敞開式TBM施工重難點應(yīng)對措施淺談

靳黨鵬，肖 軍，王 濤，張文強

（中交天和機械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

自1851年美國人Chrles Wilson發(fā)明了第一臺全斷面隧道掘進機以來，經(jīng)歷了170多年的發(fā)展，功能與種類也越來越全面［1，2］。TBM在針對高強度巖土地層時，不僅掘進速度快，而且施工安全可靠，其在硬巖隧道的成功案例在全世界得到了廣泛的認同。本項目采用敞開式TBM掘進機，在施工對應(yīng)較完整、有一定自穩(wěn)性的圍巖時，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢，特別是在硬巖、中硬巖掘進中，強大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力。因為當?shù)厣絽^(qū)的高海拔和斷裂帶的分布，掘進機主機同時配置臨時支護設(shè)備如鋼架安裝器、錨桿鉆機、鋼筋網(wǎng)安裝機、超前鉆、管棚鉆機、噴混凝土機及注漿機等，如遇有局部破碎帶及松軟夾層巖石，則掘進機可由所附帶的超前鉆及注漿設(shè)備預先固結(jié)周邊巖石，然后再開挖，提高了施工的多樣性與應(yīng)對機制。

1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本次工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，隧址區(qū)地層主要為第四系沖洪積卵石、崩坡積碎石、冰水堆積碎石、泥盆系上統(tǒng)天格爾組凝灰質(zhì)砂巖、志留系阿河布拉克組石英片巖及華力西早期侵入花崗巖。巖石最大抗壓強度90MPa。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，Ⅴ級圍巖全長2205m，占全長的10.6%，Ⅳ級圍巖全長11872m，占全長的56.7%，Ⅲ級圍巖全長5619m，占全長的26.8%，Ⅱ級圍巖全長1254m，占全長的5.9%。其中，F(xiàn)6、F7斷層破碎帶及巖性接觸帶等圍巖段屬中等富水區(qū)，涌水量大，開挖可能導致涌突水現(xiàn)象。

綜上所述，巖體較易破碎、崩塌，圍巖穩(wěn)定性差，危巖體等不良地質(zhì)巖性為風化凝灰質(zhì)砂巖、石英片巖、中風化閃長巖、花崗巖。

2 工程重難點

TBM掘進一般要求進度快，工期緊，而且掘進的工況與地質(zhì)條件比較惡劣，會引起施工時一系列的問題與難點，現(xiàn)總結(jié)主要問題如下［3］：

（1）通過斷層破碎帶問題。

隧道存在2條構(gòu)造斷裂帶F6、F7，圍巖構(gòu)成主要為風化花崗閃長巖和石英片巖接觸段，斷裂帶處圍巖變形大，易造成塌方，支護工作量大，掘進方向難以控制，TBM撐靴落空無法推進等問題。

（2）高地應(yīng)力條件下存在巖爆問題。

隧道最大埋深約1200m，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動較為活躍，局部圍巖主要以花崗巖等硬質(zhì)巖石為主，隧道開挖后可能會產(chǎn)生巖爆風險。

（3）涌水、突泥問題。

在Ⅴ級圍巖及斷層破碎帶，局部富含裂隙與地下水，會產(chǎn)生較大涌水，尤其是下坡掘進，洞內(nèi)積水可能會迅速增多，導致停機，甚至危及人員和設(shè)備安全。

（4）軟巖大變形問題。

F7斷層破碎帶主要為灰綠色薄層狀、千枚狀絹云母石英片巖為主，夾少量灰?guī)r、鈣質(zhì)片巖，遇水易泥化、軟化，有漲縮性，工程地質(zhì)性質(zhì)不好。受地應(yīng)力影響，圍巖可能會出現(xiàn)局部或者較長區(qū)域的收斂，大變形帶來的主要問題是支護變形甚至失效，對配套設(shè)備通過造成影響。

3 應(yīng)對措施

3.1 破碎帶針對性措施

TBM設(shè)計時考慮配置相應(yīng)的輔助工法［4］，在L1區(qū)配置鋼筋排支護系統(tǒng)、鋼網(wǎng)片存儲系統(tǒng)、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機系統(tǒng)、L1區(qū)混噴等系統(tǒng)，在L2區(qū)配置錨桿鉆機系統(tǒng)、混凝土噴射系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 TBM三維模型

保證在破碎地層掘進時鋼筋排同步支護隧道（見圖2），再配合鋼拱架、錨桿等支護手段，有效提高支護的及時性和安全性，減少石渣掉落和塌方，并有效應(yīng)對破碎圍巖、塌方及中等強度的巖爆。

