徐腊锋
中国能源建设集团葛洲坝一公司 湖北宜昌 443002
摘要：文章以埃塞俄比亚GD-3水电站工程引水隧洞TBM施工为例，对TBM施工中遇到的涌水、断层、破碎带、高地温、有害气体等不良地质条件进行了分析研究，从宏观和微观角度提出了TBM通过不良地质情况的所应用的施工技术方案和措施，为今后TBM施工借鉴、参考。
关键词：TBM；施工技术；不良地质；应用
1．引言
TBM 是全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）的英文缩写，是一种大型隧道施工设备。其技术含量高，涉及机械、液 压、电气等多种技术。近年来，TBM以其高效、安全、环保的优点，越来越多的被国内外许多大型交通、水利工程项目所采用。与钻爆法相比，因其对地质地层状况较敏感，因此，我们以埃塞俄比亚GD-3水电站引水隧洞TBM施工中遇到的不良地质所应用的施工技术进行分析和总结，为今后TBM施工借鉴、参考。
2.工程概况
埃塞俄比亚GD-3水电站位于埃塞俄比亚南部Genale河上，为Genale-Dawa流域的第3个梯级，工程现场位于埃塞俄比亚首都亚的斯亚贝巴南部偏东约400公里，距肯尼亚边境约200公里，距索马里边境100多公里，属热带雨林区。工程为引水式电站，水库集雨面积10445km2，死水位1080m，装机容量254MW，由3台84.7MW的立轴混流式水轮发电机组组成。本电站多年平均流量92.5m3/s，水库总库容2570Mm3，有效库容2310Mm3，具备多年调节性能。GD-3水电站主要由坝区建筑物、输水发电系统以及厂房建筑物三大部分组成。
其中输水发电系统主要由引水明渠、进水口、低压隧洞（包括 TBM 开挖段和人工钻爆开挖段）、引水调压井、竖井、高压隧洞、引水岔管、引水支管、尾水支洞、尾水 岔洞、尾水调压室及尾水明渠组成，输水线路总长约 14.5km。
低压隧洞 TBM 开挖段长 10399.05m，开挖直径8.1m，为不衬砌隧洞，开挖量为 535843m?。从下游向上游施工，TBM掘进，采用连续皮带运输出渣至洞口弃渣场。
TBM施工段隧洞最低的垭口上覆岩体厚度约 220m，最大上覆岩体厚度约 490m，地面高程 1300m～1600m。通过太古代片岩和晚前寒武系花岗岩地层。隧洞围岩类别以Ⅱ～Ⅲ类为主。接触带附近，节理裂隙较发育，部分风化蚀变成砂状，在一定的范围内围岩类别为Ⅲ～Ⅳ类，TBM掘进存在着涌水、断层、破碎带、高地温、有害气体等不良地质条件，文章针对TBM在不良地质条件下确保TBM正常掘进所应用的施工技术处理措施展开探讨。
3．涌水、断层及破碎带等恶劣状况施工技术
为了应对和克服在掘进过程中可能出现的涌水、断层及破碎带等不良的地质问题，采取四步施工技术方案，每一步都是进一步深入和改善的方案，四步方案为：
（1）地质状况扫描
（2）排水
（3）地层处理
（4）傍洞和加固（最坏的不可预见的岩石状况）
采取这些技术方法可以将掘进作业的延误限制在最小，比如利用设备维修保养班工作时间。TBM停机进行深度处理只有在特别需要的情况下进行。
3.1地质状况扫描
在接近不良地质段并预判有渗水或涌水时，每天早上维修保养班需要进行超前钻孔探查。超前钻孔的长度为30-35m。如果水流不大，可以照常掘进，否则需要打排水孔，并在掘进过程中对工作面进行频繁的观察，看是否有地质条件变化，有无断层或其他更坏的地质征兆。
3.2排水
在超前钻探出流水或断层带时，或在TBM机掘进中出现较大的水流时，一定要打排水孔降低水压。
