川藏鐵路全斷面掘進(jìn)機(jī)穿越斷層破碎帶隧道施工研究

劉 卓

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司 設(shè)備物資部,天津 300222)

根據(jù)目前的方案,為克服地形高差,繞避不良地質(zhì),還未開工建設(shè)的川藏鐵路康定到林芝段,出現(xiàn)了眾多埋深大于1 km、長(zhǎng)度超過20 km的超深埋超長(zhǎng)隧道,如康定—新都橋段折多山隧道(38.3 km),理塘—巴塘段海子山隧道(37 km),八宿—波密段伯舒拉嶺隧道(53 km),然烏—通麥段易貢隧道(54 km),隧線占比高達(dá)84%,隧道總長(zhǎng)843 km.川藏鐵路特長(zhǎng)隧道面臨的工程難題主要有高烈度、高地應(yīng)力巖爆、軟巖大變形、活動(dòng)斷裂帶等,為了“安全、環(huán)保、高效”施工,采用全斷面掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,TBM)施工法成為首選[1].本文基于對(duì)引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞嶺北TBM穿越斷層破碎帶時(shí)的經(jīng)驗(yàn)和研究成果,提出了TBM穿越斷層破碎帶的施工工法,為川藏鐵路長(zhǎng)大隧道的施工提供借鑒.

1 斷裂破碎帶的特質(zhì)與TBM施工風(fēng)險(xiǎn)

TBM在斷層破碎帶及自穩(wěn)能力差的軟弱不良地質(zhì)段中掘進(jìn)時(shí),適應(yīng)性差,極易出現(xiàn)以下事故:刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng),出現(xiàn)卡機(jī)事故,脫困處理困難;由于護(hù)盾及刀盤上方塌腔的發(fā)生引起地質(zhì)應(yīng)力分布變化,致使部分鋼拱架及鋼筋排因圍巖收斂發(fā)生嚴(yán)重變形,護(hù)盾頂部壓力已達(dá)到設(shè)備極限值[2];支護(hù)變形將進(jìn)一步減少人工作業(yè)空間,限制卡機(jī)處理設(shè)備的使用,增加處理難度;斷層破碎帶大多富水,水和碴體、砂礫巖從掌子面和護(hù)盾外側(cè)不斷涌入洞內(nèi),給施工人員和設(shè)備造成安全威脅[3];容易造成隧洞塌方等事故,影響施工安全和工期.

2 TBM穿越斷裂破碎帶的施工工藝原理與工法

TBM穿越斷層破碎帶施工工藝流程如圖1所示.

圖1 TBM穿越斷層破碎帶施工工藝流程圖Fig.1 Flow chart of TBM construction process

施工主要流程如下:① 從TBM護(hù)盾后方相對(duì)穩(wěn)定的巖體中開挖縱向小導(dǎo)洞;② 縱向小導(dǎo)洞穿過破碎帶進(jìn)入圍巖穩(wěn)定洞段后,施作橫向?qū)Ф床⑿纬晒芘锕ぷ鏖g;③ 反向施作大管棚并注漿加固破碎圍巖;④ 在大管棚的安全防護(hù)下,配合超前小導(dǎo)管和環(huán)形鋼拱架,人工開挖通過斷層破碎帶,并清除護(hù)盾頂堆積的渣體,幫助TBM完成脫困;⑤ 在發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖不穩(wěn)定時(shí),通過刀孔超前預(yù)加固掌子面,有效抑制掌子面塌方的出現(xiàn)和坍塌規(guī)模,實(shí)現(xiàn)預(yù)防卡機(jī)的目的[4].

