開敞式TBM在塑性變形洞段的施工

杜士斌，李 強(qiáng)，徐利芬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 前 言

在隧洞工程設(shè)計(jì)中，洞線布置應(yīng)力避通過各種不良地層。在施工方法的比較與選擇上，對(duì)于各種不良地質(zhì)洞段，則盡可能地采用鉆爆法而不采用TBM施工。

然而，任何一座隧洞工程，其地質(zhì)條件都不可能是單一的。

國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)表明，凡是確定采用TBM施工的隧洞，無論是開敞式TBM，還是雙護(hù)盾TBM，都會(huì)毫無例外地、程度不同地遇到某些不良地質(zhì)條件，導(dǎo)致塌方、涌水、卡機(jī)、巖爆、圍巖塑性變性侵占隧洞設(shè)計(jì)斷面的情況發(fā)生及由此帶來的處理難題。

變形量大、持續(xù)時(shí)間長的塑性變形巖體，屬不良地質(zhì)條件之一。

本文通過大伙房輸水隧洞731m塑性變形洞段的施工，從設(shè)計(jì)和施工角度，總結(jié)了開敞式TBM在塑性變形洞段施工的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。

2 731m洞段地質(zhì)條件及在施工中存在的問題

該洞段圍巖主要為正常斑巖、煌斑巖和構(gòu)造巖。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，多為節(jié)理密集帶。

該段發(fā)育30多條規(guī)模大小不一的斷層，其中4條為較大斷層。斷層與洞軸線小角度相交，緩傾角，有斷層泥，起伏光滑，對(duì)洞室穩(wěn)定十分不利。

受斷層和巖脈侵入影響，正常斑巖與煌斑巖的接觸帶巖體破碎，穩(wěn)定性差。

掘進(jìn)初期隧洞呈干燥狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，逐漸出現(xiàn)滲流。

煌斑巖脈質(zhì)脆，隱裂隙十分發(fā)育。在地下水長期浸泡下，膨脹泥化，順?biāo)鞒觥?/p>

本洞段在TBM掘進(jìn)過程中，多次發(fā)生大面積塌方，被認(rèn)定為不良地質(zhì)段。該段施工中存在的主要問題是:

(1)正常斑巖大量夾泥且遇水軟化崩解，難以成孔施作系統(tǒng)錨桿;

(2)連續(xù)發(fā)生大面積塌方，最長12m，寬0.5～4.0m，深0.3～1.5m，共53.52m3，后續(xù)大量塌方掉塊被擋在鋼拱架和鋼筋網(wǎng)上部;

(3)鑒于TBM撐靴單扇寬980mm，如按600 mm間距架設(shè)I16鋼拱架，將被撐靴擠壓產(chǎn)生嚴(yán)重變形，起不到支護(hù)作用，只能采用1.2m間距;

(4)由于TBM輔助設(shè)備噴射混凝土系統(tǒng)，其工作范圍只能達(dá)到300°圓心角，下部60°圓心角的仰拱部位，噴射混凝土不能封閉;

(5)由于TBM機(jī)頭下支撐在步進(jìn)過程中對(duì)地面壓力大，故在下支撐落地部位未對(duì)鋼拱架進(jìn)行縱向連接。

3 TBM通過后圍巖塑性變形嚴(yán)重

該洞段巖石飽和抗壓強(qiáng)度在30MPa左右。洞室埋深250～300m。按照以巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力的比值作為評(píng)價(jià)初始地應(yīng)力對(duì)工程巖體穩(wěn)定性影響的指標(biāo)，則該洞段屬于高初始應(yīng)力區(qū)［1］。其主要表征是:開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時(shí)間較長，成洞性差。

TBM掘進(jìn)通過后出現(xiàn)的問題是:

(1)圍巖變形致使后配套拖車護(hù)欄被迫拆除，噴射混凝土設(shè)備通過受阻;

(2)頂拱鋼拱架部位的噴射混凝土掉塊嚴(yán)重，鋼拱架外露并產(chǎn)生變形;

(3)邊拱噴射混凝土產(chǎn)生裂縫，局部隆起;

(4)仰拱承受邊頂拱的高壓荷載普遍隆起(見表1)，運(yùn)輸軌道扭曲變形;

