中交第二航务工程局有限公司 湖北武汉 430015
摘要：长大隧道施工过程中，采用TBM掘进施工极易遇到断裂带、围岩大变形、岩爆、岩溶等复杂工程地质难题，极易导致施工事故发生，威胁人员和设备安全。本文通过研究马来西亚东海岸铁路云顶隧道TBM施工段不良地质情况，提出了TBM掘进机针对性设计方案。
关键词：铁路隧道；不良地质；TBM；针对性设计
1 引言
当今铁路工程建设项目发展日新月异，单座隧道施工里程超越二十公里已不存在难度，对施工装备及施工技术保障也提出了更高的要求。TBM在我国铁路隧道施工应用越来越广，随着中国高速铁路从技术标准、勘察设计、工程施工、装备制造，到运营管理等全方位整体“走出去”，TBM装备也在国外快速发展。本文根据马来西亚东海岸铁路工程实际，重点研究了TBM的选型和针对性设计，提出了装备设计针对性措施，希望可以为同类铁路隧道施工提供借鉴作用。
2 工程概况
马来西亚东海岸铁路线路沿东海岸向南至吉隆坡终点站，线路长约524.7km，全线长大隧道云顶隧道全长17.675km，为整个项目的控制性工程。云顶隧道位于吉隆坡东北部山区，横穿巴雅山脉，平均海拔170~926m之间，最大埋深约727m，隧道开挖直径9米左右。围岩类型为花岗岩、石英岩、千枚岩、片岩、页岩为主，局部存在两处较大断层破碎带，裂隙较发育，施工存在大变形、支护困难、突涌水等风险。根据云顶隧道总体工程筹划，云顶隧道采用两台TBM分别进行左右洞掘进，设置2条斜井，TBM分别由左洞出口与右洞进口始发“错洞对打”。
3 TBM施工风险分析
在TBM通过软弱围岩及断层带等不良地质段时，可能会发生的风险主要有：
（1）塌方。隧道拱顶坍塌，造成刀盘被埋住、甚至卡住刀盘无法旋转，占用大量时间处理影响掘进施工的进度。
（2）支撑力不足。软弱围岩支撑力不足，使TBM的撑靴无法稳定机器，造成刀盘低头，掘进方向受到影响从而影响隧道的成洞质量。
（3）支护困难。大量的坍塌造成支护量增加，特别是在围岩出现大量坍塌变形的情况会造成支护困难。
（4）围岩变形。围岩破碎遇水后可能发生膨胀变形，且变形量较大，将严重影响隧道的成洞质量，并且可能在TBM较长时间停机时导致刀盘受到大的周边挤压而卡住。
（5）隧道大量涌水对使坍塌加剧。在断层破碎带岩层，地下水的冲刷会导致节理夹层、断层泥等填充物破坏，从而使断层的坍塌加剧，使施工支护变得更为困难。
（6）设备故障。较大的涌水会使应用大量电气设备的TBM无法实现正常施工，对TBM的使用及维护提出较高的要求。
4 TBM掘进机选型分析
根据隧道地质情况及铁路行标有关TBM选型相关标准，对云顶隧道 TBM 施工段选型进行了分析：
（1）从围岩饱和抗压强度和岩石完整性方面比较，敞开式和护盾式基本相当，敞开式略好；
（2）从衬护要求、围岩类别、岩爆等方面比较，护盾式更合适；
（3）面对断层、大变形、涌水突泥等不良地质问题，敞开式和护盾式的适应性都不好，对特别不良段可能还需超前处理才能通过；
（4）对软岩断层大变形段，护盾式比敞开式更容易卡机，对涌水突泥等的超前处理或事后处理，敞开式更方便；
（5）进行超前地质预报和不良地质段，敞开式更有利于提供工作面；
（6）在工期方面，进度指标两者相当。
由于不良地质洞段的施工是 TBM 施工的关键，综合而言，从施工难度、不良地质预报与处理方面考虑，本隧道施工宜选用敞开式TBM。
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5 TBM过不良地质段主要技术措施
5.1 超前地质预报
形成以三维地震波物探设备为主的中长距离预报体系与超前钻探与掌子面素描的短距离预报体系相结合，确定掌子面前方围岩的性质、岩体结构、软弱构造，以便采取有效措施。
5.2掘进参数控制
