TBM 掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展及有關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題分析和對策

  1 引 言

 

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

 

  由于廣泛應用計算機、遙控、激光制導等先進(jìn)電子信息技術(shù)對施工過(guò)程進(jìn)行全面指導和監控, 現代TBM 掘進(jìn)過(guò)程始終處于最佳狀態(tài)。相對于傳統鉆爆法, 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)境保護和節省勞動(dòng)力, 提高施工效率, 整體上比較經(jīng)濟。

 

  TBM 掘進(jìn)技術(shù)體現了計算機、新材料、自動(dòng)化、信息化、系統科學(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)國家的綜合實(shí)力與科技水平。我國在這方面也已開(kāi)展了跟蹤研究[ 2] 。

 

  TBM 不足之處在于對不良工程地質(zhì)條件的適應性較差, 不如傳統鉆爆法靈活;前期的一次性投入費用較大;對施工人員的素質(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雜、技術(shù)要求更高的今天, 仍有多種問(wèn)題出現甚至發(fā)展成工程事故。

 

  2 TBM 掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展與應用

 

  隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)發(fā)展, TBM 的類(lèi)型不斷增多、適用范圍不斷擴大, 從微型隧道到巨型隧道, 從松散軟土甚至淤泥, 到極堅硬的巖石都可應用, 并且適用的地質(zhì)條件也更為復雜;與此同時(shí), 一個(gè)個(gè)施工紀錄也在不斷地被刷新。一般情況下, 當隧洞長(cháng)度大于6km 或長(cháng)(度)、(直)徑比大于600 時(shí), 宜優(yōu)先采用TBM 進(jìn)行開(kāi)挖。不過(guò), 近幾年這一傳統觀(guān)念已被工程實(shí)踐所突破, 在西方發(fā)達國家, 不少3km左右的隧洞已開(kāi)始采用TBM 開(kāi)挖。例如英國倫敦希斯洛機場(chǎng)的艾賽德路雙管隧道, 長(cháng)度僅1. 3km, 采用一臺直徑Υ =9. 2m的土壓平衡式盾構TBM開(kāi)挖。

 

  經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀推廣與應用, TBM 掘進(jìn)技術(shù)已相當成熟, 被廣泛應用于世界各國的能源、交通、水利、國防等部門(mén)的隧道工程建設中。據統計, 近幾年有30% ～ 40%的隧道工程采用TBM 開(kāi)挖。

 

  2. 1 TBM 在國外的發(fā)展與應用

 

  從20世紀50年代以來(lái), TBM 掘進(jìn)技術(shù)在世界各國得到了廣泛應用。采用TBM 掘進(jìn)技術(shù)建成的世界著(zhù)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)。目前國外擬建的大型隧道項目包括日韓海底隧道(連接日本和韓國, 長(cháng)約120km)、白令海峽隧道(連接亞洲和美洲,長(cháng)約74. 8km)、阿爾卑斯山鐵路隧道(從Ro senheim到V erona, 總長(cháng)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(cháng)51km, 是目前世界上最長(cháng)的海底隧道。其中兩條交通隧道開(kāi)挖直徑8. 36 ～ 8. 78m,成洞直徑7. 6m;一條服務(wù)隧洞開(kāi)挖直徑5. 38 ～ 5. 77m, 成洞直徑4. 8m;平均海底掘進(jìn)長(cháng)度37. 88km, 穿越地層為白堊紀泥灰巖。該隧道工程從歐洲、北美、日本共引進(jìn)了11臺不同型號、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(chē)。其中一臺Robbins TBM創(chuàng )造了當時(shí)最佳月成洞1719. 1m 的世界紀錄[ 5] 。

 

