TBM穿越超長距離斷層破碎帶施工技術(shù)研究

陽爭榮，甘宇程，王松茂，金永就，鄭國萍

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

0 引言

開敞式TBM在我國山嶺隧道施工中應(yīng)用較多，然而在含有灰?guī)r巖溶地層的長大隧洞中應(yīng)用較少[1]，在相類似水利工程隧洞的方案選擇時，不少學(xué)者也針對各個項目特點對TBM 與鉆爆法施工進行過分析[2～5]。根據(jù)前期地勘資料及少開支洞對工期及造價的影響，本工程采取開敞式TBM施工。當(dāng)開敞式TBM 掘進到破碎帶時，容易出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)、掉塊，甚至有較大范圍的坍塌，也容易引起刀盤被淹埋、旋轉(zhuǎn)困難和卡機等問題[6～9]。根據(jù)以往國內(nèi)案例，穿越斷層破碎洞段處理方法研究較為單一，有的通過短暫的處理即安全通過，有的被迫停機處理長達數(shù)月，有的甚至帶來滅頂之災(zāi)，影響工期數(shù)年，最終更改設(shè)計路線或改為鉆爆施工方式才能完成。本文根據(jù)工程實例，對TBM設(shè)備進行改良和對TBM施工技術(shù)進行改進，結(jié)合其他施工技術(shù)，保證TBM設(shè)備安全、快速地通過超長距離斷層破碎洞段，提升了TBM在相似地層中的施工能力。

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)北干一標(biāo)段窯瓦～六浪隧洞TBM施工段，采用一臺全新美國羅賓斯公司生產(chǎn)的開敞式Φ5970 隧洞掘進機掘進施工。2018年7月2日，TBM隧洞掘進至掌子面（樁號B17+827.6），樁號B17+841.6～B17+836.8 段掘進方向右側(cè)側(cè)墻出現(xiàn)一條較大的溶蝕節(jié)理裂隙，長約5.2 m，寬約0.2～2.4 m，充填大量黃泥。繼續(xù)往前掘進，根據(jù)地層揭露情況，該地層為斷層破碎帶，圍巖以土層為主，側(cè)墻土體松軟，其中夾有塊石，整體自穩(wěn)性非常差，掘進過程中出現(xiàn)了頂拱土石坍塌、仰拱軟基、側(cè)墻土石坍塌、局部地層滲水等地質(zhì)問題。同時，開挖料為土料對開挖支護造成極大影響，造成了頂拱變形、刀盤結(jié)泥餅、皮帶機轉(zhuǎn)接口堵塞、皮帶頻繁被劃破等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響施工安全和施工進度。

2 施工難點

2.1 不可預(yù)見性

設(shè)計提供的地勘資料顯示該段地層為Ⅲ類圍巖，灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾薄層鈣質(zhì)泥巖、硅質(zhì)巖、微風(fēng)化，未顯示該段有大的不良地質(zhì)體[10]。待揭露圍巖表明該段地層屬于斷層破碎帶時，TBM設(shè)備盾體已經(jīng)進入了該段地層。

2.2 長度較長

該段超長斷層破碎帶長度約為103.166 m，大大超過了掘進過程中設(shè)計多次預(yù)估的長度，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了本標(biāo)段TBM 隧洞已探明的最復(fù)雜最難掘進的F5斷層的長度（約30 m左右）。

2.3 頂拱土石坍塌

由于穿越地層隧洞圍巖非常破碎，露出盾尾后，頂拱的土夾石就出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象（見圖1），安全防護措施無法做到萬無一失，對施工人員的安全造成較大威脅。

圖1 盾尾頂拱土石坍塌

2.4 側(cè)墻土石坍塌

由于該段超長距離斷層破碎帶整體為破碎的土夾石地層、土層等，掘進過程盾尾側(cè)墻伴隨崩塌。塌方體落在空間狹窄的隧洞底部（見圖2），需人工及時進行清理，對掘進施工效率造成極大影響。

