深埋隧洞開(kāi)敞式TBM通過(guò)軟巖破碎帶施工方法研究

與傳統(tǒng)鉆爆法施工隧洞相比，采用TBM施工具有快速、安全、經(jīng)濟(jì)和施工環(huán)境相對(duì)較好等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)敞式TBM自1997年西康鐵路秦嶺隧道引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái)，已先后在磨溝嶺隧道、吐庫(kù)二線(xiàn)工程中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道、遼寧大伙房輸水隧洞、遼西北供水隧洞等工程中得到廣泛應(yīng)用，它是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧道（洞）施工的技術(shù)的又一次巨大革新，大大提升了隧道（洞）施工的機(jī)械化水平。然而，多數(shù)開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖隧洞項(xiàng)目都會(huì)遇到軟巖破碎帶，有的通過(guò)短暫的處理即安全通過(guò)，有的被迫停機(jī)處理長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，有的甚至帶來(lái)滅頂之災(zāi)，影響工期數(shù)年，最終更改設(shè)計(jì)路線(xiàn)或改為鉆爆施工方式才能完成。

鑒于軟巖破碎帶對(duì)開(kāi)敞式TBM隧洞施工的工期、設(shè)備、成本等多方面的影響，國(guó)內(nèi)外逐漸開(kāi)展了許多針對(duì)開(kāi)敞式TBM施工隧洞軟巖破碎帶施工工法的研究，給TBM通過(guò)軟巖破碎帶提供了許多行之有效的施工方法。但如何根據(jù)工程特點(diǎn)，有針對(duì)性地進(jìn)行方案比選，挑選合適的施工方法，保證開(kāi)敞式TBM安全順利通過(guò)軟巖破碎帶，成為本文研究的焦點(diǎn)。

工程簡(jiǎn)介

工程概況

該工程位于喜馬拉雅山脈西北部，地貌上屬中高山山地。工程屬于水電站引水隧洞，其中TBM施工段為兩條平行引水隧洞，單條TBM開(kāi)挖隧洞長(zhǎng)約11.5km。隧洞設(shè)計(jì)中心間距33m，開(kāi)挖斷面為圓形，直徑8.53m。工程采用開(kāi)敞式TBM，配置支護(hù)錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)、傘狀鉆機(jī)、噴混設(shè)備和灌漿設(shè)備等。TBM及后配套總長(zhǎng)度約190m，每循環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度1.8m。隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿+網(wǎng)片+TH梁，同時(shí)全斷面噴射混凝土，為永久設(shè)計(jì)，不進(jìn)行二次襯砌。噴混設(shè)計(jì)厚度達(dá)150mm-300mm，噴混量大。TBM施工隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜多變，平均埋深約1000m，最大埋深約1900m。

工程地質(zhì)條件

該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要表現(xiàn)為斷層帶及褶皺多，位于地震多發(fā)帶且地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)。TBM施工隧洞地層由砂巖和頁(yè)巖（泥巖）組成，呈互層狀，沿開(kāi)挖洞軸線(xiàn)變化頻繁，且常出現(xiàn)隧洞兩側(cè)巖性不一致、軟硬不均的情況。砂巖主要分為兩類(lèi)（I類(lèi)和II類(lèi)），I類(lèi)砂巖堅(jiān)硬、新鮮、膠結(jié)良好；II類(lèi)砂巖屬于I類(lèi)砂巖和軟弱頁(yè)巖（泥巖）之間的過(guò)渡巖類(lèi)，II類(lèi)砂巖中等堅(jiān)硬～硬，大多與頁(yè)巖（泥巖）混雜，頁(yè)巖（泥巖）為隧洞沿線(xiàn)軟弱的巖石，并易遭受沖蝕。I類(lèi)砂巖、II類(lèi)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度各為150MPa和70MPa，而頁(yè)巖（泥巖）小于15MPa。隧洞洞線(xiàn)軟巖段破碎帶和斷層很發(fā)育，一些順層發(fā)育的剪切帶厚度相當(dāng)大，約2m-20m。剪切帶或軟弱帶一般發(fā)育于頁(yè)巖（泥巖）所占比例較多的地段。因此，該地地質(zhì)條件惡劣，嚴(yán)重影響TBM隧洞的順利開(kāi)挖。

