喜馬拉雅山區(qū)域深埋軟硬互層地質(zhì)條件下敞開式TBM施工方法研究

張照太， 豐光亮， 陳 竹， 陳炳瑞， 李衛(wèi)兵， 游 勝

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喜馬拉雅山區(qū)域深埋軟硬互層地質(zhì)條件下敞開式TBM施工方法研究

張照太1， 豐光亮2,*， 陳 竹1， 陳炳瑞2， 李衛(wèi)兵1， 游 勝1

(1. 北京振沖工程股份有限公司， 北京 100102；2. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

針對敞開式TBM在深埋軟硬互層圍巖地質(zhì)條件下遇到的技術(shù)難題，以喜馬拉雅山區(qū)域某深埋水工隧洞為背景，分析了深埋軟硬互層圍巖地質(zhì)條件下軟巖對TBM掘進的影響及表現(xiàn)特征，提出了針對性的解決措施并成功實踐。研究發(fā)現(xiàn)： 由于巖層軟硬相間變化頻繁，造成軟巖災(zāi)害在空間上隨機分布； 在大埋深高地應(yīng)力洞段，軟巖地層一般具有遇水崩解軟化效應(yīng)顯著、變形快、“泥裹刀”現(xiàn)象嚴重、向外鼓脹崩解、難以出渣及塌方頻發(fā)的特點，嚴重制約TBM快速掘進。通過實例分析總結(jié)了軟硬互層圍巖地質(zhì)條件下順利通過軟巖的施工方法，采取分區(qū)段動態(tài)調(diào)整施工對策以適應(yīng)深埋軟硬互層復(fù)雜地質(zhì)條件，可為國內(nèi)外類似工程提供借鑒。

深埋水工隧洞； TBM； 軟硬互層； 軟巖大變形

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展和國家建設(shè)的需要，國內(nèi)深埋長大隧道工程建設(shè)日新月異，隧道的長度顯著增加，埋深也越來越大。世界各國已經(jīng)在交通運輸、水利水電及城市排污等領(lǐng)域建成超200條長度接近或超過10 km的長大隧道[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計，從2001—2020年，中國將完成近6 000 km的隧道開挖，年平均開挖長度300 km，其中包含大量大埋深長隧洞。例如，南水北調(diào)一期工程輸水線中隧洞長244.1 km，最大埋深1 150 m；錦屏二級水電站7條平行的引水隧洞、輔助洞和排水洞隧洞群，平均長度16.7 km，最大埋深2 525 m[2]。

在隧道工程建設(shè)過程中，隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)快速施工已成為主要發(fā)展方向[3-4]。TBM掘進技術(shù)自20世紀50年代中期實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)以來，日益受到重視，已廣泛應(yīng)用于各國能源、交通、城建、國防等領(lǐng)域地下工程建設(shè)，尤其在一些發(fā)達國家，不少施工企業(yè)明文規(guī)定，對于3 km以上的隧道，必須使用TBM掘進[5-6]。目前，采用TBM施工的隧道工程越來越多，并且埋深越來越大。隨著隧道深度的增加，巖體所賦存的地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜，在施工中所面臨的問題也越來越多，已嚴重影響到TBM快速施工。

王夢恕[7]論述了TBM在鐵路隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術(shù)，并分析了施工過程中遇到的多重技術(shù)難點和關(guān)鍵技術(shù)。西安—南京鐵路磨溝嶺隧道軟弱圍巖占全隧70%以上，由于所使用的硬巖掘進機自身結(jié)構(gòu)對軟弱圍巖不適應(yīng)，一度嚴重制約施工進度[8]。在TBM施工隧道中，不乏軟巖地質(zhì)條件下掘進的案例及經(jīng)驗，但在更為復(fù)雜的軟硬互層巖體中掘進的情況并不多見。如何有效解決復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖對TBM快速施工帶來的影響，保障TBM的快速掘進，是拓展TBM應(yīng)用領(lǐng)域及實現(xiàn)地下空間高速開發(fā)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文以喜馬拉雅山區(qū)域某深埋水工隧洞為背景，基于對長達6 km的TBM掘進全過程的研究，分析了深埋軟硬互層圍巖地質(zhì)條件下軟巖對TBM掘進的影響及表現(xiàn)特征，提出針對性的解決措施并成功實踐，從而保障該TBM隧洞順利快速掘進。

