皖西卫生职业学院-2013语文高考作文

岩石隧道工程技术
ＴＢＭ隧道工程地质条件评价和问题研究
尚彦军１
史 永跃１曾庆利１薛继洪
北京
昆明
１０００２９
（１．中科院地质与地球物理所 工程地质力学重点实验室
２．意大利ＣＭＣ公司昆明掌鸠河引水工程现场经理
６５１５００）< br>摘要
科学、经济合理的岩石掘进机（ＴＢＭ）掘进方案比选、隧道设计和施工都离不开对
工程地质条件的正确分析判断和对工程地质问题的有效预测（超前地质预报）。工程地质条
件应关注软弱 围岩（岩性）、逆断层和背斜（构造）、地形梯度剧变带（次生应力集中带）和地下
水分析。设计和工程 造价中关心的围岩分类应区别于传统的钻爆法。ＴＢＭ掘进工程地质
问题类型多、成因复杂，但往往有空 间关联性。粗略和具体的超前地质预报分别适用于设计
和施工阶段。本文对ＴＢＭ施工中实际发生的卡机 等工程地质问题研究证明了上述观点。
关键词
ＴＢＭ；隧道；工程地质问题；超前地质预报ＴｏＡｂｓｔｒａｃｔ
ｓｏｒｔＯｕｔ
ａ
ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄ
ｃ ａｎ
ａｎ
ｃｏｓｔ
ｎｏｔ
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ｒｏｃｋ
ＴＢＭ，
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ＴＢＭ；ｔｕｎｎｅｌ；ｐｒａｃｔｉｃａｌ
ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓ；ｆｏｒｗａｒｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ
ｆｏｒｅｃａｓｔ引言
岩石掘进机（ＴＢＭ）对不良工程地质条件的适应性较传统钻爆法差，不顾地质条件的复
杂多变性，单纯追求ＴＢＭ机械性能的改进是不全面的。ＴＢＭ虽有１５０多年的发展历史，但
在隧道 施工条件愈加复杂、技术要求更高的今天，仍有多种工程地质问题出现，甚至发展成
重大工程事故［２’ ３］。前期的一次性投入费用较大和对施工人员的素质要求较高口１说明了现
阶段开展ＴＢＭ工程地质研 究的战略意义。
结合国内外已有ＴＢＭ隧道工程实例和作者的工程实践，本文从工程地质条件评价、工< br>程地质问题分析和超前地质预报等方面论述了ＴＢＭ隧道关键工程地质问题研究的初步结
果，说明 了深入研究工程地质条件对科学、经济合理的方案比选、隧道设计和施工具有重要
３１３

大直径隧道与城市轨道交通工程技术
的意义。
２工程地质条件评价
工程地质条 件是与ＴＢＭ隧道有关的地质因素的综合。对其评价决定着是否选用
ＴＢＭ、设计和施工方案的制定及工 程造价Ｉ“５Ｉ，具有重要战略意义。云南上公山隧道ＴＢＭ
在７ｋｉｎ的元古代黑山头组（Ｐｔ。ｈｓ ）板岩施工中遇到的重大线路调整、超过１０次的卡机和护
盾变形、洞内泥石流等事故，印度某隧道ＴＢ Ｍ步履艰难而不得不改用钻爆法施工等，正是因
为决策时片面追求采用先进的ＴＢＭ而忽略了对工程地质 条件的客观认识和评价，及缺乏对
设计和施工方案科学、合理性的论证而带来的后果。
２．１工 程地质条件
与ＴＢＭ隧道工程有关的地质因素很多。从影响程度重要性来看，主要有软弱围岩（岩
性）、逆断层和背斜（构造）、地形梯度剧变带（次生应力集中带）和地下水等。
（１）软弱围岩（ｗ ｅａｋ
ｒｏｃｋ）主要包括断层破碎带、古风化壳，以及软岩（ｓｏｆｔ
ｒｏｃｋ）。它们往往由很多粘土矿物组成，对水敏感，力学和水理性质都很差，容易出现快速收敛变形。当
其和硬岩 （单轴抗压强度分别为＜３０ＭＰａ和＞６０ＭＰａ）互层而出现层间剪切带（ｉｎｔｅｒ—ｌａｙｅｒ
ｓｈｅａｒｉｎｇ
ｚｏｎｅ）时，会发生不均匀变形（吐舌头）。在这两种情况下，ＴＢＭ发生卡机事故 有很
多０６～…。
（２）逆断层以其压应力场和断层上盘物质破碎而往往使ＴＢＭ处于不均匀应 力场和发
生一侧为主压应力的非对称变形，并会导致卡机阳Ｊ
０。】（图１）。在背斜部位往往 存在层间错动
和局部张应力而发育孔洞，ＴＢＭ可能会遇到溶洞、软泥和层间剪切带等一系列工程地质问
题‘１“。
（３）地形梯度剧变带往往造成浅地表次生
应力集中带［”］。在ＴＢＭ通 过峡谷区高边坡浅
埋隧道段（约１００ｍ）时，往往会遭遇局部高地应
力，尽管岩性好，也无地 下水，但ＴＢＭ还会被卡
住（如上公山隧道４ｋｉｎ段一次卡机事故）。
（４）地下水对ＴＢＭ 影响很大，尤其是当水
头高、与地表水连通、或发生在软弱围岩中时，将
产生严重的灾害。这方 面的例子很多，常会带来
泉水枯竭、地下水位下降等环境工程地质问题。
而当多种不利地质因素 （高地应力、软弱围
岩、断层、地下水）同时存在并联合作用时，ＴＢＭ
施工条件将会变得很差 ，出现的问题也更严重，
构成隧道施工的卡脖子地段。
２．２
图１ＴＢＭ穿越逆断层带 被卡住后扩挖支
洞钢拱架发生非对称变形破坏
围岩分类
在区域地质调查工作基础上，应 用工程类比法对围岩分类，是正确指导工程设计和合理
制定施工方案的重要保证，在隧道建设中有重要地 位［１乳¨］。
３１４

