敞開(kāi)式TBM遇不良地質(zhì)洞段的處理

梁晨曦

(新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本工程采用敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)機(jī)施工，隧洞全長(zhǎng)41.8 km，隧洞埋深>500 m的洞段長(zhǎng)度約占70.6%，埋深>1000 m的洞段長(zhǎng)度約占38.1%，埋深>2000 m的洞段長(zhǎng)度約占7.2%，最大埋深為2268 m，屬深埋長(zhǎng)隧洞工程，且本工程具有“四大三高二強(qiáng)一害”(大埋深、大斷層、大變形、大水量、高水壓、高地溫、高地應(yīng)力、強(qiáng)蝕變、強(qiáng)巖爆和有害氣體)等特殊地質(zhì)特點(diǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜程度為國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)。在進(jìn)入華里西中期侵入的二長(zhǎng)花崗巖(具有不同程度的蝕變及突涌水)洞段時(shí)設(shè)備入孔處涌出大量泥石混合物，并將設(shè)備的1號(hào)皮帶壓停，造成 TBM卡機(jī)，掘進(jìn)被迫停止。后期通過(guò)施作大管棚依舊未能順利解決掘進(jìn)問(wèn)題。后通過(guò)管棚施作資料，突涌水量， TBM掘進(jìn)參數(shù)，刀盤(pán)入孔出現(xiàn)溜渣，1號(hào)皮帶多次壓停等情況分析出前方圍巖破碎程度加劇，巖體可灌性較差，滲水通道分散。

2 處理措施

2.1 總體施工方案

由于本工程洞徑3.25 m，上部空間狹小，須進(jìn)行管棚工作間擴(kuò)挖。首先從護(hù)盾尾部開(kāi)始進(jìn)行管棚工作間擴(kuò)挖，擴(kuò)挖完成后將ZM-90鉆機(jī)安裝至護(hù)盾后方，依次施作排水孔、短裸孔注漿孔、長(zhǎng)裸孔注漿孔、管棚，施工完成后對(duì)擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，TBM掘進(jìn)通過(guò)[1]。不良地質(zhì)洞段施工總體布置詳見(jiàn)圖1。

圖1 不良地質(zhì)洞段施工總體布置(單位：cm)

2.2 鉆機(jī)工作間擴(kuò)挖

(1)擴(kuò)挖段加固。擴(kuò)挖施工前首先對(duì)護(hù)盾尾部3.5 m(縱向)范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行加固，采用L1區(qū)錨桿鉆機(jī)與YT-28風(fēng)鉆施作徑向φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度6.0～7.5 m，入巖1 m，錨桿環(huán)向間距1 m，排距1.5 m，梅花形布設(shè)，施作范圍為拱頂270°，錨桿最后1 m不設(shè)孔，其余錨桿孔間距為0.5 m，錨桿間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行加密[2]。錨桿采用隔眼鉆孔和間隔注漿，采用HC材料進(jìn)行灌注，注漿壓力1～3 MPa。護(hù)盾后方灌漿施工時(shí)安排專(zhuān)人在刀盤(pán)內(nèi)值守，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情及時(shí)處理并通知人員撤離，漏漿及時(shí)封堵、通過(guò)調(diào)節(jié)注漿速率與調(diào)節(jié)劑摻量減小漏漿，HC注漿配合比為：HC材料∶水∶添加劑=1∶0.30∶0.15，施工中可根據(jù)注漿情況適當(dāng)調(diào)整漿液配合比。

(2)擴(kuò)挖施工。人工配合錨桿鉆機(jī)對(duì)護(hù)盾尾部3.5 m拱頂270°范圍內(nèi)圍巖進(jìn)行擴(kuò)挖，其中拱頂220°擴(kuò)挖為圓形斷面，開(kāi)挖半徑為4.156 m，下部為直墻斷面，均噴24 cm混凝土進(jìn)行支護(hù)。

擴(kuò)挖中對(duì)露出的錨桿進(jìn)行割除，護(hù)盾上部 30 cm 范圍內(nèi)不得殘留錨桿，以免影響后期管棚施工。

擴(kuò)挖由拱頂向兩側(cè)逐榀擴(kuò)挖，擴(kuò)挖段及擴(kuò)挖區(qū)后方2 m范圍內(nèi)主梁上方采用HW150型鋼施作門(mén)形臨時(shí)支撐。