(5)煌斑巖在高強(qiáng)擠壓下，從邊拱混凝土裂縫、特別是從仰拱巖體中涌出;

(6)60°圓心角仰拱部位裸露的鋼拱架普遍產(chǎn)生“N”字形嚴(yán)重變形等。

在處理前進(jìn)行的斷面測量表明，該段圍巖的塑性變形嚴(yán)重侵占了二次襯砌混凝土斷面，乃至隧洞凈空斷面(見表2)。該段Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖設(shè)計(jì)襯砌厚度260mm，凡超過此值者即為侵占隧洞凈空斷面。

表1 仰拱隆起高度

表2 圍巖塑性變形侵占襯砌混凝土斷面情況

4 臨時(shí)的仰拱封閉處理

為了保證施工安全，遏制塑性大變形的持續(xù)發(fā)展，在原有初期支護(hù)基礎(chǔ)上，對(duì)仰拱進(jìn)行了封閉處理。措施包括:

(1)對(duì)仰拱裸露變形的鋼拱架進(jìn)行處理，采用間距1.0m的Ⅰ10工字鋼進(jìn)行縱向連接，打設(shè)φ25鎖腳錨桿，使其形成環(huán)向封閉的骨架;

(2)澆筑C25仰拱混凝土與邊頂拱混凝土連接，使其形成一個(gè)環(huán)形的混凝土薄壁結(jié)構(gòu);

(3)在頂拱120°范圍內(nèi)設(shè)置系統(tǒng)錨桿，將鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土和圍巖連成一體，形成一個(gè)完整的承載體。

處理前、后現(xiàn)場監(jiān)控量測的對(duì)比見表3。從表3可以看出:

(1)仰拱封閉前，各現(xiàn)場監(jiān)控量測斷面的隧洞周邊水平收斂速度均大于0.2mm/d，仰拱封閉后均小于0.2mm/d;

(2)仰拱封閉后的拱頂垂直位移速度均小于0.1mm/d，基本趨于穩(wěn)定。

表3 仰拱封閉前、后圍巖收斂變形速度對(duì)比

這表明:

(1)封閉仰拱有效地阻止了圍巖收斂變形的大幅度增長;

(2)隨后增設(shè)的錨桿支護(hù)措施使圍巖變形進(jìn)一步得到控制;

(3)對(duì)于高地應(yīng)力區(qū)軟弱巖體的隧洞施工，及時(shí)進(jìn)行鋼拱架、錨、網(wǎng)、噴，特別是及時(shí)采取仰拱封閉措施的極端重要性。

5 初期支護(hù)侵占設(shè)計(jì)斷面的最終處理

對(duì)侵占設(shè)計(jì)斷面洞段進(jìn)行處理的要求是:確保施工安全，保證結(jié)構(gòu)安全，滿足隧洞過水能力要求。

處理主要包括:對(duì)全段進(jìn)行固結(jié)灌漿，加固圍巖，提高其完整性及強(qiáng)度指標(biāo);對(duì)地質(zhì)條件差、塑性變形嚴(yán)重的洞段，全部拆除原有的初期支護(hù)，進(jìn)行擴(kuò)挖;按照承載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行初期支護(hù);滿足穩(wěn)定要求后，及時(shí)進(jìn)行混凝土襯砌。

5.1 固結(jié)灌漿

漿材:采用可灌性、可控性好的HSC特種漿材。

布孔:每20m為一施工段，每段布設(shè)16環(huán)灌漿孔，環(huán)距1288mm。單數(shù)環(huán)每環(huán)按圓心角40°布設(shè)9個(gè)灌漿孔，雙數(shù)環(huán)每環(huán)按圓心角45°布設(shè)8個(gè)灌漿孔。

孔深:5m。

抬動(dòng)觀測裝置:每段布設(shè)5套。

灌漿方法:孔內(nèi)循環(huán)、全孔一次灌漿法。

灌漿順序:每段從上、下游向中間鉆灌;每環(huán)從仰拱向邊頂拱鉆灌。

灌漿壓力:以不破壞原初期支護(hù)為原則，取0.7～1.0MPa。

設(shè)計(jì)灌漿標(biāo)準(zhǔn):5Lu。

結(jié)束標(biāo)準(zhǔn):在設(shè)計(jì)壓力下單位注入量不大于1L/min，持續(xù)灌注5min結(jié)束。

封孔:用錨固劑平順封閉孔口。

5.2 對(duì)原初期支護(hù)的處理原則

(1)侵占襯砌斷面小于50mm的，不予處理;