  (2)東京灣海底隧道:由兩條長(cháng)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(kāi)挖直徑14. 14m, 設計直徑13. 9m, 建于海面以下約60m 深的軟巖中。為適應大深度、高水壓的施工條件, 該隧道采用8臺高壓泥漿式盾構TBM 開(kāi)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(xiàn), 將阿姆斯特丹—鹿特丹高速軌道線(xiàn)連接起來(lái), 全長(cháng)7. 176km, 設計直徑13. 30m, 總投資4. 31 億美元, 采用法國NFM 制造的“震旦號”泥水盾構TBM 開(kāi)挖, 開(kāi)挖直徑達14. 87m, 為目前世界上TBM 開(kāi)挖的最大直徑。該隧道于2001年11月2日正式開(kāi)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(kāi)放運營(yíng)。

 

  2. 2 TBM在我國的發(fā)展與應用

 

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

 

  我國盾構TBM 的制造和應用始于1965年, 上海隧道工程設計院研制出兩臺直徑Υ =5. 8m 的網(wǎng)格擠壓型盾構TBM, 成功地掘進(jìn)了長(cháng)1200m 的上海地鐵區間隧道;此后陸續生產(chǎn)出多臺盾構TBM, 并成功地應用于上海地區的隧道開(kāi)挖;20世紀90 年代, 上海隧道股份有限公司自行設計制造了6臺土壓平衡式盾構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(cháng)度約10km, 平均月進(jìn)尺達200m以上, 已接近國際水平。

 

  20世紀90年代以來(lái), 許多國外承包商(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(kāi)挖, 取得了很大成功;1996年, 我國鐵道部門(mén)從德國W irth公司引進(jìn)兩臺TB880E 型敞開(kāi)式硬巖TBM, 成功開(kāi)挖了西康鐵路線(xiàn)上的秦嶺隧道。

 

  其中有幾個(gè)隧道工程因規模大、地質(zhì)條件較復雜, 取得的成功經(jīng)驗值得借鑒。

 

  (1)引大入秦工程:將大通河水引入秦王川的大型跨流域調水工程, 總干渠全長(cháng)86. 9km, 其中隧洞33座, 總長(cháng)75. 11km。1988年9月, 意大利CMC公司采用Robbins雙護盾TBM 進(jìn)行隧洞開(kāi)挖在該工程30A#和38#隧洞國際招標中中標。其中30A#隧洞長(cháng)11. 649km, 設計直徑4. 80m, 埋深51 ～330m, 1991年1月正式開(kāi)始掘進(jìn), 1992年1月貫通;38#隧洞長(cháng)4. 948km, 設計直徑4. 80m, 1992年4月正式開(kāi)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, 經(jīng)總干線(xiàn)、南干線(xiàn)和北干線(xiàn)分別向太原、大同、平朔3個(gè)能源基地供水。引水線(xiàn)路總長(cháng)約314km, 跨越5個(gè)地質(zhì)單元, 穿過(guò)太古界、古生界、中生界直至新生界各類(lèi)地層, 埋深一般100 ～ 300m,地質(zhì)條件比較復雜。其中總干線(xiàn)隧洞總長(cháng)21. 388km, 成洞直徑5. 46m, 1994年7月正式開(kāi)始掘進(jìn), 1997年9月貫通;南干線(xiàn)隧洞總長(cháng)88. 7km, 成洞直徑4. 3m, 1998年12月正式開(kāi)始掘進(jìn), 2001年4月貫通;聯(lián)接段7#隧洞長(cháng)13. 52km, 成洞直徑4. 14m, 2000年12月正式開(kāi)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期城市供水問(wèn)題而興建的大型水利工程, 輸水線(xiàn)路總長(cháng)97. 258km, 其中隧洞16座, 總長(cháng)85. 655km。上公山隧洞是該水利工程中最長(cháng)的隧洞, 全長(cháng)13. 769km, 設計直徑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)灰巖, 由意大利CMC 公司采用美國Robbins公司生產(chǎn)的Υ =3. 665m 雙護盾TBM 進(jìn)行開(kāi)挖[ 11] 。該隧洞于2003年4月正式開(kāi)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(xiàn)

 

