1 引 言

 

  1851年, 美國(guó)工程師CharlesW ilson 設(shè)計(jì)了世界上第一臺(tái)可連續(xù)掘進(jìn)的隧道掘進(jìn)機(jī)TBM (TunnelBoringM achine), 但由于設(shè)計(jì)存在難以克服的滾刀問題和其他困難, 使之難以與當(dāng)時(shí)剛誕生的鉆爆法相媲美而無(wú)用武之地;1956年, 美國(guó)的James. Robbins仿照一百年前CharlesW ilson的設(shè)計(jì), 只采用滾刀, 解決了第一臺(tái)TBM的刀具問題, 獲得了成功。

 

  由于廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)、遙控、激光制導(dǎo)等先進(jìn)電子信息技術(shù)對(duì)施工過程進(jìn)行全面指導(dǎo)和監(jiān)控, 現(xiàn)代TBM 掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)。相對(duì)于傳統(tǒng)鉆爆法, TBM具有高效、快速、優(yōu)質(zhì)、安全等優(yōu)點(diǎn), 其掘進(jìn)速度一般是前者的4 ～ 10倍。此外, 采用TBM還有利于環(huán)境保護(hù)和節(jié)省勞動(dòng)力, 提高施工效率, 整體上比較經(jīng)濟(jì)。

 

  TBM 掘進(jìn)技術(shù)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息化、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合和密集, 在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力與科技水平。我國(guó)在這方面也已開展了跟蹤研究[ 2] 。

 

  TBM 不足之處在于對(duì)不良工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差, 不如傳統(tǒng)鉆爆法靈活;前期的一次性投入費(fèi)用較大;對(duì)施工人員的素質(zhì)要求較高。雖然已有150多年的發(fā)展歷史, 但在隧道施工條件愈加復(fù)雜、技術(shù)要求更高的今天, 仍有多種問題出現(xiàn)甚至發(fā)展成工程事故。

 

  2 TBM 掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

 

  隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展, TBM 的類型不斷增多、適用范圍不斷擴(kuò)大, 從微型隧道到巨型隧道, 從松散軟土甚至淤泥, 到極堅(jiān)硬的巖石都可應(yīng)用, 并且適用的地質(zhì)條件也更為復(fù)雜;與此同時(shí), 一個(gè)個(gè)施工紀(jì)錄也在不斷地被刷新。一般情況下, 當(dāng)隧洞長(zhǎng)度大于6km 或長(zhǎng)(度)、(直)徑比大于600 時(shí), 宜優(yōu)先采用TBM 進(jìn)行開挖。不過, 近幾年這一傳統(tǒng)觀念已被工程實(shí)踐所突破, 在西方發(fā)達(dá)國(guó)家, 不少3km左右的隧洞已開始采用TBM 開挖。例如英國(guó)倫敦希斯洛機(jī)場(chǎng)的艾賽德路雙管隧道, 長(zhǎng)度僅1. 3km, 采用一臺(tái)直徑Υ =9. 2m的土壓平衡式盾構(gòu)TBM開挖。

 

  經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)推廣與應(yīng)用, TBM 掘進(jìn)技術(shù)已相當(dāng)成熟, 被廣泛應(yīng)用于世界各國(guó)的能源、交通、水利、國(guó)防等部門的隧道工程建設(shè)中。據(jù)統(tǒng)計(jì), 近幾年有30% ～ 40%的隧道工程采用TBM 開挖。

 

  2. 1 TBM 在國(guó)外的發(fā)展與應(yīng)用

 

  從20世紀(jì)50年代以來, TBM 掘進(jìn)技術(shù)在世界各國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。采用TBM 掘進(jìn)技術(shù)建成的世界著名大型隧道有英吉利海峽隧道、東京灣海底隧道、荷蘭生態(tài)綠心隧道等(表3)。目前國(guó)外擬建的大型隧道項(xiàng)目包括日韓海底隧道(連接日本和韓國(guó), 長(zhǎng)約120km)、白令海峽隧道(連接亞洲和美洲,長(zhǎng)約74. 8km)、阿爾卑斯山鐵路隧道(從Ro senheim到V erona, 總長(zhǎng)大于500km)等, 其中絕大部分將優(yōu)先采用TBM 施工。