用钻机沿着盾体周边的导孔打，排水孔的孔径不小于50mm，深度为15-20m。排水孔的数量和位置要根据水流的情况来判定。
在打完排水孔且水被导流到TBM后部，观察掌子面，如果掌子面完整没有扩挖现象，则掘进工作可正常开始；反之，如果掌子面破碎，扩挖明显，就要进行深度地质处理。
3.3地层处理
在掌子面破碎严重，扩挖量大时，如果有水流，要进一步排水降低水压。然后，要打一批灌浆孔，孔深15-20m，安装上玻璃钢管，注入聚氨酯泡沫，泡沫与水反应，体积可以膨胀到30m，渗入岩石缝里以加固岩体。视工程安排，也可以用水泥浆代替。
完成岩体加固后，要打一些更深的孔进行排水降压，这些孔要超过注浆孔的深度。
这时在TBM周围形成一个伞形的加固地层，而且深层的水压被排除。可以开始掘进作业。第一步都是检查掌子面，上述加固作业必要时可以重复进行。
3.4傍洞和加固
在没有任何前兆的情况下出现极端恶劣的地质情况，TBM主机被压死在断层破碎带地段，则必须采取下述技术方案：
（1）加固工作面，在TBM工作面处注泡沫浆或树脂浆。
（2）通过在伸缩盾或尾盾后部的上方打傍洞，用传统的方式打，但要采取喷射混凝土等支护措施，以防再塌方并保护作业人员安全。
（3）在TBM上打1.8m高的傍洞，傍洞长度应超前掌子面一定距离。
（4）安装钢拱架（HEB100-150mm）喷砼（50-100mm）。
（5）在钢拱架顶部安装75-100mm的U形梁，长度约为3m，倾斜5-10度，构成一个坚固的保护顶棚。
（6）继续在保护棚下开挖，并安装拱架。
（7）在拱架间喷砼。
（8）重复安装，超过刀盘7-8m。每下一步钢梁安装要与前面的保护棚重叠。
（9）为了保障施工的安全，在钢拱架的底脚处打一个砼底板，注意盾体要用塑料布隔开保护。
（10）注泡沫浆加固前面的围岩。
（11）从上往下挖，清理刀盘并延长加固。
（12）当刀盘脱困后，可以开始掘进，但要以慢转速低压力的方式前进。
（13）在TBM继续向前掘进并安装好钢管片后，用砼填实。
4.不良地质段常见设备掘进困难解决技术方案
4.1撑靴落足点塌方撑不到岩壁时的处理措施
解决办法：转换到操作模式3即可。
DSU compact TBM有三种步进方式
（1）围岩稳定时撑靴+锚喷模式
此模式下，撑出尾盾处撑靴压紧在洞壁，并以此提供反力支持推进油缸伸出。推进同时以锚杆按设计要求支护。
（2）围岩不稳时撑靴+拱架模式
此模式下，撑出尾盾处撑靴压紧在洞壁，并以此提供反力支持推进油缸伸出。推进同时，以预制钢拱架在尾部指型护盾内进行支护，必要时配合喷砼。
（3）围岩断层时辅助推进缸+钢管片模式
此模式下，像单护盾TBM一样，借助辅助油缸推进。完成推进后，以预制钢管片或钢拱架在尾部指型护盾内进行支护，必要时配合喷砼。
4.2掌子面遇到塌方刀盘被卡住时的处理措施
刀盘可能被大石块卡住，如果刀盘稳定，可以通过主推进缸后拉的办法将刀盘后拉，配合刀盘正反转操作，直到刀盘可以转动，情况好转，也可以在刀盘里用风镐把岩石打碎。如果刀盘是被掌子面严重塌方卡住，在刀盘解困前需要对围岩进行加固处理。
4.3挤压地层中护盾被卡住时的处理措施
通过挤压地层时，重要的是不要给围岩足够的时间接触TBM盾体，因此要尽量保持TBM不停的掘进，此时要特别注意的是保持设备的可靠性和生产组织的高效，使停机的可能性降低到最小，TBM的锥型盾体，较短的机身长度和扩挖能力是克服膨胀岩层的重要手段，大大降低被卡死的可能性。
4.4遇到全断面沙层时的处理措施
