TBM施工风险分析及控制

TBM施工风险分析及控制

王立立

中铁隧道股份有限公司   河南郑州  450000

摘要：TBM施工过程中隧道内渗漏水会导致积水，存在排水处理问题。为解决该问题，设计了一种将隧道内管片壁后积水分段抽排的排水系统，将管片背后积水分段抽排，减少隧道管片渗漏水，避免大量积水产生，降低施工过程中积水处理及水淹设备的风险，同时排水系统在设备盾尾位置设置应急排水泵并布设应急排水管接至沉淀池，以应对前方突发涌水风险。因此，总结影响TBM施工的主要因素，从地质资料、TBM选型、设计、制造；从科学管理、队伍建设入手积极总结TBM施工风险的因素及采取相应对策，是提高TBM施工速度和安全性的重要举措，从TBM施工风险、影响TBM施工的因素及对策等方面进行阐述。

关键词：TBM；风险；控制

引言

TBM掘进机施工的优点是速度快，施工安全、成洞质量高、环境影响小，开挖速度一般是常规钻爆法的3～5倍以上，但TBM的掘进效率很大程度上由水文、地质条件和施工队伍的施工经验、熟练程度决定，岩石的强度和石英含量决定刀具的消耗成本。同时，TBM在施工过程中不可避免会碰到各种不良地质段，若经验不足，处置不当，会严重影响进度甚至造成安全隐患。因此，分析TBM施工中的风险因素，及时总结相应的应对方法，是提高TBM施工效率和降低安全风险的重要措施。

1TBM机型及适应性

目前,TBM主要分为以下3种类型,并分别适应于不同的地质。（1）敞开式TBM。其常用于完整性较好的硬岩隧道施工。在敞开式TBM上,配置了钢拱架安装器和锚喷支护等辅助设备,以适应地质的变化。当采用管棚等辅助支护手段时,敞开式TBM也可应用于短距离断层破碎带等软岩隧洞掘进。（2）单护盾TBM。单护盾TBM利用管片提供掘进反力,其作业过程类似于盾构,掘进与安装管片交替作业,施工速度较慢。（3）双护盾TBM。不弱于Ⅳ类围岩为主且强度应力比大于3的隧洞较适合采用双护盾TBM施工,对围岩收敛变形较为敏感。双护盾TBM配置有2套推进系统,同时具备撑靴功能,常用于混合地层的掘进。双护盾TBM具有双护盾和单护盾2种掘进模式。在围岩条件较好的地层,双护盾掘进模式的管片拼装和岩石开挖同步作业,进而实现高速、连续掘进;在不良地质洞段,采用单护盾模式掘进,利用管片获得主机的推进反力,降低对围岩的扰动。

2TBM施工风险

2.1岩爆

岩爆是地下工程施工中一种灾害性地质现象，崩落的岩块会伤害施工人员、损坏施工设备。工程最大埋深500m。从招标文件的地应力指标来看，可能会发生岩爆。

2.2涌水、突泥

随埋深增加，地下水渗透压力增加。地下水常赋存于孔隙、构造裂隙、溶蚀裂隙、溶洞等，一旦发生涌水，会伴有涌泥、涌砂，工作面会发生坍塌，TBM不能正常掘进。

2.3软岩大变形

隧洞洞室埋深大，通过各断层泥砾带时，由于岩质软弱，受高地应力的影响，可能会发生软岩塑性变形，造成掉块、成洞困难等问题。

2.4穿越高瓦斯煤层

TBM进入含煤地层，瓦斯浓度达5.7%，超标容易发生瓦斯爆炸，给施工带来极大的安全隐患。

3TBM施工风险控制措施

3.1岩爆控制对策

（1）提前释放岩体中的应力。可利用超前钻机在掌子面上造孔，对隧洞前方的高地应力进行提前释放，同时，用L1区锚杆钻机打径向应力释放孔，喷射高压水降低掌子面和洞壁的高应力。如果地应力较高，可在掌子面装设炸药爆破释放应力；（2）在TBM底侧护盾增加了钢筋排存储空间，扩大了钢筋排的支护范围，实现在盾体尾部周向250°钢筋排支护，加密与扩大钢筋排支护范围可有效减少岩爆对人员及设备损伤；（3）拟配置前置混喷系统，围岩一旦揭露出护盾及时对围岩进行混喷支护，降低高地应力环境下因围岩逐渐剥落引起的岩爆风险。

