摘　要　敞开式TBM适合于硬岩掘进，在软弱围岩掘进中易出现围岩失稳（洞室变形、坍塌、掉块、撑靴反力不足等）地质灾害。本文从地质背景和设备的局限性两方面，分析了地质灾害产生的原因，并提出相应的防治措施。
关键词　TBM　软弱围岩　掘进地质　灾害

　　1、前言
　　TBM（Tunel Boring Machine）为岩石隧道掘进机的简称，在我国采矿、水利等行业工程中的应用已有多年的历史，而大型掘进机在铁路隧道中的应用尚属起步阶段，西康铁路秦岭隧道首次引进，西南铁路磨沟岭、桃花铺1号隧道再次使用，这种机型为德国生产的TB880E型，敞开式硬岩隧道掘机，凯氏结构，护盾长3.75m，刀盘直径8.8m，设备总长267m。
　　由于设备自身的特点，敞开式硬岩掘进机适用于:; 类以上的围岩，在软弱围岩地段，如破碎带、挤压带、节理密集带、软弱夹层带等，常常出现坍塌、掉块、洞室变形等围岩失稳灾害，造成支护工程量增加、辅助工作增多，导致掘进效率降低。通过磨沟岭隧道的施工，我们摸索出一些TBM在软弱围岩中掘进行之有效的方法，成功的解决了地质灾害问题的预防和处理，本文就此进行简要分析。

　　2、工程概述
　　西南铁路磨沟岭隧道位于陕西省商洛地区丹凤县与商南县的交界处，自西向东穿越武关河与清油河的分水岭---磨沟岭。隧道区属秦岭中低山区，地形起伏较大，沟梁相间，相对高差100~300m，最大高程为824m，隧道全长6112m，最小埋深约10m。TBM掘进为8.8m直径的圆形断面。
　　隧道洞身主要地层岩性为泥盆系云母石英片岩夹少量大理岩，基本为IV类围岩，岩石抗压强度27~50Mpa，但受区域构造的影响，次生小断层、挤压破碎带、节理结构面密集带、云母含量高的软弱带等分布较多。

　　3、地质灾害问题
　　如上所述的软弱围岩主要是指《铁路工程地质技术规范》中划分的III类及以下围岩。TBM在II、III类围岩地段掘进中，由于岩体的自稳能力较差，常出现坍塌、掉块、撑靴反力不足、洞室变形等围岩失稳灾害。这些灾害的发生和处理，直接影响着TBM施工的安全、质量、效率及进度。
　　 3.1　地质灾害的类型
　　1）坍塌、掉块
　　TBM在软弱围岩地段掘进中，遇到的最普遍、频率最高的灾害就是坍塌、剥落、掉块。据不完全统计，在磨沟岭隧道前2km的掘进中，总计坍塌达90余次，其中坍塌深度超过1m的地方高达25处。这些坍塌的主要特征是围岩露出护盾后，由数组结构面切割控制的岩块即脱离母体，开始坍落，自稳时间很短。坍塌的位置以拱部及两侧大跨处最为频繁。由于自稳时间短，喷锚等支护措施往往无法有效实施。坍塌的另一种形式就是刀盘前方的掌子面发生坍塌，其塌穴向前及护盾上方发展，其特点是刀盘在不掘进的情况下，出碴量很大，如果此时停机或刀盘脱离掌子面，极有可能形成更大的坍方、卡死刀盘、甚至机器被埋等事故。本隧道在掘进至1.666km处，由于围岩破碎，便发生了掌子面围岩坍塌失稳、刀盘被困无法启动达1个月之久。
　　坍塌灾害主要导致两种后果：一是使得掘进必须采用短进尺、低转速和低扭矩等措施，施工工序复杂，掘进效率低下；二是必须采用人工清除大量的底碴，坍塌回填量大。由于频繁发生，因此造成高投入、低效率的被动局面。
　　2）洞室变形
　　洞室变形表现形式是掘进机后方已掘进地段，围岩应力进行重分布，并与初期支护体系相互作用。在这一过程中，由于软弱围岩的自承能力差，围岩的松弛变形积累达到足够大时，初期支护无法支持围岩的压力，导致支护体系发生变形甚至破坏。在磨沟岭隧道前两公里施工段落中，曾发生三处较大的洞室变形，其主要表现为喷混凝土开裂，钢拱架扭曲，拱顶下沉等，由于及时采取了支护加强措施，几次大的变形均得到了有效的制止，未造成更大的坍方。
