摘要：以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为依托，就硬岩TBM法隧洞施工中所遭遇的高磨蚀性硬岩掘进、岩爆、突涌水、设备故障率高及长距离独头通风等方面进行了介绍说明，并针对性的提出了解决措施，可为类似工程施工提供借鉴和参考。
关键词：硬岩；TBM；岩爆；突涌水；措施
0 引言
全断面隧洞掘进机（TBM）因其工作效率高、隧洞成型好、对周边环境影响小及作业安全等优点已被广泛应用于国内外深埋长隧洞的施工中［1-3］。近年来，通过国内外学者和工程技术人员在长期的TBM掘进施工探索过程中，对于TBM掘进施工提出了宝贵的建议。彭道福［4］以秦岭Ⅰ线隧道出口段为例，针对TBM通过不良地质地段提出了应对方法。鉴此，本文以引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为依托，对TBM在硬岩地段掘进中所遭遇的高磨蚀性硬岩掘进、强涌水、强岩爆等进行分析与研究，探寻应对措施和方法，以期提高TBM在硬岩地段的掘进效率。
1 高磨蚀性硬岩掘进研究
岭南TBM施工段以石英岩、花岗岩为主，围岩强度高（最高达303.6MPa）、完整性好（平均为0.8）、围岩石英含量高（最高达92.6%）、耐磨值大（最大5.71），掘进过程中刀盘推力大，贯入度小，刀具磨损及异常损坏严重，掘进效率低下。
（1）掘进参数研究
岭南TBM试掘进以来，平均掘进速度仅有1.19m/h，掘进过程中参数波动大，平均贯入度约为3.5mm/r，掘进效率低。视围岩强度及破碎情况拟定的掘进参数见表1。
表1 秦岭隧洞岭南TBM施工段掘进参数拟定表
（2）刀具消耗研究
岭南TBM已掘进完成段均为石英岩或石英片岩夹花岗岩，石英含量平均达到74%，由于围岩强度高、岩石中石英含量高，耐磨值高达5.71，造成TBM刀具磨损严重，刀具更换频繁。经统计，TBM掘进段平均刀具消耗为0.73把/米。刀具消耗指标根据实际消耗情况进行修正后的数据见表2。
表2 引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM工程开挖直径8m 刀具测算指标一览表
单位：套/100m3
在刀具消耗方面，为有效降低刀具消耗，一方面应开展刀具专项试验，试验国内外知名厂家刀具，采集数据综合分析，摸索和寻求适宜于本工程掘进的刀具；另一方面应从刀具与掘进参数等方面挖掘改进及优化的空间；除此之外，如果遇到掌子面围岩坍塌严重，建议从增加刀刃、提高刀圈韧性等方面提高刀具的抗冲击能力。
（3）刀盘升级研究
①优化刮板座结构：刮板母座由原来单个结构更改为整体结构，使其受力更均匀，刮渣板更换更简易。
②引进新材料：易磨损部件改用耐磨材料或堆焊耐磨材料，如V型耐磨块、挡渣块上安装催米材料，通过与厂家沟通过工艺改进优化达到增强挡渣块耐磨效果的目的。
③优化刀盘喷水结构：通过技术改进将刀盘喷水喷嘴增大，优化旋转接头设计结构，增加旋转接头使用寿命，使刀盘喷水能有效降低刀具在破岩时产生的粉尘和热量。
④引进泡沫系统：依托现有刀盘喷水系统进行优化，新增泡沫注入系统，在掘进过程中通过喷洒泡沫，保护刀具、面板和其他结构件。
2 岩爆应对研究
2.1 岩爆预测研究
岭南TBM借助微震监测系统（Micro-seismic Monitoring System，MMS），利用岩体受力变形和破坏过程中发射出的声波和微震对岩石的破裂和失稳进行分析，对三维空间中的岩体性状进行实时监测，据此对刀盘前方岩爆级别进行了判定，如下表2所示：
表2 基于微震监测技术的岩爆风险预判别标准
2.2 岩爆治理[5]研究
鉴于深埋隧洞深部或高应力下岩体在开挖前储存了大量能量，首先，控制TBM掘进开挖速率，以最大限度的降低二次应力局部集中造成隧洞四周高应力能量的聚集。其次，进行岩体地应力能量的预释放及能量转移。第三，制定针对性支护方式，优化支护措施，避免或降低岩爆的发生风险。
2.2.1 中等岩爆防治措施
