敞開式TBM穿越孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞施工技術(shù)研究

徐海峰，王 斌，徐鵬祖，楊延棟，王天一

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著地下工程的不斷發(fā)展，中國已經(jīng)成為隧道及地下空間工程規(guī)模最大、地質(zhì)條件最復(fù)雜、修建速度最快的國家之一，長大隧道TBM 的使用越來越廣泛，已經(jīng)在地鐵、市政、水電、鐵路等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、巖體破碎程度較大、TBM 長時(shí)間卡機(jī)、刀盤、刀具損傷等問題，致使TBM 掘進(jìn)過程中存在異常，輕則影響施工進(jìn)度，重則發(fā)生安全事故。

針對TBM 穿越不良地質(zhì)施工過程中的問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究和探索。齊夢學(xué)[1]等結(jié)合TBM 工程實(shí)踐，總結(jié)了10 項(xiàng)超前處置技術(shù)用于TBM 應(yīng)對不良地質(zhì)；楊騰添[2]等在傳統(tǒng)敞開式TBM 的基礎(chǔ)上，引入超前鉆注一體化裝備，建立了配套的TBM 超前加固技術(shù)，用于不良地質(zhì)超前加固；劉琪等[3]采用三維數(shù)值模擬的方法，揭示了TBM 穿越斷層破碎帶時(shí)的巖機(jī)作用關(guān)系；朱光軒[4]采用室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)的方法，建立了TBM穿越破碎地層刀盤被卡災(zāi)害判識(shí)方法；王亞鋒[5]等針對大瑞鐵路高黎貢山隧道，總結(jié)了TBM 穿越富水破碎地層的TBM 施工技術(shù)；張兵[6]等結(jié)合掌子面前方化學(xué)灌漿加固、小導(dǎo)洞開挖及超前管棚等方法，有效降低了TBM 在破碎地層掘進(jìn)刀盤被卡的風(fēng)險(xiǎn)；齊夢學(xué)[7]首次采用選項(xiàng)對比表形式綜述復(fù)雜地質(zhì)TBM 施工關(guān)鍵技術(shù)，提出解決斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形情況下TBM順利施工問題的關(guān)鍵技術(shù)；馮歡歡[8]等在總結(jié)分析遼西北供水等工程建設(shè)過程中出現(xiàn)的隧道局部塌方、TBM 卡機(jī)等案例及其影響因素的基礎(chǔ)上，從裝備改造、掘進(jìn)參數(shù)調(diào)控、施工過程控制等方面提出了相關(guān)的建議；羅武先[9]等總結(jié)了引松供水總干線TBM 穿越灰?guī)r巖溶段的具體措施和關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況對開敞式TBM 穿越灰?guī)r巖溶構(gòu)造地層的預(yù)報(bào)、處置等措施給出了建議；胡軍[10]提出了更換刀箱挖提供鋼管片安裝空間、鋼管片支護(hù)提高撐靴撐緊力、更換大減速比減速器提高刀盤脫困扭矩、優(yōu)化護(hù)盾結(jié)構(gòu)滿足護(hù)盾超前鉆孔支護(hù)等設(shè)備改造技術(shù)，有效解決了軟弱圍巖卡機(jī)問題；趙海雷[11]等依托于吉林引松供水四標(biāo)，通過對灰?guī)r隧洞段的特殊地質(zhì)條件進(jìn)行分析，提出了開敞式TBM 的針對性設(shè)計(jì)和克服不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的施工技術(shù)；孫振川[12]等依托于引松供水四標(biāo)段，結(jié)合工程實(shí)踐，提出TBM 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時(shí)支護(hù)等一系列確保TBM 連續(xù)施工的方案與措施。但對于其他工程的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。對于孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞的TBM施工技術(shù)目前鮮有報(bào)道，本文以滇中引水香爐山隧洞為依托開發(fā)針對性施工技術(shù)，對于TBM 安全穿越孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞意義重大。

1 工程概況及重難點(diǎn)

滇中引水工程是國家2020 年前開工建設(shè)的172 項(xiàng)重大水利工程10 大標(biāo)志性工程之首，滇中引水工程以解決滇中地區(qū)的城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)。