(2)侵占襯砌斷面在50～150mm的，采用風(fēng)鎬鑿除;

(3)侵占襯砌斷面大于150mm的，采用爆破法拆除并擴(kuò)挖。

據(jù)此確定:采用爆破處理的洞段長256m，擴(kuò)挖直徑φ8.76m。

5.3 初期支護(hù)參數(shù)

(1)隨機(jī)錨桿 φ25，L=3.0m;

(2)頂拱 120°范圍超前小導(dǎo)管 φ42，L=3m，外插角5°～10°，環(huán)向間距30cm;

(3)Ⅰ16鋼拱架，間距0.5m，Ⅰ10工字鋼連接，間距1～2m;

(4)頂拱180°范圍掛φ8@150×150鋼筋網(wǎng)，拱腰以下局部掛網(wǎng);

(5)全環(huán)噴射C25混凝土，t=200mm。

5.4 二次混凝土襯砌

(1)擴(kuò)挖段采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土襯砌，t=600mm，雙層配筋φ25@200。

(2)非擴(kuò)挖段則采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土，按成洞洞徑7.16m襯砌，單層配筋φ25@200。

對(duì)塑性變形洞段的處理，從第一次灌漿試驗(yàn)到全部處理結(jié)束歷時(shí)近兩年，耗資近兩千萬元。

6 經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

6.1 開敞式TBM施工更符合新奧法設(shè)計(jì)理念

巖體的本構(gòu)關(guān)系和強(qiáng)度特征表明，深埋巖體長期在高地應(yīng)力或極高地應(yīng)力作用下，由于受到周圍巖體的約束，無論堅(jiān)硬巖體或軟弱巖體，都可承受相當(dāng)高的應(yīng)力水平，處于平衡狀態(tài)。隧洞開挖破壞了這種平衡狀態(tài)。堅(jiān)硬巖體會(huì)因開挖而突然卸荷，但變形量并不很顯著。軟弱巖體則在失去高地應(yīng)力約束后，無膠結(jié)的松散圍巖會(huì)因膨脹而產(chǎn)生塌方;得到及時(shí)支護(hù)的圍巖，產(chǎn)生塑性大變形，延續(xù)時(shí)間長。

大伙房輸水隧洞731m洞段在TBM掘進(jìn)后的變形發(fā)展，充分驗(yàn)證了軟弱巖體的這種本構(gòu)特征。

規(guī)范明確提出，對(duì)于“出現(xiàn)圍巖坍塌失穩(wěn)的不良地質(zhì)洞段，應(yīng)嚴(yán)格按新奧法進(jìn)行施工?！保?］

就開敞式TBM而言，具有以下特點(diǎn):

(1)僅在前支撐系統(tǒng)設(shè)有較短(3.1m)的頂護(hù)盾和側(cè)護(hù)盾;

(2)整個(gè)主機(jī)基本敞開于已經(jīng)開挖完成的洞室內(nèi)，具有一定的操作空間;

(3)可及時(shí)進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土、安裝鋼拱架等初期支護(hù);

(4)錨噴支護(hù)屬柔性結(jié)構(gòu)，適應(yīng)圍巖的變形能力;

(5)對(duì)支護(hù)襯砌參數(shù)可以結(jié)合工程類比、仿真理論計(jì)算及現(xiàn)場監(jiān)控量測驗(yàn)證，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，支護(hù)措施更具有靈活性;

(6)采用開敞式TBM進(jìn)行初期支護(hù)，更符合現(xiàn)代隧洞工程施工的新奧法設(shè)計(jì)理念。［3］

這就說明，為什么采用開敞式TBM，可以順利地進(jìn)行這731m洞段的施工。如果采用雙護(hù)盾TBM，對(duì)于這樣的洞段，可能會(huì)因連續(xù)卡機(jī)而改用鉆爆法施工。

6.2 及時(shí)封閉仰拱的重要性

731m塑性變形洞段的變形機(jī)理是:

(1)在高應(yīng)力區(qū)的軟弱巖體內(nèi)開挖隧洞，打破了原來的平衡狀態(tài);