 

  其中有幾個(gè)隧道施工實(shí)例在TBM 發(fā)展史上具有重要的里程碑意義, 值得關(guān)注。

 

  (1)英吉利海峽隧道:由三條平行排列的隧道組成, 每條隧道長(zhǎng)51km, 是目前世界上最長(zhǎng)的海底隧道。其中兩條交通隧道開挖直徑8. 36 ～ 8. 78m,成洞直徑7. 6m;一條服務(wù)隧洞開挖直徑5. 38 ～ 5. 77m, 成洞直徑4. 8m;平均海底掘進(jìn)長(zhǎng)度37. 88km, 穿越地層為白堊紀(jì)泥灰?guī)r。該隧道工程從歐洲、北美、日本共引進(jìn)了11臺(tái)不同型號(hào)、尺寸和性能的TBM,僅三年半就完成了掘進(jìn)任務(wù), 并于1994年5月7日正式通車。其中一臺(tái)Robbins TBM創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)最佳月成洞1719. 1m 的世界紀(jì)錄[ 5] 。

 

  (2)東京灣海底隧道:由兩條長(zhǎng)約10km 的隧道組成, 跨越東京灣, 把東京都與千葉縣連在一起, 開挖直徑14. 14m, 設(shè)計(jì)直徑13. 9m, 建于海面以下約60m 深的軟巖中。為適應(yīng)大深度、高水壓的施工條件, 該隧道采用8臺(tái)高壓泥漿式盾構(gòu)TBM 開挖, 于1997年12月完工。

 

  (3)荷蘭生態(tài)綠心隧道:位于阿姆斯特丹到布魯塞爾高速鐵路TGV沿線, 將阿姆斯特丹—鹿特丹高速軌道線連接起來, 全長(zhǎng)7. 176km, 設(shè)計(jì)直徑13. 30m, 總投資4. 31 億美元, 采用法國(guó)NFM 制造的“震旦號(hào)”泥水盾構(gòu)TBM 開挖, 開挖直徑達(dá)14. 87m, 為目前世界上TBM 開挖的最大直徑。該隧道于2001年11月2日正式開始掘進(jìn), 主要穿越泥炭土、粘土和飽和砂土等地層, 于2004年1月17日提前貫通?！熬G心隧道”將阿姆斯特丹與鹿特丹之間的旅行縮短為30min, 安特衛(wèi)普和布魯塞爾在阿姆斯特丹和巴黎之間的旅行時(shí)間也減少到兩個(gè)小時(shí), 該隧道將于2007年4月正式開放運(yùn)營(yíng)。

 

  2. 2 TBM在我國(guó)的發(fā)展與應(yīng)用

 

  我國(guó)1964年成立隧道掘進(jìn)機(jī)攻關(guān)小組, 1966年生產(chǎn)出第一臺(tái)直徑Υ=3. 4m 的硬巖TBM, 在杭州人防工程中做過試驗(yàn);此后曾研制出十多臺(tái)硬巖TBM, 先后在云南西洱河水電站、福建龍門灘、青島引黃濟(jì)青等工程中使用, 掘進(jìn)速度僅是當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的1 /5 ～ 1 /10, 基本處于閑置狀態(tài)。

 

  我國(guó)盾構(gòu)TBM 的制造和應(yīng)用始于1965年, 上海隧道工程設(shè)計(jì)院研制出兩臺(tái)直徑Υ =5. 8m 的網(wǎng)格擠壓型盾構(gòu)TBM, 成功地掘進(jìn)了長(zhǎng)1200m 的上海地鐵區(qū)間隧道;此后陸續(xù)生產(chǎn)出多臺(tái)盾構(gòu)TBM, 并成功地應(yīng)用于上海地區(qū)的隧道開挖;20世紀(jì)90 年代, 上海隧道股份有限公司自行設(shè)計(jì)制造了6臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)TBM, 分別用于上海地鐵隧道、引排水隧道等的施工, 掘進(jìn)總長(zhǎng)度約10km, 平均月進(jìn)尺達(dá)200m以上, 已接近國(guó)際水平。

 

