雙護盾TBM采用錨噴支護試驗研究

黃正海，邢阿龍，汪華東

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，成都，611130)

1 工程概況

西藏派墨公路位于西藏米林縣和墨脫縣境內(nèi)，全長64.73km，其中的多雄拉隧道總長度4.784km，圍巖主要為混合片麻巖和花崗片麻巖，平均抗壓強度為75MPa～90MPa，石英含量為15%～30%，耐磨性指標在4～5.5之間。

開挖洞徑9.13m，采用雙護盾TBM獨頭逆坡掘進，開挖后襯砌厚度35cm的采用“6+1”型四邊形預制混凝土管片，襯砌后隧洞直徑8.1m。隧道進口高程3547m，出口高程3566m，最大埋深約為832m。

2 試驗思路形成

2.1 雙護盾TBM特點

雙護盾TBM集隧道掘進、管片襯砌、回填、灌漿等功能為一體，在遇到軟巖時，由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進，一次完成開挖、襯砌和灌漿作業(yè)。所有工作內(nèi)容均在護盾和預制混凝土管片的防護下進行，開挖成型的圍巖不裸露，施工作業(yè)安全系數(shù)高，但受預制混凝土管片安裝、灌漿的速度限制，總體掘進速度較慢。

雙護盾TBM在遇到硬巖時，在不進行管片安裝和灌漿即可保證施工和工程安全的情況下，可用支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進，從而不受預制混凝土管片安裝的限制，實現(xiàn)快速掘進的目的。

2.2 開敞式TBM特點

在較完整且有一定自穩(wěn)性的圍巖特別是在硬巖和中硬巖掘進中，開敞式TBM強大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力，同時，全面的支護系統(tǒng)能夠在掘進過程中同步對出露的不穩(wěn)定圍巖進行及時、系統(tǒng)的錨網(wǎng)噴和鋼拱架支護，確保圍巖總體穩(wěn)定，有利于實現(xiàn)TBM快速掘進。掘進過程中不需要安裝鋼管片，反作用力來源于支撐系統(tǒng)。

2.3 試驗期望目標

因雙護盾TBM沒有裝備錨、網(wǎng)、噴等初期支護系統(tǒng)，為充分發(fā)揮TBM快速掘進的優(yōu)勢，同時增加TBM對不良地質(zhì)段的適應能力，加快TBM總體施工進度，降低停機支護、卡機等風險，希望通過本次試驗，總結(jié)出一套雙護盾TBM與開敞式TBM支護系統(tǒng)相結(jié)合的快速掘進工藝。

2.4 本次試驗中設(shè)備上的不足及對策措施

本工程采用的雙護盾TBM未配置錨噴支護系統(tǒng)和后續(xù)混凝土二襯設(shè)備，無法實現(xiàn)開敞式TBM快速進行錨網(wǎng)支護施工的優(yōu)點，無法實現(xiàn)同步襯砌。所以采取的對策措施包括：

(1)鑒于本次僅進行工藝試驗，故暫不考慮噴射混凝土工序，待TBM掘進完成路面形成交通條件后再實施噴混凝土施工。

(2)增加支護施工人員，并配備10臺手風鉆，以加快錨桿鉆孔施工速度，減少錨桿支護施工對TBM掘進速度的影響。

3 雙護盾TBM錨網(wǎng)支護試驗方案

3.1 試驗前提條件

(1)要求試驗段圍巖在Ⅲ類A圍巖以上，并不能有垮塌和大的掉塊，沒有高地應力，不能產(chǎn)生巖爆或偏壓造成的崩塌、掉塊，圍巖具備經(jīng)拱部80°范圍錨桿及掛網(wǎng)支護后長時間(4個月)自穩(wěn)能力。

(2)雙護盾TBM轉(zhuǎn)換為錨網(wǎng)支護施工時，在正常施工洞段和不良地質(zhì)段，安裝底部兩塊管片后均可以完成換步和姿態(tài)調(diào)整。