1 工程簡介

1.1 工程概況

該工程地處我國西南鄰國，位于喜馬拉雅山脈西北部，屬中高山山地類型。山谷河流海拔為580～1 000 m，周圍山體高出谷底約1 500 m。該隧洞為引水發(fā)電工程，其中TBM施工段為2條平行引水洞，中心距33 m，坡度平均為0.078 5%，最大埋深約1 900 m，如圖1所示。隧洞單洞全長28.6 km，單洞TBM計劃掘進長度為11.5 km。隧洞支護設(shè)計采用“TH梁+錨桿+網(wǎng)片”，同時全斷面噴射混凝土，厚150～300 mm，為永久襯砌。TBM開挖直徑為8.53 m，具有0.1 m的直徑擴挖功能，每循環(huán)掘進長度1.8 m，配置錨桿鉆機、超前鉆機和噴射混凝土等支護設(shè)備。

圖1 TBM施工洞段埋深分布示意

1.2 工程地質(zhì)條件

施工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層帶及褶皺較多，屬地震多發(fā)帶，地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。地層曾受強烈擠壓，褶皺一般呈緊閉，多次被錯斷擠碎，局部呈敞開式寬闊褶曲。一連串懸崖陡坡發(fā)育，在陡立的山脊和河谷處巖體已風化。

TBM施工隧洞地層由砂巖和頁巖(泥巖)組成，呈互層狀，沿開挖洞軸線變化頻繁，如圖2所示。隧洞兩側(cè)圍巖巖性通常不一致，呈軟硬不均。砂巖主要分為2類： Ⅰ類砂巖堅硬、新鮮，膠結(jié)良好，石英含量為29%；Ⅱ類砂巖屬于Ⅰ類砂巖和軟弱頁巖(泥巖)之間的過渡巖類，石英含量為23%。Ⅱ類砂巖硬度級別為中等堅硬—硬，大多與頁巖(泥巖)混雜。Ⅰ類砂巖和Ⅱ類砂巖的單軸抗壓強度分別為150 MPa和70 MPa，而頁巖(泥巖)的單軸抗壓強度小于15 MPa。頁巖(泥巖)的石英含量為11%。砂巖、頁巖(泥巖)中節(jié)理發(fā)育，常見有4～5組節(jié)理和少量隨機節(jié)理。大節(jié)理面?？梢姴梁?，并充填有方解石或黏土。此外，軟弱帶和斷層也十分發(fā)育，部分順層發(fā)育的剪切帶厚度較大，為2～20 m。

如上所述，TBM施工洞段所處地質(zhì)條件復(fù)雜，平均埋深達1 000 m，最大埋深約1 900 m。巖層軟硬相間，沿開挖洞軸線巖性變化頻繁，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，小規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造頻繁。

(b) 隧洞內(nèi)巖性互層

2 隧洞軟巖段地質(zhì)特征及TBM施工策略

2.1 隧洞軟巖段地質(zhì)特征及其對TBM施工的影響

1)巖層軟硬相間，受硬巖的擠壓作用，軟巖收斂變形明顯且速度快，見圖3。這種現(xiàn)象沿隧洞軸向方向隨機分布，非區(qū)域性集中，往往在幾m范圍內(nèi)巖性便發(fā)生改變?；陧斪o盾壓力和現(xiàn)場觀測分析，發(fā)現(xiàn)軟巖收斂變形具有如下特征： 一般在開挖后10～24 h會發(fā)生大的收斂變形，變形量為6～10 cm，變形最明顯區(qū)域為護盾上方和L1區(qū)域的3 m范圍內(nèi)。軟巖的收斂變形將會造成頂護盾壓力增加，停機8 h后一般會增加10～15 MPa。對于軟巖收斂變形較快區(qū)域，存在護盾被卡的潛在風險。較大的收斂變形造成隧洞實際洞徑縮小，TBM后部設(shè)備有可能無法通過，將極大地影響TBM的正常推進。