(3)擴(kuò)挖段支護(hù)。擴(kuò)挖完成后安裝HW200型鋼拱架，間距≤50 cm，鋼拱架全環(huán)采用10#槽鋼進(jìn)行連接，槽鋼環(huán)向間距50 cm，拱頂180°范圍布設(shè)φ8的15 cm×15 cm鋼筋網(wǎng)。拱架安裝完成后拱腳采用HW200型鋼進(jìn)行縱向連接，拱腳施作50 cm×30 cm 的C40納米纖維混凝土基礎(chǔ)。拱架鎖腳采用φ42自進(jìn)式錨桿連接，布設(shè)于時(shí)針3點(diǎn)與9點(diǎn)及兩側(cè)拱腳位置，錨桿長(zhǎng)4.5～9.0 m，每處2根[3]。

系統(tǒng)錨桿布設(shè)在隧洞左側(cè)7點(diǎn)半至右側(cè)3點(diǎn)位置，采用φ25自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)6.0～7.5 m，環(huán)向間距1 m，排距1.5 m，梅花形布置。注漿壓力、配比等與擴(kuò)挖段相同。

支護(hù)完成的鋼拱架采用C40納米纖維混凝土封閉。混凝土施工為逐級(jí)施工，拱架安裝完成后未完成混凝土施工前不得進(jìn)行下一循環(huán)擴(kuò)挖。盾尾一側(cè)擴(kuò)大洞室端頭在護(hù)盾上部噴射30 cm厚混凝土(作為后期鉆孔施工的止?jié){墻)，與原斷面交接處擴(kuò)挖一側(cè)端頭噴射10 cm厚混凝土，兩側(cè)端頭噴射混凝土不得侵占管棚工作間界限。

2.3 管棚鉆機(jī)安裝

鉆孔作業(yè)時(shí)管棚鉆機(jī)通過(guò)托板及“U”型螺栓固定在前后兩個(gè)弧形梁上。移動(dòng)時(shí)鉆機(jī)前部脫離前部弧形梁，固定在懸臂梁上面，通過(guò)拱架拼裝器旋轉(zhuǎn)懸臂梁，帶動(dòng)鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)，完成洞室上部240°范圍內(nèi)鉆孔作業(yè)。鉆機(jī)尺寸為303.8 cm×49.6 cm×65.4 cm，重量1 t，鉆機(jī)安裝如圖2所示。

圖2 懸臂梁示意(單位：cm)

2.3.1 弧形梁

在主梁上焊接加工2段弧形梁，弧形梁使用HW150型鋼加工。鉆機(jī)安裝完成后，鉆機(jī)距離尾盾處30 cm，為拆裝鉆頭鉆桿預(yù)留足夠空間。

2.3.2 鉆機(jī)托板

鉆機(jī)托板使用2 cm鋼板加工制作，在鉆機(jī)托板開(kāi)孔4個(gè)，孔徑φ3 cm，使用M30的U型螺栓安裝固定鉆機(jī)。

2.3.3 懸臂梁

管棚鉆機(jī)懸臂梁通過(guò)法蘭盤(pán)螺栓安裝在拱架安裝器上，懸臂梁與鉆機(jī)采用螺栓連接，通過(guò)旋轉(zhuǎn)拱架安裝器帶動(dòng)懸臂梁旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鉆機(jī)移動(dòng)。懸臂梁采用HW150型鋼焊接加工，長(zhǎng)160 cm，間距85 cm。

2.3.4 管棚鉆機(jī)鉆孔作業(yè)

(1)鉆機(jī)固定鉆孔。①鉆機(jī)安裝完成后，調(diào)整好鉆機(jī)鉆孔位置，使用 U型螺栓將鉆機(jī)固定在弧形梁2上。②將懸臂梁與鉆機(jī)托板連接螺栓拆除，使鉆機(jī)落在弧形梁1上端。③再次調(diào)整鉆機(jī)，使用U型螺栓將鉆機(jī)固定在弧形梁1上。④完成單個(gè)位置鉆機(jī)鉆孔作業(yè)。

(2)鉆機(jī)移位。①單個(gè)位置鉆機(jī)鉆孔作業(yè)完成后，將鉆機(jī)驅(qū)動(dòng)端移至弧形梁2處。②拆松弧形梁1上鉆機(jī)托板與弧形梁連接螺栓，連接懸臂梁與鉆機(jī)托板連接螺栓。邊松弧形梁2上鉆機(jī)托板與弧形梁連接螺栓，邊緊固懸臂梁與鉆機(jī)托板連接螺栓，使鉆機(jī)前端抬起。③拆松弧形梁2上鉆機(jī)托板與弧形梁連接螺栓，使鉆機(jī)脫離弧形梁。④旋轉(zhuǎn)拱架安裝器帶動(dòng)懸臂梁旋轉(zhuǎn)，移動(dòng)鉆機(jī)位置。