圖2 側(cè)墻土石坍塌

2.5 仰拱軟基，嚴(yán)重威脅內(nèi)燃機車行駛和整個隧洞安全

由于TBM 設(shè)備掘進過程中刀盤需要在掌子面進行霧狀噴水作業(yè)，同時，部分洞段側(cè)墻及頂拱兩側(cè)存在少量滲水現(xiàn)象，造成仰拱表層土體在處于TBM盾體內(nèi)時已經(jīng)被水浸泡。待圍巖露出盾尾后，仰拱承載力已經(jīng)無法滿足支立拱架要求，容易出現(xiàn)拱架下沉現(xiàn)象，如不處理將造成拱頂破碎土石壓力整體壓沉拱架，進而拉垮隧洞，整體隧洞安全時刻面臨挑戰(zhàn)。

2.6 側(cè)墻空腔和土體松軟無法提供TBM推進足夠的反力

側(cè)墻土體較松軟，掘進過程中側(cè)墻坍塌形成空腔，無法提供撐靴足夠的反作用力，不采取有效措施根本無法保證TBM 設(shè)備前進。特別是應(yīng)對撐靴支撐軟弱圍巖塌腔不良的地質(zhì)條件，處理不當(dāng)時，可能造成人員傷害及設(shè)備傷害（如撐靴掉落）等，從而影響TBM的施工進度[11]。

2.7 夾雜塊石堵塞皮帶轉(zhuǎn)接口

TBM在斷層破碎帶開挖過程中，開挖料夾雜有大量不規(guī)則塊石，頻繁出現(xiàn)渣料堵塞皮帶機轉(zhuǎn)接口現(xiàn)象（見圖3），夾雜的塊石因懸空架落在轉(zhuǎn)接口數(shù)次割裂皮帶，造成意外停機，修補皮帶耗費了大量時間，極大地影響了TBM的掘進效率。

圖3 夾雜塊石堵塞皮帶轉(zhuǎn)接口

2.8 頂拱變形

由于頂拱堆積的土夾石壓力大，圍巖未露出盾尾前，已經(jīng)將TBM頂護盾壓縮至護盾能收縮的最小位置，造成拱架頂部安裝位置比原設(shè)計低15～20 cm（見圖4）。為解決此問題，采用了增加多臺千斤頂，加上護盾自帶油缸液壓千斤頂頂升，仍然無法將頂護盾頂回原位。

圖4 盾尾頂拱變形

2.9 頂拱滲水

2018年11月8日，TBM盾尾掘進方向右側(cè)12～15點位置出現(xiàn)滲漏水情況，盾尾至撐靴鋼拱架脫出盾尾后受拱頂破碎圍巖壓力產(chǎn)生較大變形影響TBM后配套通過。

2.10 刀盤結(jié)泥餅

由于開挖料基本為土體，TBM掘進過程中，又必須要進行少量霧狀噴水作業(yè)（作用一個是降溫、降塵，另一個是方便出渣）。土體和水混合后易結(jié)成泥餅，粘結(jié)在刀盤出渣口及刀倉內(nèi)。掘進過程中，幾乎每天都會出現(xiàn)渣土結(jié)成泥餅堵塞出渣口，造成無法出渣的情況，對掘進效率產(chǎn)生直接影響。同時，斷層破碎帶圍巖軟硬不均，影響刀具使用壽命[2]。

3 應(yīng)對措施

TBM 突遇超長距離斷層破碎帶，困難大、時間跨度長、處理效率低。為應(yīng)對各種施工難點，解決現(xiàn)場實際發(fā)生的各種困難和問題，采取了多種技術(shù)，同時結(jié)合現(xiàn)場實際，創(chuàng)新部分施工技術(shù)，較好地解決了本次斷層帶所遇到的各種困難和問題。

