摘要：TBM施工过程中遭遇的复杂地质条件越来越多，超前处置是减少和避免复杂地质条件下TBM施工过程中频繁卡机最可靠的途径。为此，结合TBM施工实践，从3个方面总结10项现有处置技术，用来应对破碎、软弱、富水、完整硬岩、岩爆等地质问题，分别为：1)在掌子面或掌子面前方施作的掌子面超前处置技术，包含刀盘清理脱困、掌子面超前注浆、地表注浆和人造节理4项措施;2)在护盾尾部或护盾后方施作的后置式超前处置技术，包含超前注浆、超前小导管加固和超前管棚加固3项措施;3)从适当位置施作的导洞法超前处置技术，包含小导洞法、迂回导洞法和超前导洞应力释放法3项措施。针对TBM施工超前处置，提出5个方面的思考和建议：1)减少TBM在不适宜地质洞段的施工占比;2)提高TBM工法的地质适应性;3)提高超前地质预报的准确性和及时性;4)动态设计，合理决策;5)健全规范、标准、定额等管理体系，促进TBM科学应用与推广。
关键词：全断面岩石隧道掘进机(TBM);掌子面超前处置;后置式超前处置;前置式超前处置;导洞法
0引言
全断面岩石隧道掘进机(TBM)在我国已经迎来大范围推广应用，据不完全统计，目前我国大陆地区在建工程中TBM应用数量近80台，如在建的新疆EH工程共采用20台TBM、刚刚开工建设的川藏铁路经大幅缩减后计划采用18台TBM[1]。大量潜在工程在研究TBM法施工的可行性，如即将开工的白龙江引水工程、引江补汉工程等，都将批量采用TBM施工[2]。
随着TBM应用的不断推广，其应用区域越来越广，独头连续掘进长度已经突破20km，随之而来的是地质条件呈多样化发展趋势，并且总量呈增多趋势，如大断层、破碎带、突涌水、岩爆、软岩大变形、岩溶、蚀变等[3]。国内外采用TBM法施工的隧道工程，复杂地质导致TBM施工受阻、卡机、设备损毁、工期严重滞后、施工成本大幅增加，甚至发生安全事故，类似案例数不胜数。例如四川省锦屏二级水电站排水洞、青海省引大济湟工程、甘肃省引洮供水工程、陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞、云南省大瑞铁路高黎贡山隧道等，TBM施工中发生岩爆、软岩大变形、塌方、涌突水等，导致TBM施工受阻，严重制约工程建设[4-9]。
引进TBM施工技术以来，众多专家、学者、工程技术人员开展了大量复杂地质条件下TBM施工技术与装备技术方面的研究工作。文献[10-14]作为较早文献，以综述或针对具体工程的方式，从不同角度和深度研究了破碎带、岩爆、突涌水、特硬岩、软岩大变形等复杂地质条件下的TBM施工技术;文献[15-19]研究了断层破碎带TBM施工技术;文献[20-22]研究内容均涉及TBM施工超前地质预报技术。很多研究成果都提出，超前处置、超前加固是复杂地质条件下TBM施工的关键措施，但未见针对TBM施工超前处置技术的专题研究。TBM施工超前处置技术包含2方面：其一是超前加固与封堵技术，研究较为广泛、深入，所取得的成果也比较多，如掌子面超前加固、塌腔回填与超前加固、超前小导管与超前管棚加固等;其二是超前干预技术，针对极少数特殊地质条件，如导洞法超前处置后TBM掘进或步进通过、完整硬岩人造节理提高破岩效率、强烈及以上等级岩爆超前导洞释放应力等。本文借鉴以往研究成果，结合20余年的施工经验，从3个方面总结归纳10项现有TBM施工超前处置技术，阐述其施工方案、重点技术，分析其适用条件和特点，供广大读者参考，从技术和管理方面提出5点思考，作为今后的努力方向。