  20世紀(jì)90年代以來, 許多國(guó)外承包商(如意大利CMC 公司、SELI公司等)先后在引大入秦、萬(wàn)家寨引黃工程、昆明掌鳩河引水供水工程等大型水利工程中采用先進(jìn)的TBM 進(jìn)行開挖, 取得了很大成功;1996年, 我國(guó)鐵道部門從德國(guó)W irth公司引進(jìn)兩臺(tái)TB880E 型敞開式硬巖TBM, 成功開挖了西康鐵路線上的秦嶺隧道。

 

  其中有幾個(gè)隧道工程因規(guī)模大、地質(zhì)條件較復(fù)雜, 取得的成功經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

 

  (1)引大入秦工程:將大通河水引入秦王川的大型跨流域調(diào)水工程, 總干渠全長(zhǎng)86. 9km, 其中隧洞33座, 總長(zhǎng)75. 11km。1988年9月, 意大利CMC公司采用Robbins雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行隧洞開挖在該工程30A#和38#隧洞國(guó)際招標(biāo)中中標(biāo)。其中30A#隧洞長(zhǎng)11. 649km, 設(shè)計(jì)直徑4. 80m, 埋深51 ～330m, 1991年1月正式開始掘進(jìn), 1992年1月貫通;38#隧洞長(zhǎng)4. 948km, 設(shè)計(jì)直徑4. 80m, 1992年4月正式開始掘進(jìn), 1992年8月貫通。

 

  (2)萬(wàn)家寨引黃工程:從黃河萬(wàn)家寨水利樞紐取水, 將水東調(diào), 經(jīng)總干線、南干線和北干線分別向太原、大同、平朔3個(gè)能源基地供水。引水線路總長(zhǎng)約314km, 跨越5個(gè)地質(zhì)單元, 穿過太古界、古生界、中生界直至新生界各類地層, 埋深一般100 ～ 300m,地質(zhì)條件比較復(fù)雜。其中總干線隧洞總長(zhǎng)21. 388km, 成洞直徑5. 46m, 1994年7月正式開始掘進(jìn), 1997年9月貫通;南干線隧洞總長(zhǎng)88. 7km, 成洞直徑4. 3m, 1998年12月正式開始掘進(jìn), 2001年4月貫通;聯(lián)接段7#隧洞長(zhǎng)13. 52km, 成洞直徑4. 14m, 2000年12月正式開始掘進(jìn),2001年9月貫通。

 

  (3)掌鳩河引水供水工程:為解決昆明市近期和中遠(yuǎn)期城市供水問題而興建的大型水利工程, 輸水線路總長(zhǎng)97. 258km, 其中隧洞16座, 總長(zhǎng)85. 655km。上公山隧洞是該水利工程中最長(zhǎng)的隧洞, 全長(zhǎng)13. 769km, 設(shè)計(jì)直徑3. 00m, 穿越地層主要為下元古界黑山頭組(Pt1h s )板巖、粉砂巖和震旦系燈影組(Zbdn )白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r, 由意大利CMC 公司采用美國(guó)Robbins公司生產(chǎn)的Υ =3. 665m 雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行開挖[ 11] 。該隧洞于2003年4月正式開始掘進(jìn), 截止到2003 年12月底, 已掘進(jìn)3. 337km, 平均月進(jìn)尺426m, 最高月進(jìn)尺771. 72m, 最高日進(jìn)尺64. 90m, 將于2005年底貫通。

 

  (4)西康鐵路秦嶺隧道:包括兩條平行的單線

 

  隧道, 分別長(zhǎng)18. 460km, 開挖直徑8. 8m, 是我國(guó)目前最長(zhǎng)的鐵路隧道。兩條隧道間距30m, 最大埋深約1600m, 主要穿越地層為花崗巖和片巖。1996年, 我國(guó)鐵道部門從德國(guó)W irth 公司引進(jìn)兩臺(tái)TB880E型敞開式硬巖TBM用于該隧道開挖。兩臺(tái)TBM 分別從南北兩個(gè)進(jìn)口開始掘進(jìn), 南口于1998年3 月正式開始掘進(jìn), 1999 年8 月貫通;北口于1998年1月正式開始掘進(jìn), 1999年8月貫通。

 

