隧道掘進機地質限制條件預先執行的地盤改良方法-PRE-GROUND TREATMENT TECHNIQUES

隧道掘進機在地質限制條件時可以預先執行地盤改良方法。使用各種技術，從灌漿岩石裂縫或凍結地下水到在隧道掘進地質安裝結構元件;如鋼管或玻璃纖維元件（Pelizza and Peila，1993;霍克，2001年）。這些不同技術之間的選擇受到岩體的岩土工程特性和必須控制的現象類型的影響。概述常用的方法（Oreste和Peila，2000）。

地層凍結工法-Ground Freezing

從地表從事凍結飽和水地層的技術經常用於隧道掘進過程中，通常與淺隧道有關。在俄羅斯，如在挖掘過程中遇到凍土中自弱點導入的強烈湧水,有一些適用於深度達80m的隧道的案例，但工法昂貴。

地面凍結飽和水地層,可以通過使用大型便攜式製冷設備或液氮來實現。處理結果受鑽孔精度的影響，處理時間應保持較短。工法技術需要在地面解凍之前配合完成坑隧的襯砌。

有限孔徑範圍地層地質噴射注漿強化工法Jet-Grouting

噴射注漿技術最好應用於無粘性或弱內聚力土壤，其中高壓灌漿的能量有效地分解土壤基質，並用灌漿和欲改良土壤的混合物置換，不能用於岩石。

在工作鏡面前的預先地層處理中，由於地盤改良工法受限的水平孔與坑隧掘進路徑同向，只能應用單液攪拌樁(single-fluid grouting),期望攪拌樁完成徑大於坑隧徑。在粘性和細土中，柱子直徑和強度低於顆粒土，並且受更高變化的影響。

噴射灌漿設備的整體尺寸和盾構處的有限空間使其在全圓形盾構斷面中的應用非常困難。同時在隧道掘進機頭部清洗攪拌樁迴流土體混合物必須即時，因為存在盾構前緣膠結的風險。因此，噴射注漿技術很少用於隧道掘進機掘進鏡面前地盤改良。

排水-Drainage

在隧道掘進（通常與灌漿有關）中經常使用工作鏡面前的排水來穿越含水區，以降低水壓。在工作面前進行長引流的技術可以提前降低靜水壓力，從而顯著提高隧道拱頂和鏡面的穩定性。

鋼管傘幕或前進支撐工法-Steel Pipe Umbrella Or Forepoling

是一種預加固技術，通過在隧道工作面前方安裝鋼管，傾角為5°-10°（相對於水準方向）以形成具有截錐形的傘的方式獲得隧道掘進中土岩體的臨時支撐保護（Peila and Pelizza，2003）。土岩體的臨時圓拱支撐保護可以達到12-13米的長度，其中9-10公尺進行坑隧斷面開挖，後3公尺是坑隧面的懸臂支撐，保證工作鏡面的穩定性。類似管幕工法的坑隧徑外的加勁;使用較短的鋼元件，通常是自鑽螺栓或棒材，其安裝的密度比鋼管大。

開放式盾構工法的適用性必須考慮。

機械注入結合劑-Grouting

用水泥漿或化學混合物注漿土壤或岩塊以改善其機械和水力性能是工程學中一種行之有效的做法（Cambefort，1964; 美國陸軍工程兵團，1995年;海恩，1996）

灌漿處理可以在所應用的方法的功能、使用的混合物類型和應用方案方面進行區分。單個隧道專案可能需要幾種不同的灌漿方法。壓實、滲透和水力壓裂注漿( Compaction, permeation and hydro-fracturing grouting; 岩盤罅隙風化土清除再固結-翡翠水庫採用)通常用於軟土或弱岩處理。

在壓實灌漿中，壓注入有強度的膠結漿，目的是使周圍柔軟、鬆散或受干擾的土壤緻密。

水力壓裂注漿方法(hydro-fracturing grouting)涉及局部受限和受控的地面壓裂，需要在高壓下注入穩定但流動的水泥基結合劑。高壓壓裂清洗及注入水泥基結合劑,主要在於提高地面的承載力和抗剪性