(3)循環(huán)鉆孔作業(yè)。重復(fù)步驟(1)和步驟(2)完成鉆孔作業(yè)。

2.4 超前排水、加固施工

擴(kuò)挖施工期間同時(shí)采用YT-28風(fēng)鉆在刀盤(pán)內(nèi)施作φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿與φ32玻璃纖維錨桿對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行固結(jié)，刀盤(pán)輪廓內(nèi)錨桿采用玻璃纖維錨桿，刀盤(pán)外輪廓采用自進(jìn)式中空注漿錨桿，長(zhǎng)度不得小于2 m，孔壁開(kāi)孔(孔距25 cm)，玻璃纖維錨桿孔壁不得開(kāi)孔，施工完成后采用化學(xué)灌漿進(jìn)行圍巖加固。管棚工作間擴(kuò)挖完成后，安裝ZM-90管棚鉆機(jī)，空壓機(jī)放置于TBM設(shè)備尾部，通過(guò)敷設(shè)高壓管路將高壓風(fēng)輸送至主梁上部，風(fēng)管與ZM-90管棚鉆機(jī)連接，依次施作排水孔、裸孔注漿孔、管棚，各類(lèi)孔進(jìn)行分層施工，具體施工如下。

(1)排水孔施工。排水孔布置范圍為拱頂時(shí)針9點(diǎn)至14點(diǎn)位置，由于圍巖松散無(wú)法成孔，因此采用φ108根管管棚施作，管棚材料為外徑φ108熱處理調(diào)質(zhì)管。排水孔長(zhǎng)15 m，環(huán)向間距1 m，外傾角16°，管壁開(kāi)孔間距為25 cm，開(kāi)孔直徑14 mm，每斷面布設(shè)1個(gè)孔，排水孔布設(shè)半徑為3.758 m，排水孔由左側(cè)(面向掌子面)向右側(cè)施工。若無(wú)法準(zhǔn)確的確定水源補(bǔ)給通道，排水孔可根據(jù)施工完成后的排水情況適當(dāng)進(jìn)行孔位與數(shù)量調(diào)整。

(2)裸孔注漿孔。排水孔施作完成后采用裸孔灌漿對(duì)護(hù)盾上部松散體進(jìn)行固結(jié)，裸孔注漿孔采用φ146根管施作1.5 m后，采用φ108直錘鉆頭鉆進(jìn)，裸孔灌漿孔分為10 m與40 m兩種，裸孔灌漿采用分段掃孔鉆進(jìn)的方式，分段長(zhǎng)度根據(jù)鉆進(jìn)情況與注漿情況確定，裸孔布設(shè)半徑為3.531 m，注漿孔由右側(cè)(面向掌子面)向左側(cè)施工。

首先施作10 m長(zhǎng)裸孔，外傾角為10°，布設(shè)范圍為拱頂時(shí)針9點(diǎn)至14點(diǎn)，環(huán)向間距0.5 m。裸孔注漿采用孔口壓入式注漿方式，漿液類(lèi)型為膏狀特殊注漿材料(GT材料)，注漿壓力為1～6 MPa,注漿配合比根據(jù)試驗(yàn)確定，注漿過(guò)程中及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整注漿配合比，裸孔注漿完成后拆除孔口φ146根管。

10 m長(zhǎng)裸孔注漿孔施工完成后施作40 m長(zhǎng)裸孔灌漿孔，裸孔外傾角為6°，布設(shè)范圍為拱頂240°，環(huán)向間距為0.5 m，與10 m長(zhǎng)裸孔注漿孔間隔性布置。采用孔口壓入式注漿方式，漿液類(lèi)型為HC材料，注漿壓力為1～6 MPa，裸孔注漿完成后拆除孔口φ146根管，具體注漿孔位置及孔距可根據(jù)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

(3)管棚施工。采用YT-28鉆機(jī)鉆進(jìn)1 m，安裝φ146導(dǎo)向管(外傾4°)，環(huán)向間距30～40 cm，施工過(guò)程中對(duì)角度位置進(jìn)行復(fù)核，無(wú)誤后采用錨固劑充填巖壁與孔壁間隙。充填物終凝后采用ZM-90管棚鉆機(jī)進(jìn)行管棚施工，管棚布置范圍為頂拱240°，管棚布設(shè)半徑為3.323 m，管棚單根長(zhǎng)度為40 m，管棚為φ108根管管棚，材料為外徑φ108熱處理調(diào)質(zhì)管，單根長(zhǎng)度為30 m，其中頂拱180°環(huán)向間距為30 cm，拱底兩側(cè)30°環(huán)向間距為40 cm，鉆孔過(guò)程中發(fā)現(xiàn)卡鉆降低推力提高轉(zhuǎn)速[3]。管棚施工中根據(jù)情況選擇適合的位置施作檢查孔與排水孔φ108根管管棚護(hù)盾與刀盤(pán)上部9 m不設(shè)孔，避免后期漿液流入刀盤(pán)，超過(guò)刀盤(pán)段設(shè)溢漿孔(每環(huán)1孔，間距25 cm，孔徑1 cm)，梅花形布置。管棚施工首先采用φ130直錘鉆頭鉆孔，然后根管送入φ108根管。施工中在φ108管棚內(nèi)插入一根φ25耐高壓膠管(后期注漿施工中兼做排氣、射漿管)，采用高壓水通過(guò)膠管對(duì)孔內(nèi)雜物進(jìn)行清理，同時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行擾動(dòng)，增大圍巖孔隙率，提高持漿量，待管內(nèi)無(wú)石渣或污水流出時(shí)停止注水，采用錨固劑封堵管棚與巖壁間的空隙，封堵長(zhǎng)度50 cm。待充填物達(dá)到終凝后，連接注漿設(shè)備進(jìn)行管棚注漿，管棚施工采用隔孔施作。

