敞開式TBM大坡度隧洞施工技術(shù)分析

韓冬冬

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

1 工程概述

西北某勘探試驗(yàn)隧洞，進(jìn)口高程約1 246 m，與主洞交點(diǎn)高程550 m，長(zhǎng)度約6 444 m，其中前500 m采用鉆爆法開挖，后5 944 m采用敞開式全斷面TBM掘進(jìn)機(jī)開挖，斷面型式為圓形，開挖直徑為8.5 m?？碧皆囼?yàn)洞縱坡11%，掘進(jìn)開挖完成后，通過回填混凝土的型式改造縱坡，改造后形成12段（305.623～605.263 m）11%的順坡，其中包括12.9%的陡坡58.111 m，3.9%的緩坡20 m，12.9%的陡坡16.626 m?？碧皆囼?yàn)隧洞的主要作用是為后期施工進(jìn)行地質(zhì)勘探試驗(yàn)，降低工程造價(jià)、縮短工期、規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，并承載臨時(shí)交通運(yùn)輸服務(wù)。

試驗(yàn)隧洞位于剝蝕丘陵區(qū)內(nèi)，海拔高程1 200～1 250 m，地形起伏不大，多為剝蝕殘丘，主要為戈壁荒漠地貌。地層巖性，洞內(nèi)揭露出的巖性有第三系泥巖、泥質(zhì)砂巖及泥盆系凝灰質(zhì)砂巖等。泥盆系凝灰質(zhì)砂巖的石英含量為5%～10%。共揭露了Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖。

本工程采用的TBM設(shè)備為MB 280硬巖敞開式掘進(jìn)機(jī)。開挖直徑8.53 m（新裝刀），支護(hù)類型：環(huán)形梁+鋼絲網(wǎng)+錨桿+噴混凝土，最小轉(zhuǎn)彎半徑500 m。

TBM主機(jī)的三個(gè)主要部件，刀盤、機(jī)頭架和大梁、支撐和推進(jìn)系統(tǒng)。其他部件包括變頻調(diào)速電機(jī)，大軸承及其密封系統(tǒng)，潤(rùn)滑及其密封系統(tǒng)，擋塵板，操作控制臺(tái)，刀盤水噴霧系統(tǒng)，渣石鏟斗和皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)，以及電氣和液壓系統(tǒng)。TBM系統(tǒng)將完成開挖巖石、地層支護(hù)并將破碎的渣石轉(zhuǎn)運(yùn)出去。

2 工程難點(diǎn)分析及對(duì)應(yīng)措施

2.1 工程特點(diǎn)

本工程具有洞線長(zhǎng)（6 243.73 m）、坡度大（坡度達(dá)-11%）、向下掘進(jìn)、高差大（695 m）、埋深大等特點(diǎn)，是目前全國(guó)坡度最大的開敞式TBM掘進(jìn)工程。隧洞開挖遇到的地質(zhì)問題主要有斷層破碎帶、涌水、硬巖和巖爆等。

2.2 工程難點(diǎn)分析

TBM改造?，F(xiàn)有的TBM施工坡度一般為0.3‰，近乎平洞施工。此次勘探試驗(yàn)洞坡度較大，達(dá)到11%下坡洞。主要影響部位有刀盤軸承系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，后配套系統(tǒng)及供水系統(tǒng)等。液壓系統(tǒng)可改造為主副油箱，增設(shè)回油泵；后配套系統(tǒng)必須增設(shè)強(qiáng)有力的剎車制動(dòng)系統(tǒng)；供水系統(tǒng)在管道上安設(shè)減壓裝置等一系列措施進(jìn)行TBM的改造。

11%下坡洞，需更換主軸承。一旦涌水量大，對(duì)TBM主軸承密封要求提高，要更換刀盤主軸承，對(duì)主軸承密封做嚴(yán)格的處理改造。

TBM組裝完成后，需經(jīng)過170 m坡度為11%的明挖段。為防止TBM從0%直接切換到11%的坡度，給設(shè)備造成損害。根據(jù)TBM設(shè)備自身及轉(zhuǎn)彎半徑（R=1 000 m）等多方面的因素考慮，擬從明渠段樁號(hào)0-218 m為起點(diǎn)，向下逐漸削坡0-98 m樁號(hào)，由0%的坡變至-11%圓曲線連接，變坡總長(zhǎng)約120 m，以達(dá)到TBM平安過度直至進(jìn)洞的目的。

洞內(nèi)運(yùn)輸是難點(diǎn)。因本工程挖深較大，坡度為11%，高差達(dá)到695 m，洞內(nèi)運(yùn)輸顯得尤為重要，主要運(yùn)輸工具為雙頭膠輪車，洞內(nèi)出渣采用皮帶機(jī)出渣。

