盘来稳定掌子面，否则一旦后退可能会引起更大范围坍塌。

2）项目采用的TBM机均为变频电机作动力源，在软弱破碎围岩段时可通过低速度、大扭矩来减少对围岩扰动，且防止刀盘被卡死，并采用1/2以下短行程掘进。

3）充分利用TBM前部的超前钻机对刀盘前方15.0m范围内的破碎带进行超前小导管注浆处理，或者打超前锚杆、管棚，提高围岩自稳能力。并在TBM机上配喷射混凝土装置，能够做到“随掘随喷”。

4）小范围坍塌区以锚杆为着力点，焊接螺纹钢抵紧塌腔并固定，然后喷射混凝土；大范围坍塌区用铁板封堵，然后往塌腔内灌注速强混凝土。

4.3 地下水处理措施分析

1）若隧洞内呈现不连续出水点，则采用喷射混凝土法直接封堵即可，注意适当多添加速凝剂，必要时可利用高压风将岩面水滴清理干净后再喷射。

2）若地下水呈现连续水流状态，则在出水部位钻排水孔并利用塑料管引水排出，之后采用喷射混凝土封堵，孔口采用水玻璃或锚固药卷封堵。

3）若出现涌水量较大区域，且采取了放水措施后依然无水量、水压减少现象，则需立即停止TBM作业，采取超前预注浆措施对裂隙封堵。在注浆作业前，应保证刀盘前的不透水层厚度不小于5.0m，将其作为止浆盘。灌浆采用“水泥+水玻璃”双液浆，注浆方式为分段下行式，止浆塞长度不低于10.0m。项目采用该措施，有效治理了3处涌水点，实际应用效果很好。

5 结语

TBM法掘进隧洞是目前最为先进、现代化的施工手段，SS隧洞Ⅱ标段工程在结合“钻爆法和TBM法”后，在规定工期内顺利完成了掘进作业，掘进期间遇到的地质问题也得到了妥善解决。但同时应认识到TBM法对地质勘探、应急处理等工作要求很高，必须要在各项资料和施工队伍完善的情况下才能充分发挥优势，否则会严重影响施工进度。因此必须要根据工程情况来量身定制掘进方案，避免盲目追求“高大上”技术。