岩石隧道工程技术
目前尚未有ＴＢＭ施工隧洞围 岩分类标准。随ＴＢＭ掘进技术广泛应用，建立适合于
ＴＢＭ围岩分类尤为迫切。
Ｂａｒｔｏｎ 曾于２０００年在岩体质量指标一Ｑ系统分类的基础上，提出了Ｑ。。Ｍ模型＿６
Ｊ。如
隧洞围 岩岩性差别较大，利用ＱＴ。Ｍ模型进行预测所得结果误差会很大，难以满足ＴＢＭ施工
隧洞的围岩分级 要求。因此，Ｑ。。Ｍ不很适用于ＴＢＭ围岩分类。通过研究国内外大量施工
隧洞工程实例，发现影响掘 进效率的工程地质因素主要有岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨
性、岩体的完整性、其他因素等，将ＴＢ Ｍ施工条件下的隧洞围岩由好到差概略分成Ａ（好）、
Ｂ（一般）、Ｃ（差）３个级别。在上公山隧道实 践基础上建立了ＴＢＭ掘进速度与围岩级别之
间的对应关系ｍ］。ＴＢＭ在Ａ级（好）围岩中的掘进速度 最快，在Ｂ级（一般）围岩中的要慢
一些，而在Ｃ级（差）围岩中的最慢，显示了较好的正相关性（图２ ）。可见，基于ＴＢＭ掘进效
率的ＴＢＭ施工隧洞围岩分级方法能够比较准确地反映隧洞围岩对于ＴＢＭ 掘进的适宜性，
具有一定实用价值。
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Ｔ蹦围岩级别
图２不同的围岩分类方法与 掘进速度关系
２．３定性和定量分析结合
对ＴＢＭ工程地质条件分析和评价更应遵循“不求精确 定量，但求准确定性”的原则。对
围岩本身及其地质环境的分析，应力求建立宏观工程地质模型，抓住与 ＴＢＭ施工有关的关
键地质因素和可能出现的问题，在此基础上开展试验和模拟计算等定量分析，为施工 和工程
处理提供依据。
３工程地质问题与超前地质预报
在没有预警情况下遇不良地质条 件时，ＴＢＭ受到的影响远大于钻爆法，往往导致掘进
速度慢、效率低、工期拖延。如处理不当，会带来 灾难性后果ｍ３。昆明掌鸠河引水供水工
程、山西万家寨引黄工程、台湾坪林公路隧道，以及荷兰南部的 西斯凯尔特河隧道等，在
ＴＢＭ通过不良地质地段时均发生了诸如突水、塌方、卡机等工程事故，威胁施 工人员及机械
设备安全，造成长时间停机。
３．１工程地质问题
分析国内外大量ＴＢＭ 施工工程实例后发现：围岩大变形、突（涌）水、岩爆以及瓦斯突出
是ＴＢＭ施工中的主要工程地质问题 。据作者对国内外已发生的９８次ＴＢＭ重大工程事故
的统计发现，约有７２％是软岩大变形和突（涌） 水问题（图３）。在多种地质因素综合作用下
会出现洞内泥石流等重大工程地质问题（图４）。
３１５

大直径隧道与城市轨道交通工程技术
图３不同类型工程地质问题在ＴＢＭ 工程事故中所占比例
图４上公山隧道出现的洞内泥石流
工程地质问题的发生是ＴＢＭ施工和地质 因素作用矛盾的综合反映，在一定的工程地质
条件下有其发生的必然性。但何时、何处发生又有很大的不 确定性。这就决定了对ＴＢＭ工
程地质问题的预测既要有设计阶段的宏观长期性，又要有施工阶段的具体 短期性。
３．２超前地质预报
由于ＴＢＭ设备庞大和护盾的密封特点，使得新奥法隧道施工实践 中发展和完善起来的
超前地质预报方法‘１７，１
８］不再完全适用。针对ＴＢＭ机械结构和性 能及其施工特点，在隧道
工程中已采用了诸如超前钻孔、导洞、ＴＳＰ物探、地质编录（岩渣、护盾窗观 测、涌水量）方法，
逐渐摸索出不同阶段、详细程度不同的超前地质预报模式。但要实现快速而有效的Ｔ ＢＭ超
前地质预报，还有很多工作要做。
４
结语
结合ＴＢＭ掘进特点，开展工 程地质条件评价有重要意义。依据关键指标——掘进速度
而建立的３级ＴＢＭ围岩分类，简洁实用。ＴＢＭ掘进技术对于不良地质条件适应性较差，在施工中遇到的主要工程地质问题是软
弱岩体大变形 、突水等。为此，需要在设计和施工阶段开展不同程度详细的超前地质预报。
已有工程实例、经验和教训 为克服和避免卡机、突水等工程事故提供了很好的借鉴。
随着我国经济和工程建设的快速发展，在复杂地 质条件下修建跨越高山、海底的长大深
３】６

岩石隧道工程技术
埋隧道 已势在必行ｍ‘２…。可以预见，与ＴＢＭ有关工程地质问题将更复杂和具挑战性。
ＴＢＭ超前地质预报 、信息化施工和可变更设计等问题值得深入研究。
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Ｂｏｒｉｎｇ
Ｍａｃｈｉ ｎｅ
ｊａｍｍｉｎｇ
ｉｎ
ａｎ
Ｙｏｎｇｘｉｎ．Ａ
ｚｏｎｅ
ａｔ
ｃａｓｅ
ｈｉｓｔｏｒｙ
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