  隧道, 分別長(cháng)18. 460km, 開(kāi)挖直徑8. 8m, 是我國目前最長(cháng)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, 我國鐵道部門(mén)從德國W irth 公司引進(jìn)兩臺TB880E型敞開(kāi)式硬巖TBM用于該隧道開(kāi)挖。兩臺TBM 分別從南北兩個(gè)進(jìn)口開(kāi)始掘進(jìn), 南口于1998年3 月正式開(kāi)始掘進(jìn), 1999 年8 月貫通;北口于1998年1月正式開(kāi)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(kāi)挖速度明顯快于傳統的鉆爆法(圖1), 取得了良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。

 

  3 TBM 施工相關(guān)工程地質(zhì)問(wèn)題及處理措施

 

  由于TBM 設備龐大, 對地質(zhì)條件適應性沒(méi)有鉆爆法那樣靈活, 在沒(méi)有預警的情況下遇到不良地質(zhì)條件時(shí), TBM 掘進(jìn)受到的影響遠大于鉆爆法開(kāi)挖,往往導致掘進(jìn)速度緩慢、效率低下、工期拖延。如果處理不當, 甚至會(huì )帶來(lái)災難性后果。我國昆明掌鳩河引水供水工程、山西萬(wàn)家寨引黃工程、臺灣坪林公路隧道, 以及荷蘭南部的西斯凱爾特河隧道等, 在TBM 通過(guò)不良地質(zhì)地段時(shí)均發(fā)生了諸如突水、塌方、卡機等工程事故, 威脅著(zhù)施工人員和機械設備的安全, 并造成長(cháng)時(shí)間停機。為此, 必須根據TBM 自身特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件采取相應的處理措施, 以保證TBM安全、順利地通過(guò)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(xiàn);6. 引黃工程南干線(xiàn);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. 傳統鉆爆法;b. TBM 掘進(jìn)

 

  3. 1 斷層破碎帶與圍巖塌方、涌水斷層破碎帶尤其是規模較大的的斷層帶是絕大部分巖石隧道地下開(kāi)挖都會(huì )遇到的不良工程地質(zhì)條件。當隧洞位于區域地下水位線(xiàn)以下時(shí), 地下水會(huì )不同程度地降低圍巖強度和穩定性, 惡化圍巖的工程地質(zhì)條件, 對掘進(jìn)過(guò)程產(chǎn)生不良影響[ 14] 。斷層破碎帶掘進(jìn)過(guò)程中的涌水經(jīng)常會(huì )導致圍巖失穩、塌方, 甚至淹沒(méi)隧洞, 危及洞內施工人員和設備的安全。因此, 如何安全、順利地通過(guò)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(guò)程中, TBM 在樁號2 +627. 777m處遇到一條壓扭性斷層(寬2 ～ 3m, 與洞軸線(xiàn)夾角約30°), 導致掌子面出現大塌方, 隨后停機在掌子面處對圍巖進(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(pán)卡死,加上灌漿工藝出現了一些問(wèn)題, 最終導致TBM 被困長(cháng)達26d。

 

  為使TBM 能夠安全、順利地通過(guò)斷層破碎帶,一定要進(jìn)行深入的地面地質(zhì)調查和高密度電法等地球物理探測或超前鉆探等對斷層破碎帶的位置、規模作出合理的預測, 并及早采取對策。

 

  (1)如果斷層破碎帶規模較小, 則可以不進(jìn)行預處理, 采用低轉速、小行程、快速掘進(jìn)的方法直接掘進(jìn)通過(guò), 盡可能不停機或減少停機時(shí)間, 以防TBM 刀盤(pán)被卡。

 

  (2)如果斷層破碎帶規模較大, 當采用直接掘進(jìn)方法無(wú)法通過(guò)時(shí), 則可先對破碎帶進(jìn)行預處理(如注漿預加固等), 然后再緩慢掘進(jìn)通過(guò)。

 

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

 

  對于掘進(jìn)過(guò)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 自身攜帶的排水設備變被動(dòng)排水為主動(dòng)排水, 做好排水系統后,TBM 繼續掘進(jìn)。

 

  (2)對于涌水量較大的情況, 可利用TBM 機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。

 