注漿時(shí)管棚內(nèi)設(shè)置排氣管(兼做洗孔管、射漿管)，膠管外徑為25 mm，深入管棚內(nèi)39.5 m，距孔底50 cm。

注漿遵循“先稀后濃、先單液后雙液(HC材料+添加劑)”的原則。材料采用HC材料，孔口壓力0～6 MPa，終壓5 MPa，工藝使用管內(nèi)大循環(huán)，孔口壓入式注漿，利用耐高壓膠管進(jìn)行洗孔、排氣、射漿[4]。

2.5 擴(kuò)大洞室回填及TBM掘進(jìn)

管棚施工完成后進(jìn)行擴(kuò)挖段恢復(fù)，恢復(fù)采用HW200鋼拱架，上半斷面與下斷面鋼拱架焊接完成后采用14#槽鋼進(jìn)行滿焊加固，每端焊接長(zhǎng)度不小于15 cm?；謴?fù)的鋼拱架與擴(kuò)挖的鋼拱架間采用HW200型鋼進(jìn)行連接，每榀拱架連接不少于五處，梅花形布置。鋼拱架安裝完成后采用C30混凝土回填，完成后TBM掘進(jìn)通過(guò)。

2.6 掘進(jìn)中圍巖補(bǔ)強(qiáng)

掘進(jìn)過(guò)程中若刀盤(pán)前方出現(xiàn)塌方，可利用阿特拉斯1838超前鉆機(jī)，通過(guò)防塵護(hù)盾已切割完成的孔槽(或護(hù)盾尾部)隨機(jī)施作φ42自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況確定(最長(zhǎng)≤20 m)，錨桿外插角根據(jù)空間位置進(jìn)行調(diào)整，最大施作范圍為拱頂150°左右。錨桿施工完成后采用化學(xué)材料進(jìn)行灌注，注漿壓力為3～8 MPa。錨桿注漿完成后割除刀盤(pán)范圍內(nèi)的自進(jìn)式錨桿，TBM掘進(jìn)通過(guò)，施工中可根據(jù)圍巖情況將灌漿漿液調(diào)整為HC材料。

施工中護(hù)盾上部與刀盤(pán)前方出現(xiàn)局部塌腔時(shí)，采用化學(xué)灌漿進(jìn)行圍巖加固，護(hù)盾上部化學(xué)灌漿采用φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行灌注；刀盤(pán)正面采用φ32自進(jìn)式中空玻璃纖維錨桿進(jìn)行灌注，刀盤(pán)范圍外根據(jù)位置情況局部采用φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿進(jìn)行灌注，灌注完成后拔除刀盤(pán)范圍內(nèi)的錨桿，錨桿位置、長(zhǎng)度根據(jù)塌腔情況結(jié)合TBM空間進(jìn)行布設(shè)，化學(xué)灌漿注漿壓力3～8 MPa。

3 結(jié) 語(yǔ)

前期本工程采用的超前小導(dǎo)管及單獨(dú)管棚方法因圍巖破碎、水量較大等原因均未能成功渡過(guò)，后采用了文章中的方法成功渡過(guò)了300余米的不良地質(zhì)洞段，且通過(guò)監(jiān)測(cè)分析，隧洞處于穩(wěn)定狀態(tài)，充分說(shuō)明了此方法的可行性。深埋長(zhǎng)隧洞使用TBM掘進(jìn)機(jī)的項(xiàng)目越來(lái)越多，而深埋長(zhǎng)隧洞的地質(zhì)勘察手段有限，有時(shí)無(wú)法查清洞內(nèi)全部地質(zhì)危害，若處理不當(dāng)會(huì)造成極大的人員財(cái)產(chǎn)損失，希望通過(guò)此文能夠給類(lèi)似項(xiàng)目提供借鑒。