排水。隧洞內(nèi)局部涌水量大，最大設(shè)計(jì)總涌水量為24.38 m3/h；洞底到洞口高差大。

地質(zhì)條件復(fù)雜對(duì)TBM施工構(gòu)成難點(diǎn)。本標(biāo)段隧洞開挖可能遇到的地質(zhì)問題，主要有斷層破碎帶、突涌水、硬巖和巖爆等。

2.3 工程難點(diǎn)對(duì)應(yīng)措施

根據(jù)本工程特點(diǎn)和施工中存在的困難，為保障施工的質(zhì)量、進(jìn)度及安全要求，將采取有效的工程技術(shù)措施，加強(qiáng)安全管理、質(zhì)量控制，合理組織施工，確保工程創(chuàng)優(yōu)，完成工期目標(biāo)。

2.3.1 結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)

在充分了解該工程特點(diǎn)后，結(jié)合以往的TBM工程施工經(jīng)驗(yàn)，確定了科學(xué)合理的施工方案。借鑒以往坡度分別為5.24%和9.0%的TBM向下掘進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn)，成功穿了硬巖、泥頁巖、煤層、溶洞、涌水洞段，對(duì)不良地質(zhì)段工程處理有著豐富的參考作用。

2.3.2 加強(qiáng)施工難點(diǎn)對(duì)應(yīng)措施

通風(fēng)排煙對(duì)應(yīng)措施

針對(duì)本標(biāo)段通風(fēng)距離長(zhǎng)，通風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)要求高的特點(diǎn)，借鑒國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)隧道通風(fēng)的成功經(jīng)驗(yàn)，與通風(fēng)設(shè)備廠家共同研究通風(fēng)方案，本著經(jīng)濟(jì)先進(jìn)、合理布局、優(yōu)化匹配的原則進(jìn)行通風(fēng)方案的設(shè)計(jì)。

TBM掘進(jìn)時(shí)在洞口布置一臺(tái)T4.160.2×200.4主風(fēng)機(jī)，通過直徑2 200 mm的風(fēng)筒從隧洞外部抽入新鮮空氣。在TBM尾部設(shè)置一臺(tái)風(fēng)機(jī)，為機(jī)頭送風(fēng)。

2.3.3 洞內(nèi)運(yùn)輸對(duì)應(yīng)措施

隧洞采用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)邊掘進(jìn)邊出渣。通過固定連續(xù)皮帶將石渣輸送到洞口附近卸料點(diǎn)，用裝載機(jī)裝至20t自卸汽車運(yùn)至棄渣場(chǎng)?；炷痢⒌儡?、電纜、水管、鋼拱架、鋼筋等進(jìn)洞材料采用雙頭膠輪車運(yùn)輸。

2.3.4 排水對(duì)應(yīng)措施

本標(biāo)段隧洞局部段涌水較大，但整體來說本標(biāo)段地下水涌水量較小，施工期間該地段主要采取抽排措施，原則以排為主，以堵為輔。其它圍巖透水性強(qiáng)地段，采用先堵后排，實(shí)現(xiàn)有節(jié)制排放。

排水方式，本標(biāo)段采用潛水泵從機(jī)頭直接抽排至機(jī)尾集水箱內(nèi)，而后由大功率的高揚(yáng)程離心泵直接抽排至洞外，離心泵型號(hào)D 46-50×12，揚(yáng)程800 m，流量46 m3/h。

2.3.5 復(fù)雜地質(zhì)條件的對(duì)應(yīng)措施

本標(biāo)段隧洞開挖可能遇到的地質(zhì)問題主要有：斷層破碎帶、突泥突水、巖爆等。具體對(duì)應(yīng)措施如下：

斷層破碎帶。

掘進(jìn)原則按“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的原則施工。

掘進(jìn)措施：按“早探明、預(yù)加固，少擾動(dòng)，強(qiáng)支護(hù)，勤量測(cè)，快封閉”的原則施工；加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，提前判明前方地質(zhì)情況，組織動(dòng)態(tài)施工，采取的技術(shù)措施有針對(duì)性；當(dāng)掌子面圍巖的條件差時(shí)，停止TBM掘進(jìn)，采用固結(jié)灌漿（化學(xué)灌漿）技術(shù)措施加固圍巖和堵水后，根據(jù)破碎地質(zhì)的規(guī)模、性質(zhì)，采用管棚、小導(dǎo)管等超前支護(hù)或超前注漿固結(jié)地層等措施，再進(jìn)行TBM掘進(jìn)。發(fā)生卡機(jī)時(shí)，根據(jù)不同情況采取不同技術(shù)措施分三級(jí)進(jìn)行脫困。一級(jí)采用鉆孔灌漿（可采用化灌）加固圍巖措施進(jìn)行脫困；二級(jí)開挖導(dǎo)洞脫困，分別從兩腰線部位向前、后方開挖，從兩側(cè)底部向前方開挖，從護(hù)盾上方開挖，釋放應(yīng)力進(jìn)行脫困；三級(jí)從TBM側(cè)頂圍巖進(jìn)行大斷面開挖進(jìn)行脫困。