  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(kāi)挖過(guò)程中隧洞的快速收斂經(jīng)常會(huì )導致混凝土管片變形、破損(圖3), 嚴重時(shí)還會(huì )導致卡機事故的發(fā)生[ 16] 。近年來(lái)有關(guān)隧洞圍巖快速收斂變形導致卡機事故的報道很多。例如:委內瑞拉的Y acambu隧道, 長(cháng)27km, 其圍巖收斂變形每分鐘達到20cm, 致使TBM 無(wú)法正常掘進(jìn)而被迫停機長(cháng)達數月;荷蘭南部西斯凱爾特河隧道兩臺德國海瑞克TBM 在掘進(jìn)過(guò)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, 在我國山西萬(wàn)家寨引黃工程太原聯(lián)接段軟巖掘進(jìn)過(guò)程中, 也發(fā)生了由于隧洞快速收斂變形而導致TBM 長(cháng)時(shí)間被困的工程事故。

 

  當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)對于大多數TBM, 可適當超挖, 把盾殼與開(kāi)挖面的間隙從通常的6 ～ 10cm, 調整到15 ～ 25cm,給圍巖變形預留足夠空間。

 

  (2)對于護盾式TBM, 還可以適當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(guò)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,常會(huì )造成隧洞變形、圍巖坍塌, 甚至刀盤(pán)被卡等工程事故。為使TBM 能夠順利地通過(guò)膨脹性圍巖地段,在施工過(guò)程中一定要做好防水止滲工作, 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, 還要對隧洞開(kāi)挖斷面進(jìn)行適量擴挖, 給圍巖膨脹預留一定變形空間。

 

  3. 3 巖溶與突水災害

 

  TBM 采用全斷面掘進(jìn), 機身將開(kāi)挖斷面完全封堵, 只能進(jìn)不能退, 在巖溶發(fā)育地區施工時(shí)對溶洞預測和處理就成為一個(gè)大難題[ 18] 。如果處理不當, 會(huì )出現管片整體下沉、接縫張開(kāi)、錯臺嚴重等工程問(wèn)題, 甚至導致機頭下沉、陷落, 大規模溶洞突水淹沒(méi)隧道等惡性事故的發(fā)生。例如:在危地馬拉R ioChixoy水電站長(cháng)27km 的供水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中, 一臺TBM被埋在一個(gè)溶蝕洞穴里;越南中部的海文隧道, 由于洞內施工過(guò)程中溶洞突水(涌水量達90Ls- 1 ), 被迫停機近兩個(gè)星期。

 

  掘進(jìn)過(guò)程中遇到溶洞時(shí)TBM 操作系統有關(guān)參數會(huì )顯示出不正常, 因此要時(shí)刻注意各參數的變化。

 

  為避免機頭下沉、陷落等惡性事故, 掘進(jìn)前應利用超前鉆、地質(zhì)雷達等設備對前方地段開(kāi)展超前地質(zhì)預報工作, 查明溶洞的分布、規模及含水、充填情況, 防患于未然。當掘進(jìn)至溶洞邊緣時(shí), 技術(shù)人員可通過(guò)檢修孔查明溶洞的具體發(fā)育情況, 并采取相應的處理措施。

 

  (1)對于區域地下水位線(xiàn)以上規模較小的溶洞, 如果對TBM 掘進(jìn)影響不大, 則可不予處理繼續掘進(jìn);待TBM通過(guò)后, 利用管片回填孔對溶洞回填豆礫石, 并進(jìn)行固結灌漿加固。

 

  (2)對于隧洞下方規模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可以先對溶洞進(jìn)行超前注漿加固, 待TBM通過(guò)后, 通過(guò)管片回填孔對溶洞段進(jìn)行后期高壓固結灌漿。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(guò)后, 通過(guò)管片回填孔對溶洞段進(jìn)行后期高壓固結灌漿。

 

  (3)對于隧洞上方規模較大的溶洞, 如果溶洞被充填, 可利用掘進(jìn)機自身攜帶的超前鉆探設備和灌漿設備對溶洞進(jìn)行全洞周超前注漿處理, 以防止TBM 經(jīng)過(guò)時(shí)溶洞充填物塌落;待TBM 通過(guò)后, 通過(guò)管片回填孔對溶洞段進(jìn)行高壓固結灌漿并施設錨桿。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, 保證排水暢通;掘進(jìn)過(guò)程中要加強對涌水量的監測, 避免災難性突水將隧洞淹沒(méi)。