滲透灌漿(permeation grouting);灌漿被注入土壤的孔隙空間，既用於控制水分，又用於改善地質的物理特性。選擇對地面粒度或岩體裂隙孔徑具有足夠穿透性的地層(砂粉地質)是滲透注漿的基礎。滲透灌漿，灌漿可以是水泥基或化學的，對於細粒度的土壤，使用水泥基灌漿需要微細或超細水泥。費錢費時,漿液大量溢流。

最近，特殊添加劑的引入提高了微水泥灌漿的穩定性和滲透性，並將其應用領域擴大到通常只有化學灌漿才能覆蓋的情況。

化學灌漿的特點是粘度非常低，因此可用於控制水分並提高材料強度。灌漿處理加固土體的最後手段。化學灌漿的缺點是它們通常比水泥基灌漿更昂貴，並且在某些情況下，由於一些未反應的灌漿成分的潛在毒性作用。因此;受到限制。

化學灌漿有幾種可供選擇，每種灌漿都具有使其適合各種用途的特性。最常見的是矽酸鈉、丙烯酸酯和聚氨酯灌漿(sodium silicate-水玻璃, acrylate and urethane grouts)。

矽酸鈉-sodium silicate灌漿是最受歡迎的灌漿，因為它們的成本相對較低，安全性和環境相容性。處理過的地面強度低，長期收縮是鈉矽酸鹽灌漿的主要缺點。通常與水泥漿液兩液注入,行地下擋土水壁的臨時性止漏。

丙烯酸酯-Acrylates的特點是粘度非常低，因此對於空隙細的土壤的灌漿非常有用;它們具有與矽酸鈉相同的缺點。

聚氨酯-Urethanes的主要優點是可以直接注入流水中作為止水器。另一方面，主要缺點是凝固前後一些易燃成分的毒性。

與水泥漿液灌漿相比，化學灌漿，如水玻璃和丙烯酸酯，具有非常高的穿透性， 因此在瓦斯氣體的阻絕也可以確保足夠的封閉，正如Balossi Restelli（1978）和Wolf在al.（1979）所記錄，用於西西里島（義大利）的Capo Calavà隧道，並在不需要高注漿壓力的情況下改善岩體的性質。

化學灌漿存在較低的彈塑性性能和低強度，因此有效岩體改善不是很顯著。基於微水泥的灌漿在滲透性和最終強度之間提供了很好的折衷，是具有良好的耐久性和無毒性。

岩石中的壓力注漿（或注入）-栓塞工法

通過在岩石材料中鑽出適當直徑、長度和方向的鑽孔，在鑽孔開口附近放置封隔器，在泵和封隔器之間連接輸送軟管或管線，將準備好的漿泵入鑽孔周圍岩石的裂縫和接頭中。

隧道注漿可以應用兩種根本不同的方法（Grov，2002;布林德海姆和奧夫斯泰達爾，2002年;弗雷德里克森和布羅赫，1984） ：

預灌漿

從開挖面鑽孔到隧道面前方預定掘進的岩體中，灌漿混合物從隧道開挖面前方灌注至預定掘進的岩體中、或從地表或附近’現有隧道或橫向壁龕或橫坑注入至預改良岩體。從隧道本身內部處理隧道須通過路徑時出現的岩體破碎帶,可以通過橫向導坑或使用定向鑽孔技術來執行預定需求改良岩體。在所有情況下，灌漿必須位於岩體中靜止水的部分，以避免流動的水沖刷掉灌注漿液混合物。

隧道的補強灌漿

沿著隧道的掘進路徑,進行地表可行的鑽孔和注入加固漿體。

隧道側壁的不穩定性

開挖牆的不穩定性是開放式岩石隧道掘進機的限制特性。

當不穩定現象緊跟在刀盤支撐後面時，擠壓內傾就會顯現出來，使得支架的安裝和夾具的正確定位都很困難（Grandori，1996b;門達納，2004年）。

不穩定性對隧道掘進的影響和克服不穩定性的方法在功能上差異很大,端視;