3.1 超前水平鉆探取芯

根據(jù)該斷層破碎帶地層的復(fù)雜性和長度的不可預(yù)見性，采取了超前水平鉆探取芯的方案。即TBM 設(shè)備在停機狀態(tài)下，施工人員進入刀倉內(nèi)，將刀盤中心刀拆除，獲取鉆探取芯位置，將取芯設(shè)備拆除分解，通過進人孔將拆解的設(shè)備部件逐件搬運至刀倉內(nèi)再進行組裝，取芯及芯樣分析見圖5。依靠該技術(shù)手段本次TBM 過斷層共進行了8 次超前水平鉆探取芯（累計取芯長度95.19 m），分階段獲取了掌子面前方地質(zhì)情況，有效地指導(dǎo)了TBM掘進各項參數(shù)的設(shè)定，同時為后續(xù)支護方式提供了理論依據(jù)，為安全穿越提供了地質(zhì)上的保障。

圖5 取芯及芯樣分析

3.2 Mcnally系統(tǒng)支護技術(shù)

根據(jù)頂拱坍塌情況，采取了Mcnally 系統(tǒng)支護技術(shù)（頂拱密排鋼筋排配合拱架加密加強支護方案），首先將鋼筋在洞外截斷制成縱向鋼筋排，人工將鋼筋提前搬運并插入TBM盾體鋼筋排儲存艙中。TBM 往前掘進時，再將鋼筋人工拔出儲存艙，配合鋼拱架支護加固拱頂（見圖6）。

圖6 Mcnally系統(tǒng)支護

3.3 側(cè)墻防坍塌臨時支護技術(shù)

TBM 在斷層中掘進，盾尾兩側(cè)土石伴隨崩塌，后期清理工作量較大，同時對隧洞整體支護穩(wěn)定性、安全產(chǎn)生較大影響，對隧洞施工人員產(chǎn)生較大威脅。面對此種情況，采取了兩種側(cè)墻加固技術(shù)加以解決。

3.3.1 側(cè)墻徑向錨筋+噴砼臨時支護技術(shù)

在土石露出盾尾后，馬上在頂拱120°兩側(cè)位置，采用大錘人工打入錨筋（由于空間有限，沒法采用大型設(shè)備進行施工）加以防護，再在側(cè)墻人工打入徑向錨筋，并初噴一層噴射混凝土，穩(wěn)固側(cè)墻土體（見圖7）。

圖7 側(cè)墻徑向錨筋+噴砼臨時支護圖

3.3.2 創(chuàng)新應(yīng)用了一種永久加固防盾尾土石坍塌技術(shù)

根據(jù)土石坍塌部位及該地層坍塌特點，結(jié)合TBM 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析研究，在側(cè)護盾位置（兩側(cè)各約90°范圍）采用弧形鋼板（廠家定制）焊接接長（長度1.2 m），延長側(cè)護盾（見圖8），將可能發(fā)生坍塌的部位進行封閉，以此保證在掘進和拱架安裝過程中，側(cè)墻土體不出現(xiàn)坍塌，徹底消除了隱患，大幅度縮短了工序時間，加快了掘進效率。

圖8 側(cè)護盾延長鋼板

3.4 隧洞仰拱軟基換填施工技術(shù)

在斷層破碎帶掘進過程中，隧洞地質(zhì)大部分為土層時，隧洞底部仰拱基本為軟基，面對有可能整體隧洞下沉，拱架支護失穩(wěn)的問題，采取了隧洞仰拱軟基換填施工技術(shù)加以解決，換填后仰拱見圖9。

圖9 換填后仰拱

3.5 側(cè)墻大撐靴加壓施工技術(shù)

斷層破碎帶中，側(cè)墻土體松軟（或塌空）無法提供TBM推進足夠的反力前進，采用了3種施工技術(shù)配合予以解決。

3.5.1 反復(fù)墊壓圓木、型鋼等方式，增加撐靴壓力

人工將加工好的圓木壓入已坍塌的側(cè)墻空腔，將撐靴撐在墊好的圓木上，若撐靴壓力達不到要求，繼續(xù)往坍塌空腔內(nèi)塞圓木或型鋼，反復(fù)多次，直到撐靴壓力達到TBM前進要求。

3.5.2 修改TBM掘進PLC程序

原設(shè)備PLC 程序在大撐靴頂撐壓力設(shè)置有一固定限值，壓力達到該數(shù)值，設(shè)備即可前進。根據(jù)程序邏輯關(guān)系，采取將這一限值進行最大化限小，減少了多次反復(fù)墊壓原木、型鋼的工序時間，提高了效率。