1掌子面超前处置技术
TBM在掌子面完成破岩，当掌子面不具备自稳能力，或者掌子面前方、上部出现较大规模坍塌时，往往会导致超量出渣，引发更大规模坍塌，或者刀盘被卡;当掌子面为完整坚硬围岩时，TBM破岩效率很低。此时，需要通过掌子面超前处置技术，解决掌子面围岩失稳、刀盘被卡、完整硬岩破岩效率低的问题。
1.1刀盘清理脱困
破碎围岩、掌子面岩爆、软岩等复杂地质条件下，TBM施工存在刀盘被卡的风险。一旦刀盘被卡，确认调整掘进策略无法实现脱困时，首先需要判断并尝试清理刀盘周边松散体、堆积体，解除围岩及岩渣对刀盘产生的干涉，以期恢复刀盘正常回转，为继续掘进创造条件。
针对不同的卡机原因，刀盘清理分为以下2种方式，但都以人工清理为主，尚无机械化方法可用。
1)破碎、软弱围岩导致的刀盘被卡，需要清理刀盘周边松散体，必要时施作超前加固。刀盘周边石渣清理需要全面、彻底，局部清理不足就可能无法脱困。主要清理部位如下：①刀盘上方(即拱顶);②刀盘与掌子面之间;③刀盘与护盾之间;④刀盘背部与主驱动转接环之间;⑤刀盘内部及刀孔。刀盘前方清理松散岩渣见图1。
2)掌子面岩爆导致的刀盘被卡，通常是由于块状岩石卡滞，甚至损伤刀盘刀具所致，清理过程中需要破解过大石块。破碎刀盘前方堆积的巨石，可采用风镐、破碎锤、膨胀剂，必要时采用控制爆破技术。刀盘前方清理岩爆落石见图2。
1.2掌子面超前注浆
破碎围岩、软岩、富水洞段TBM施工过程中，有时需要对掌子面超前注浆，加固围岩或者封堵地下水，为TBM掘进创造条件。针对不同工况，掌子面超前注浆主要分为以下2种。
1)掌子面前方围岩自稳能力差或者无自稳能力时，无推进空转刀盘就会大量出渣，如果持续转动刀盘，就会造成超量出渣引发更大规模坍塌，此时需要掌子面固结注浆。
掌子面固结注浆需要重点控制3个方面：一是刀盘紧贴掌子面或者松散岩体，不可大幅后退刀盘，否则会导致更大规模坍塌。二是造孔，在刀盘内通过刀孔、刮渣铲斗、人孔等空间采用手持式风钻或短气腿风钻，施作中空玻璃纤维锚杆作为注浆管，不可使用金属锚杆，否则恢复掘进时会损坏刀盘刀具;由于刀盘内作业空间狭小，通常需要接杆，单根锚杆长度一般约为1m。三是注浆，由于刀盘紧贴掌子面或松散岩体，浆液选择以聚氨酯化学浆液为宜，仅固结围岩而不会将刀盘和围岩固结为一体，切忌采用水泥浆液。刀盘内掌子面超前固结注浆示意如图3所示。
2)富水洞段存在发生突涌水风险或者已经突涌水时，需要掌子面注浆堵水。如果掌子面自稳能力较好，则后退刀盘，在刀盘前方实施注浆。
①根据断面、富水情况做针对性注浆设计。以山西省中部引黄工程TBM1掌子面超前注浆堵水为例，掌子面全断面布孔，分段注浆，外圈注浆孔外插角5°，孔径65mm，最大孔深50m，分段梯度5m，见图4。同时做好浆液配比设计、注浆工艺设计。
②刀盘后退不小于5m，为掌子面超前造孔、注浆创造作业空间，检查围岩稳定性，必要时先加固围岩，确保安全施工。
③选用小型造孔设备，如电动潜孔钻机、架柱式液压冲击钻机等。
④按先内圈后外圈、从下至上逐孔分段钻孔注浆。刀盘前方柱架式液压冲击钻机掌子面造孔见图5。
⑤检查注浆效果，达到设计封堵标准后，TBM向前掘进，必要时施作第2次堵水注浆，循环作业，直到安全通过富水洞段。
如果掌子面围岩不具备自稳能力，则按前述方式操作，需选用堵水型聚氨酯化学浆液。由于受作业空间影响，造孔位置、范围、深度受限，注浆效果较差。