为了避免岩土在TBM上塌方，通过全断面沙层前一定要对岩土进行处理。处理的方式可以是掌子面注浆或泡沫浆固化岩土，也可以在隧洞顶做管棚。合适的方式最好是在现场根据具体的地质情况确定。TBM支撑护盾上留有足够数量的孔和套管，能有效地进行地质加固处理。
4.5在遇到地下涌水和泥石流时的处理预案及施工措施
工作面排水的方法前面已经描述。出现大量涌水的情况下，打排水孔和降低水压，并及时把收集的水排放到后配套后面很重要，总之，要始终保持洞内的水位处于低位。
5.其它不良地质问题的技术处理措施
5.1高地温
隧洞一般地温应在20℃左右，但特殊地质洞段，地温有所提高，其地温最高值约为30℃左右。当地温达到30℃左右时，再加之TBM掘进施工散热，洞内湿度较大，会给隧洞TBM施工带来较大影响，需做好防暑降温措施。
⑴影响隧洞气温的因素
①隧洞内高地温产生高气温；
②TBM掘进过程中设备及施工散热；
③洞外气温高时，通风换气将高气温带入洞内。
⑵隧洞降温处理措施
①TBM施工过程中，加强洞室温度的监测，掌握温度变化规律，采取降温措施并及时进行调整，使之更加有效地达到降温的目的；
②最常用的降温方法是通风降温，加强隧洞通风，加速洞内热空气与外界冷空气的交换，达到降温的目的；
③开挖通风支洞，加速洞内、外空气对流交换速度，进行降温；
④当地表温度比洞室气温低时，可利用高压水龙头洒水，冷水能带走一部分热量，从而达到降温的作用，当室内温度过高时，不建议采用此方法；
⑤加强局部降温，在温度超过30℃的作业范围内安装小风扇等制冷设备或利用冰块来达到局部降温的目的，以便提高工作效率；
⑥在高气温洞段如遇涌水或有害气体时及时排除。
5.2有害气体
有害气体预防处理措施如下。
⑴为保证施工安全，在隧洞内安设气体检测仪和报警器；
⑵加强地质预测、预报工作，采用超前钻探，超前查明小型储气构造、裂隙发育带、溶蚀发育带等不良气体易于储集的地质条件，防止误揭；
⑶对异常点采用钻探验证，防止有害气体的大量涌入。探明后根据具体情况再决定是否掘进；
⑷加强施工通风，是保证施工安全的有力措施；
⑸利用硫化氢极易溶于水和酸性的特性，隧洞内通过喷雾洒苏打水即可有效地降低硫化氢浓度。
6.结束语
在TBM的工程施工中，遇到不良地质状况是必然的，以上只是对TBM掘进施工中遇到不良地质所应用的施工技术的一些探讨，其施工技术措施都在施工中得以应用，并取得了较好的效果。要使 TBM 有更大的生存空间和更广阔的使用前景，就必须挖掘 TBM 的潜能，使 TBM 在不良地质中也能快速、高效地进行施工，以充分发挥 TBM 的工作效能。
参考文献：
[1]中国铁道建筑总公司.《隧道掘进机施工技术》，北京：机械工业出版社，2005.9
[2]编纂委员会.《岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例》，北京：中国铁道出版社，2004.9
[3]王梦茹.《中国隧道及地下工程修建技术》，北京：人民交通出版社，2010.5
作者简介：
徐腊锋（1981年-），男，汉族，籍贯：陕西，单位：中国能源建设集团葛洲坝一公司，工程师、本科、管理学学士，从事水利水电工程施工技术管理。
论文作者:徐腊锋
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/11
标签：隧洞论文; 地质论文; 围岩论文; 地温论文; 不良论文; 措施论文; 埃塞俄比亚论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;