天山勝利隧道TBM選型及不良地質(zhì)預(yù)防研究

李亞隆

（中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710119）

1 隧道設(shè)計(jì)概況

1.1 工程概況

新疆烏尉高速天山勝利隧道全長(zhǎng)22.035 km，屬特長(zhǎng)隧道，隧道進(jìn)口高程2 770 m，出口高程2 900 m，前11.90 km為1.6%的上坡，后10.135 km為-0.5%的下坡，洞身最大埋深約1 112.6 m。運(yùn)營(yíng)通風(fēng)設(shè)置通風(fēng)豎井3處，最深豎井達(dá)705.7 m。該隧道采用對(duì)向掘進(jìn)，進(jìn)出口端各承擔(dān)11.017 5 km的施工任務(wù)。初步設(shè)計(jì)采用三洞方案 （三洞＋三豎井，中導(dǎo)洞TBM），隧道主洞施工通過(guò)中導(dǎo)洞開(kāi)辟主洞輔助工作面，詳情如圖1所示。

圖1 天生勝利隧道縱斷面圖

1.2 地表水

天山勝利隧道出口段位于烏斯臺(tái)溝，屬于烏拉斯臺(tái)河水系，為烏拉斯臺(tái)郭勒河上游河流，河流長(zhǎng)度約11.33 km，溝口以上集水面積44.81 km2，該河流徑流的年內(nèi)分配極不均勻，徑流量主要集中在6～9月，主要為冰川融水及雪水。

1.3 地下水

隧道地下水類(lèi)型可分為基巖風(fēng)化裂隙水和多年凍土區(qū)地下水2種類(lèi)型。區(qū)內(nèi)地下水徑流趨勢(shì)是由北向南，排泄于山前沖、洪積平原區(qū)。

1.4 地質(zhì)

隧道洞身圍巖主要為變質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、板巖、片巖、片麻巖、絹云母石英片巖、花崗片麻巖、黑云母花崗巖及斷層碎裂巖，圍巖級(jí)別為Ⅱ～Ⅴ級(jí)，Rc最大值為90 Mpa。不良地質(zhì)如下。

（1） 斷層破碎帶。存在涌水、軟巖大變形的可能。隧址區(qū)對(duì)線(xiàn)路有影響的構(gòu)造主要有F7斷層破碎帶，其中F7斷層破碎帶長(zhǎng)度160 m，斷層破碎帶圍巖主要為風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖和石英片巖接觸段，受斷裂影響巖體破碎，Rc=30 MPa，[BQ]計(jì)算值為225，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。設(shè)計(jì)揭露到該斷層破碎帶帶，鉆探深度374.50～378.00 m，受構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈，破碎帶處巖石極為破碎，巖石為糜棱巖，手易掰斷，斷層富水程度為中等—強(qiáng)水區(qū)。

（2） 涌水。局部地段地下水豐富，水位較高，山體裂隙水較發(fā)育，由于花崗巖破碎，裂隙水發(fā)育，可能會(huì)產(chǎn)生較大涌水。

（3） 巖爆及大變形。隧道洞身最大埋深達(dá)1 112.6 m，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，局部圍巖主要以花崗巖等硬質(zhì)巖石為主，地下風(fēng)機(jī)房、豎井及橫通道等地下洞室錯(cuò)綜復(fù)雜，容易引發(fā)巖爆及軟巖大變形等高地應(yīng)力問(wèn)題，對(duì)隧道的施工安全有較大的威脅。

2 TBM設(shè)備選型

2.1 TBM國(guó)內(nèi)調(diào)研

根據(jù)調(diào)研情況，目前，國(guó)內(nèi)直徑8 m左右的大型TBM設(shè)備多采用敞開(kāi)式TBM，這主要考慮到大直徑TBM設(shè)備在掘進(jìn)過(guò)程中所需的推力要遠(yuǎn)大于一般直徑的TBM設(shè)備，而襯砌管片所能提供的推力有限，在掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)推力在很大程度上要由圍巖上的撐靴來(lái)提供，因此采用單護(hù)盾式TBM不太可行。而雙護(hù)盾式盾構(gòu)雖然能夠通過(guò)其尾部的兩個(gè)撐靴共同提供掘進(jìn)推力，但是在地層適應(yīng)性上存在一定的限制，在復(fù)雜條件下，若TBM自身設(shè)計(jì)的超前預(yù)處理措施無(wú)法解決地層問(wèn)題時(shí)仍需要采用導(dǎo)坑超前進(jìn)行鉆爆法開(kāi)挖預(yù)處理的方式通過(guò)，這時(shí)采用帶護(hù)盾的TBM有所限制，常規(guī)小直徑隧道 （約≤5 m） 時(shí)，復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)TBM掘進(jìn)以及結(jié)構(gòu)安全的影響則要遠(yuǎn)小于大直徑TBM （≥8 m），這也是小直徑隧道多采用雙護(hù)盾TBM，而大直徑隧道采敞開(kāi)式TBM的一個(gè)主要原因。