軟巖破碎帶的危害及TBM通過(guò)軟巖破碎帶的施工方法

軟巖破碎帶的危害

（1）軟巖收斂變形

軟巖本身強(qiáng)度較低，開(kāi)挖后容易發(fā)生擠壓收斂變形且圍巖收斂變形快，頂護(hù)盾約90°區(qū)域是變形最大的部位。如收斂變形過(guò)快，超過(guò)頂護(hù)盾可承受的范圍將會(huì)導(dǎo)致護(hù)盾被卡?。欢冃瘟窟^(guò)大，將導(dǎo)致TBM成洞洞徑過(guò)小， TBM后配套部分局部卡住無(wú)法通過(guò)。仰拱部位收斂變形可能造成已完成的仰拱噴混開(kāi)裂。（圖1）

（2）大面積坍塌

粗選磁場(chǎng)強(qiáng)度110.00 kA/m，精選磁場(chǎng)強(qiáng)度95.54kA/m，掃選磁場(chǎng)強(qiáng)度110.00kA/m；磨礦細(xì)度41.41%-0.074mm，給礦濃度35.00%。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8，試驗(yàn)流程圖及數(shù)質(zhì)量流程分別見(jiàn)圖1、圖2。

TBM進(jìn)入破碎帶，刀盤(pán)前方的圍巖出現(xiàn)大面積的垮塌，進(jìn)而出渣量增大，產(chǎn)生較大的塌腔。如支護(hù)不及時(shí)，塌腔逐步擴(kuò)大，出現(xiàn)持續(xù)塌方，后果將極為嚴(yán)重；如塌方壓住護(hù)盾和刀盤(pán)，使TBM刀盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，將造成TBM卡機(jī)事故。大面積的巖石坍塌會(huì)砸壞油管，使鋼結(jié)構(gòu)變形，對(duì)鉆機(jī)系統(tǒng)、拱架安裝系統(tǒng)等造成嚴(yán)重的破壞，給作業(yè)人員安全帶來(lái)威脅。（圖2）

（3）軟巖遇水泥化

軟巖具有遇水泥化的特性，在刀盤(pán)部位，軟巖泥化會(huì)糊住刀具和刀盤(pán)，導(dǎo)致出渣口堵塞、無(wú)法出渣、刀盤(pán)空轉(zhuǎn)，加劇圍巖塌方，造成惡性循環(huán)。軟巖破碎帶出現(xiàn)滲漏水時(shí)，圍巖自穩(wěn)能力更差，經(jīng)過(guò)滲水浸潤(rùn)，形成流態(tài)泥，進(jìn)而加劇塌腔的擴(kuò)大。隧洞腰線(xiàn)部位出現(xiàn)軟弱圍巖和滲漏水，在吸水泥化后會(huì)造成撐靴支撐力不夠，或是撐靴無(wú)法就位的情況，從而無(wú)法掘進(jìn)。（圖3）

圖1 軟巖擠壓變形

圖2 刀盤(pán)前塌腔

圖3 導(dǎo)洞開(kāi)挖時(shí)流出泥化石渣

TBM通過(guò)軟巖破碎帶施工方法

針對(duì)軟巖破碎帶對(duì)TBM掘進(jìn)帶來(lái)的重大危害，通過(guò)對(duì)各種施工方法的摸索和嘗試，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的實(shí)踐，總結(jié)出了在既有條件下快速有效地通過(guò)軟巖破碎帶的施工方法，從而保障TBM掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

（1）應(yīng)對(duì)圍巖收斂，最重要的是爭(zhēng)取時(shí)間，快速通過(guò)

可改為三班制作業(yè)，讓維保班也參與掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)TBM連續(xù)作業(yè)不停機(jī)，防止出現(xiàn)圍巖收斂抱住刀盤(pán)形成卡機(jī)。選擇低轉(zhuǎn)速、低貫入度的掘進(jìn)參數(shù)，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。及時(shí)支護(hù)，壓縮每一步支護(hù)的時(shí)間，對(duì)露出的圍巖可先進(jìn)行噴混封閉，減少其暴露的時(shí)間，再進(jìn)行支護(hù)，形成“噴射混凝土＋錨桿＋鋼拱架”的聯(lián)合支護(hù)體系。TBM配備可擴(kuò)挖10cm的擴(kuò)挖刀具，能增大開(kāi)挖洞徑，解決TBM后配套部分無(wú)法通過(guò)收斂段的情形。

（2）及時(shí)支護(hù)，防止大面積塌方

利用手噴系統(tǒng)及時(shí)封閉破碎圍巖，減少塌方；對(duì)于已形成的較大塌腔，應(yīng)分多次噴混填充覆蓋，再進(jìn)行其他支護(hù)。如遭遇大量石渣不斷坍塌的情況，則需要使用鋼插板，加密鋼拱架，將鋼插板焊接固定在鋼拱架上，然后噴射混凝土，繼續(xù)掘進(jìn)。（圖4）

