TBM綜合支護系統(tǒng)在中部引黃引水隧洞不良地質(zhì)段的應(yīng)用

馬 浩

（中鐵十八局集團軌道交通工程有限公司，天津 300222）

1 工程概況

中部引黃工程包括樞紐取水工程和輸水工程。輸水工程包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水?？偢删€包括4條隧洞，其中：1#隧洞長15.16km，2#隧洞長29.02km，3#隧洞長119.23km，4#隧洞長34.29km，其中3#隧洞總77+040.9～總118+395.8段長41.355km，采用TBM施工?？偢蒚BM施工段采用兩臺雙護盾TBM分別自上下游對向掘進，總干3#隧洞樁號為總45+368.3～總164+601.9，全長119.23km，縱坡1/2500～1/3000，進口洞底高程997.73m，出口洞底高程966.0m。設(shè)計流量臨縣分水口前（樁號總45+368.3～總115+188.6段）為21.17m3/s，分水口后（總115+188.6～總164+601.9段）為18.69m3/s。本文重點對水電站TBM施工過程中引水隧洞圍巖支護措施進行探討。

2 TBM施工條件下圍巖支護特點以及支護方案

與鉆爆法開挖施工存在一定的差異，TBM隧道施工有一定的特殊性，現(xiàn)對兩種隧道開挖方式做如下介紹。鉆爆法開挖方式較為簡單，可操作性強，而且在開挖時必須確保隧洞工程掌子面處于臨空狀態(tài)，施工中可結(jié)合現(xiàn)場情況選取最佳的超前預(yù)報方案，保障施工階段的順利實施［1］。TBM法在開挖時掌子面是不能看見的，由于地質(zhì)編錄不能在短時間完成，施工人員如需進行超前鉆孔作業(yè)，需中止相關(guān)設(shè)備的運行，這樣必然會對正常的施工造成不同程度的影響，施工人員技術(shù)水平的高低對施工能否順利實施起到了至關(guān)重要的作用。在超前支護形式中鉆爆法較為單一，主要采取的是短超前管棚超前支護形式，而TBM法方式較為多樣化，比如超前注漿、超前錨桿等。

TBM法在施工中對隧道圍巖的影響程度較低，錨桿支護長度比鉆爆法要小得多。鉆爆法開挖掌子面開闊，采取的支護方式較為多樣，針對不同類型的圍巖所采取的支護方式也是不盡相同的，比如Ⅴ類和部分Ⅳ類圍巖通常采取的是鋼拱架進行支撐，但這種支護方式也存在一定弊端，一方面需耗費大量的資金，另一方面穩(wěn)定性較差，起不到加固圍巖的效果。

在巖爆支護設(shè)計中，鉆爆法與TBM施工方式也有不同之處，主要表現(xiàn)在及時性方面。若采取鉆爆法只能起到短期、隨機支護的效果，錨桿支護長度可根據(jù)需要及時調(diào)整，不受相關(guān)因素的影響。而TBM可結(jié)合現(xiàn)場情況采取永久支護與臨時支護相結(jié)合的支護效果，但美中不足的TBM支護錨桿長度受到了一定的制約。TBM全斷面掘進時，在掌子面后的5m范圍屬于護盾占據(jù)的區(qū)域，由于該區(qū)域的特殊性，在實際施工該區(qū)域是一個盲區(qū)，很難找到一個最佳的方式對圍巖進行防護，這也使得該區(qū)域圍巖的穩(wěn)定性較差，如遇到巖爆現(xiàn)象時，會對TBM設(shè)備造成一定的損傷，影響設(shè)備的正常運行，給施工的正常實施造成重重阻礙。因此在采取TBM法施工中，在巖爆傾向不明顯的洞段區(qū)域，TBM機械設(shè)備的正常運行可有效避免巖爆等危險現(xiàn)象的發(fā)生。而對有強烈?guī)r爆的洞段掘進時，施工單位應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況適當(dāng)調(diào)整施工方案，采取鉆爆法導(dǎo)洞與TBM主洞方式相結(jié)合的方式進行掘進，將兩種方式的優(yōu)勢進行互補，保障施工的順利實施。由于TBM設(shè)備的特殊性，在對巖爆強烈的洞段進行掘進時可采取如下支護方式：（1）對巖爆傾向強烈的圍巖地段可采取鉆爆法導(dǎo)洞與TBM主洞掘進相結(jié)合的方式進行施工；對巖爆傾向輕微的洞段，可直接采取TBM全斷面掘進的方式進行施工。（2）在施工中，如果發(fā)現(xiàn)圍巖從TBM護盾中裸露出來，應(yīng)在第一時間采取有效的措施對圍巖進行支護，并在頂拱一定范圍內(nèi)噴射高強度的鋼纖維混凝土，進行加固處理，所采取的支護均應(yīng)在TBM臺車的L1區(qū)內(nèi)完成。（3）在TBM臺車L2區(qū)內(nèi)應(yīng)完成掛鋼筋網(wǎng)、復(fù)噴混凝土等工作。