涌水、涌泥。

在可能發(fā)生涌水、涌泥的洞段，按“早探明、預(yù)注漿、快封閉，先探后掘，堵排結(jié)合，節(jié)制排放，”的原則進(jìn)行施工；在可能發(fā)生涌水、涌泥的洞段，配備有經(jīng)驗(yàn)的地質(zhì)工程師跟班判斷再加以超前探測(cè)的方法，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)前方地質(zhì)情況。如遇大水或涌泥，首先封閉刀盤入孔，采取必要措施實(shí)現(xiàn)水和泥的有節(jié)制排出。

巖爆。

首先對(duì)可能發(fā)生巖爆的洞段進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

防治措施：改善圍巖應(yīng)力，采用超前預(yù)報(bào)鉆探釋放應(yīng)力或超前鉆孔中進(jìn)行松動(dòng)爆破釋放應(yīng)力；對(duì)工作面附近隧道巖壁噴水或鉆孔注水來消除或減緩巖爆程度。加強(qiáng)鋼拱架、鋼筋排等支護(hù)處理措施。

本工程在樁號(hào)4+922—4+927段，圍巖為Ⅲ類。巖性為石炭系凝灰質(zhì)砂巖，顏色呈青灰色，洞壁干燥，掘進(jìn)完成后洞壁光滑完整。節(jié)理較發(fā)育，但多為閉合狀，石英充填。此段埋深580 m，地應(yīng)力較大。發(fā)生了輕微巖爆現(xiàn)象，巖爆造成巖體呈片狀脫落，并發(fā)出鞭炮聲持續(xù)9個(gè)多小時(shí)，頂拱呈現(xiàn)5 m×4 m×0.5 m錐形塌方區(qū)。采用上述防護(hù)措施進(jìn)行處理。

2.4 出渣

本工程采用皮帶機(jī)連續(xù)出渣。出渣皮帶機(jī)共分為4段：主機(jī)皮帶機(jī)、橋架皮帶機(jī)、后配套皮帶機(jī)、連續(xù)皮帶機(jī)。開挖的巖渣，利用連續(xù)皮帶機(jī)運(yùn)出洞外后，自卸汽車運(yùn)至棄渣場(chǎng)。當(dāng)開挖到3+200 m后，由于坡度大，距離長(zhǎng)，連續(xù)皮帶張力不斷變大。

皮帶的硫化。一條6.4km連續(xù)皮帶出渣，掘進(jìn)300m硫化一次皮帶。皮帶接頭硫化步驟：30°角切割皮帶；剝離鋼絲、清洗打磨；安裝硫化機(jī)下機(jī)架；鋪設(shè)下膠板、鋼絲繩、刷膠；鋼絲繩間隙膠條填充；刷膠貼上膠板、壓實(shí)；排除皮帶夾層的空氣，安裝硫化機(jī)上機(jī)架；加壓、加溫、保溫；降溫、拆硫化機(jī)架、張緊皮帶。硫化2個(gè)皮帶接頭，最快需要用12 h。

超出皮帶承載極限，皮帶內(nèi)局部鋼絲斷開；皮帶被拉斷；皮帶驅(qū)動(dòng)大托輥也有變形、裂口的現(xiàn)象；皮帶跑偏，需要對(duì)連續(xù)皮帶進(jìn)行改造。本工程采取的措施是，在3+100 m處加一套連續(xù)皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，即接力驅(qū)動(dòng)，減輕皮帶拉力；隔段安裝皮帶抓捕器；安裝皮帶跑偏矯正器；更換新的皮帶小托輥，按時(shí)檢修等措施。保證到6+444 m時(shí)完成連續(xù)皮帶出渣運(yùn)輸任務(wù)。

2.5 TBM操作注意事項(xiàng)

注意掘進(jìn)測(cè)控方向的控制與調(diào)整。掘進(jìn)過程中，要密切注意數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供的信息，軸線的水平允許偏差±40 mm，垂直允許偏差±60 mm，發(fā)現(xiàn)異常情況，及時(shí)采取措施，以保障施工的正常進(jìn)行。