　　3）撑靴反力不足
　　在软弱围岩地段，岩体破碎、强度低，不能给TBM撑靴提供有效的反力，必然会导致撑靴反力不足，撑靴部位的岩体失稳、陷落成穴，严重时会进一步扰动支护完成后的围岩，引起更大范围的坍塌。
　　3.2 地质灾害产生的原因分析
　　发生地质灾害的原因主要有围岩条件和设备缺陷两方面的因素，其中围岩条件是主导因素。
　　1)地质背景
　　(1）区域地质构造
　　磨沟岭隧道邻近商丹（F2）大断裂，其中出口端660m位于F2断层破碎带内，进口端距F2断层约1.5km。F2断层是划分秦岭加里东和礼县(柞水华力西褶皱带两个二级构造单元的主干断裂，其规模宏大，自加里东期以来，历经了多次张拉和挤压，具多期活动性，新生代以来，该断层显张性，其活动特征是将断带内已固结的糜棱岩、碎裂岩等进行切、错破坏及改造。就隧道轴向与构造迹线的关系而言，隧道轴向与F2断层的夹角约20°，F2断层次生的NE、NW向结构面与隧道轴向交角均较小，作为另一主要结构面的片理，走向与洞轴夹角亦小于20°。
　　（2）岩性
　　磨沟岭隧道通过处的岩性主要为泥盆系中统池沟组云母石英片岩夹大理岩，其中云母石英片岩中绢云母含量为35%左右。大理岩则以透镜状或夹层状不规则分布于片岩中。在隧道出口端600m 范围内岩性为碎裂大理岩。
　　泥盆系地层在本区域内为浅海相沉积岩变质而成，岩性较复杂，表现为矿物成分及含量变化较大。片岩中，除绢云母石英片岩外，尚有绿泥石英片岩、石英片岩及云母片岩等。
　　（4）岩体特征
　　由于岩性复杂，在岩体结构上表现为软硬相间分布。在F₂断层的多期构造运动中，邻近断层带数公里范围内的岩体，同样也经受了多期构造作用。岩体节理和F2断层派生的长大结构面很发育，这些结构面同样也遭受了不同性质构造应力的改造，表现为先压后张。结构面间充填有厚0.5~2mm的泥质物，其直接影响岩体的强度和层间结合性。
　　其次，这些软硬相间的分布的岩体，在多期构造运动中，软弱部分遭受的构造挤压、剪切及拉张等作用相对强烈，致使软弱部分，愈加软弱，成为控制岩体强度的主要因素。而从岩块强度来看，隐形节理的发育也直接导致岩块强度的降低。
　　（4）地下水
　　从实际揭示的地下水特征来看，隧道范围内基本为贫水区，仅个别冲沟地段，地下水呈线滴状出露，其余地段基本表现为潮湿、滴渗状。在软弱围岩中，地下水对岩体强度的制约是十分关键的，而从本隧道围岩坍塌失稳地段的地下水特征统计来看，岩体内并非赋存足够的裂隙水后，才影响岩体的强度，也就是说，仅仅是潮湿或滴渗状的裂隙水就足以导致软弱岩体强度的降低。造成这种现象的原因是显而易见的：一是软弱岩体中的岩块强度（单轴抗压强度）干燥状态下远大于含水（或饱和）状态；二是软弱岩体的强度是受软弱结构面控制的。正如前面述及的原因，软弱结构面内均有泥质物充填，这些泥质物在潮湿状态下，表现为软化、滑腻，使岩体内岩块间粘结力降低，导致岩体强度降低，造成围岩的坍塌和失稳。
　　2)设备原因
　　（1）TBM的特点
　　TBM为敞开式硬岩掘进机，撑靴接地比压（即要求围岩最低干抗压强度）：2.4MPa；湿喷混凝土机械在刀盘后75m。其喷射混凝土及其它支护体系均相对滞后，这种特点对硬岩来说是合理的，但对软弱围岩来说，由于围岩的自稳时间短，滞后的支护体系无法及时满足要求。其次，TBM配套的地质超前钻机，基本上不支持超前注浆加固围岩的要求，这主要有两方面的原因，一是机械自身的局限，另一个则是超前注浆时，浆液回流可能会固结刀盘。硬岩掘进机的这种特点，在软弱围岩地段掘进时，必然引起以下结果：
　　① 支护体系滞后，不能有效阻止坍塌、剥落的发生；