3 施工工法研究

3.1 護(hù)盾后方已施工段加固

在第一時(shí)間采用增設(shè)鋼支撐和加強(qiáng)支護(hù)能力等方式,保證已支護(hù)段圍巖穩(wěn)定,減少已支護(hù)段變形.利用TBM主梁作為支撐,用H150型鋼對(duì)已支護(hù)鋼拱架增加豎向及斜向支撐,同時(shí)徑向施作錨桿并注漿加固周邊圍巖,對(duì)變形段加密增設(shè)鋼拱架,采用噴射混凝土配合錨桿、鋼筋排和鋼拱架形成聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu),防止已支護(hù)段環(huán)形鋼拱架及鋼筋排變形繼續(xù)加大.在施工期間,采用多點(diǎn)位移計(jì)、壓力盒和應(yīng)變計(jì)等設(shè)備對(duì)圍巖及拱架受力變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),優(yōu)化施工方案,保證施工安全.

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

TBM卡機(jī)事件發(fā)生后,采用激發(fā)極化法與三維地震法對(duì)洞內(nèi)前方圍巖進(jìn)行綜合探測(cè)預(yù)報(bào).配合超前鉆孔,采用智能光學(xué)成像系統(tǒng)對(duì)前方圍巖進(jìn)行探測(cè),驗(yàn)證和修正前期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果,指導(dǎo)施工.

3.3 施工縱向小導(dǎo)洞

(1) 現(xiàn)場(chǎng)選擇在具有一定自穩(wěn)能力的TBM右側(cè)圍巖設(shè)置爬坡孔,爬坡孔位于緊鄰護(hù)盾尾部?jī)砷摴凹苤g,開挖高度在滿足施工作業(yè)空間的要求下盡可能減少開挖工程量,現(xiàn)場(chǎng)開挖高度選取1.7 m,周邊采用H150型鋼配合鋼筋排噴錨支護(hù)[5].

(2) 爬坡孔開挖完成后,向前開挖縱向?qū)Ф?開挖原則為“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉”,開挖前優(yōu)先施作超前支護(hù),由于縱向?qū)Ф醋鳂I(yè)空間狹小,現(xiàn)場(chǎng)高溫高濕、粉塵大、噪聲大,縱向?qū)Ф磁c塌腔區(qū)預(yù)留一定安全距離,縱向?qū)Ф捶肿笥覂刹糠珠_挖,優(yōu)先開挖右側(cè)部分,再開挖左側(cè)部分.縱向?qū)Ф磾嗝娌贾萌鐖D2所示.

圖2 縱向?qū)Ф磾嗝娌贾檬疽鈭DFig.2 Schematic diagram of section layout of longitudinal guide tunnel

3.4 橫向?qū)Ф?管棚工作間)施工

(1) 由于橫向?qū)Ф炊稳匀惶幱跀鄬佑绊憥е?人工開挖還存在一定的安全隱患,故采用超前小導(dǎo)管注漿配合型鋼門型鋼架支護(hù)小斷面逐步開挖.

(2) 縱向小導(dǎo)洞穿過塌腔影響區(qū)3～5 m后,進(jìn)入穩(wěn)定的原狀巖層內(nèi),開始開挖橫向?qū)Ф?橫向?qū)Ф赐ㄟ^已開挖完成的縱向?qū)Ф撮_挖,橫向?qū)Ф垂?個(gè),最終3個(gè)橫向?qū)Ф春喜⒊晒芘锕ぷ鏖g.橫向?qū)Ф赐ㄟ^縱向?qū)Ф床扇》謪^(qū)分臺(tái)階開挖、支護(hù)[6].兩側(cè)采用噴射混凝土封閉,保證洞室穩(wěn)定.

橫向?qū)Ф捶謪^(qū)如圖3所示.管棚工作間橫斷面如圖4所示.

圖3 橫向?qū)Ф捶謪^(qū)示意圖Fig.3 Schematic diagram of transverse guide

3.5 反向施工大管棚

在管棚工作間刀盤端管棚導(dǎo)向管下方拼接兩環(huán)鋼拱架,支立模板,澆筑導(dǎo)向墻,混凝土導(dǎo)向墻強(qiáng)度滿足要求后,向刀盤反向施做大管棚.由于管棚需要穿過斷層破碎帶,傳統(tǒng)管棚施工方法先鉆孔后安裝鋼管方法不能實(shí)現(xiàn),加上管棚工作間作業(yè)空間狹小,只能采用分節(jié)跟進(jìn)式根管施工,成孔的同時(shí),管棚鋼管同步接長(zhǎng)打入鉆孔內(nèi).