中等岩爆能量较大，破坏力较强，加之其发生的不确定性和不可预见性，治理难度加大。通过对岭南TBM已施工段岩爆规律进行分析总结，主要有以下两种形式。
出露护盾前岩爆
刀盘掘进过程中的切削作用导致围岩应力的重分布，未出露护盾前即发生岩爆，围岩剥落、掉块、坍塌形成塌腔，主要采取以下措施进行治理：
（1）喷射高压水软化围岩，等待应力释放和调整（1～2h）；
（2）初喷C20喷射混凝土（5～8cm）对岩面进行封闭；
（3）初凝后，挂设Ф8钢筋网片和施作Ф25中空锚杆（3.0～3.5m），稳固围岩；
（4）复喷C20喷射混凝土（10～15cm），即整体厚度不低于15cm；
（5）借助微震监测、应力测试等预测手段进行观测，确定是否需要按下述措施加强支护：
①正洞断面立设H125（I16）全圆型钢拱架，拱架上视空腔情况安装一定的刚性材料与岩面形成有效支撑；
②拱架间采用Ф22螺纹钢进行加强连接，环向间距1.0m，拱部180°范围内挂设Ф8钢筋网片；
③拱架外背采用1.5mm厚铁皮对塌腔进行封闭并埋设Φ80mm注浆管、排气管，采用C20细石混凝土对拱部塌腔回填密实；
④喷射C20混凝土对岩面进行封闭，厚度10～15cm。
出露护盾后岩爆
岭南TBM由于隧洞埋深大、围岩完整性好，多发生滞后性岩爆，采取的应对措施有：
（1）借助TBM自带的mcnally系统在拱部120°范围内采用Ф18钢筋排辅以超前支护，以及时、有效稳固出露护盾围岩；
（2）正洞断面立设H125（I16）全圆型钢拱架，拱架上视空腔情况安装一定的刚性材料与岩面形成有效支撑
（3）拱架间采用Ф22mm螺纹钢进行连接，环向间距1.0m，拱部120°范围外挂设Ф8mm钢筋网片；
（4）拱架外背采用1.5mm厚铁皮对塌腔进行封闭并埋设Φ80mm注浆管、排气管，采用C20细石混凝土对拱部塌腔回填密实；
（5）喷射C20混凝土对岩面进行封闭，厚度10～15cm。
2.2.2 强烈岩爆防治措施
强烈岩爆对施工人员及设备威胁极大，其治理措施尚不够成熟，仍在进一步摸索和探寻之中。
出露护盾前岩爆
（1）爆坑及周边围岩喷射高压水，促使应力进一步释放（2h以上）；
（2）能量释放后，初喷纳米仿纤维混凝土，厚度8～10cm；
（3）借助微震监测、应力测试等预测手段进行观测，评估施工风险，确定是否能够进行下一步作业；
（4）能够作业即按照2.3.2所述措施进行加强支护，无法作业则继续进行岩爆排险和等待。
出露护盾后岩爆
（1）借助TBM自带的mcnally系统在拱部120°范围内采用Ф22钢筋排辅以超前支护，以及时、有效稳固出露护盾围岩；
（2）正洞断面立设H150～H180（I18～I20）全圆型钢拱架，拱架间采用H150半剖型钢进行加强连接，环向间距1.0m；
（3）采用L1区应急喷浆系统喷射纳米仿纤维混凝土封闭岩面，厚度10～15cm；
（4）腰部垮塌区域采用垫方木或模筑混凝土的形式进行支护，以确保撑靴受力并向前掘进；
（5）拱部坍塌区域拱架外背采用1.5mm铁皮对塌腔进行封闭并埋设Φ80mm注浆管、排气管，采用C20细石混凝土对拱部塌腔回填密实；
（6）喷射C20混凝土对岩面进行封闭，厚度10～15cm。
3 突涌水应对研究
引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段地表水较发育。主要为萝卜峪沟、木河、东木河，为常年流水沟，水量较大，水量随季节性变化较大，夏季有山洪暴发，地下水为基岩裂隙水，水量较丰富。
渗涌水成因及地质构造的复杂性，造成出水形式的多样化，按照“以堵为主、堵排结合、限量排放，减少抽排”的核心思想，遵循“先拱脚后顶拱再边墙、先无水孔再小水孔、遇集中出水则预留”的总体原则，采用不同的工艺组合、技术参数和材料，从而实现对涌水的成功封堵。按照“大管配小管、永临结合、方便现场施工”的原则对隧洞排水系统进行配置，并在充分利用现有排水资源的基础上进行优化调整，进而实现对隧洞涌水的处治，避免设备被淹风险。
（1）超前探水技术研究