1.3地表注浆
浅埋隧道破碎、软弱、大流量突涌水洞段TBM施工过程中，如果具备条件，可在TBM到达该复杂地质之前实施地表注浆，改良围岩，减小卡机风险，为TBM正常掘进创造条件;如果TBM已经进入上述复杂地质洞段，也可以地表注浆脱困。以后者为例，说明如下。
1)护盾区域。刀盘后方沿隧道轴线方向，注浆长度不小于护盾长度;护盾上方注浆厚度不小于2m，护盾两侧注浆厚度不小于3m。靠近护盾的1m范围内灌注水玻璃-磷酸双液浆，其余部分灌注水泥-水玻璃双液浆。
2)刀盘前方沿隧道轴线方向，注浆长度以超出需要处理范围3m以上为宜;注浆深度为洞顶以上6m至洞底以下2m;注浆宽度为左右分别超出开挖轮廓线3m。刀盘前方2m范围内灌注水玻璃-磷酸双液浆，其余部分灌注水泥-水玻璃双液浆。
3)靠近刀盘、护盾的区域灌注水玻璃-磷酸双液浆，具有较好的止浆效果，可有效保护设备;与聚氨酯化学浆液类似，可固结围岩，但不会粘结金属结构，防止TBM与周边围岩固结为一体;该浆液注入岩体后，致密且强度低，便于后续清理。
4)根据勘测的复杂地质确定注浆孔间距、排距以及注浆压力。
5)注浆完毕，经检查达到设计标准后，参照1.1节方法，清理刀盘周边，恢复掘进。青岛地铁2号线地表注浆加固掌子面前方围岩布孔设计见图6。
为了更好地控制风险，避免工期拖延、成本增加，需尽量创造条件，在TBM到达复杂地质段之前，做好地质调查、补勘，必要时提前施作地表注浆。
对于部分浅埋极端复杂地质，地表注浆无法可靠固结时，可采用矿山法明挖，分层开挖至隧道底部标高，施作混凝土底板，TBM步进通过，再浇筑钢筋混凝土边顶拱成洞，分层回填上部开挖区域。
1.4人造节理
Ⅱ级及以上围岩，节理不发育，抗压强度高，TBM掘进贯入度小，通常不超过2mm/r，即使TBM纯掘进时间利用率较高，也难取得较高掘进效率，并且开挖成本大幅增加。根据目前的破岩机制、TBM破岩设计，无法从根本上解决此类围岩条件下的破岩效率问题，可以采用预裂爆破技术人为制造节理，从而提高TBM掘进贯入度。
吉林引松供水工程TBM1施工过程中开展了工业性试验。后退刀盘，在掌子面布孔，控制爆破人造节理，相同围岩条件下TBM掘进贯入度由1.87mm/r提高到2.70mm/r，掘进速度由13.06mm/min提高到17.78mm/min，掘进效率提高36%。
相关期刊推荐：《现代隧道技术》(双月刊)创刊于1964年，由中铁西南科学研究院有限公司和中国土木工程学会隧道及地下工程分会共同主办。报道内容：国内外隧道及地下工程专业理论研究、设计、施工、运营维修方面的新技术、新材料、新设备等。主要栏目：综述、理论研究、施工方法、施工技术、施工机械、不良地质条件施工、防排水技术、施工及运营通风技术、安全与防灾技术等。
该技术由试验转为实用需要解决2个问题：一是造孔，结合设备结构以及爆破效果合理设计钻孔孔位，TBM上合理配置超前钻机，以便实现掌子面高效造孔;二是爆破，依据地质条件开展针对性爆破设计，以便在掌子面前方开挖轮廓线内形成适宜的人造节理，并且确保安全、操作便捷，无需刀盘大幅后退即可快速完成控制爆破作业。
2后置式超前处置技术
通常情况下，TBM会配置超前钻机，通过敞开式TBM的护盾尾部或护盾式TBM护盾上预留孔以一定的外插角斜向前方造孔，实现加固，通常以超前注浆为主;有时，会在护盾后方扩挖工作间施作超前管棚。上述处理方法，超前处置的入岩位置在护盾尾部或者护盾后方，距离掌子面较远，故称之为后置式超前处置。
