TBM不良地质条件应急处理措施

双护盾硬岩TBM遭遇不良地质条件时的表象及应急处理措施

文 摘：本文就双护盾硬岩隧洞掘进机－TBM在施工中遇到常见的几种不良地质条件时，

TBM各部位所显示出的信息和施工人员所应采取的措施进行了论述。

关键词：湿陷性黄土 红粘土 溶洞 涌水

硬岩隧洞掘进机－TBM掘进地下隧洞这项独特的施工新工艺引进我国已有十

余年了，在每一条隧洞的掘进过程中，都遇到过断层构造带或裂隙发育带，有时

还会遇到溶洞，红粘土，湿陷性黄土，涌水等多种不良地质条件，造成了TBM掘 进偏离轴线，管片安装误差增大，甚至出现了卡机，被迫停工等事故，严重影响 了施工进度和成洞质量，增大了施工难度，也增加了施工费用。这就需要施工人 员具有较强的业务素质和丰富的施工经验，根据TBM各部位所显示出的信息，迅速做出判断并采取有效的处理措施，避免对TBM造成损害，从而免遭重大经济损失。这里就几种常见的工程实况予以讨论。

1.湿陷性黄土

TBM在引黄入晋主干线6＃－7＃－8＃ 隧洞的掘进过程中，均碰到过第四系Q3

湿陷性黄土。Q3黄土，土质均匀，结构疏松，大孔隙及垂直节理发育，自稳能力差，在一定压力下遇水具有湿陷性，土结构迅速破坏。

本文阐述的乃是TBM有史以来首次在黄土中掘进，无先例可借签，尤其是

在通过主干7＃洞出口段，桩号为50.73米（出口处桩号为零〕时，发生了沉陷还

伴随着塌方，冒顶等事故，直接威胁着TBM的安全，给施工带来很大的困难，严重影响了成洞质量，故只有充分了解其各种性状，才能有所针对地调整施工措施。

当TBM通过黄土区域时，TBM施工人员可以看到下列几种情况：

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－－TBM出渣黄土含量由少变多； －－TBM机头向下偏移；

－－TBM掘进推力降低，掘进速度加快；

－－TBM前支撑（STABILIZER〕和后支撑（GRIPPER〕伸出后反作用力降

低，甚至消失；

－－TBM出渣量迅速增加，当远远大于理论开挖量时，可以初步断定掌子面塌 方。

施工人员边掘进，边调整，最后得出的处理措施为：

－－渣中一发现黄土就开始逐渐减少至完全关闭刀头部喷水，防止机头湿陷

下沉；

－－开始将TBM机头部抬高，使TBM保持向上掘进的趋势；

－－降低刀盘转速，减小掘进推力，使涌入机头部的渣尽快输送出去； －－将前支撑和后支撑收回，靠辅助推力缸抵住已安装好的管片环来推进TBM；

－－如果发生大的塌方，则需要封堵刀盘边缘几个进渣口，而且拆掉刀盘上除边

刀与中心刀以外其余的刀片，以增大正面进渣量，从而减少超挖量； －－在该区域安装配筋量大的重型管片； －－尽量不停机，快速通过该区域；

－－从防渗与安全方面考虑，可在隧洞打通后对该区域进行二次衬砌或拆除掉管

片进行现浇混凝土。

2.红粘土

在引黄主干6＃ 洞及南干6＃ 洞的施工过程中，TBM均遇到了N2 红粘土，在

掘进时，红粘土粘堵刀头和进渣口，使TBM向前推进异常困难，严重地影响了施工进度。红粘土具有以下两大特点：一是土的天然含水量，孔隙比，饱和度以及塑性界限很高，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性；二是各种指标变化幅度很大。在施工初期，尤其是在主干6＃洞桩号为340.57时(出口处桩号为零)时，红粘土含水量极高。由于施工人员对上述特点及TBM施工的特性没有很好地认识，采取了一些不恰当的措施，向刀头部大量喷水，喷高效清洁剂，喷高效泡沫剂，以及其

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它多种试验，以期使红粘土较易脱离刀头，但都没有成功。最后施工人员才真正认识到，向红粘土喷洒任何液体都达不到目的，只能使情况变的更差，只有边掘进边掏挖，才是解决问题的关键，故采取了以下措施：