3.2突泥涌水控制对策

（1）TBM搭载三维激发极化法超前探测系统，实现掌子面前方裂隙水的定位和水量估算；（2）配置超前钻机钻孔减压排水；（3）采取堵、排结合的处理方式，设计双液化学灌浆泵对隧洞涌水段进行化灌减少涌水，并在主机区域配备排水系统；（4）主轴承密封可以承受1.5倍设计水头压力，前端掌子面涌水时主轴承密封不受影响，保护主轴承；（5）主机电机防护等级IP67、其余PLC等控制系统为IP55；（6）TBM配备应急发电机，保证隧洞内的通风及抽排水。

3.3软岩大变形控制对策

（1）面板式的刀盘设计。TBM刀盘采用面板式设计，能有效地支撑掌子面，防止围岩发生大面积的坍塌；（2）刀盘设计采用高强度的结构设计，具有高耐磨性。刀盘脱困扭矩、主推进或辅助推进力在设计上有足够的能力储备。能在TBM被卡机时提供足够大的推力和扭矩；（3）设计主驱动的启动扭矩为额定扭矩的1.25倍，脱困扭矩为额定扭矩的1.8倍。且脱困时其扭矩能在短时间内达到要求；（4）撑靴的接地比压可调，在遇断层时，其接地比压小于3MPa。

3.4穿越高瓦斯煤层控制对策

（1）系统培训学习瓦斯知识，掌握瓦斯的特性及其危害。（2）针对施工过程中可能发生的瓦斯突出或爆炸等重大灾害事故，为最大限度的降低危害程度和减少经济损失，保障人员安全，制定隧洞瓦斯事故应急预案并进行演练。（3）通过“探、改、测、排”的措施实现对瓦斯的防控治理：①采用煤矿用全液压坑道钻机钻孔，对煤层瓦斯进行探测，并形成煤层瓦斯探测统计分析数据；②穿煤段高瓦斯地层施工时，为保证人员及设备安全，由于敞开式TBM掘进机制造时本身不具有防爆性，因此，需要对TBM电气设备等进行防爆改造；③为确保穿煤段TBM施工过程中瓦斯浓度安全，防止瓦斯浓度超标，需对隧洞内瓦斯浓度进行实时监测。拟采用人工检测与自动检测相结合，在隧洞内安设一套瓦斯自动监控系统，以实现对瓦斯的实时监控及实现隧洞内风电闭锁、瓦电闭锁；④钻孔抽排瓦斯，保证穿煤段施工过程中人员及设备安全，最大限度的降低瓦斯浓度。（4）瓦斯治理排放完成后，采用TBM法施工穿煤段不良地质段：①针对刀盘前方松散体及形成的可见塌腔，首先使用化学灌浆，对TBM刀盘及护盾与岩体之间进行充填保护，防止塌方体压覆刀盘及护盾，造成卡机，同时可防止注浆浆液流窜进入刀盘及护盾；其次采用轻质混凝土对顶部大塌腔区进行分层回填；第三步：采用化学灌浆，对刀盘前方松散体进行分段分次固结施工，A液与B液体积比为1∶1，注浆泵出口压力达到5MPa以上时，煤层松散体与化学灌浆材料固结效果好；第四步：施做超前管棚，使用水灰比1∶1水泥浆及插入钢筋束进行管棚注浆施工，增加管棚刚度；②支护采用以前的初期支护方式需大量使用电焊，产生明火不能满足瓦斯隧洞施工安全要求，且支护用时较长。为确保TBM安全快速通过穿煤地层，对初期支护方式进行调整，包括实施装配式钢支撑、锁固锚杆及钢筋排等，钢支撑采用HW150或HW125型钢，钢架采用TBM自带的钢架安装器进行安装。锁固锚杆与钢支撑采用装配式进行连接，在钢支撑上焊接厚度为1cm的“耳板”，耳板上预留腰孔，锁固锚杆穿过耳板并通过螺栓与钢支撑连接成整体

结束语

根据以往的TBM施工经验，总结施工中遇到的问题，从薄弱环节和漏洞作为突破口，形成复杂地质条件的TBM施工经验，以提高TBM施工速度，降低施工成本，保障施工安全。

参考文献

［1］陈馈，孙振川，李涛.TBM设计与施工［M］.北京：人民交通出版社，2018.

［2］GB50487—2008水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］惠世前，金长文.CCS水电站大断面长隧洞双护盾TBM掘进技术［J］.云南水利发电，2014,30（5）:78-81.