2.2 TBM選型

與敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)相比，雙護(hù)盾式TBM掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì)主要在于二次襯砌的快速化施工和軟弱圍巖段的快速掘進(jìn)，根據(jù)本項(xiàng)目的地質(zhì)條件，軟弱圍巖段基本處于斷層破碎帶或其影響帶，在這種復(fù)雜地質(zhì)條件下，8 m直徑左右的洞室掘進(jìn)采用雙護(hù)盾式TBM通過(guò)時(shí)仍需要采取可靠、充分的超前預(yù)處理措施，這與采用敞開(kāi)式TBM、超前預(yù)處理后掘進(jìn)通過(guò)并不具備太大優(yōu)勢(shì)，兩種設(shè)備均有相應(yīng)的措施順利通過(guò)斷層破碎帶及其影響帶，不同之處在于雙護(hù)盾式TBM通過(guò)地層弱加固、快速掘進(jìn)、二襯及時(shí)跟進(jìn)的方式保證結(jié)構(gòu)的安全，而敞開(kāi)式TBM通過(guò)地層強(qiáng)加固、慢速掘進(jìn)、加強(qiáng)初期支護(hù)的方式保證結(jié)構(gòu)的安全，在施工效率上雙護(hù)盾式TBM略?xún)?yōu)。

本項(xiàng)目除了斷層破碎帶外并不存在其余的軟弱圍巖段落，雙護(hù)盾式TBM需要配套的拼裝設(shè)備系統(tǒng)、管片預(yù)制等相應(yīng)的工程和設(shè)備措施，工程費(fèi)用上大大高于敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)。因此，本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)推薦采用地層適應(yīng)性更強(qiáng)的敞開(kāi)式TBM進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到施工效率最大化和地層適應(yīng)性最好的目的。

3 TBM施工不良地質(zhì)預(yù)防及處理措施

3.1 主要不良地質(zhì)

隧道主要不良地質(zhì)是涌水、高地應(yīng)力產(chǎn)生的巖爆及大變形等。

隧道圍巖的斷層破碎帶、巖體侵入接觸破碎帶、節(jié)理密集帶、富水帶等較為發(fā)育，巖體較破碎—破碎，圍巖級(jí)別較低，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(kāi)挖可能導(dǎo)致涌突水現(xiàn)象；隧道最大埋深超過(guò)1 200 m，且部分巖體為花崗巖等硬質(zhì)巖，隧道開(kāi)挖后可能會(huì)產(chǎn)生巖爆，其中，SZK02鉆孔ZK79＋320和YK79＋350附近產(chǎn)生應(yīng)力集中，存在中等巖爆的可能；隧道穿越斷層破碎帶，地層巖性局部為軟巖，可能存在高地應(yīng)力現(xiàn)象，因此隧道深部軟質(zhì)巖存在大變形的可能。

3.2 TBM施工預(yù)防及處理措施

3.2.1 涌水

涌水對(duì)施工影響較大，嚴(yán)重的涌水可能造成施工中斷，威脅施工人員人身安全，在確保安全的前提下，以滿(mǎn)足TBM設(shè)備掘進(jìn)為條件，實(shí)施堵、排相結(jié)合的綜合處理措施。

（1） 探水。堅(jiān)持實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采取鉆探＋物探等多種探測(cè)手段，多種探測(cè)方法相互印證的綜合預(yù)報(bào)方法。

（2） 排水。TBM設(shè)備上布置強(qiáng)大的排水系統(tǒng)，TBM排水系統(tǒng)分為正常掘進(jìn)排水系統(tǒng) （小方量） 和應(yīng)急排水系統(tǒng)（大方量）。涌水正坡段由TBM排水系統(tǒng)直接引排至平導(dǎo)中部的梯形排水溝；反坡地段采用移動(dòng)泵站的排水方法。隧道洞身線(xiàn)路縱坡為人字坡，進(jìn)口段12.615 km為2%的上坡，出口段8.285 km為-0.5%的下坡，出口段反坡地段2 190 m需反坡排水，設(shè)泵站接力排水，引排至正坡洞中部的梯形排水溝。洞口梯形排水溝在路基外側(cè)設(shè)置污水處理系統(tǒng)后引排至路基排水溝。