－－关闭刀头部喷水；

－－收起前支撑和后支撑，靠辅助推力缸推进机头；

－－每掘进30cm－50cm，停机，施工人员进入机头部位，使用小型风镐将刀片

及进渣口清理干净，然后继续掘进； －－在该区域安装配筋量大的重型管片； －－尽快通过该区域。

采取上述措施后，虽然进度缓慢，但TBM一直在向前掘进，避免了TBM沉陷

及其它不必要的损失，为以后TBM在红粘土中掘进积累了宝贵的经验。

3.破碎带

在TBM的施工过程中，每一条隧洞都遇到过断层构造带和裂隙发育带，较

小的影响区间对TBM掘进影响不大，但遭遇到较大的破碎带时，经常伴随着塌方现象，有时还会压住机头，发生卡机的事故，使得TBM掘进受阻，另外还会使

TBM掘进方向偏移，管片安装接缝超标，出现较大的错台和裂缝，故清楚认识其表象并采取相应的处理措施是十分重要的，主要有以下几点：

－－出渣量增大，岩渣规格明显不均，大小悬殊，最大可达50×30×20cm（正

常一般为7×5×3cm〕，而且岩粉含量降低，有些岩块上附着者钙质薄膜；

－－TBM推力降低，掘进速度加快； －－前后支撑反作用力降低；

－－如遇塌方，会出现出渣量巨增，有时会将传送皮带压住。

此时施工人员应采取如下措施：

－－减少刀头部喷水；

－－降低刀盘转速及TBM推力，减少单位时间出渣量； －－不停机快速通过，防止塌方，压住机头； －－在该区域安装配筋量大的重型管片。

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在引黄主干6＃

洞的掘进过程中，在十八盘处有较大不整合接触的绕曲断 层，岩层倾角达30度，影响带宽约250米，在正确的施工方法指导下，TBM顺利 通过。

有丰富经验的TBM施工人员建议，当TBM遇到大的围岩塌方时，千万不能停 机，即使出渣量大，也要慢慢向前掘进，刀盘不能长时间停转，否则会将刀盘 压住，不能启动。等TBM通过后，再对该区域的围岩进行固结灌浆。

如果塌方量巨大，将机头压住，(例如引黄南干7＃洞，TBM掘进至F65断层，

桩号为61＋914～61＋922之间时，围岩塌方,卡机。)那么只能拆除 TBM 尾部管 片，开挖上导洞并进行喷锚支护，然后通过该导洞对围岩进行固结灌浆。另外还 需要对TBM机头部岩石进行扩挖解负，以便TBM重新启动，向前推进。等TBM通 过后，再将导洞用素砼回填。

4.溶洞

在引黄入晋主干6# 洞的施工过程中，TBM碰到了两个较大的溶洞，其中之一

是当TBM掘进到桩号为4283米时，发现一个较大的溶洞，经多方勘测，体积约有

400m3。溶洞一般出现在断裂构造带，向斜轴部，及可溶与非可溶岩交接部位。溶 洞的出现对TBM施工具有很大的危险性，不仅会使TBM发生偏转或栽头，而且会 影响成洞质量。故施工人员必须密切注意TBM的掘进情况，当出现以下情况时， 可初步判定为遇到了溶洞。

－－出渣量减少，渣块大小不等，岩块上会看到带有瘤状钟乳石，方解石晶簇

或有较厚的钙质薄膜；

－－TBM刀盘一侧推力降低，且机头开始向这个方向偏转； －－TBM推力降低，但掘进速度加快；

－－当经过该区域时，管片安装将受到影响，接缝变宽且出现较大的错台，豆

砾石回填量增大，有时回填不满。

当出现上述情况时，施工人员应马上作出如下反应：

－－停机，进入机头内部，从检修孔或进渣口，观察掌子面的围岩情况，看是

否有溶洞并确定其位置和大小；

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－－如果溶洞在TBM开挖面的上方或侧方，则TBM操作手需小心，缓慢掘进，