(a) 軟巖擠壓變形

(b) 軟巖變形凸起

Fig. 3 Squeezing deformation of soft rock in soft and hard rock alternant strata

2)軟巖遇水變形快，且易崩解軟化，見圖4。

圖4 軟巖遇水變形

3)軟巖多含有黏性較強的物質(zhì)，遇水很容易產(chǎn)生“泥裹刀”現(xiàn)象，造成刀盤扭矩增大，堵塞刀盤難以出渣。

4)在已掘進的洞段，隧洞腰部及以下軟巖吸水后松散軟化并向外鼓脹崩解(見圖5)，造成撐靴無法正常就位以及撐緊力不足。

圖5 隧洞下部外鼓(約20 cm)

Fig. 5 Expansion of rock mass at bottom of tunnel (about 20 cm)

5)圍巖變化交界面易塌方，特別是粉砂巖中夾泥段，極易在夾泥層產(chǎn)生大的塊體塌方，見圖6。

(a) 軟巖處掉塊

(b) 軟巖處塌方

6)由于巖石結(jié)構(gòu)面較多且?guī)r層交互變化頻繁，當遇到軟巖時，受巖體自身重力及TBM掘進擾動影響，軟巖易松脫，造成刀盤前部出現(xiàn)塌腔，其深度一般為1～2 m。該種情況下，刀盤刀具不斷破碎由于塌方掉下的塊體，而無法切削到原位巖體，造成TBM掘進過程中刀盤耐磨板和鏟斗易被磨損。在長達6 km的掘進過程中共進行了3次刀盤耐磨板和斗齒焊接，每次檢修停機時間達10～15 d，嚴重影響了施工進度。

7)約50%洞段出現(xiàn)一側(cè)是砂巖而另一側(cè)是軟巖的情況，造成TBM掘進過程中刀盤兩側(cè)受力嚴重不均，進一步影響刀盤壽命、增加施工困難并影響施工進度。

2.2 軟巖危害處理措施及施工策略

針對上述影響TBM快速掘進的主要問題，基于該工程長達6 km掘進經(jīng)驗與實例分析，總結(jié)了軟巖危害處理措施及快速施工策略，從而保障TBM順利掘進。

1)針對軟巖收斂變形較快區(qū)域，為避免護盾內(nèi)油缸壓力過大造成油缸破壞，且防止大變形造成TBM卡機，首先提出實施TBM不停機、連續(xù)低速率和低貫入度掘進的開挖策略，降低對圍巖擾動的同時防止TBM從靜態(tài)啟動時被卡；其次采取強支護和及時噴射混凝土封閉圍巖的聯(lián)合措施，必要時進行化學(xué)灌漿固結(jié)松散巖體，而具體支護措施的選擇需根據(jù)實際情況而定。針對收斂變形較大造成TBM后部設(shè)備無法通過的問題，根據(jù)軟巖收斂變形的特征及范圍，在軟巖洞段為TBM安裝0.1 m擴挖刀具，增大實際開挖洞徑。若仍無法避免刀盤被卡，則及時采取導(dǎo)洞處理措施，釋放洞周壓力，使TBM脫離被卡，隨后再次實施上述一系列措施直至TBM順利穿過軟巖風險區(qū)。

2)針對軟巖洞段掉塊塌方的問題，及時清理松散巖體，噴射混凝土封閉圍巖，必要時進行化學(xué)灌漿固結(jié)松散巖體；同時采取低掘進速率的開挖策略，降低對圍巖的擾動。

3)針對隧洞腰部泥巖吸水后易松散軟化、向外鼓脹崩解，造成撐靴難以正常就位、支撐強度不足的問題，采取及時封閉圍巖的措施。必要時在撐靴就位處增加方木，盡量增加受壓面積，保證支撐壓力以滿足掘進要求。

4)針對粉砂巖中夾泥段等易產(chǎn)生大塊體塌方的問題，減少在掌子面噴水，防止泥層軟化崩解；同時及時噴射混凝土封閉圍巖，必要時進行化學(xué)灌漿處理，固結(jié)松散巖體，然后再進行錨網(wǎng)拱支護。