　　②当前方围岩条件差时，无法主动采用有效的超前加固措施，只能被动地进行坍方处理；
　　③无法同步进行二次衬砌，初期支护体系独立承受围岩压力的时间长；
　　（2）掘进扰动
　　根据以往的经验，TBM在硬岩掘进中，刀盘的挤压、切削、转动对围岩的扰动相对钻爆法来说要小，其实这种说法并不贴切。因为与其说TBM刀盘对围岩的扰动较小，不如说，在硬岩中，由于岩体强度远大于刀盘对围岩的扰动，因而刀盘对围岩的扰动不明显。
　　在软弱围岩中，TBM刀盘对围岩的扰动是导致围岩坍塌、剥落现象的直接原因。在磨沟岭隧道软弱围岩地段，岩体主要受软弱结构面的控制，这些先压后张的结构面间充填有滑腻的泥质物。这种岩体在遭受动力作用破岩时，首先表现为动力挤压（经受预应力），结构面受挤压后呈挤密状态，岩体露出护盾后，约束力（预应力）突然释放，同时洞室围岩应力进行重分布，这种先压后松的扰动，足以导致岩体结构的改变甚至破坏。
　　（3）撑靴扰动
　　TBM掘进及步进，主要靠撑靴部位围岩的支撑反力，软弱围岩地段，撑靴挤压围岩，往往形成塌穴，这实际上是撑靴对已经支护的围岩进行二次扰动，这种二次扰动可能导致初期支护体系变形、失效，引起围岩变形。
　　4、地质灾害的防治措施
　　如前所述，TBM在软弱围岩中遇到的地质灾害主要有坍塌、围岩失稳及撑靴反力不足等。通过原因分析，我们认为围岩条件及设备缺陷是导致地质灾害的主要因素。根据灾害的不同类型及主因而采取相应的防治措施是必要的。
　　4.1　坍塌的防治
　　坍塌作为TBM掘进过程中最常见的灾害，其对TBM掘进效率的影响是巨大的。因此，对坍塌的有效防治具有重要的现实意义。
　　1）针对TBM支护体系相对滞后的缺陷，应增加人工喷混凝土系统，当围岩露出护盾后，应立即采用人工喷混凝土，封闭岩面，在此基础上，挂钢筋网，施作锚杆并及时支立钢拱架，视围岩稳定情况采用人工复喷或机械手复喷。
　　2）软弱围岩段，TBM掘进过程中采用低推进力、低转速、低扭矩、短进尺等措施，以尽可能减少掘进时对围岩的扰动。
　　3）对超前钻机系统的机械部分进行技术改造，施作超前管棚并注浆，支护及加固围岩，并避免浆液回流；
　　4）对坍塌部位，当支护稳定后，要及时采用混凝土回填密实。
　　5）掌子面前方围岩破碎、松散时，首先要尽可能将刀盘紧贴掌子面支撑围岩；其次，要尽可能采用低转速，让刀盘处于转动状态，以免刀盘被卡死；同时应施作管棚并注浆，进行超前支护加固围岩。
　　4.2　洞室变形的防治
　　洞室变形虽然频率小，但由于其规模大、危害大、后果严重，因此对洞室变形的防治是非常关键的。
　　支护完成后围岩失稳的洞室变形，引起拱架变形、拱顶下沉、喷混凝土开裂等，必须采取加密拱架并进行纵向连接，待变形稳定后，采用迈式锚杆注浆加固围岩。
　　4.3　撑靴反力不足的防治
　　TBM撑靴部位围岩失稳，一方面造成坍穴，导致对围岩的二次扰动，另一方面，由于两侧围岩的不均匀性，可能导致中线偏移。
　　1）发现撑靴部位围岩很松散时，可预先注浆加固或采用换填的方法，以提高围岩的强度。
　　2）撑靴部位围岩只是局部软弱时，可采用加大撑靴受力面积的办法，以减少对围岩的挤压。

　　5、结论
　　1）TBM在软弱围岩中，遇到的地质灾害主要为围岩失稳（坍塌、掉块、洞室变形和撑靴反力不足）。
　　2）造成灾害的原因主要为围岩条件和TBM设备的缺陷。
　　3）围岩条件中，控制灾害发生的主导因素是岩体中发育的节理及软弱结构面的特征（性质、组数、组合关系、充填物性质、含水情况及优势方位等）。
　　4）充分查明围岩条件以及采用地质超前预报探明掌子面前方地质条件的情况下，采用管棚注浆、人工喷混凝土、及时支护等有效措施，TBM在软弱围岩中遇到的地质灾害是可以防治的。