（3）為減小軟巖遇水泥化的危害，減少刀盤(pán)噴水，防止泥巖軟化崩解

在塌方較嚴(yán)重掘進(jìn)段盡量減少或避免超前鉆探，及時(shí)進(jìn)行噴混封閉圍巖。滲水量較大時(shí)進(jìn)行化學(xué)灌漿阻隔滲水，并固結(jié)松散巖石。對(duì)隧洞腰線(xiàn)撐靴部位出現(xiàn)的滲水軟巖，需要及時(shí)噴混硬化，增加巖面強(qiáng)度，或局部墊方木增大撐靴受力面積，保證撐靴支撐力，使TBM能正常掘進(jìn)。

（4）超前預(yù)報(bào)和超前處理

采用TST超前預(yù)報(bào)、超前探孔、微震監(jiān)測(cè)技術(shù)及出渣特征統(tǒng)計(jì)等多維信息結(jié)合，預(yù)判前方開(kāi)挖巖體性質(zhì)，提前針對(duì)性做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，并動(dòng)態(tài)調(diào)整支護(hù)措施和掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)TST探明圍巖波速和完整性、結(jié)合超前鉆孔的鉆進(jìn)速率和返渣返水情況、微震監(jiān)測(cè)區(qū)域性結(jié)果以及皮帶即時(shí)出渣比對(duì)，探明TBM刀盤(pán)前方圍巖基本性質(zhì)，如軟巖（泥巖）的位置、長(zhǎng)度、分布特征、含水情況和巖體穩(wěn)定性等，從而有針對(duì)性地采取措施和施工策略。

在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)軟巖非常破碎、自穩(wěn)能力較差的情況，可采用鋼插板抵擋住松散掉落的巖石，然后及時(shí)支護(hù)。如有需要，可使用小導(dǎo)管進(jìn)行固結(jié)灌漿（包括化學(xué)灌漿和水泥灌漿），或利用傘狀鉆機(jī)進(jìn)行大管棚施工，進(jìn)行超前處理使掌子面上方圍巖達(dá)到一定強(qiáng)度后再行掘進(jìn)。

（5）導(dǎo)洞處理措施

當(dāng)實(shí)際情況超出控制，仍無(wú)可避免地發(fā)生卡機(jī)事故時(shí)，則需根據(jù)具體卡機(jī)情況尋求脫困的方法。通過(guò)化學(xué)灌漿固結(jié)圍巖，然后開(kāi)挖側(cè)導(dǎo)洞或上導(dǎo)洞給刀盤(pán)卸荷脫困。如果具備條件，也可在TBM掌子面前方開(kāi)挖前導(dǎo)洞接應(yīng)，將軟巖破碎帶利用人工鉆爆開(kāi)挖，TBM再步進(jìn)通過(guò)。

TBM通過(guò)軟巖破碎帶實(shí)例分析

軟巖破碎帶危害情況描述

TBM在掘進(jìn)過(guò)程中接近A2支洞區(qū)域的軟巖破碎帶時(shí)，護(hù)盾頂部出現(xiàn)了約3m×3m×2m的塌腔，因設(shè)備故障TBM停機(jī)一天，延誤了最佳處理時(shí)機(jī)。在掘進(jìn)過(guò)程中塌腔逐漸出露，塌腔頂部出現(xiàn)滲漏水，塌腔進(jìn)一步擴(kuò)大，后來(lái)，掉落大塊體堵住了塌腔口，有小塊石渣不斷的從縫隙里落下。為保證安全，在塌腔口噴射混凝土進(jìn)行了封閉。隨著塌腔內(nèi)部不斷的發(fā)展，TBM刀盤(pán)被卡住，無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。（圖5）

圖4 拱架背后插板施工方式

圖5 塌腔內(nèi)滲水導(dǎo)致塌方加劇

處理措施

經(jīng)過(guò)不斷的方案比選和現(xiàn)場(chǎng)的大量嘗試，摸索出了合適的施工方法，主要采取了以下幾種處理措施。

（1）導(dǎo)洞開(kāi)挖，刀盤(pán)卸荷

TBM卡機(jī)后，及時(shí)在護(hù)盾上方約80°范圍內(nèi)進(jìn)行上導(dǎo)洞開(kāi)挖，利用人工挖除護(hù)盾頂部的石渣，減小護(hù)盾頂部和刀盤(pán)壓力，為刀盤(pán)脫困做好準(zhǔn)備。在開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)導(dǎo)洞內(nèi)發(fā)生的持續(xù)流渣及時(shí)噴混封閉，進(jìn)行固結(jié)處理后再繼續(xù)開(kāi)挖。（圖6）