對巖爆發(fā)生頻率較高的圍巖地段，施工人員應(yīng)根據(jù)需要增加錨桿的數(shù)量，按照錨桿數(shù)量合理進行掛網(wǎng)，不僅可起到加固圍巖的效果，而且也能使圍巖各部位受力均勻。噴射混凝土也是一種支護方式，高強度的混凝土能夠提高圍巖的強度，在實際施工中，應(yīng)采取科學(xué)的施工方式，合理進行布置，以增強巖體的穩(wěn)定性，最大限度避免巖爆等不安全事故的發(fā)生［2］。

3 隧洞施工支護工程施工

3.1 支護流程

隧道初期支護中應(yīng)遵循一定的施工流程，這樣才能提高施工效果，保障工程的順利竣工。支護流程如下：首先應(yīng)做好施工前的各項準(zhǔn)備工作，將存在危險的圍巖部位進行開挖并將內(nèi)部的雜物進行徹底清理，做好通風(fēng)排煙工作；其次初噴砼，并打超前錨桿；再次立鋼拱架并將鋼筋網(wǎng)掛在固定的區(qū)域；最后噴射混凝土，提高圍巖強度。初期支護施工流程如圖1所示。

3.2 錨桿施工

3.2.1 錨桿鉆孔

錨桿施工與開挖鉆爆工作應(yīng)該同時進行，錨桿鉆孔應(yīng)使用風(fēng)鉆機進行鉆孔，將孔內(nèi)的雜物徹底清除后再進行注漿，使用型號為JZB-35注漿泵進行注漿作業(yè)，流程如圖2所示。

圖2 砂漿錨桿施工工藝圖

錨桿長度不同所采用的鉆孔方式也是不盡相同的，如果錨桿長度小于5m，可直接采取手風(fēng)鉆進行鉆孔作業(yè)，若錨桿長度在5m以上時，需借助錨桿鉆機進行鉆孔。施工技術(shù)如下所示：

（1）施工人員在進行錨桿鉆孔作業(yè)時鉆孔位置的確定至關(guān)重要，嚴(yán)格按照施工圖紙的要求進行確定，要確?？孜黄羁刂圃?00mm以內(nèi)。

（2）一般而言，錨桿孔的孔軸方向應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計圖紙的要求確定。倘若施工圖紙中未明確說明錨桿孔的孔軸方向時，錨桿的孔軸方向應(yīng)與開挖面相互垂直，如需對錨桿周邊進行加固處理，則錨桿的孔軸方向要與滑動面保持一定的夾角，而且與滑動面的運動傾向相反。

（3）實際施工過程中，首先應(yīng)進行注漿作業(yè)，待達到相關(guān)要求后再安裝錨桿，要注意的是注漿錨桿的鉆孔孔徑不小于錨桿直徑，鉆頭直徑應(yīng)大于錨桿直徑15mm。如果施工中采取的是先安裝錨桿再進行注漿這種方式的話，則鉆頭直徑要比錨桿直徑大25mm以上。

（4）孔徑深度也應(yīng)滿足施工圖紙的相關(guān)要求，將誤差控制在50mm以內(nèi)。3.2.2 錨桿注漿施工

錨桿注漿施工技術(shù)要點如下：

（1）錨桿注漿機中的漿液應(yīng)嚴(yán)格按照一定的配比進行配制，通過試驗測定，此次施工中水泥與砂的比例應(yīng)控制在1∶1～1∶2范圍內(nèi)，水泥與水的比例則控制在1∶0.38～1∶0.45。

（2）錨桿注漿工作完成后，要確保砂漿完全凝固后再拉拔錨桿。

3.3 噴射混凝土施工

3.3.1 噴射混凝土前的準(zhǔn)備工作

噴射混凝土的方式有2種：一是干噴法；二是濕噴法。施工中為了減少回彈量，主要采取的是濕噴法，這樣可有效降低粉塵濃度。噴射混凝土的骨料級配應(yīng)滿足一定的要求，可參照表1進行配制。濕噴混凝土施工流程如圖3所示。