圖4 管棚工作間橫斷面示意圖Fig.4 Cross-sectional view of pipe shed workshop

3.6 刀盤至管棚工作間段處理

刀盤至管棚工作間段受斷層影響嚴(yán)重,開挖過程中極易出現(xiàn)安全事故,開挖前,在相鄰兩根管棚之間施作雙層自進(jìn)式中空錨桿,必須高度重視管棚和超前小導(dǎo)管注漿效果,為人工開挖提供一個(gè)安全防護(hù).完成大管棚施工后,采用左右導(dǎo)洞法由管棚工作間向刀盤方向開挖上導(dǎo)洞,上導(dǎo)洞開挖至刀盤后,由刀盤向管棚工作間方向采用左右臺(tái)階法開挖中導(dǎo)洞洞身段.刀盤至管棚工作間段人工開挖橫斷面如圖5所示.圖5中，1，3，8，10為小導(dǎo)管超前支護(hù)注漿,2，4，9，11為支立鋼架,5，6，7為豎橫立柱,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ為開挖導(dǎo)沿順序.

3.7 管棚工作間前方掌子面和護(hù)盾段處理

利用已施工完成的上導(dǎo)洞和中導(dǎo)洞,向里施工Φ122超前鉆孔,采用高清視頻系統(tǒng)對(duì)鉆孔內(nèi)前方地質(zhì)情況進(jìn)行成像探測(cè),評(píng)估前方圍巖情況,確定是否需要人工處理.為了防止掌子面受臨空面影響而收斂變形及風(fēng)化,在掌子面施作中空玻璃纖維錨桿,并注漿加固巖體,噴射玻璃纖維混凝土封閉掌子面,同時(shí)注意保護(hù)刀盤.由于護(hù)盾段位于塌腔核心區(qū),人工開挖前必須對(duì)前方圍巖進(jìn)行注漿加固,管棚工作間至刀盤段上導(dǎo)洞開挖至刀盤后,為避免護(hù)盾頂部開挖時(shí)繼續(xù)發(fā)生坍塌,利用上導(dǎo)洞底部平臺(tái)向護(hù)盾上方向塌腔內(nèi)施作自進(jìn)式中空注漿錨桿.在開挖過程中,通過超前錨桿施作探明塌腔位置,向塌腔內(nèi)預(yù)留注漿管,拱架內(nèi)側(cè)回填混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后,通過預(yù)留注漿管向塌腔內(nèi)注滿混凝土或是其他回填材料,待回填材料強(qiáng)度達(dá)到要求后割除門型鋼架立柱,完成護(hù)盾和刀盤脫困.護(hù)盾頂部開挖分區(qū)如圖6所示.護(hù)盾頂部支護(hù)橫斷面如圖7所示.

圖5 刀盤至管棚工作間段開挖示意圖Fig.5 Schematic diagram of excavation between

圖6 護(hù)盾頂部開挖分區(qū)示意圖Fig.6 Schematic diagram of shield top

圖7 護(hù)盾頂部支護(hù)橫斷面示意圖Fig.7 Schematic diagram of cross-section of

待護(hù)盾頂塌方段處理完畢后,對(duì)護(hù)盾尾部支護(hù)變形且侵入襯砌施工界限的圍巖收斂區(qū)段進(jìn)行全斷面換拱處理,拱架內(nèi)灌注C30混凝土.

3.8 TBM掘進(jìn)通過斷層帶

待護(hù)盾尾部換拱施工、護(hù)盾頂及刀盤前方臨時(shí)支撐等材料全部清理完畢,所有影響TBM掘進(jìn)施工的因素消除后,開始啟動(dòng)TBM,緩慢向前推進(jìn),利用TBM開挖刀盤前方剩余石方.TBM恢復(fù)掘進(jìn)后,必須高度重視TBM掘進(jìn)姿態(tài)控制,防止出現(xiàn)掘進(jìn)方向偏差,造成與已支護(hù)人工開挖段沖突.同時(shí)防止撐靴對(duì)已支護(hù)段拱架造成損壞,致使支護(hù)不穩(wěn)定.

