TBM 施工围岩工程特性测试技术与评价方法研究前沿及发展.PDF

TBM施工围岩工程特性测试技术与评价方法研究前沿及发展趋势 岩土所 王玉杰 曹瑞琅 赵宇飞 曾俊强 随着全断面隧道岩石掘进机 （Tunnelboringmachine，TBM）相关技术的发 展及施工经验不断积累与反馈，TBM 在深埋长隧洞工程中应用已经有了巨大突 破。但是随着工程难度不断增大，TBM 施工面临诸多亟待解决的技术难题和频 发的工程灾害事故等巨大挑战，主要表现为：一方面，TBM 突遇地层变化或复 杂地质条件，未做出掘进方案和控制参数的及时有效调整，造成卡机、地质灾害 甚至机毁人亡的严重后果，有时TBM 被迫退场，造成重大经济损失和工期延误； 另一方面，因岩体力学特性不明确，而TBM 刀盘适应性较差，大量工程TBM 刀盘刀具损耗大、损坏严重 （实际工程中常常连续掘进不到20 公里TBM 主轴 报废），导致TBM 掘进破岩效率低、掘进速度慢，且往往在不同的工程重复出 现类似的错误。究其原因，是因为与钻爆法施工相比，TBM 掘进对地质条件和 岩石力学参数的依赖性较强、适应性较差。所以，掌子面前方地质条件和岩石力 学参数的准确及时获知与评价对TBM 安全高效掘进至关重要，这逐渐成为目前 工程界关注的热点。 有鉴于此，对国内外岩体特性超前测试技术和围岩分类方法进行系统的调研 尤为重要，并归纳和梳理大量TBM 施工案例和现场掘进监测资料，结合我国重 大水利水电工程深埋长隧洞建设实际需求以及TBM 装备制造技术发展趋势，提 出适用于TBM 施工围岩工程特性测试技术和评价方法的未来研究新方向，为国 内外复杂地质条件下TBM 安全高效掘进提供技术支持。 未来隧道施工围岩工程特性探测技术与评价方法的发展需求、压力和形势都 十分紧迫，一方面是由于目前超前测试技术本身存在很多难题亟待突破，另一方 面是因为今后隧道施工给超前探测提出了更高更多的要求。在分析和总结了大量 探测技术和专家观点后，鉴于围岩工程特性测试技术的需求和现有技术水准，今 后的主要攻克的研究方向如下： （1）TBM 施工隧道围岩工程特性测试技术与装备。在日本、美国、欧洲等 发达国家或地区TBM 工法早已占据主导地位，在我国TBM 也必将逐步成为优 先选择。但TBM 对地层的适应性较差，围岩工程特性测试是其可掘性、适应性 和安全性评价的重要基础和前提。由于TBM 施工环境极为复杂，目前国内外还 没有用于TBM 施工隧道的可用、可靠和成熟的围岩工程特性测试技术和设备。 TBM 的一个特殊的需求就是地球物理仪器的搭载技术，如何实现围岩工程特性 测试仪器与TBM 机械的一体化搭载和自动化快速测量是必须解决的问题。TBM 超前测试技术与设备研发是涵盖理论研究、试验模拟、仪器开发、TBM 机械改 装、工程验证的系统性工作，必须依靠研究单位、TBM 生产商和应用者的联合 攻关。 （2）钻孔精细超前探测理论与技术。一般情况下，含导水裂隙、三／四级 结构面的宽度约几厘米到十几厘米，必须采用高分辨率钻孔地球物理技术来探明。 跨孔CT 成像探测技术已取得了一些进展，如跨孔电阻率CT、跨孔地质雷达、 跨孔弹性波CT 等，今后需在提高空间分辨率方面进一步提升，需要研究不同产 状和地质属性的裂隙、结构面的跨孔成像规律及其解译准则。 （3）实时超前预报与施工灾害监测技术。地质体的导电性、弹性性质等变 化可表征地质灾害的演化与灾变过程，地球物理探测技术具有无损探测、非接触 测量、感知范围大的优势。研发实时围岩工程特性测试技术，可同时发挥其空间 定位和在时间维度上监测预警的功能，将围岩工程特性测试由空间三维扩展到时 空四维，实现灾害源及其灾变过程的时空预测预报，为隧道施工突水突泥等地质 灾害的预测预警提供一种新思路。 （4）隧道围岩工程特性测试智慧解译与施工方案决策技术及平台。我国隧 道围岩工程特性测试领域积累了大量的案例与数据，亟待对这些数据进行汇总、 分析和挖掘，为后续的围岩工程特性测试工作提供支持。未来需要广泛搜集隧道 围岩工程特性测试案例，包括工程数据、工程地质勘察数据、灾害事故信息、围 岩工程特性测试数据、施工地质素描和回馈信息、预报后的施工方案决策信息等。