在混凝土噴射施工前，施工主辦方應(yīng)指派專人對噴射面進行全面檢查，確保滿足噴射相關(guān)要求。與此同時，還應(yīng)做好噴射前的相關(guān)準(zhǔn)備工作：

（1）將噴射面的雜物徹底清除后，使用高壓風(fēng)水槍將噴射面進行沖洗處理；（2）噴射混凝土過程中，要注意噴嘴與巖面的距離應(yīng)控制在0.7m左右，噴射的方向應(yīng)與巖石面相互垂直；（3）采取分層、自下而上的方式進行噴射，每層噴射完成后應(yīng)等到混凝土完全凝結(jié)后再進行下一層的噴射；（4）開挖工作面結(jié)束后即可進行噴射作業(yè)，混凝土終凝到下一階段放炮時間應(yīng)控制在3h以上。如設(shè)備發(fā)生故障或者其他因素影響需臨時中止噴射作業(yè)，施工人員需將噴射機以及輸料管內(nèi)殘存的余料進行徹底清理；（5）做好混凝土的養(yǎng)護工作，養(yǎng)護時間至少1周，如果外界溫度過高，還應(yīng)采取噴水方式進行養(yǎng)護，提高養(yǎng)護效果。

圖3 噴混凝土施工工藝流程圖

表1 噴射混凝土用骨料級配表

3.3.2 鋼筋網(wǎng)噴射混凝土

鋼筋網(wǎng)噴射混凝土施工過程中，應(yīng)參照施工設(shè)計圖紙中的相關(guān)要求進行科學(xué)施工，確保鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護厚度處于80～120mm范圍內(nèi)。鋼筋應(yīng)選擇工廠生產(chǎn)的定型鋼筋，要注意鋼筋網(wǎng)的間距大于100mm。此外，鋼筋與巖面之間的空隙必須使用噴射混凝土進行填充，將其與鋼筋進行有效粘結(jié)。施工中如果發(fā)現(xiàn)噴射混凝土周圍的空氣濕度過高的話，應(yīng)上報相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)，征得同意后采取自然養(yǎng)護的方式進行處理。若存在混凝土剝落等現(xiàn)象時，應(yīng)在第1時間采取有效的措施進行處理，提高施工效率。

3.4 鋼拱架

（1）制作鋼拱架。鋼拱架的制作應(yīng)在正規(guī)的加工廠完成，加工成型后將各配件進行拼裝，并使用螺栓進行有效連接。

（2）鋼拱架的安裝。在安裝鋼拱架時，應(yīng)事先在鋼拱架基座部位預(yù)留15～20cm地基，對于軟弱圍巖部位可在鋼拱架基座部位設(shè)置錨桿并噴射混凝土進行加固處理。初噴混凝土?xí)r，施工人員應(yīng)在凹槽部位打入木楔，預(yù)留出連接板的位置。在安裝過程中，如果發(fā)現(xiàn)鋼制支撐與初噴層之間的間隙過大的話，可使用墊塊進行填充處理，而且要注意鋼制支撐與圍巖接觸距離應(yīng)控制在50mm內(nèi)［4］。鋼拱架架立到位后應(yīng)及時進行混凝土的噴射，采取分層噴射的方式進行處理，每層厚度控制在5～6cm左右，增強噴射效果，確?；炷羾娚渥鳂I(yè)的順利實施。

4 結(jié)束語

綜上所述，水電站引水隧洞不良地質(zhì)段TBM施工過程中，通過使用掛網(wǎng)、布設(shè)永久性錨桿、噴射混凝土等措施對隧洞圍巖進行支護，取得了良好的支護效果，提升了巖體的抗剪強度和抗拉強度，錨桿、掛網(wǎng)和噴射混凝土共同組成了一個合理的支護系統(tǒng)，有效降低了圍巖出現(xiàn)巖爆的風(fēng)險，值得類似工程借鑒和參考。

［1］ 何文君. 隧道掘進機施工條件下的隧洞圍巖分類方法探討［J］. 貴州地質(zhì)，2016，（01）：34-36.

［2］ 李春明. TBM施工隧洞圍巖分類方法的探討［J］. 中外公路，2016，（03）：76-78.

［3］ 何發(fā)亮. TBM施工隧道圍巖分級方法研究［J］. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，（09）：126-128.

［4］ 吳煜宇，吳湘濱，尹俊濤. 關(guān)于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究［J］. 水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2016，（04）：59-62.