3.5.3 側(cè)墻大撐靴換填增壓施工技術(shù)

采取了側(cè)墻大撐靴換填增壓施工技術(shù)解決了大撐靴壓力不足的問題。具體做法是：圍巖露出盾尾，對側(cè)墻進行人工開挖（挖深約50 cm）清理，再采用噴射混凝土（人工筑模）噴至原開挖面（見圖10），待砼強度上升后，大撐靴壓力達到更改后的PLC設(shè)計值滿足掘進條件。

圖10 側(cè)墻大撐靴換填增壓

3.6 長距離隧洞皮帶洞內(nèi)冷粘技術(shù)

正常生產(chǎn)情況時，采用皮帶硫化技術(shù)處理類似皮帶斷裂問題，但花費時間較長，不利于斷層不良地層的及時處理。根據(jù)這一實際情況，采用了皮帶冷粘技術(shù)，克服了皮帶冷粘不適于潮濕環(huán)境這一難題，以較快的速度解決了快速修補連接皮帶問題，一定程度上確保了掘進和出渣順利。

3.7 斷層破碎帶拱架更換施工技術(shù)

由于TBM隧洞支護拱架與設(shè)備間隙非常狹小，本次斷層破碎帶掘進中，出現(xiàn)多段已成型拱架變形影響設(shè)備后配套通過的現(xiàn)象，需對已安裝拱架進行更換。針對該情況，采用了錨筋、自進式錨桿、錨噴臨時加固技術(shù)攻克了這一難題，成功安全更換了多段變形拱架，取得了較好的支護效果[12]，變形及更換拱架見圖11。

圖11 變形及更換拱架

3.8 TBM密閉刀倉“泥餅”破除施工

TBM 機手先將刀盤轉(zhuǎn)到合適的角度，然后鎖定。機手在刀倉口值守，安排2 名施工人員先后從進人口進入刀倉，采用專用自制工具按照事先設(shè)置的先后順序逐一對刀盤進料口、刀具周邊粘結(jié)的“泥餅”進行破除。

3.9 固結(jié)灌漿施工技術(shù)

斷層破碎帶中出現(xiàn)滲水，這對于TBM掘進過斷層破碎帶是一新的重大施工險情。針對該情況，采取了對漏水位置一定范圍固結(jié)灌漿預(yù)先臨時加固方案。本措施的及時有效實施確保TBM 設(shè)備安全穿越漏水點，確保了隧洞安全。

3.10 巖石劈裂施工技術(shù)

針對掘進過程中出現(xiàn)孤石的情況，采取了巖石劈裂技術(shù)。采用該技術(shù)有效地解決了大塊孤石對拱架支護的影響，同時采用該方法大大減小了對地層的擾動，大大降低了塊石塌方的可能性。在保證了人員和設(shè)備的安全的同時，更提高了支護效率。

4 結(jié)論

針對TBM 突遇超長距離斷層破碎帶出現(xiàn)的施工難點（地質(zhì)不可預(yù)見、長度較長、頂拱土石坍塌、側(cè)墻土石坍塌、仰拱軟基、刀盤結(jié)泥餅、皮帶修復(fù)、大撐靴增壓、頂拱變形等），采用超前水平鉆探取芯、Mcnally系統(tǒng)支護、側(cè)墻防坍塌臨時支護、隧洞仰拱軟基換填、側(cè)墻大撐靴加壓、長距離隧洞皮帶洞內(nèi)冷粘、斷層破碎帶拱架更換技術(shù)等多種施工技術(shù)相結(jié)合的方案，使TBM 安全、快速地通過了該段超長斷層破碎帶，取得了預(yù)期的效果。按照原設(shè)計TBM應(yīng)對斷層破碎帶的方案，采取超前固結(jié)灌漿配合鋼拱架施工，需10 個月通過該段地層，現(xiàn)在采取新方案比原設(shè)計方案縮短工期約3 個半月，同時較原設(shè)計方案更安全。該方案的成功實施，將為今后開敞式TBM施工提供新的解決思路，可為其他類似工程提供參考。