3.9 刀盤前超前預(yù)加固防卡

在不良地質(zhì)段掘進(jìn)過程中,為防止刀盤前方發(fā)生坍塌,每次掘進(jìn)前,在刀盤內(nèi)通過刀孔對(duì)前方掌子面及周邊施作自進(jìn)式玻璃纖維錨桿并注漿,進(jìn)行超前預(yù)加固處理,抑制塌方的出現(xiàn)和坍塌規(guī)模,起到預(yù)防卡機(jī)的目的.

3.10 受力變形監(jiān)測(cè)

為了順利通過該斷層帶,準(zhǔn)確掌握在斷層破碎帶內(nèi)人工開挖洞室、換拱期間圍巖、支護(hù)拱架受力及變形情況,現(xiàn)場(chǎng)先后設(shè)置多點(diǎn)位移計(jì)2套、錨桿應(yīng)力計(jì)2套、光纖光柵應(yīng)變計(jì)60支、振弦式應(yīng)變計(jì)52支、壓力盒10個(gè),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體及支護(hù)拱架受力變形情況,發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突變或是增長(zhǎng)加速時(shí),第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警并將監(jiān)測(cè)結(jié)果通報(bào)項(xiàng)目部,項(xiàng)目部針對(duì)性制定處理方案,防止事態(tài)擴(kuò)大,確保施工安全.已開挖段原有鋼拱架光纖光柵應(yīng)變曲線如圖8所示.護(hù)盾后方多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)曲線如圖9所示.

該TBM施工工法成功應(yīng)用于陜西省引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM隧洞工程.嶺北TBM施工段全長(zhǎng)16.69 km,隧洞埋深545～1 570 m,使用一臺(tái)Φ8.02 m開敞式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工,TBM施工區(qū)通過1條區(qū)域性大斷層、3條分支斷層和10條地區(qū)性一般性斷層,寬30～190 m不等,軟巖變形段預(yù)測(cè)占總長(zhǎng)度的65%.

圖8 已開挖段原有鋼拱架光纖光柵應(yīng)變曲線Fig.8 Original steel arch fiber grating strain curve

圖9 護(hù)盾后方多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)曲線Fig.9 Monitoring curve of multi-point displacement

2016年5月31日,TBM掘進(jìn)至K51+597.6處突遇長(zhǎng)距離斷層破碎帶,護(hù)盾及刀盤被卡,被迫停機(jī).項(xiàng)目部嚴(yán)格按照此施工方案執(zhí)行,最終在2016年10月10日恢復(fù)TBM掘進(jìn),為TBM斷層處理施工提供了有效保障,于2017年1月安全順利通過此長(zhǎng)距離斷層破碎帶,比預(yù)定工期提前了82 d,節(jié)約施工成本2 700萬元,而且拓展了TBM應(yīng)用范圍.

4 結(jié)論

(1) 通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和地層加固、人工開挖導(dǎo)洞、大管棚、應(yīng)力和變形監(jiān)測(cè)等系列組合方法,很大程度上減少了TBM穿越大斷層破碎帶施工期間的風(fēng)險(xiǎn),安全快速地通過斷層破碎帶.

(2) 成功創(chuàng)建了刀盤超前預(yù)加固防卡技術(shù),有效抑制掌子面塌方的出現(xiàn)和坍塌規(guī)模,實(shí)現(xiàn)預(yù)防卡機(jī)的目的.

(3) 超前預(yù)支護(hù)技術(shù)的使用,為TBM斷層處理施工提供了有效保障,從而減少了后期塌腔的注漿工程量,節(jié)約成本,有利環(huán)境保護(hù),也杜絕了后期隧洞的二次污染.

(4) 提高了TBM施工技術(shù)水平,在地質(zhì)情況更復(fù)雜的川藏鐵路隧道施工,具有廣闊的應(yīng)用前景.