为应对隧洞突涌水带来的施工风险，引进激发极化超前探水预测前方突涌水情况。通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，激发极化形成三维成像，可实现掌子面前方30m左右的探测效果评价。
（2）硬岩堵水技术研究
通过对隧洞突涌水机理进行分析，开展了常规堵水注浆技术的研究及新型堵水注浆技术模拟试验的研究，因地制宜的提出了“钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固”隧道断面的分流与加固方案，采用特殊浆材灌浆方法，对洞内出水段落采取径向注浆。
钻孔分流：根据出水量和水压大小，在裂缝两侧布置适量的钻孔，根据渗水量及压力大小由浅入深每处渗水可布置一定数量的分流孔，揭穿更多出水路径，分流孔可同时作为后期的集中封堵孔。
分流减压：选择一定数量出水流量大、出水深度深的孔作为分流减压孔，必要时可以扩大孔径，镶铸带高压球阀的无缝钢管，便于后期集中封堵时进行闭水试验和灌浆。
表面嵌缝：通过分流减压孔和集中引排孔的分流和减压作用，围岩表面的裂隙出水量势必减小，出水压力明显降低，具备进行表面嵌缝的条件。使用嵌缝材料对主裂隙及影响范围内的次生裂隙进行嵌堵，防止或减少灌浆时出现串漏浆现象。
浅层封堵：针对大流量和散状发育的地下水，必须坚持系统处理的原则，即必须对集中大流量出水区域周边一定范围的洞段进行系统浅层封堵灌浆。通过浅层封堵灌浆，可防止集中出水区域封堵之后，地下水沿着周围浅层裂隙流出，形成新的出水带或通道。
深层加固：为了防止集中大流量地下水封堵实施阶段，地下水通过深层发育的裂隙向周边扩散，增加封堵难度，应在大流量出水点周边布置深层加固孔。
（3）排水设计研究
涌水量确定：结合设计资料及已掘进段涌水情况，适当考虑一定的富余能力（安全系数1.2），为排水能力配置提供依据。
排水方案布置：主洞排水设置五级永久泵站+TBM随机泵站，每级永久泵站的间距约2000m，掌子面涌水由各级泵站逐级抽排至3#支洞上游水仓，再由支洞抽排至洞外。
水管配置：按照“大管配小管、永临结合、方便现场施工”的原则进行排水管路配置，小管道作为日常排水适用，大管道作为隧洞出现较大突涌水情况下应急排水启用。
水泵配置：硬岩TBM掘进由于石粉含量高，水泵应尽可能选择潜污泵或者泥浆泵，有利于降低设备故障率。
4 结语
通过引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段岭南工程高磨蚀性硬岩掘进、高地应力岩爆频发、突涌水量大等施工中存在的问题进行研究分析，得出硬岩地段TBM掘进参数宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的“两高两低”模式，岩爆治理应采取“柔性结合刚性，辅以新材料”的组合工法，突涌水应按照“以堵为主、堵排结合、限量排放、减少抽排”的原则进行治理等，旨在为类似硬岩TBM掘进隧道施工提供一定的借鉴意义。
5 参考文献：
［1］乔世珊，芧承觉，刘春，等.全断面岩石掘进机[M].北京：石油工业出版社，2005.
［2］王梦恕，李典璜，张镜剑，等.岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例[M].北京：中国铁道出版社，2004.
［3］翟进营.TBM法隧道施工的现状及未来发展[J].隧道建设，2002，22（4）：60-63.
［4］彭道福，李忠献.特长隧道TBM掘进施工技术研究.南京：岩土工程学报，2003.
［5］傅德明，朱金林.岩石隧道掘进机施工技术R.上海：上海隧道工程股份有限公司施工技术研究所科技情报室，1997.
［6］TBM通过特硬岩、岩爆地段的施工技术A.隧道掘进机TBM施工资料（第5册）R.隧道工程局科研所信息室，1997.
论文作者:王琪
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/6
标签：隧洞论文; 围岩论文; 刀具论文; 秦岭论文; 岭南论文; 隧道论文; 应力论文; 《基层建设》2019年第15期论文;