3.2 試驗方案規(guī)劃

(1)在Ⅱ類、Ⅲa圍巖洞段選擇長度300m進行雙護盾TBM錨網(wǎng)支護施工試驗。

(2)圍巖脫離尾盾后立即實施掛網(wǎng)及隨機錨桿施工，保證網(wǎng)片臨時穩(wěn)定。

(3)局部破碎段的Ⅲ類圍巖洞段，采用錨桿、鋼筋排、噴混凝土和錨桿、工字鋼拱架、網(wǎng)片、噴混凝土兩種聯(lián)合支護措施。

(4)TBM錨網(wǎng)支護段的錨桿采用手風鉆施工，利用TBM機上配套的4臺空壓機供風。

(5)根據(jù)超前地質(zhì)預判結(jié)果和實際圍巖情況，確定TBM錨網(wǎng)支護段和恢復管片襯砌位置。在TBM正常掘進與錨網(wǎng)支護轉(zhuǎn)換時，錨網(wǎng)支護施工前應設(shè)置結(jié)束環(huán)。

(6)在試驗段，TBM設(shè)備防護主要采用鋼筋網(wǎng)片、膠皮、帆布、彩條布對電氣設(shè)備、電路管線、豆粒石及砂漿、水泥罐等容易受水危害的部位進行主動防護。

3.3 試驗施工程序

雙護盾TBM錨網(wǎng)支護試驗施工程序為雙護盾模式掘進→清除護盾上的跌落小塊體→圍巖脫離尾盾后在管片安裝器走臺進行掛網(wǎng)及隨機錨桿施工→底部兩塊管片安裝及豆粒石砂漿回填→采用手風鉆進行系統(tǒng)錨桿施工→豆粒石平臺進行剩余系統(tǒng)錨桿施工并局部掛網(wǎng)→后期TBM掘進完成后按設(shè)計要求補齊掛網(wǎng)及噴混凝土施工。

4 TBM錨網(wǎng)支護試驗的重點難點

4.1 TBM錨網(wǎng)支護施工洞段選擇

以3.1(1)的要求為前提，否則必須恢復管片襯砌施工。施工洞段必須根據(jù)超前地質(zhì)預判結(jié)果并結(jié)合實際情況來確定TBM錨網(wǎng)支護實施樁號及長度。

4.2 錨網(wǎng)支護施工對TBM設(shè)備的要求

雙護盾TBM轉(zhuǎn)換為錨網(wǎng)支護施工時，僅安裝底部兩塊管片，借助輔推油缸支撐管片來完成換步和調(diào)向，會出現(xiàn)TBM主機抬頭的現(xiàn)象，對TBM掘進軸線及高程控制不利。

4.3 TBM錨網(wǎng)支護施工結(jié)束后的初始環(huán)設(shè)置

TBM錨網(wǎng)支護段結(jié)束恢復管片安裝時，必須設(shè)置初始環(huán)反力座。其作用是穩(wěn)定分塊安裝的管片，抵抗輔推油缸推力實現(xiàn)換步。

4.4 降塵降噪及支護進度

本次試驗因采用手風鉆施工錨桿，支護進度與TBM掘進進度不匹配，所產(chǎn)生的粉塵和噪音遠遠大于TBM正常掘進施工，且影響TBM操作室電氣系統(tǒng)和VMT設(shè)備等的正常運行。

4.5 隧洞內(nèi)底板清渣

轉(zhuǎn)為TBM錨網(wǎng)支護方式后因缺少襯砌管片的防護，圍巖脫落石塊和錨桿施工形成粉塵等遠大于TBM正常掘進時的清渣量，尤其影響TBM設(shè)備喂片機的正常運行。