滇中引水工程大理Ⅰ段施工3 標(biāo)位于大理州鶴慶縣松桂鎮(zhèn)境內(nèi)，線路長約26.542km（TBM 掘進(jìn)總長度為20.802km，鉆爆段為4.845km，雙孔U 型渡槽595m)，標(biāo)段工程平面布置如圖1 所示，TBM 掘進(jìn)段隧洞開挖直徑?9.83m，設(shè)計(jì)縱坡1／1 800，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖1 標(biāo)段工程平面布置圖

2 孤石填充溶洞段TBM施工問題分析

2020 年11 月18 日，TBM 掘進(jìn)至X7K1+806位置時(shí)，TBM 皮帶機(jī)出渣過程中出現(xiàn)泥夾小塊孤石和片石，如圖2 所示。后續(xù)TBM 采用低轉(zhuǎn)速、低扭矩參數(shù)持續(xù)掘進(jìn)6.5m，皮帶機(jī)出渣變?yōu)榇髩K石夾溶蝕渣體，且溶蝕渣體不斷增多，出渣量持續(xù)增加為TBM 正常掘進(jìn)時(shí)出渣量的5～6 倍，輸送皮帶多次被壓死，且多處砸傷、劃傷。掘進(jìn)過程中扭矩和推力一直居高不下（推力20 000～25 000kN，扭矩10 000～15 000kNm），因扭矩過大造成電機(jī)多次出現(xiàn)切斷現(xiàn)象。

圖2 刮渣口及輸送帶渣體照片

3 孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞施工技術(shù)

孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞處理措施，主要通過超前鉆探和物探進(jìn)行對掌子面圍巖進(jìn)行研判，通過超前對掌子面超前加固，確保前方圍巖穩(wěn)定，破碎圍巖揭露后加強(qiáng)支護(hù)，并且對其及時(shí)封閉，使拱部松散體及塌腔進(jìn)行注漿加固和分層回填，確保施工安全。敞開式TBM 掘進(jìn)過孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞施工流程如圖3 所示。

圖3 TBM過孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞施工工藝流程圖

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前注漿加固

3.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用地質(zhì)調(diào)查、鉆探法和物探法（三維地震波法、激發(fā)極化法）探明隧洞前方地質(zhì)情況。通過現(xiàn)場踏勘，對地形、地貌以及圍巖情況進(jìn)行分析；通過鉆探和三維地震波法對掌子面前方圍巖情況進(jìn)行研判；通過激發(fā)極化法對前方地下水情況研判。

3.1.2 超前注漿加固

1）掌子面超前玻璃纖維注漿加固 通過TBM 刀盤刀孔、刮渣口采用YT-28 手持鉆機(jī)向掌子面前方施作4m 和6m 長度的?32mm 玻璃纖維錨桿，淺孔灌注化學(xué)漿形成2～3m 止?jié){墻。深孔灌注雙液漿對孤石堆積體進(jìn)行加固。每4m 一個(gè)循環(huán)管棚施工（搭接1m）。

2）拱部120°超前管棚注漿加固 在頂護(hù)盾尾部120°范圍施作長30m、?76mm 的中管棚，孔間距1.0m，灌注化學(xué)漿液對護(hù)盾頂部破碎巖體進(jìn)行加固。每20m 循環(huán)管棚施工（搭接10m）。

3）隧底超前管橋注漿加固 采用潛孔鉆機(jī)自TBM 底護(hù)盾后方90°范圍施作長8m 的?108mm管橋，孔間距1.0m，采用1：1～1：0.5水泥漿，超前加固隧底圍巖。每4m 一個(gè)循環(huán)管棚施工（搭接4m）。注漿壓力不小于0.3MPa，當(dāng)注漿壓力達(dá)到1.0MPa 或有回漿和滲漿時(shí)，停止注漿，防止?jié){液流入刀倉內(nèi)固結(jié)刀盤。

3.2 TBM掘進(jìn)參數(shù)與姿態(tài)控制

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

防止TBM 被孤石卡死和損傷，TBM 過孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞時(shí)，采用“低轉(zhuǎn)速、低推力、低扭矩”緩慢掘進(jìn)。溶洞加固前后TBM 掘進(jìn)參數(shù)如表1 所示。

表1 注漿加固前后TBM掘進(jìn)參數(shù)對比表

3.2.2 掘進(jìn)姿態(tài)控制

因孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞為全斷面貫穿性，TBM 掘進(jìn)過程中姿態(tài)控制難度較大，為防止“栽頭”，TBM 在孤石堆積體泥質(zhì)填充型溶洞段需保持“抬頭”姿態(tài)掘進(jìn)，水平趨勢保持在3.5～5.5mm／m，垂直偏差保持+100mm，并通過勤換步來及時(shí)調(diào)整TBM 姿態(tài)。