  在以上隧道的施工中, 由于采用了先進(jìn)的TBM掘進(jìn)技術(shù), 平均月進(jìn)尺300 ～ 1000m, 平均日進(jìn)尺10～ 50m, 最高月進(jìn)尺1821. 49m, 最高日進(jìn)尺113. 21m, 開挖速度明顯快于傳統(tǒng)的鉆爆法(圖1), 取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

 

  3 TBM 施工相關(guān)工程地質(zhì)問題及處理措施

 

  由于TBM 設(shè)備龐大, 對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性沒有鉆爆法那樣靈活, 在沒有預(yù)警的情況下遇到不良地質(zhì)條件時(shí), TBM 掘進(jìn)受到的影響遠(yuǎn)大于鉆爆法開挖,往往導(dǎo)致掘進(jìn)速度緩慢、效率低下、工期拖延。如果處理不當(dāng), 甚至?xí)頌?zāi)難性后果。我國(guó)昆明掌鳩河引水供水工程、山西萬(wàn)家寨引黃工程、臺(tái)灣坪林公路隧道, 以及荷蘭南部的西斯凱爾特河隧道等, 在TBM 通過不良地質(zhì)地段時(shí)均發(fā)生了諸如突水、塌方、卡機(jī)等工程事故, 威脅著施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全, 并造成長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。為此, 必須根據(jù)TBM 自身特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件采取相應(yīng)的處理措施, 以保證TBM安全、順利地通過不良地質(zhì)地段。

 

  1. 英吉利海峽隧道;2. 東京灣海底隧道;3. 荷蘭生態(tài)綠心隧道;4. 引大入秦工程;5. 引黃工程總干線;6. 引黃工程南干線;7. 引黃工程聯(lián)接段;8. 昆明上公山隧洞;9. 秦嶺隧道南口;

 

  10. 秦嶺隧道北口

 

  a. 傳統(tǒng)鉆爆法;b. TBM 掘進(jìn)

 

  3. 1 斷層破碎帶與圍巖塌方、涌水?dāng)鄬悠扑閹в绕涫且?guī)模較大的的斷層帶是絕大部分巖石隧道地下開挖都會(huì)遇到的不良工程地質(zhì)條件。當(dāng)隧洞位于區(qū)域地下水位線以下時(shí), 地下水會(huì)不同程度地降低圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性, 惡化圍巖的工程地質(zhì)條件, 對(duì)掘進(jìn)過程產(chǎn)生不良影響[ 14] 。斷層破碎帶掘進(jìn)過程中的涌水經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)、塌方, 甚至淹沒隧洞, 危及洞內(nèi)施工人員和設(shè)備的安全。因此, 如何安全、順利地通過斷層破碎帶并避免塌方和突水等工程事故發(fā)生, 往往成為影響施工安全和工期的重要因素[ 15] 。

 

  例如2003年10月23日, 在昆明掌鳩河引水供水工程上公山隧洞掘進(jìn)過程中, TBM 在樁號(hào)2 +627. 777m處遇到一條壓扭性斷層(寬2 ～ 3m, 與洞軸線夾角約30°), 導(dǎo)致掌子面出現(xiàn)大塌方, 隨后停機(jī)在掌子面處對(duì)圍巖進(jìn)行灌漿(聚氨酯泡沫)處理。

 

  由于塌落的大量破碎圍巖將TBM 刀盤卡死,加上灌漿工藝出現(xiàn)了一些問題, 最終導(dǎo)致TBM 被困長(zhǎng)達(dá)26d。

 

  為使TBM 能夠安全、順利地通過斷層破碎帶,一定要進(jìn)行深入的地面地質(zhì)調(diào)查和高密度電法等地球物理探測(cè)或超前鉆探等對(duì)斷層破碎帶的位置、規(guī)模作出合理的預(yù)測(cè), 并及早采取對(duì)策。

 

  (1)如果斷層破碎帶規(guī)模較小, 則可以不進(jìn)行預(yù)處理, 采用低轉(zhuǎn)速、小行程、快速掘進(jìn)的方法直接掘進(jìn)通過, 盡可能不停機(jī)或減少停機(jī)時(shí)間, 以防TBM 刀盤被卡。

 

  (2)如果斷層破碎帶規(guī)模較大, 當(dāng)采用直接掘進(jìn)方法無(wú)法通過時(shí), 則可先對(duì)破碎帶進(jìn)行預(yù)處理(如注漿預(yù)加固等), 然后再緩慢掘進(jìn)通過。