圖2 拱架安裝器

在主機L1區(qū)配置新型混噴系統(tǒng)，相對于常規(guī)型具有回彈量小、凝固時間短、強度高等特點，即使在地質(zhì)松散段和富水洞段，也可以在很短的時間內(nèi)給撐靴提供足夠的支撐反力，讓撐靴能夠快速順利無害通過環(huán)形梁?；靽娤到y(tǒng)通過后，配套混凝土輸送泵將噴射料輸送至設(shè)備橋處混凝土輸送泵，再由設(shè)備橋混凝土輸送泵將混噴料送至前置混噴機械手，對隧道巖壁進行混噴加固。若遇大的坍塌，可在洞壁坍塌處立模，將L1區(qū)噴嘴處管路斷開，灌注混凝土。

嚴重斷層破碎帶，優(yōu)先考慮采取加密的拱架鋼筋排支護和L1區(qū)應(yīng)急噴混支護進行穿越，同時調(diào)整掘進參數(shù)；萬一無法穿越，刀盤出現(xiàn)卡頓，扭矩異常時，再考慮利用設(shè)備上的超前鉆機及注漿系統(tǒng)進行超前加固。由于隧道地處高海拔，隧道埋深較大，并存在常年積雪，預估存在較大的水壓，注砂漿效果差，可考慮注入化合物或者雙液漿進行超前加固。

3.2 高地應(yīng)力針對性措施

TBM工法本身是防治巖爆非常有效的手段。由于采用機械掘進開挖，對圍巖的擾動非常小，同時開挖面為圓形，而且開挖輪廓非常圓順，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這兩方面因素本身對減少巖爆的發(fā)生和降低巖爆的發(fā)生等級都非常有效。

在大埋深、高地應(yīng)力段施工，根據(jù)地質(zhì)資料及探測手段對不同級別的巖爆采取不同的施工方法和應(yīng)對措施，主要應(yīng)對措施有：

（1）加強地質(zhì)監(jiān)測和預報，及早采取措施，防止巖爆發(fā)生或降低巖爆發(fā)生的等級，以使損失降到最小，確保施工安全；

（2）采取向巖面噴水、噴霧或深孔注水等辦法降低表面脆性或降低巖石硬度；

（3）視情況報請監(jiān)理審批同意后采用水脹式錨桿、漲殼式預應(yīng)力錨桿、鋼纖維混凝土、納米仿鋼纖維混凝土等新材料、新工藝試驗，防止或者減弱巖爆發(fā)生及其造成的影響；

（4）對于中等-較弱的巖爆，及時噴錨網(wǎng)支護，減少圍巖暴露時間，減少巖片剝落造成的安全隱患，且初期支護做到寧強勿弱，務(wù)必一次到位；在強烈—極強巖爆段，除以上措施外，必要時報請監(jiān)理審批同意后采用鋼架結(jié)合雙層鋼筋網(wǎng)加強支護；最嚴重情況下，為釋放較高的地應(yīng)力，減輕巖爆強度，采用先開挖導洞方式，以釋放部分地應(yīng)力，然后進行二次擴挖；對圍巖進行監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，確保施工安全；

（5）針對強巖爆地段，采用TBM自帶的超前鉆機鉆孔，對開挖面周邊進行弱爆破以超前釋放部分地應(yīng)力，然后TBM掘進通過；在TBM頂側(cè)護盾增加了鋼筋排存儲空間，擴大了鋼筋排的支護范圍，實現(xiàn)在盾體尾部周向250°鋼筋排支護，加密與擴大鋼筋排支護范圍可有效減少巖爆對人員及設(shè)備的損傷。

3.3 突涌水、突泥針對性措施

斷層破碎帶及巖性接觸帶等圍巖段屬中等富水區(qū)，涌水量大，開挖可能導致突泥、涌水現(xiàn)象，此隧道勘探正常涌水量約為1180m3/d，最大涌水量預估算為12000m3/d，此隧道TBM掘進有超過400m的下坡掘進，隧洞內(nèi)積水可能會迅速增多，導致停機，甚至危及人員和設(shè)備安全，分別制定措施如下：

（1）突涌水措施。

在地質(zhì)預測預報探明前方有突涌水時，在掘進之前進行超前預注漿、超前支護等手段進行處理。超前注漿材料以速凝、早強為原則，以化學漿材為主，具體應(yīng)對對策根據(jù)實際施工情況報監(jiān)理審批后組織實施；必要時采取超前泄水孔限量排放等措施，保障先行開挖通過，然后再進行堵水灌漿處理或高壓固結(jié)灌漿堵水和加固。加強超前地質(zhì)預報預警、超前探水工作，結(jié)合已揭露的隧洞地質(zhì)情況，選擇相應(yīng)的施工方法。