2.1超前注浆
超前注浆是指利用超前钻机(或者其他造孔方式)自敞开式TBM护盾尾部(或护盾式TBM盾体预留孔)入岩，经护盾区域向掌子面前方钻孔后，注入水泥浆液或者化学浆液固结前方破碎岩体，达到加固围岩和堵水的效果，注浆达到设计强度后，TBM可以继续掘进通过(见图7)。超前注浆多用于超前堵水、超前加固或辅助刀盘脱困。
2.2超前小导管加固
超前小导管加固一般用于长度较小的中等破碎围岩，小导管与注浆相结合加固围岩并形成一定的棚护结构，避免开挖后围岩坍塌。通过敞开式TBM的护盾尾部或护盾式TBM护盾上预留孔以一定的外插角斜向前方造孔，安装小导管，再注浆，通常多次搭接循环施作。
与钻爆法超前小导管施工相比，需要重点关注以下2方面工作：
1)结合TBM结构特点设计布孔。布孔参数根据围岩破碎情况及拱部塌落高度确定，超前注浆孔沿TBM护盾外开挖轮廓线呈伞形辐射状布置，注浆孔环向布置范围视围岩情况而定，一般不小于顶拱120°范围，钻孔深度根据钻孔能力、刀盘及护盾长度、需处置围岩长度、计划掘进长度等因素确定。例如：钻机能力为一次钻孔深度25～30m，盾体及刀盘长5m，掘进长度为注浆长度的70%～80%，每段预留20%～30%作为下段注浆的止浆盘，超前小导管加固后可掘进长度为14～20m。釆取单双序交叉布管方式，钻孔环向间距一般不大于45cm。超前钻机和超前小导管布孔示意分别见图8和图9。
2)结合TBM工法特点选择浆液。浆液需具有良好流动性和可灌性，凝胶时间可根据需要调节，固化时收缩小，浆液与围岩、混凝土、砂土等粘结力强，固结体具有高强度和良好的抗渗性、稳定性;靠近刀盘、护盾区域的浆液加固围岩的同时，不能粘接金属结构件;浆液无毒、低污染。
一般在中强风化及断层破碎带富水或动水条件下选择采用普通水泥-水玻璃双液浆，或化学浆液;在砂层中选择采用超细水泥-水玻璃双液浆;靠近TBM结构件的区域采用聚氨酯化学浆液等。
2.3超前管棚加固
在极破碎地质条件下，围岩总体完整性差，自稳能力弱，超前注浆、超前小导管难以有效加固掌子面前方破碎围岩。采用超前管棚加固方案，即在TBM护盾后方适当扩挖，形成管棚工作间，单次或循环管棚加固，必要时同时施作掌子面超前注浆，刀盘清理脱困后恢复掘进。
与钻爆法相比，TBM施工过程中施作超前管棚，需重点关注如下工作：
1)管棚钻机选型。管棚钻机宜选择潜孔钻机，具有跟管功能，潜孔锤可选择气动潜孔锤或者液压潜孔锤。
2)施作管棚工作间。TBM护盾后方，原始空间不足以布设管棚钻机，即便结构上满足安装条件，也会由于外插角过大而无法正常施工，无法达到预期加固效果。根据管棚钻机工作空间需求，在护盾尾部一定范围内(具体尺寸依据管棚钻机施工需求确定)扩挖拱部。
超前管棚如图10所示。TBM开挖直径6.53m，护盾尾部管棚工作间扩挖尺寸按照超前管棚外插角3°计算，扩挖后隧道内轮廓距护盾外轮廓约30cm。扩挖后的上半断面钢拱架与未扩挖的下半断面钢拱架采用型钢连接，并施作混凝土扩大基础，上部拱架伸入混凝土至少30cm;下半断面钢拱架分别以不少于2根锚杆锚固，上半断面扩挖后的钢拱架采用锁脚锚杆固定;系统锚杆设置范围为拱顶180°，布设自进式中空注浆锚杆，锚杆间排距为1m，扩挖后的钢拱架采用槽钢纵向连接，间距为0.5m。——论文作者：齐梦学，杨国清，曾绍毅
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