 

  3. 4 高地應力與巖爆和圍巖大變形

 

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

 

  對于巖爆易發(fā)地段, 可采取以下處理措施:

 

  (1)掘進(jìn)前, 根據圍巖體的巖性、結構特征及地應力大小等相關(guān)資料, 并結合各種物探方法進(jìn)行超前地質(zhì)預報, 確定巖爆發(fā)生的位置、規模。對于輕微巖爆, 可不予處理;當巖爆規模較大時(shí), 可利用超前鉆孔釋放地應力, 并在鉆孔中注水, 濕化巖體。

 

  (2)掘進(jìn)過(guò)程中, 在掌子面噴水濕潤巖體, 降低巖爆的危害性, 并加強監測, 避免大規模巖爆的發(fā)生。

 

  (3)開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行支護, 盡量減少?lài)鷰r暴露時(shí)間。

 

  對于高地應力軟巖地層掘進(jìn)過(guò)程中的圍巖大變形問(wèn)題, 可適當超挖給圍巖預留一定的變形空間, 或提高輔助液壓缸的推力, 使TBM 快速通過(guò)軟巖地層, 并及時(shí)進(jìn)行支護。

 

  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, 嚴重地威脅著(zhù)洞內施工人員的健康和生命安全[ 20] 。因此, 當TBM 掘進(jìn)到煤系等地層時(shí), 應加強洞內通風(fēng), 還要在TBM 上安裝有害氣體檢測儀, 加強對瓦斯等有害氣體的監測, 并制定嚴格的防火措施, 確保施工安全。

 

  4 分析討論

 

  筆者通過(guò)分析大量國內外TBM 施工隧道工程

 

  實(shí)例發(fā)現:

 

  (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(kāi)挖方法, 優(yōu)先采用TBM 進(jìn)行隧道開(kāi)挖已成為未來(lái)隧道建設總的發(fā)展趨勢。

 

  (2)TBM 比較適宜于在巖石抗壓強度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(如巖石強度、圍巖類(lèi)別、地下水等)。①隨著(zhù)巖石抗壓強度的增大, TBM 掘進(jìn)速度有不斷降低的趨勢。②TBM 在Ⅱ 、Ⅴ類(lèi)圍巖中掘進(jìn)速度比較緩慢,在Ⅲ 、Ⅳ類(lèi)圍巖中具有較高的掘進(jìn)速度。

 

  (3)TBM 掘進(jìn)過(guò)程中, 軟巖大變形、突水、巖爆以及瓦斯突出是導致重大工程事故的主要因素, 尤其是軟巖大變形和突水。據統計, 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(guò)程中應給予足夠的重視。

 

  5 結 論

 

  目前TBM 掘進(jìn)技術(shù)對于不良地質(zhì)條件適應性較差, 在應用過(guò)程中經(jīng)常遇到的主要工程地質(zhì)問(wèn)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(wèn)題, 需要在工程可行性研究和設計階段就給予足夠的認識和重視, 加強以重大工程地質(zhì)預測為中心的超前地質(zhì)預報工作, 并在施工過(guò)程中充分利用各種地質(zhì)資料和超前地質(zhì)預報成果, 建立工程地質(zhì)模型, 對遇到的問(wèn)題作出接近實(shí)際的評估。已有工程實(shí)例、經(jīng)驗和教訓為克服和避免卡機、突水等工程事故提供了很好的借鑒。

 

  隨著(zhù)世界經(jīng)濟的快速發(fā)展以及各國之間交流的進(jìn)一步加強, 大規模地修建跨流域長(cháng)大深埋隧道已勢在必行。遇到的地質(zhì)條件將更加復雜, 問(wèn)題將更具有挑戰性, 超前地質(zhì)預報與TBM信息化施工以及可變更設計值得我們關(guān)注、研究。