 

  (3)對(duì)于規(guī)模很大的斷層破碎帶, 采用以上方法均無(wú)法通過時(shí), 則可以從旁邊開挖支洞, 對(duì)破碎帶地段采用鉆爆法進(jìn)行開挖, 施工完畢后, TBM 在空載狀態(tài)下直接步進(jìn)通過。

 

  對(duì)于掘進(jìn)過程中的涌水, 可采取以下措施進(jìn)行處理:

 

  (1)如果涌水量較小, 可利用TBM 自身攜帶的排水設(shè)備變被動(dòng)排水為主動(dòng)排水, 做好排水系統(tǒng)后,TBM 繼續(xù)掘進(jìn)。

 

  (2)對(duì)于涌水量較大的情況, 可利用TBM 機(jī)頭所配備的超前鉆打排水孔進(jìn)行排水, 并增加適量的排水設(shè)備提高排水能力;也可以采用圍巖注漿的方法將地下水封堵在洞外圍巖內(nèi)。

 

  3. 2 軟巖大變形

 

  軟巖大變形是影響TBM 正常掘進(jìn)的重要因素之一, 開挖過程中隧洞的快速收斂經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致混凝土管片變形、破損(圖3), 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致卡機(jī)事故的發(fā)生[ 16] 。近年來有關(guān)隧洞圍巖快速收斂變形導(dǎo)致卡機(jī)事故的報(bào)道很多。例如:委內(nèi)瑞拉的Y acambu隧道, 長(zhǎng)27km, 其圍巖收斂變形每分鐘達(dá)到20cm, 致使TBM 無(wú)法正常掘進(jìn)而被迫停機(jī)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月;荷蘭南部西斯凱爾特河隧道兩臺(tái)德國(guó)海瑞克TBM 在掘進(jìn)過程中由于遇到擠壓性軟巖地層被困在含海綠石砂巖中;此外, 在我國(guó)山西萬(wàn)家寨引黃工程太原聯(lián)接段軟巖掘進(jìn)過程中, 也發(fā)生了由于隧洞快速收斂變形而導(dǎo)致TBM 長(zhǎng)時(shí)間被困的工程事故。

 

  當(dāng)TBM 在軟巖地層中掘進(jìn)時(shí), 為了防止TBM被困等工程事故的發(fā)生, 可以采取以下處理措施:

 

  (1)對(duì)于大多數(shù)TBM, 可適當(dāng)超挖, 把盾殼與開挖面的間隙從通常的6 ～ 10cm, 調(diào)整到15 ～ 25cm,給圍巖變形預(yù)留足夠空間。

 

  (2)對(duì)于護(hù)盾式TBM, 還可以適當(dāng)提高輔助液壓缸推力, 必要時(shí)采用高壓拉缸, 使TBM 快速通過軟巖地層。

 

  作為一種典型的軟巖, 膨脹巖具有膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良工程特性, 如果處理不當(dāng),常會(huì)造成隧洞變形、圍巖坍塌, 甚至刀盤被卡等工程事故。為使TBM 能夠順利地通過膨脹性圍巖地段,在施工過程中一定要做好防水止?jié)B工作, 要特別注意襯砌管片接縫寬度的控制和止水條安裝質(zhì)量, 避免洞內(nèi)施工用水與地下水相互滲透, 防止圍巖崩解、軟化。此外, 還要對(duì)隧洞開挖斷面進(jìn)行適量擴(kuò)挖, 給圍巖膨脹預(yù)留一定變形空間。

 

  3. 3 巖溶與突水災(zāi)害

 

  TBM 采用全斷面掘進(jìn), 機(jī)身將開挖斷面完全封堵, 只能進(jìn)不能退, 在巖溶發(fā)育地區(qū)施工時(shí)對(duì)溶洞預(yù)測(cè)和處理就成為一個(gè)大難題[ 18] 。如果處理不當(dāng), 會(huì)出現(xiàn)管片整體下沉、接縫張開、錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重等工程問題, 甚至導(dǎo)致機(jī)頭下沉、陷落, 大規(guī)模溶洞突水淹沒隧道等惡性事故的發(fā)生。例如:在危地馬拉R ioChixoy水電站長(zhǎng)27km 的供水隧洞開挖過程中, 一臺(tái)TBM被埋在一個(gè)溶蝕洞穴里;越南中部的海文隧道, 由于洞內(nèi)施工過程中溶洞突水(涌水量達(dá)90Ls- 1 ), 被迫停機(jī)近兩個(gè)星期。