5)基于TST、超前探孔、微震監(jiān)測技術(shù)[9-11]及出渣特征統(tǒng)計等多維信息，進行超前地質(zhì)預(yù)報，預(yù)判前方開挖巖體性質(zhì)，提前做好上述相關(guān)措施的準備工作。在第一時間采取對應(yīng)措施，最大化優(yōu)化施工策略，分區(qū)段動態(tài)調(diào)整施工對策以適應(yīng)深埋軟硬互層復(fù)雜地質(zhì)條件。根據(jù)TST探明圍巖波速和完整性，結(jié)合超前鉆孔的出渣情況以及微震監(jiān)測結(jié)果，探明TBM刀盤前方圍巖基本性質(zhì)，如軟巖段的位置、長度、分布特征等，從而能夠針對性地采取處理措施和施工策略。某洞段典型TST地震波偏移圖像、波速分布圖以及超前鉆孔示意圖見圖7—9。

圖7 TST地震波偏移圖像

圖8 TST波速分布圖

圖9 超前鉆孔示意圖

2.3 軟巖TBM施工處理實例分析

2.3.1 軟巖災(zāi)害事故描述

2013年9月25日，TBM掘進出露的渣石呈泥土狀，見圖10。1 d后在TBM護盾頂部上方產(chǎn)生1個大塌腔，約3 m×3 m×2 m(長×寬×高)。9月28日，部分塌腔出露(見圖11)，并出現(xiàn)滲水現(xiàn)象(見圖12)，石渣不斷塌落。10月1日，大量大塊體出現(xiàn)塌落，將護盾位置塌腔堵住，松散石渣不斷從大塊體之間的縫隙流出。10月2日，刀盤被卡。

圖10 泥土狀石渣

圖11 護盾上出露的塌腔

圖12 塌腔進一步擴大并伴有滲水

2.3.2 處理措施

經(jīng)過不斷地嘗試以及大量的現(xiàn)場試驗工作，主要采取以下措施使得TBM順利通過該軟巖段。

1)導(dǎo)洞處理措施。刀盤被卡后，及時采取導(dǎo)洞處理措施。在刀盤頂部人工開挖一定尺寸的導(dǎo)洞，釋放洞周壓力，減緩刀盤頂部約束，同時進行強支護，如圖13和圖14所示。導(dǎo)洞開挖過程中流態(tài)石渣仍不斷涌出(見圖15)，可見該洞段的地質(zhì)條件非常惡劣。通過開挖導(dǎo)洞，刀盤正常運轉(zhuǎn)。

圖13 人工開挖導(dǎo)洞

圖14 導(dǎo)洞內(nèi)強支護

圖15 導(dǎo)洞開挖過程中涌出的流態(tài)石渣

2)優(yōu)化開挖措施。TBM正常運轉(zhuǎn)后，實施TBM不停機、連續(xù)低速率(2～2.5 r/min)和低貫入度(7～8 mm/r)掘進的開挖策略，降低對圍巖的擾動，同時防止TBM從靜態(tài)啟動時被卡。此外，在開挖時封堵部分刀盤出渣鏟斗，避免大體積泥石流或者石渣流出。

3)優(yōu)化支護措施。對刀盤前方和導(dǎo)洞四周松散巖體進行化學(xué)灌漿堵水以及水泥灌漿固結(jié)松散巖體。刀盤轉(zhuǎn)動后，在護盾上方鋪設(shè)隔離層，用混凝土回填導(dǎo)洞，形成混凝土拱，進一步防止垮塌。由于刀盤頂部巖體松散，不斷有松散巖體從護盾上方流下，為防止頂部失穩(wěn)而造成更大的塌方，避免再次卡機，采取小導(dǎo)管化學(xué)灌漿固結(jié)松散體，并進行純水泥灌漿。此外，在頂部護盾區(qū)利用人工并排打進直徑48 mm、長2～3 m的鋼管，呈管棚狀；同時將拱架間距加密至50～60 cm，抵擋頂部散落塌方體。對于大的塌方體，則及時采取人工手噴形式初噴混凝土穩(wěn)定圍巖，并在拱架背后插入3 cm厚鋼板，然后采用鋼纖維混凝土回填塌腔，如圖16—18所示。