不断调整机头位置，防止机身发生扭转，等TBM通过后再进行回填；

－－如果溶洞在TBM开挖面的下方，此时危险性最大，发现的晚了，TBM机头

会栽下去，此时必须紧急停机，探明其大小。如果是小型溶洞，可一边回

填豆砾石，一边往里灌浆，最后回填表面要高出TBM底部20－30cm，用以

保证TBM通过时不发生沉陷。如果溶洞较大，需多方协商采取回填素砼或

豆砾石回填灌浆，或者采取其它特殊处理措施； －－在该区域安装配筋量大的重型管片。

5.围岩滑动

当TBM掘进时，遇到围岩瞬间释放应力，快速滑动变形，就有可能将TBM紧

紧抱住，出现卡机现象。因为TBM的施工特点，围岩被前后护盾及安装好的管环所遮掩，发生围岩变形时前兆不明显，不宜被及时发现，故其危害性较大。一旦发生卡机现象，施工人员必须马上作出处理措施，防止TBM变形受损。其解困措施一般如下：

－－首先采取加大推进力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，以减少机身与围

岩间的摩擦力，看能否解困；

－－如果上述方法不能解困，则需要割开前后护盾侧壁的钢板，开几个窗口，通

过此窗口对TBM机身前后，上下进行扩挖； －－对扩挖区进行有效支护，并对围岩进行监测； －－加固已衬砌管片，并使用配筋量大的重型管片；

－－解困后迅速回填，防止围岩继续变形，影响隧洞质量。

在引黄联接段7＃洞，当TBM掘进至桩号48＋193.067时，突遇围岩快速变形，

卡机。由于施工人员采用上述有效的处理方法，TBM迅速解困，避免了重大的经济损失。

６．地下涌水

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在引大入秦30A 隧洞和引黄南干 7＃ 隧洞的掘进中，都出现了地下涌水的情况。

引大入秦涌水是由于经过隧洞的裂隙与地面一小型水库相通，而引黄南干7＃隧洞是

因隧洞穿过强风化的长石石英砂岩和泥岩层，即含水层，造成涌水，涌水量约为 54m3/h。虽然造成二次事故的原因不相同，但都表现出少量出水，随着TBM的掘进，涌水量突然增大，被迫停机，给施工带来了很大的困难。地下涌水对TBM具有很大的危害性，它不但造成施工人员无法工作，而且还会影响TBM的电路系统，当TBM从

隧洞上游向下游掘进时，如果排水不及时，还会将 TBM 淹没，造成重大损失。

到目前为之，还没有发现一种特殊的方法来控制涌水。施工人员进行过各种试

验，使用TBM机身部的钻机，超前钻孔，然后用加入速凝剂或水玻璃等材料的水泥浆进行预注灌浆，也采取过化学灌浆等方法进行封堵，但效果都不是很好，现在主要是使用导引的方法，即在TBM的尾护盾后面，在洞壁两侧错开几环各拆除一片管片，在暴露出的围岩底部分别掏挖一个大坑，将涌水引入坑中，然后用水泵将其排出，这样

TBM 就可以继续掘进，等TBM通过该区域后再进行回填灌浆或其它专项封堵措施。

7.结束语

在 TBM 的施工过程中经常会遇到上述几种不良地质条件，它们在不同程度上都

会影响 TBM 的正常掘进，给施工带来困难，只有弄清它们在施工中的表象提前做好

准备，及时做出恰当的处理措施，那么就会避免事故的发生，减少施工损失。另外，

TBM掘进地下隧洞，是一项复杂的综合工程，具有许多独特的施工工艺，施工人员不能照本宣科，必须结合生产实际，在最短的时间内，用最有效的方法，使用最少的人力和物力来处理施工中的各种难题，这样才能避免损失，创造出较好的经济效益。

作者简介：张勇智，男，1992年毕业于内蒙古农业大学水利工程系，工程师。

Double Shield TBM (for Hard Rock) Phenomenon and Emergency Treatment

under Undesirable Geological Condition

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Zhang Yongzhi Ivan Mazzavillani

(Inner Mongolia General Bureau of Hydrology) (CMC Company，Italy)

Abstract: this article discusses information shown by a Double Shield TBM (for hard rock tunnel) and construction personnel’s emergency treatment under several sorts of undesirable geological conditions.

Key Words:

，，

，artesian water 7

collapsible loess red clay cavity

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7kp7.html