（3） 堵水或引排。涌水點(diǎn)出護(hù)盾后，根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)施封堵、引排措施或是封堵和引排相結(jié)合的綜合措施。

3.2.2 巖爆

TBM工法本身是防治巖爆非常有效的手段。由于采用機(jī)械掘進(jìn)開(kāi)挖，對(duì)圍巖的擾動(dòng)非常小，同時(shí)，開(kāi)挖面為圓形，開(kāi)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(duì)減少巖爆的發(fā)生和降低巖爆的發(fā)生等級(jí)非常有效。

在巖爆段施工堅(jiān)持“防治結(jié)合”的原則，根據(jù)施工中巖爆的不同級(jí)別分別采取不同的施工方法和措施進(jìn)行預(yù)防和處理，主要應(yīng)對(duì)措施有。

（1） 根據(jù)地質(zhì)資料，加強(qiáng)設(shè)備的能力儲(chǔ)備，主要提高設(shè)備的扭矩、推力，盡量減少刀盤(pán)外露面積，減少盾體長(zhǎng)度，刀盤(pán)配置擴(kuò)挖功能。

（2） 采取向巖面噴水、噴霧或深孔注水辦法，降低表面脆性或降低巖石硬度。

（3） 采用漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼纖維混凝土等新材料、新工藝試驗(yàn)，防止或者減弱巖爆發(fā)生及其造成的影響。

（4） TBM尾盾上設(shè)置鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)，防止落石造成的損失，初噴完成后，對(duì)初支背后的松散體注漿加固。

（5） 對(duì)TBM后配套采取搭設(shè)防護(hù)棚等措施進(jìn)行防護(hù)，確保人員及設(shè)備安全。

（6） 對(duì)于中等—較弱的巖爆，及時(shí)噴錨網(wǎng)支護(hù)，減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，減少巖片剝落造成的安全隱患。

（7） 針對(duì)強(qiáng)巖爆地段，采用TBM自帶的超前鉆機(jī)鉆孔，對(duì)開(kāi)挖面周邊進(jìn)行弱爆破以超前釋放部分地應(yīng)力，然后TBM掘進(jìn)通過(guò)。

（8） 必要時(shí)采取加密拱架間距、加大拱架型號(hào)、加密錨桿間距等參數(shù)，加強(qiáng)支護(hù)強(qiáng)度。3.2.3 高地應(yīng)力、圍巖大變形

（1） 主驅(qū)動(dòng)采用電液混合驅(qū)動(dòng)技術(shù)，提高脫困扭矩。若圍巖變形過(guò)大，導(dǎo)致刀盤(pán)被卡，可通過(guò)設(shè)備上配置的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行脫困。

（2） 后配套設(shè)計(jì)預(yù)留足夠的圍巖變形量空間，保證后配套順利通過(guò)。

（3） 圍巖松散地段，撐靴處預(yù)加固。TBM掘進(jìn)斷層破碎帶地層時(shí)，撐靴無(wú)法撐緊洞壁，需要對(duì)撐靴處圍巖進(jìn)行預(yù)加固。

（4） 通過(guò)增加墊塊的方式，可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的擴(kuò)挖功能，刀盤(pán)直徑可擴(kuò)挖量為10～300 mm。擴(kuò)挖后為保證TBM機(jī)刀盤(pán)圓心處于同一水平面，抬升主驅(qū)動(dòng)，必要時(shí)按照擴(kuò)挖要求進(jìn)行TBM機(jī)主驅(qū)動(dòng)抬升的專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 撐靴部位預(yù)加固圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，考慮到該工程項(xiàng)目尚未施工，以上敞開(kāi)式TBM選型和不良地質(zhì)預(yù)防處理措施可為高速公路長(zhǎng)大隧道施工提供參考。除敞開(kāi)式和護(hù)盾式選擇外，其他輔助系統(tǒng)的選擇也是整個(gè)TBM選型的關(guān)鍵；要結(jié)合項(xiàng)目工期合理配置TBM的出渣和運(yùn)輸設(shè)備方式，充分發(fā)揮各類(lèi)TBM掘進(jìn)速度快的作用。同時(shí)，要加強(qiáng)TBM的駐廠(chǎng)監(jiān)造，提高加工質(zhì)量，確保項(xiàng)目施工順利完成。