* 不穩定現象的幅度和類型;

* 所用隧道掘進機的類型（單或雙系統夾具）;

* 隧道掘進機的設計和特點;

* 隧道大小;

*安裝在隧道掘進機內部的系統，用於安裝隧道一次襯砌支撐，以及一次襯砌支撐的類型及襯砌後背填灌漿。

單盾構或雙盾岩隧道掘進機對開挖牆的失穩現象不是很敏感，因為可以在盾構內部和盾殼保護下安裝預鑄混凝土襯砌環或鋼襯裡。因此，掘進機可以通過襯砌環片供給反力來推進。

在中大直徑隧道（6至12米）的情況下，在開挖牆不穩定條件下，開放式隧道掘進機和盾構隧道掘進機在行為和生產率方面的差異大大增加，盾構隧道掘進機更具優勢。

使用開放式隧道掘進機-open type，在開挖牆上有效抵消失穩現象的可能性取決於以下預防性措施：

*牆壁的穩定和重建，使用鋼拱，木支撐和噴射混凝土在盾構的一次支撐及動力系統後面立即進行。盾構機的脆弱區域安裝這些支撐元件，特別是噴射混凝土，需要很長時間，並且還存在挖掘設備損壞的風險;

* 傳統開挖在掘進機前，常為上半部先進掘進;

*隧道工作面前的預處理，低壓注入;

*隧道拱頂支撐先進或鋼管傘全斷面預設。

預防性措施受限於隧道斷面是需要謹慎評估;壯士斷腕採傳統鑽炸工法或許是最佳選擇。

隧道掘進鏡面的不穩定性-Instability of the Tunnel Face

掘進面岩體碎裂和’蝕變使得挖掘工作面可能發生重要的不穩定性，隨著岩石的剝離，機器可能會被困住，堵塞圓盤切頭，或者開挖面滑坡產生的過度挖掘達到無法再控制的尺寸。問題將涉及所有類型的隧道掘進機（開放式或遮罩式）。常用的加固是：

*用水泥和樹脂的混合物注入岩體的斷裂部分。

通過這種干預，有必要在推進之前密集加固的可能性與使用有限的干預措施之間找到設計平衡，但隨之而來的是高成本和 長時間，有很難確定可接受的下限。在後一種情況下，只要加固沒有正確進行並且穩定性問題再次出現，就會發生嚴重後果（Barla和Pelizza，2000年）。

隧道掘進機被用作岩石鑽孔和爆破（D&B）方法以及土壤中常規“手工採礦”的替代方法。隧道掘進機的優點是限制了對周圍地面的干擾，併產生了光滑的隧道牆。這大大降低了隧道的襯砌成本，並使其適合在城市地區使用。主要缺點是前期成本。隧道掘進機的建造成本很高，而且運輸起來很困難。隧道越長，隧道掘進機與鑽孔和爆破方法相比的相對成本就越低。這是因為使用適當的隧道掘進機的隧道效率要高得多，並且縮短了完成時間。然而，鑽孔和爆破仍然是在嚴重斷裂和剪切的岩層中工作時的首選方法。

坑隧路徑施工的前處理和排水是使岩石隧道掘進機穿越不可預測的困難岩土地質;成為可能的最重要方法。

因此，探測和地盤固結處理作業應被視為隧道推進技術的一個組成部分，並應成為施工過程的一個組成部分。

其中一個主要問題是指當前的限制;從隧道掘進機的頭部鑽孔和灌漿變得困難;這在目前大大降低了提前處理核心的可能性。

因此，掘進機製造商有必要考慮到這一非常重要的特點來開發他們的機器;使應用於多變自然形成岩體的隧道行為成可行’樂行。

掘進機製造商還面臨著一項艱巨的任務，即研究能夠對工作面施加越來越高的反壓力的機器，以減少預灌漿的必要性，至少在隧道工作面之前，以及減少對隧道推進速度的影響預先坑隧路徑地盤處理。