圖17 頂部施工管棚

圖18 拱架背后插板施工

該工程TBM掘進隧洞所處地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層軟硬相間，開挖過程中軟巖問題頻發(fā)。基于上述策略及施工經(jīng)驗，軟巖中所遇到的問題均得到有效解決。目前該TBM隧洞正按計劃順利施工，日最佳進尺超過30 m，且未再出現(xiàn)較大的軟巖事故，有效保障了施工進度。

3 結(jié)論與討論

以喜馬拉雅山區(qū)域某深埋水工隧洞為背景，針對敞開式TBM在深埋軟硬互層復(fù)雜地質(zhì)條件下軟巖地段施工所遇到的多重技術(shù)難題，并基于長達6 km TBM掘進全過程研究，得出以下結(jié)論。

1)軟巖段帶來多重施工問題，嚴重制約TBM快速掘進，表現(xiàn)為軟巖遇水崩解軟化效應(yīng)顯著、變形快、“泥裹刀”現(xiàn)象嚴重、難以出渣、外鼓崩解塌方頻發(fā)等。由于巖層軟硬相間變化頻繁，使得軟巖災(zāi)害在空間上隨機分布，施工參數(shù)難以及時準確進行適應(yīng)性調(diào)整。

2)針對軟硬互層條件下軟巖段存在的多重施工問題，分區(qū)段動態(tài)調(diào)整施工對策以適應(yīng)深埋軟硬互層復(fù)雜地質(zhì)條件，具體包括實施TBM不停機、連續(xù)低速率和低貫入度掘進，采取增設(shè)管棚、加密拱架等支護措施，及時混凝土封閉，減少掌子面噴水，開挖導(dǎo)洞等一系列聯(lián)合措施。

工程實踐表明，該施工方法保障了軟巖地質(zhì)條件下TBM快速掘進，在確保安全施工的前提下顯著提高了掘進效率，可為國內(nèi)外類似工程提供借鑒。值得說明的是，工程中并非所有軟巖段的特征均完全一致，在實際施工過程中，應(yīng)根據(jù)探測或出露的軟巖位置及規(guī)模等具體特征及前期經(jīng)驗，選擇性地采取有關(guān)措施。軟硬互層的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，只有加強多方面監(jiān)測手段及數(shù)據(jù)分析，盡可能準確識別開挖面前方軟硬巖層的位置及規(guī)模，才能及時準確調(diào)整施工及支護策略，這應(yīng)是在后續(xù)工作中進一步研究的重點。

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Research on Construction Technologies for Open TBM in Deep-buriedSoft and Hard Alternant Strata in Himalayas

ZHANG Zhaotai1， FENG Guangliang2,*， CHEN Zhu1， CHEN Bingrui2， LI Weibing1， YOU Sheng1

(1.BeijingVibroflotationEngineeringCo.,Ltd.,Beijing100102,China;2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071,Hubei,China)

The influence of soft layer on TBM boring in deep-buried soft and hard alternant strata and its characteristics are studied by taking a deep-buried tunnel in Himalayas for example. Some effective construction countermeasures are put forward and put into practice successfully. The results show that: 1) The distribution of soft rock disasters is random in space due to that the hard and soft layers alternate frequently. 2) In deep-buried tunnels with high ground stress, the TBM tunneling progress is restricted to the soft layer with the characteristics of water softening significantly, great deformation speed, serious mud muffled of cutters, expansion, hard be mucked and collapses frequently. The construction methods for TBM tunneling through soft and hard alternant strata are summarized; and sectioned dynamic construction countermeasures are adopted. The results can provide guidance for similar projects in China and abroad in the future.

deep-buried water diversion tunnel; TBM; soft and hard alternant strata; soft rock large deformation

2016-07-08;

2016-11-04

中國科協(xié)青年人才托舉工程(2015QNRC001)； 國家自然科學(xué)基金資助項目(41272347)

張照太(1979—)，男，河北保定人，2006年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)，巖土工程專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事巖石力學(xué)試驗研究方面的工作。E-mail： 644903983@qq.com。*通訊作者： 豐光亮， E-mail： glfeng@whrsm.ac.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.014

U 455.43

B

1672-741X(2017)03-0348-06