圖6 開(kāi)始開(kāi)挖導(dǎo)洞

（2）固結(jié)灌漿，加固松散巖體

導(dǎo)洞開(kāi)挖至刀盤(pán)位置后，對(duì)刀盤(pán)上前方的破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。先進(jìn)行化學(xué)灌漿，再鉆較深孔進(jìn)行水泥灌漿，利用化灌層阻隔，防止水泥漿液進(jìn)入刀盤(pán)，凝固刀盤(pán)。在刀盤(pán)前方和上方形成一層殼，并在其保護(hù)下，清理刀盤(pán)周?chē)乃缮⑹?，然后試轉(zhuǎn)刀盤(pán)，解放刀盤(pán)，使TBM脫困。

（3）脫困后方案比選-采用自制超前小導(dǎo)管

TBM脫困后，經(jīng)過(guò)從TST超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和從A2支洞（圖7）向TBM進(jìn)行101m巖石取芯結(jié)果來(lái)看，TBM前方約100m圍巖非常破碎，這意味著TBM仍存在著較大的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)總結(jié)TBM脫困的方法和脫困后的嘗試，提出了幾種處理方案，各方案特點(diǎn)及可行性分析詳見(jiàn)表1。

由表1可知，方案一、三、四都有無(wú)法克服的困難，只能選用方案二。通過(guò)一系列的改進(jìn)，將自進(jìn)式錨桿套用鋼管，在掘進(jìn)時(shí)，從頂護(hù)盾位置打入2排-3排鋼管或鋼筋加密，將鋼拱架的間距調(diào)整至50cm-60cm，在拱架上連續(xù)布置鋼插板擋住松散碎石，形成有效防護(hù)，及時(shí)噴射混凝土封閉，形成完整的支護(hù)系統(tǒng)，使TBM得以安全穩(wěn)定的掘進(jìn)。（圖8）

（4）其他掘進(jìn)措施

主要是降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度，調(diào)整施工班組，保持TBM連續(xù)掘進(jìn)；將刀盤(pán)部分出渣鏟斗封閉，減少出渣量，避免大量出渣形成大空腔；防止設(shè)備故障在軟巖段停機(jī)。

在后續(xù)的掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)綜合采用以上通過(guò)軟巖破碎帶的施工方法，TBM克服了多段軟巖破碎帶的困難，安全順利地掘進(jìn)通過(guò)，沒(méi)有發(fā)生大的軟巖事故，有效節(jié)省了工期，保證了TBM順利貫通。

圖7 A2支洞軟巖破碎帶分布示意圖

圖8 頂部施工的管棚

表1 各方案特點(diǎn)及可行性分析對(duì)比表

結(jié)論

以某深埋軟巖地質(zhì)條件水工隧洞為背景，針對(duì)開(kāi)敞式TBM在軟巖破碎帶施工過(guò)程中的各種施工危害，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)公里掘進(jìn)全過(guò)程總結(jié)研究，得出以下結(jié)論：

（1）在軟巖地質(zhì)條件下，軟巖具有擠壓收斂變形速度快、收斂量大、容易卡住護(hù)盾和TBM后配套的特點(diǎn)，大面積塌方易形成較大塌坑，并可能持續(xù)垮塌流渣破壞設(shè)備、威脅作業(yè)人員安全，支護(hù)難度大，可能壓住刀盤(pán)形成卡機(jī)，軟巖遇水軟化，進(jìn)一步惡化圍巖，糊住刀盤(pán)，影響出渣，帶來(lái)一系列的施工危害，對(duì)掘進(jìn)造成嚴(yán)重的影響。

（2）針對(duì)實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中軟巖帶來(lái)的問(wèn)題，采用一系列有效的施工方法，包括選擇低轉(zhuǎn)速、低貫入度的掘進(jìn)參數(shù)，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，及時(shí)封閉破碎圍巖，加密鋼拱架支護(hù)，使用超前小導(dǎo)管、插鋼管（鋼筋）和鋼插板形成保護(hù)殼，防止大面積塌方，減少刀盤(pán)噴水及導(dǎo)洞脫困處理等。

工程實(shí)踐表明，所形成的施工方法保障了深埋隧洞軟巖破碎帶地質(zhì)條件下TBM的安全順利開(kāi)挖，對(duì)施工過(guò)程中的軟巖地質(zhì)災(zāi)害起到了較好的減緩和防治作用，對(duì)施工人員和設(shè)備起到了較好的防護(hù)作用，在安全施工的前提下提高了掘進(jìn)效率，可為國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程提供借鑒。