5 雙護盾TBM錨網(wǎng)支護試驗施工

5.1 試驗施工準備

5.1.1 施工人員和新增設(shè)備準備

(1)根據(jù)TBM掘進情況和超前地質(zhì)預判確定TBM錨網(wǎng)支護施工洞段。

(2)提前準備齡期達到28d的結(jié)束環(huán)管片。

(3)進行施工人員的組織、技術(shù)培訓和安全培訓。

(4)準備手風鉆(YT-28)、掛網(wǎng)施工用電錘、混凝土攪拌機等設(shè)備。

5.1.2 TBM錨網(wǎng)支護材料儲備

(1)材料包括設(shè)備防護材料(膠布、雨棚等)、錨桿、工字鋼拱架、勞保用品等。

(2)要求提前進行滑行段管片生產(chǎn)，并根據(jù)各管片尺寸及拼裝方式將底部管片進行分類堆放。

5.2 錨網(wǎng)支護試驗過程

5.2.1 錨網(wǎng)支護施工前的準備工作

5.2.1.1 雙護盾模式下施工結(jié)束環(huán)并進行加固

在轉(zhuǎn)換為雙護盾TBM錨網(wǎng)支護模式時，利用管片安裝器環(huán)形平臺在支護開始前對襯砌管片結(jié)束環(huán)進行加固。以約束固定已襯砌管片防止發(fā)生位移。加固措施為：

(1)預制管片增加預留孔，采用錨桿錨固鎖定；

(2)輔推油缸加墊木臨時頂撐，封堵?lián)躅^模板并回填豆粒石灌漿或灌注水泥砂漿。

5.2.1.2 錨網(wǎng)支護工藝

工藝流程為結(jié)束環(huán)管片襯砌→手風鉆錨桿施工→結(jié)束環(huán)封堵模板施工→豆礫石回填灌漿→TBM錨網(wǎng)支護施工。

為防止管片上的預留孔出現(xiàn)漏氣，用水泥砂漿將預留孔進行封堵，在管片安裝完成后再對封堵砂漿進行清理，以確保抓吸穩(wěn)固和安全。

5.2.1.3 特制管片生產(chǎn)

根據(jù)結(jié)束環(huán)反力座每個構(gòu)件布置圖和結(jié)束環(huán)反力座每個構(gòu)件示意圖，進行預制管片生產(chǎn)，且確保管片安裝達到28d齡期。

5.2.1.4 結(jié)束環(huán)錨桿

結(jié)束環(huán)錨桿采用藥卷錨桿φ25，L=3m(錨固深度2.8m)，錨桿端頭鋼墊板(15cm×15cm)固定。

5.2.1.5 豆礫石灌漿或砂漿回填

(1)因結(jié)束環(huán)管片在脫離尾盾后，與TBM尾盾幾乎沒有空間，為防止結(jié)束環(huán)回填灌漿時，水泥漿串漿，需將管片完全脫離尾盾后設(shè)置封堵模板，以確保末端管片回填飽滿。

(2)需在TBM輔推油缸推出前，自上而下在輔推油缸蹬靴與末環(huán)管片之間加100cm長的35cm×35cm的方木撐墊，以便使末環(huán)管片完全脫離尾盾并具有50cm的側(cè)面擋頭模板施工空間。

(3)TBM推出結(jié)束環(huán)管片且封堵模板施工完成后，進行底拱砂漿回填(底部90°范圍)。

(4)在底部砂漿灌注完畢之后，采用5mm～10mm豆礫石回填(頂部270°范圍)管片外側(cè)與圍巖之間的空腔，自下而上且兩側(cè)交叉對稱直到頂拱的吹灌方式充填密實，吹填風壓為0.3MPa～0.5MPa。吹填完成后孔隙采用水灰比為0.5∶1的P.O42.5水泥漿液進行充填。

5.2.2 掛網(wǎng)施工

掛網(wǎng)施工包括拱部80°范圍隨機掛網(wǎng)和拱部246°范圍的系統(tǒng)掛網(wǎng)，網(wǎng)片為長2.1m、寬1.5m，間距為15cm×15cm的φ8鋼筋網(wǎng)。

(1)隨機掛網(wǎng)在圍巖脫離尾盾后立即實施，網(wǎng)片采用隨機錨桿及電錘鉆孔鋼筋固定。

(2)系統(tǒng)掛網(wǎng)施工在路面形成后實施，網(wǎng)片采用系統(tǒng)錨桿及電錘鉆孔鋼筋固定。

5.2.3 底部管片安裝

為保證TBM掘進換步正常進行及后配套臺車高程適當、行走順利，TBM錨網(wǎng)支護施工仍須進行底部兩塊管片安裝，底部管片采用輕型管片的規(guī)格有ABCDEF塊，且按拼裝方式進行分類堆放，每堆只堆放兩塊。為避免上下作業(yè)安全隱患，在上部危石清理和掛網(wǎng)施工完成后，人工清理底部石渣，最后進行底管片的安裝。當滑行管片推出尾盾后，進行底拱砂漿回填(底部114°范圍)，砂漿灌注時用灌漿塞封堵串漿孔。