3 不同圍巖的支護(hù)型式

3.1 Ⅱ類圍巖支護(hù)型式

頂拱180°噴護(hù)C 25高抗硫混凝土厚5 cm。直徑25 mm隨機(jī)砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)L為2.25 m，裂隙大的部位采用HW 150型鋼拱架支護(hù)，鋼拱架用直徑25 mm鎖腳錨桿三點(diǎn)式鎖緊（每點(diǎn)2根，每根長(zhǎng)1.5 m），兩鋼拱架之間采用直徑20 mm聯(lián)系鋼筋連接間距1 m。圍巖破碎坍塌處調(diào)整為10號(hào)槽鋼連接，或直徑22 mm隨機(jī)鋼筋排連接，有拱架部位噴護(hù)C 25混凝土16 cm厚。

3.2 Ⅲ類圍巖支護(hù)型式

頂拱180°噴護(hù)C 25高抗硫混凝土，厚10 cm。直徑25 mm隨機(jī)砂漿錨桿，錨桿長(zhǎng)L為2.25 m，隨機(jī)掛設(shè)直徑8 mm鋼筋網(wǎng)片；局部裂隙密集，裂隙大的部位采用HW 150型鋼拱架支護(hù)，鋼拱架用直徑25 mm鎖腳錨桿三點(diǎn)式鎖緊（每點(diǎn)2根，每根長(zhǎng)1.5m），兩鋼拱架之間，采用直徑20 mm聯(lián)系鋼筋連接，間距1 m；圍巖破碎坍塌處調(diào)整為10號(hào)槽鋼連接，或直徑22 mm隨機(jī)鋼筋排連接。有拱架部位噴護(hù)C 25混凝土16 cm厚。

3.3 Ⅳ類圍巖支護(hù)型式

隨機(jī)采用HW 150型鋼拱架支護(hù)，鋼拱架用直徑25 mm鎖腳錨桿三點(diǎn)式鎖緊（每點(diǎn)2根，每根長(zhǎng)1.5 m），隨機(jī)直徑22 mm鋼筋排，兩鋼拱架之間采用直徑20 mm聯(lián)系鋼筋連接，鋼拱架間距1 m，頂拱220°直徑25 mm隨機(jī)砂漿錨桿長(zhǎng)為3 m，頂拱220°隨機(jī)掛設(shè)直徑8 mm鋼筋網(wǎng)片,頂拱290°噴護(hù)C 25高抗硫混凝土厚16 cm，圍巖破碎坍塌處調(diào)整為10號(hào)槽鋼連接。

3.4 Ⅴ類圍巖支護(hù)型式

采用HW 150型鋼拱架支護(hù)，間距1 m。鋼拱架用直徑25 mm鎖腳錨桿三點(diǎn)式鎖緊（每點(diǎn)2根，每根長(zhǎng)1.5 m），隨機(jī)直徑22 mm鋼筋排連接，兩鋼拱架之間增設(shè)10號(hào)槽鋼聯(lián)系，連接間距1 m；頂拱240°直徑25 mm自進(jìn)式系統(tǒng)錨桿,錨桿長(zhǎng)L為3 m，梅花型布置，頂拱220°掛設(shè)直徑8 mm鋼筋網(wǎng)片，頂拱290°噴護(hù)C 25高抗硫混凝土厚20 cm。

綜上所述，支護(hù)型式要根據(jù)圍巖類別、地質(zhì)情況、安全、穩(wěn)固、經(jīng)濟(jì)等綜合考慮，目的在于更好地服務(wù)于工程建設(shè)，保證工程質(zhì)量。

4 結(jié)語

TBM掘進(jìn)機(jī)硬件的中國(guó)制造，軟件操作系統(tǒng)的獨(dú)立研發(fā)，已經(jīng)是百花齊放。TBM掘進(jìn)機(jī)是長(zhǎng)隧洞、地鐵開挖工程的主要力量，本工程采用開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)，通過568 d緊張有序的施工，最終攻堅(jiān)克難順利貫通。揭露有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，創(chuàng)造了Ⅲ類圍巖最大日進(jìn)尺43 m，最大月進(jìn)尺670.5 m的成績(jī)。

隨著我國(guó)隧洞工程建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地質(zhì)復(fù)雜、大埋深、巖爆、軟弱圍巖、涌水等不良地質(zhì)的隧洞越來越多，在安全、質(zhì)量、工期、成本等方面，TBM技術(shù)仍存在很大風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)家應(yīng)盡快出臺(tái)TBM規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)規(guī)范施工，樹立中國(guó)TBM的世界品牌地位。