 

  掘進(jìn)過程中遇到溶洞時(shí)TBM 操作系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)會(huì)顯示出不正常, 因此要時(shí)刻注意各參數(shù)的變化。

 

  為避免機(jī)頭下沉、陷落等惡性事故, 掘進(jìn)前應(yīng)利用超前鉆、地質(zhì)雷達(dá)等設(shè)備對(duì)前方地段開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作, 查明溶洞的分布、規(guī)模及含水、充填情況, 防患于未然。當(dāng)掘進(jìn)至溶洞邊緣時(shí), 技術(shù)人員可通過檢修孔查明溶洞的具體發(fā)育情況, 并采取相應(yīng)的處理措施。

 

  (1)對(duì)于區(qū)域地下水位線以上規(guī)模較小的溶洞, 如果對(duì)TBM 掘進(jìn)影響不大, 則可不予處理繼續(xù)掘進(jìn);待TBM通過后, 利用管片回填孔對(duì)溶洞回填豆礫石, 并進(jìn)行固結(jié)灌漿加固。

 

  (2)對(duì)于隧洞下方規(guī)模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可以先對(duì)溶洞進(jìn)行超前注漿加固, 待TBM通過后, 通過管片回填孔對(duì)溶洞段進(jìn)行后期高壓固結(jié)灌漿。如果溶洞無(wú)充填或僅部分充填, 則可以用豆礫石、砌石、混凝土等材料進(jìn)行回填并壓漿加固,待TBM通過后, 通過管片回填孔對(duì)溶洞段進(jìn)行后期高壓固結(jié)灌漿。

 

  (3)對(duì)于隧洞上方規(guī)模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可利用掘進(jìn)機(jī)自身攜帶的超前鉆探設(shè)備和灌漿設(shè)備對(duì)溶洞進(jìn)行全洞周超前注漿處理, 以防止TBM 經(jīng)過時(shí)溶洞充填物塌落;待TBM 通過后, 通過管片回填孔對(duì)溶洞段進(jìn)行高壓固結(jié)灌漿并施設(shè)錨桿。如果溶洞無(wú)充填或僅部分充填, 則可以采用錨桿加槽鋼的半環(huán)形鋼支撐, 用豆礫石、砌石、混凝土等材料進(jìn)行封堵、回填并壓漿加固。

 

  (4)對(duì)于含水量較大的溶洞, 在掘進(jìn)前要利用超前鉆打排水孔進(jìn)行排水, 并做好排水系統(tǒng), 保證排水暢通;掘進(jìn)過程中要加強(qiáng)對(duì)涌水量的監(jiān)測(cè), 避免災(zāi)難性突水將隧洞淹沒。

 

  3. 4 高地應(yīng)力與巖爆和圍巖大變形

 

  當(dāng)隧洞埋深較大( >250m)時(shí), 地應(yīng)力會(huì)隨著隧洞埋深的增大而明顯增大。在高地應(yīng)力狀態(tài)下, 對(duì)于堅(jiān)硬的完整性較好的脆性圍巖, 由于隧洞開挖后圍巖應(yīng)力重新進(jìn)行分布, 局部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象, 容易誘發(fā)巖爆的發(fā)生, 對(duì)施工設(shè)備造成破壞, 危及施工人員人身安全[ 19] ;而對(duì)于裂隙比較發(fā)育的軟巖, 則常會(huì)發(fā)生圍巖大變形, 導(dǎo)致管片變形、破損, 甚至阻塞TBM, 使TBM掘進(jìn)困難。

 

  對(duì)于巖爆易發(fā)地段, 可采取以下處理措施:

 