5.2.4 雙護盾TBM錨網(wǎng)支護掘進方式

因管片只安裝了底部兩塊，無法為輔推油缸掘進推進提供反力，因此TBM錨網(wǎng)支護施工掘進按TBM正常掘進雙護盾模式進行，在掘進過程中安排兩名具備豐富排險經(jīng)驗的人員利用管片安裝器走臺(可往返移動)對尾盾上跌落的石塊及危巖體進行清除。同時，錨桿施工在底部管片安裝完成后進行。

5.2.4.1 隨機錨桿支護

當巖面脫離尾盾后若發(fā)現(xiàn)楔形體、不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面則應立即施做隨機錨桿并掛網(wǎng)，必要時應放慢掘進速度以滿足支護要求。根據(jù)現(xiàn)場圍巖脫離尾盾后具體情況在拱部80°范圍利用手風鉆造孔，采用長度L=2m，φ22藥卷錨桿進行隨機加固。

5.2.4.2 系統(tǒng)錨桿支護

在管片安裝平臺雖然施工了隨機錨桿，但為整體防止巖體出現(xiàn)應力收斂巖塊脫落現(xiàn)象，需對拱部180°范圍施工系統(tǒng)錨桿。1#臺車平臺空間受限先做拱部80°系統(tǒng)錨桿支護，剩余系統(tǒng)支護待搭設(shè)施工臺車集中進行施工。

系統(tǒng)錨桿利用手風鉆造孔，采用長度L=2m，φ22間排距120cm的藥卷錨桿梅花形布置。隧道周邊徑向布置的錨桿外插角為60°～80°。錨桿應與巖體主結(jié)構(gòu)面或巖層層面呈大角度布置。

5.2.5 雙護盾TBM錨網(wǎng)支護結(jié)束后初始環(huán)反力座施工

TBM錨網(wǎng)支護段結(jié)束恢復管片安裝時，必須設(shè)置初始環(huán)反力座，其作用是穩(wěn)定分塊安裝的管片，抵抗輔推油缸推力實現(xiàn)換步。為盡量加快反力座施工速度，建議采用工字鋼拱架并現(xiàn)澆混凝土與錨桿聯(lián)合受力的反力座結(jié)構(gòu)。

5.2.5.1 初始環(huán)設(shè)計

初始環(huán)反力座長度3m，厚度50cm，表面平管片內(nèi)表面。反力座結(jié)構(gòu)采用工字鋼拱架、錨桿和現(xiàn)澆混凝土聯(lián)合受力。工字鋼拱架采用I18，間距0.75m/榀，布置于內(nèi)表面，保護層厚度5cm；錨桿采用長度L=3m，φ22，間排距1.5m×0.75m砂漿錨桿梅花布置，外露45cm且與工字鋼連接。用φ22螺紋鋼筋進行連接后襯砌厚度為50cm的C30混凝土。

5.2.5.2 初始環(huán)反力座施工

(1)初始環(huán)反力座錨桿施工

在TBM錨網(wǎng)支護結(jié)束后，TBM每掘進1.8m，采用管片安裝器上的液壓錨桿鉆機，進行錨桿孔施工，孔深2.6m，液壓鉆機無法施工的部位采用YT-28手風鉆造孔，清孔采用高壓風水槍聯(lián)合沖洗孔內(nèi)巖粉和積水，直至干凈；錨桿采用錨桿注漿機灌注M20的P.O42.5水泥砂漿，注漿時注漿管插至距孔底50mm～100mm，隨砂漿的注入緩慢勻速拔出，然后插入錨桿。

(2)初始環(huán)鋼拱架安裝及加固

TBM每掘進1.8m且錨桿施工完成，待凝結(jié)束后，開始進行I18工字鋼拱架安裝施工。TBM掘進只在底部114°范圍敷設(shè)2塊標準塊管片滑行，頂部246°范圍進行工字鋼拱架安裝。鋼拱架每榀分四節(jié)安裝，每節(jié)鋼拱架弧長4.8m，弧度R=4370mm。鋼拱架安裝采用單節(jié)安裝形式，自下至上進行安裝，單節(jié)鋼拱架應與錨桿牢固焊接，再進行下節(jié)鋼拱架安裝，I18工字鋼端部應焊接帶孔鋼板，兩節(jié)鋼拱架間采用M20螺栓進行固定。