掘进中通过渣样破碎程度、掘进参数、刀盘震动等超前预判是否进入断裂带，掘进时适当降低刀盘转速、推力，掘进方向及时调整纠偏，采用小行程、少量多次的原则。遇到掌子面坍塌时，刀盘不得停转要维持低速转动避免卡机现象。
5.3支护措施控制
断层破碎带较小时，采用L1区喷射早强混凝土、密排钢筋排、中空注浆锚杆、钢拱架的组合支护措施。对严重破碎带，采用超前自进式锚杆或超前大管棚对断裂带注浆加固后通过。严重卡机风险时采用“大变径扩挖+掘进参数调整+分步联合支护”控制技术。刀盘大变径扩挖15cm，启动脱困电机、降低刀盘转速提高刀盘扭矩和主驱动推力，超前管棚、钢筋排、可缩式钢拱架、喷射混凝土、预应力锚杆及二次拱架加强支护。
5.4 突发状况应对措施
施工过程中出现较大涌水，开挖后会造成围岩坍塌时，应及时停止TBM掘进，除进行必要的排水外，应采取超前注浆形成阻水帷幕。特别是遇高承压水，且通过排水不能解决该地下水对人员、设备、工程的威胁时候，采用超前灌浆进行处理，超前处理后达到洞室稳定，满足开挖要求，能够保证安全的前提下才能掘进通过。
5.5 极其困难地段措施
极严重变形地段如围岩强度应力比小于0.1，收敛变形可达10%以上，存在极其严重卡机风险时，建议停止TBM掘进并适当后退，改钻爆法施工。
6 TBM掘进机针对性设计分析
6.1 超前地质预报
TBM设备搭配两套超前地质预测系统与一套超前地质钻机。三维激发极化系统获取视电阻率和半衰时等参数，从而可以对含水体进行空间定位和定量预报。三维地震波探测系统获取震动信号的振幅和相位等参数，从而可以对岩性界面和断层破碎带等不良地质体进行空间定位。超前地质钻机通过钻机上的传感器、流量计和数据处理中心测定、分析钻机钻孔时采集到的数据，推定掌子面前方的地质状况，最长预报距离为150米。
6.2 McNally钢筋排支护系统
TBM护盾拱部220°范围设计McNally钢筋排支护系统，加工合格的钢筋排存储在槽内，支护作业时钢筋排拖出，端头焊接在钢拱架上，TBM 掘进一个循环后，支立下一榀钢拱架，钢筋排尾端焊接在钢拱架上固定，配合早强喷混凝土，可以有效保障施工安全。
6.3 L1区的支护设备
加强紧跟刀盘位置L1区的支护设备，提高L1区的锚杆钻机的功效可施作超前小导管，增加钢拱架安装器的施工能力，加强L1区喷射混凝土设备的功效，用于应对断裂带、岩爆与软岩大变形段的突发应急施工。
6.4 撑靴处湿喷机械手
撑靴处TBM搭载一台湿喷机械手，用于在撑靴处破碎时无法提供局部撑靴反力时，及时通过湿喷机械手喷混凝土局部补强，形成有效反力提供支撑。
6.5 推进力设计
推进力的设计应该考虑在塌方、断裂带等较为恶劣的地质条件下保证掘进施工的正常运行，主要是增强额定功率，增大脱困扭矩的设计，用以卡机时的及时脱困。
6.6 刀盘扩挖设计
刀盘采用针对性设计（重新更换刀座，调整边刀与正面刀的数量），最大扩挖量15cm，L2区设置架安装器，用于挤压变形段二次初支加强拱架安装。
6.7增强设备应急排水能力。
为应对突发涌水涌泥的风险，TBM掘进机的后配套设备须设计搭载排污泵不少于2台，总排水能力不小于900m3/h。隧道侧壁布置排水管道，及时将掌子面涌水抽排出隧道。
7 总结
综上论述，考虑到该TBM施工段仍在前期准备阶段，该TBM针对性设计方案可为最终制造设计方案提供参考。TBM后配套系统也是整个TBM施工的关键要素，应综合考虑的出渣系统、通风系统、排水系统、电力系统等重要装备保障，要加强驻厂监造，提高整机的加工质量。
参考文献：
[1] 王梦恕，王占山． TBM 通过断层破碎带的施工技术《隧道建设》，2001（3）：1-4
[2] 欧阳艳． 西秦岭隧道不良地质段TBM 铁道勘察2010 第一期
论文作者:刘卫
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：隧道论文; 围岩论文; 超前论文; 地质论文; 断层论文; 不良论文; 针对性论文; 《基层建设》2018年第5期论文;