3.3 加強(qiáng)初期支護(hù)與徑向注漿加固

3.3.1 加強(qiáng)初期支護(hù)

1）溶腔段出露護(hù)盾后在設(shè)計(jì)最強(qiáng)錨噴支護(hù)類型初期支護(hù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)，鋼支撐間距為0.3m，鋼支撐背側(cè)密布?16mm 鋼筋排?？v向采用I20 半剖型鋼加強(qiáng)縱向連接，增加拱架強(qiáng)度。

2）對護(hù)盾尾部揭露的破碎圍巖立即采用應(yīng)急噴射混凝土設(shè)備對邊頂拱270°范圍噴射C25 聚丙烯粗纖維混凝土進(jìn)行封閉，確保圍巖穩(wěn)定安全。

3）隧底90°范圍采用C25 干硬性混凝土進(jìn)行封閉。

3.3.2 徑向注漿加固

1）自頂護(hù)盾后方拱部120°范圍內(nèi)打設(shè)?42小導(dǎo)管，深度3m，間、排距1.0m，先噴射厚50cmC25 聚丙烯粗纖維，后灌注1：1～1：0.5水泥凈漿，厚3m，對拱部松散體進(jìn)行固結(jié)。

2）兩側(cè)撐靴范圍打設(shè)?42 注漿導(dǎo)管，間、排距1.0m，長度3.0m，梅花形布置，先噴厚0.5mC25 聚丙烯粗纖維混凝土，再注雙液漿對塌腔范圍松散巖體進(jìn)行加固，厚度不小于3m，如圖4 所示。

圖4 撐靴范圍徑向注漿孔布置示意圖

3.4 拱頂塌腔回填

拱部120°范圍埋設(shè)?108mm 注漿管，每個(gè)斷面埋設(shè)3 個(gè)預(yù)埋管，排距3.0m，預(yù)埋管長度根據(jù)出露塌腔深度隨機(jī)確定，預(yù)埋回填管不大于6m，塌腔內(nèi)回填C20 混凝土，厚度不小于3m，如圖5 所示。根據(jù)溶洞發(fā)育情況從頂拱處預(yù)設(shè)?108mm 無縫鋼管順溶洞發(fā)育走向至隧洞底部作為排水通道，間排距2.0m，管口采用鋼筋網(wǎng)封閉防止松渣堵塞管口，對應(yīng)隧洞底部回填區(qū)采用鉆機(jī)造孔，保證排水流暢。

圖5 拱部回填C20混凝土示意圖

4 結(jié)論與討論

1）針對香爐山隧洞TBM 掌子面孤石堆積體泥質(zhì)充填型溶洞的問題，提出護(hù)盾頂部、刀盤前方以及隧底管橋進(jìn)行超前注漿加固，避免孤石對刀盤的損傷、卡機(jī)以及TBM 載頭的風(fēng)險(xiǎn)。

2）針對香爐山隧洞TBM 超量出渣造成輸送帶多次出現(xiàn)抱死的問題，提出對刮渣口格柵采用鋼板進(jìn)行封堵，縮小刮渣口的口徑，減少出渣量，提高出渣效率，降低渣體對輸送帶的損壞。

3）針對揭露破碎圍巖、大塌腔及撐靴范圍破碎巖體不能滿足撐靴壓力的問題，提出采用TBM自帶應(yīng)急噴漿設(shè)備及時(shí)對巖面進(jìn)行噴漿封閉，對塌腔進(jìn)行分層進(jìn)行回填，對撐靴范圍破碎巖體進(jìn)行注漿加固，確保揭露圍巖穩(wěn)定、施工環(huán)境安全。此方法操作簡單，混凝土起強(qiáng)較快，使TBM在破碎圍巖不良地質(zhì)段穩(wěn)定、安全、快速通過。

4）上述方法的實(shí)施對TBM 施工應(yīng)對香爐山隧洞孤石堆積體泥質(zhì)充填型溶洞起到了重要作用，避免了TBM 長時(shí)間卡機(jī)，提高了TBM 在不良地質(zhì)段施工效率。