(3)初始環(huán)現(xiàn)澆混凝土施工

錨桿和I18工字鋼拱架施工完成后，對工字鋼拱架外側(cè)設(shè)置剪力架φ22連接鋼筋，然后對高度3m范圍的反力座現(xiàn)澆C30混凝土進行加固，拱頂部則采用濕噴厚度為50cm的C30混凝土進行加固。噴混凝土前，應采用膠布、帆布、彩條布對尾盾至豆礫石平臺位置設(shè)備、液壓管路等進行遮蓋，防止混凝土回彈后對設(shè)備的侵害。

5.2.6 局部破碎洞段施工

為保證雙護盾TBM錨網(wǎng)支護安全通過局部破碎洞段，需根據(jù)局部破碎洞段圍巖具體情況，可靈活采用以下兩種聯(lián)合支護措施。

5.2.6.1 錨桿、鋼筋排、噴混凝土聯(lián)合支護措施

根據(jù)破碎洞段巖體情況和破碎段長度，利用手風鉆造孔，采用長度L=2.5m間排距1m×0.5m的φ22藥卷錨桿梅花形布置進行緊急加固，外露10cm并與鋼筋排焊接。鋼筋排采用φ22螺紋鋼，其縱向間距10cm，環(huán)向間距50cm。鋼筋排焊接完成后，濕噴厚22cm的混凝土。

5.2.6.2 錨桿、工字鋼拱架、網(wǎng)片、噴混凝土聯(lián)合支護措施

對于極不穩(wěn)定的局部破碎洞段(具體由設(shè)計院確定)，采用長度L=2.5m間排距1m×0.5m的φ22藥卷錨桿梅花形布置進行緊急加固，外露20cm并與工字鋼拱架焊接。錨桿施工采用管片安裝器位置的液壓鉆機進行。圍巖脫離指型護盾后立即安裝底管片以上246°范圍I16間距50cm工字鋼拱架，每支護循環(huán)不少于3榀拱架，拱架之間采用φ22鋼筋進行連接加固，然后進行掛網(wǎng)施工，網(wǎng)片采用φ8@15cm×15cm，最后噴22cm厚混凝土。

6 試驗效果評估

6.1 試驗過程

本次試驗于2017年6月22日開始，至2017年7月10日結(jié)束，隧道開挖樁號K12+524.9.m至K12+626.1m，試驗段TBM掘進長度104.4m，其中試驗段圍巖類別均為Ⅲ類。

6.2 試驗效果評價

試驗段扣除掘進前后影響及準備時間后，TBM有效掘進總時間7d，日均進尺14.95m。由于配置支護設(shè)備受限，但在雙護盾TBM模式下采取錨桿及掛網(wǎng)支護方式，驗證了雙護盾TBM與開敞式TBM特點相融合的掘進模式的可行性。以后項目通過設(shè)備改造完善，可進一步提高TBM掘進效率。

7 結(jié)語

采用TBM進行隧道開挖施工的主要目的是利用TBM快速掘進的能力加快隧道施工進度。但因部分雙護盾TBM沒有隧道支護系統(tǒng)，在遇到長距離、自穩(wěn)能力較好的Ⅱ類或Ⅲa類圍巖時，一旦遇到小的掉塊或破碎帶，就需要轉(zhuǎn)成單護盾模式進行施工，無法發(fā)揮TBM快速掘進的能力，有悖于雙護盾TBM設(shè)計的初衷。

本次雙護盾TBM錨網(wǎng)支護試驗為后續(xù)雙護盾TBM設(shè)計提供了新的思路，從設(shè)計和制造階段解決了局部軟弱圍巖或破碎帶的系統(tǒng)支護問題，將可能大大提高雙護盾TBM的地質(zhì)適應能力和總體掘進速度，從而提高雙護盾TBM的適用性。