  (1)掘進(jìn)前, 根據(jù)圍巖體的巖性、結(jié)構(gòu)特征及地應(yīng)力大小等相關(guān)資料, 并結(jié)合各種物探方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào), 確定巖爆發(fā)生的位置、規(guī)模。對(duì)于輕微巖爆, 可不予處理;當(dāng)巖爆規(guī)模較大時(shí), 可利用超前鉆孔釋放地應(yīng)力, 并在鉆孔中注水, 濕化巖體。

 

  (2)掘進(jìn)過程中, 在掌子面噴水濕潤(rùn)巖體, 降低巖爆的危害性, 并加強(qiáng)監(jiān)測(cè), 避免大規(guī)模巖爆的發(fā)生。

 

  (3)開挖后及時(shí)進(jìn)行支護(hù), 盡量減少圍巖暴露時(shí)間。

 

  對(duì)于高地應(yīng)力軟巖地層掘進(jìn)過程中的圍巖大變形問題, 可適當(dāng)超挖給圍巖預(yù)留一定的變形空間, 或提高輔助液壓缸的推力, 使TBM 快速通過軟巖地層, 并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

 

  3. 5 含煤地層與瓦斯突出

 

  由于含煤系地層常含有CO、CH4等易燃、有害氣體, 嚴(yán)重地威脅著洞內(nèi)施工人員的健康和生命安全[ 20] 。因此, 當(dāng)TBM 掘進(jìn)到煤系等地層時(shí), 應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng), 還要在TBM 上安裝有害氣體檢測(cè)儀, 加強(qiáng)對(duì)瓦斯等有害氣體的監(jiān)測(cè), 并制定嚴(yán)格的防火措施, 確保施工安全。

 

  4 分析討論

 

  筆者通過分析大量國(guó)內(nèi)外TBM 施工隧道工程

 

  實(shí)例發(fā)現(xiàn):

 

  (1)TBM 掘進(jìn)技術(shù)具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 是目前世界上最為先進(jìn)的隧道開挖方法, 優(yōu)先采用TBM 進(jìn)行隧道開挖已成為未來隧道建設(shè)總的發(fā)展趨勢(shì)。

 

  (2)TBM 比較適宜于在巖石抗壓強(qiáng)度30 ～60MPa的中等硬度且地質(zhì)條件較好的地層中掘進(jìn),其掘進(jìn)速度在一定程度上取決于圍巖工程地質(zhì)條件(如巖石強(qiáng)度、圍巖類別、地下水等)。①隨著巖石抗壓強(qiáng)度的增大, TBM 掘進(jìn)速度有不斷降低的趨勢(shì)。②TBM 在Ⅱ 、Ⅴ類圍巖中掘進(jìn)速度比較緩慢,在Ⅲ 、Ⅳ類圍巖中具有較高的掘進(jìn)速度。

 

  (3)TBM 掘進(jìn)過程中, 軟巖大變形、突水、巖爆以及瓦斯突出是導(dǎo)致重大工程事故的主要因素, 尤其是軟巖大變形和突水。據(jù)統(tǒng)計(jì), 在已發(fā)生的TBM重大工程事故中約有72%是由二者引起的(圖6),在施工過程中應(yīng)給予足夠的重視。

 

  5 結(jié) 論

 

  目前TBM 掘進(jìn)技術(shù)對(duì)于不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較差, 在應(yīng)用過程中經(jīng)常遇到的主要工程地質(zhì)問題是軟巖大變形、突水、巖爆、瓦斯突出等。為了能夠克服、解決這些問題, 需要在工程可行性研究和設(shè)計(jì)階段就給予足夠的認(rèn)識(shí)和重視, 加強(qiáng)以重大工程地質(zhì)預(yù)測(cè)為中心的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作, 并在施工過程中充分利用各種地質(zhì)資料和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果, 建立工程地質(zhì)模型, 對(duì)遇到的問題作出接近實(shí)際的評(píng)估。已有工程實(shí)例、經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)為克服和避免卡機(jī)、突水等工程事故提供了很好的借鑒。

 

  隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及各國(guó)之間交流的進(jìn)一步加強(qiáng), 大規(guī)模地修建跨流域長(zhǎng)大深埋隧道已勢(shì)在必行。遇到的地質(zhì)條件將更加復(fù)雜, 問題將更具有挑戰(zhàn)性, 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與TBM信息化施工以及可變更設(shè)計(jì)值得我們關(guān)注、研究。