對于富水斷層破碎帶地段采用超前預灌漿、超前支護進行加固，改良地層，封堵地下水，開挖后及時加強支護，并進行堵水灌漿和襯砌后固結(jié)灌漿加固；對于一般的出水點，當?shù)貙臃€(wěn)定時，先掘進通過，開挖后封堵出水點；當?shù)貙硬环€(wěn)定時，灌漿堵水，并加固圍巖，開挖后及時加強支護；對于較大的出水點，視情況采取灌漿全封堵和部分封堵措施；為避免直射的涌噴水影響正常作業(yè)和設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，TBM施工段采用鋼瓦片進行擋護、引排至隧底并通過洞內(nèi)排水系統(tǒng)排出；必要時及時啟用應(yīng)急排水系統(tǒng)，確保涌水及時排出，避免積水劣化圍巖和其他惡性事件發(fā)生；下坡掘進時，視相鄰隧洞掘進情況，考慮與相鄰隧洞打孔貫通，通過相鄰隧洞進行排水；TBM主機段配置超前鉆機系統(tǒng)，可進行超前鉆孔及注漿堵水。錨桿鉆機與超前支護鉆機共用，通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可將錨桿鉆機旋轉(zhuǎn)90°向掌子面方向進行鉆孔，示意圖如圖3所示。

圖3 超前預警鉆機

（2）突泥措施。

突涌水突泥均將對TBM施工造成災難性后果，通過施工過程中對工程地質(zhì)情況的深入了解和結(jié)合實際圍巖情況，制定防突泥專項方案，并加強在實施過程中的信息反饋，動態(tài)調(diào)整，確保方案實施效果，嚴禁突泥情況的發(fā)生。主要應(yīng)對對策是：超前地質(zhì)預報探明前方有突泥情況后，為防止泥漿涌出給TBM設(shè)備造成嚴重影響，掌子面采用超前灌漿封堵、加固，然后采用超前管棚注漿預加固，經(jīng)評判具備TBM開挖條件后再開挖。當突泥量大，采用上述措施處理時間很長，影響總工期時，申請改變施工方案，從TBM護盾后部人工鉆爆施工繞洞到TBM前方提前進行處理，然后TBM步進通過。

3.4 穿越軟巖地層針對性措施

隧道項目地層存在軟巖地質(zhì)，地層易發(fā)生大變形，受地應(yīng)力影響，圍巖可能會出現(xiàn)局部或者較長區(qū)域的收斂，大變形帶來的主要問題是支護強度不足引起支護變形甚至失效，占用隧道凈空，對后配套設(shè)備通過造成影響。針對軟質(zhì)地層加固的主要措施為錨、注、噴一體化（錨、注為核心）、圍巖加固-支護，主要體現(xiàn)在以下2個方面：

（1）在物探結(jié)果預測前方為軟弱圍巖時，超前探孔配合予以驗證，視探孔取芯分析情況決定掘進措施。

（2）軟弱圍巖段按照“超前支護、短進尺、勤換步、早封閉、強支護、初期支護一次到位”的原則組織施工。掘進措施、支護方法和手段視具體情況實施。主要體現(xiàn)在：利用超前鉆機，超前注漿加固、施作超前小導管或超前管棚預支護等手段后再掘進通過；若圍巖收斂變形比較輕微，掘進通過后進行初期支護。根據(jù)具體情況，必要時采用超前混噴系統(tǒng)對護盾尾部即刻噴射混凝土覆蓋加固，若發(fā)現(xiàn)有圍巖塑性變形或膨脹現(xiàn)象，立即停止噴水，并加快速度盡快通過；若軟巖無法提供支撐反力時，可在洞壁撐靴處采用噴錨網(wǎng)+鋼拱+灌注混凝土的聯(lián)合支護方式對撐靴部位洞壁處理后再掘進，必要時打錨索加強初期支護后再掘進通過。

若圍巖收斂變形較為嚴重，首先利用TBM的擴挖功能，擴挖時，結(jié)合驅(qū)動抬升功能，采取邊刀加墊塊，將刀具外移，擴挖頂部空間；圍巖出護盾后，及時施作初期支護，必要時采用短進尺、加密拱架、加強配筋、噴射鋼纖維混凝土等措施加強支護。若TBM被卡，設(shè)備考慮驅(qū)動大扭矩配置（額定扭矩8720kNm、脫困扭矩13079kNm）。同時加大掘進推力并在護盾與圍巖間強行注入潤滑劑，減少護盾與圍巖間的摩擦，通過后立即施作初期支護系統(tǒng)；在變形量極大、速度快的極端情況下，TBM擴挖不足以克服卡盾和掌子面自穩(wěn)定能力差，不具備全斷面TBM掘進時，則從護盾后開繞洞至掌子面，采用鉆爆法施工處理后，TBM步進通過的方法。

4 結(jié)論

本隧道地質(zhì)復雜，埋深大，斷裂帶較多，極大的影響施工進度和施工安全。因此，針對本工程的重點、難點須做好處理預案及應(yīng)急預案，加強施工管理，不斷優(yōu)化設(shè)計，以保證整個隧道的順利貫通。