(2)在圍巖壓力作用下，四周洞壁均產(chǎn)生向洞內(nèi)的變形，以調(diào)整應(yīng)力重分布;

(3)初期支護(hù)可以防止圍巖松動(dòng)變形向深處發(fā)展;

(4)但同時(shí)初期支護(hù)也與圍巖一道共同承受圍巖壓力;

(5)在仰拱未封閉的情況下，仰拱既承受原本它固有的那部分圍巖壓力，又需額外地承受著來自邊頂拱初期支護(hù)傳遞過來的集中荷載;

(6)由于仰拱部位同屬軟弱巖體，因而拱腳部位在集中荷載作用下產(chǎn)生下沉，從而帶動(dòng)了整個(gè)邊頂拱的下沉;

(7)仰拱拱腳以外的自由面，在圍巖壓力和邊頂拱集中荷載作用下，必然產(chǎn)生起鼓或隆起;

(8)原本已成環(huán)的Ⅰ16鋼拱架，由于沒有縱向連接，也沒有混凝土的固定和支撐，在極大的圍巖壓力作用下，相當(dāng)于一個(gè)柔性桿件而產(chǎn)生“N”字形的變形，其變形量正是整個(gè)洞室的收斂變形量。

由此不難看出，731m洞段塑性變形持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵是沒有及時(shí)封閉仰拱。

關(guān)于及時(shí)封閉仰拱的重要性，已有不少論述。錨噴支護(hù)規(guī)范指出，在塑性變形洞段施工中，“必須設(shè)置仰拱，形成全封閉環(huán)，以提高支護(hù)抗力?！保?］《公路隧道施工》一書也明確提出:“當(dāng)圍巖壓力極大，其變形速率難以收斂時(shí)，應(yīng)及時(shí)封閉仰拱。”［5］731m塑性變形洞段封閉仰拱的實(shí)踐也證明，封閉仰拱可以有效地阻止圍巖收斂變形的大幅度增長。

特別需要指出的是，采用開敞式TBM施工，具有長約30m左右的設(shè)備橋，在距離掌子面2～3倍開挖洞徑后，具備進(jìn)行仰拱封閉的條件。關(guān)鍵是施工的組織者和管理者，要對(duì)及時(shí)封閉仰拱的重要性和施工的安全性給予足夠的重視，對(duì)事后處理的難度和耗資的昂貴有一個(gè)清醒的認(rèn)識(shí)。

6.3 開敞式TBM施工隧洞的斷面尺寸設(shè)計(jì)

采用開敞式TBM施工的水工隧洞，其斷面尺寸設(shè)計(jì)的總體原則是:

(1)有壓隧洞和無壓隧洞的成洞洞徑Dc，均應(yīng)滿足使用功能要求;

(2)二次永久襯砌的型式和厚度Ty，應(yīng)考慮與初期支護(hù)和圍巖的聯(lián)合作用，保證其結(jié)構(gòu)的安全與穩(wěn)定;

(3)無壓隧洞的二次襯砌，在按減糙設(shè)計(jì)的情況下，對(duì)塑性變形洞段則應(yīng)視地質(zhì)條件確定是否按承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì);

(4)初期支護(hù)的型式和厚度Tc，應(yīng)充分考慮與圍巖的聯(lián)合作用，保證結(jié)構(gòu)在施工期的安全與穩(wěn)定;

(5)設(shè)計(jì)的開挖洞徑Dw，除應(yīng)滿足成洞洞徑、永久襯砌厚度和初期支護(hù)厚度外，尚應(yīng)預(yù)留施工期允許的隧洞周邊收斂變形量(半徑變形量);

(6)在采用固定直徑TBM掘進(jìn)的情況下，通常是以比較差的Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖作為設(shè)計(jì)的控制性斷面，并以此作為采購TBM的一項(xiàng)重要參數(shù)。

這樣，如果采用TBM掘進(jìn)的洞軸線，而不是采用設(shè)計(jì)的洞軸線作為襯砌的洞軸線(即成洞的洞軸線)［6］，

如果采用設(shè)計(jì)的洞軸線作為襯砌的洞軸線，則開挖洞徑尚應(yīng)考慮TBM蛇形掘進(jìn)的偏差量P，

關(guān)于預(yù)留允許的周邊收斂變形量的幾點(diǎn)說明:

(1)所有隧洞的施工，都會(huì)產(chǎn)生收斂變形;

(2)隧洞斷面尺寸的設(shè)計(jì)，應(yīng)預(yù)留允許的周邊收斂變形量;

(3)不設(shè)允許的周邊收斂變形量是沒有道理的;

(4)預(yù)留太大的允許周邊收斂變形量會(huì)給工程造成浪費(fèi);

(5)預(yù)留允許的周邊收斂變形量，可為塑性變形等不良地質(zhì)洞段的施工要否采取封閉仰拱等加強(qiáng)支護(hù)措施及其實(shí)施時(shí)機(jī)的決策提供依據(jù)。

6.4 關(guān)于開敞式TBM的輔助設(shè)施

國內(nèi)已建和在建采用TBM施工的隧洞工程，基本都遭遇過軟弱圍巖(軟巖、斷層破碎帶或節(jié)理裂隙密集發(fā)育等)及其它不良地質(zhì)洞段。由于洞線比較長，多在崇山峻嶺之中，詳盡的地質(zhì)勘察工作難度很大，隧洞工程施工存在著許多不可預(yù)見的因素和地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和TBM必要的輔助設(shè)施不配套，致使原設(shè)計(jì)采用TBM施工的隧洞不得不被迫改用鉆爆法施工。為此，筆者建議，采用開敞式TBM的設(shè)備采購或定貨，除必須配備錨桿鉆機(jī)、鋼拱架安裝器、自動(dòng)噴射混凝土系統(tǒng)外，尚應(yīng)適當(dāng)配備:

(1)超前勘探取芯設(shè)備，以便進(jìn)行最可靠的中期超前地質(zhì)預(yù)報(bào);

(2)超前預(yù)注漿系統(tǒng)，以便超前進(jìn)行圍巖加固;

(3)人工噴射混凝土系統(tǒng)，以便及時(shí)對(duì)軟弱圍巖進(jìn)行初期噴射混凝土支護(hù)、塌方處理乃至用噴射混凝土進(jìn)行仰拱封閉;

(4)在刀盤設(shè)置擴(kuò)孔刀，供軟弱圍巖洞段擴(kuò)挖，以增加局部預(yù)留變形量等。

其目的是:遇到各種不良地質(zhì)條件，做到有對(duì)策、有手段，保證施工人員和設(shè)備安全，保證施工的順利進(jìn)行。

7 結(jié)束語

采用開敞式TBM進(jìn)行731m塑性變形洞段施工的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是:

(1)在塑性變形洞段，采用開敞式TBM施工，相對(duì)于雙護(hù)盾TBM而言，在進(jìn)行初期支護(hù)方面，更及時(shí)、更靈活，更符合現(xiàn)代隧洞施工的新奧法設(shè)計(jì)理念。

(2)封閉仰拱可以有效地阻止圍巖塑性變形的大幅度增長。采用開敞式TBM施工，要對(duì)及時(shí)封閉仰拱的重要性給予足夠的重視。

(3)采用開敞式TBM施工隧洞的斷面尺寸設(shè)計(jì)，應(yīng)預(yù)留允許的收斂變形量，作為加強(qiáng)初期支護(hù)時(shí)機(jī)和措施決策的依據(jù)。

(4)采用開敞式TBM施工，應(yīng)適當(dāng)配備超前加固、初期支護(hù)的輔助設(shè)施，以便對(duì)各種不良地質(zhì)條件，做到有對(duì)策、有手段，保證施工安全、順利地進(jìn)行。而后處理難度大，危險(xiǎn)性高，歷時(shí)長，耗資更昂貴。

［1］中華人民共和國水利部.GB50218－94《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，1995.

［2］水利部東北勘測設(shè)計(jì)研究院.SL279－2002《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》［S］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［3］杜士斌，杜業(yè)彥.大伙房水庫輸水隧洞施工中TBM作業(yè)方案的論證與實(shí)踐［J］.水利水電技術(shù)，2007(3):47－49.

［4］冶金部建筑研究總院.GB50086－2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2001.

［5］黃成光主編.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2001:302.

［6］杜士斌，楊勝，冀紅偉.TBM施工隧洞混凝土襯砌軸線的確定［J］.水利水電技術(shù)，2008(2):36 －39.