开敞式TBM应对地质灾害施工技术

施春生，伊长友，黄 兵

（1.辽宁润中供水有限责任公司 辽宁 沈阳 100166；2.哈尔滨建成集团有限公司，黑龙江 哈尔滨150030）

1 工程概述

辽宁省大伙房水库输水工程设计输水流量70 m3/s，多年平均输水量18亿m3。工程主体建筑物为一长85.32 km的输水隧洞，隧洞底坡为1/2 380，埋深大多在100～300 m之间。工程在总体布置上充分利用天然地形，布设施工辅助支洞14条。隧洞施工采用以掘进机为主、钻爆法为辅的联合作业方法。3台开敞式TBM（全断面隧洞掘进机）分三个掘进段进行施工，每台TBM的掘进长度控制在18～20 km。掘进机开挖洞径8 m，成洞直径7.16 m，各类围岩一次支护均采用锚喷支护，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩在一次支护的基础上采用现浇混凝土衬砌作为永久支护。

2 TBM掘进过程中坍塌形成的原因

2.1 拱顶松动坍塌

采用开敞式TBM开挖的隧洞，岩体中开挖洞室后出现了临空面，岩体有了变形的空间，由于应力局部释放，使岩体发生卸载而向隧洞内变形，原来平衡的三维初始应力状态必然要引起应力的重新分布。一般隧洞的初始应力主要为自重应力场，此时垂直应力分量是最大主应力，水平应力很小，开挖隧洞所形成的二次应力场为：洞顶、洞底出现拉应力，边墙部分有很大的切向压应力。TBM在这种初始应力主要为自重应力场的隧洞施工过程中，若岩体较破碎，出护盾后隧洞顶部的松动区由于应力和强度明显下降，裂隙扩张增多，体积扩大，出现了明显的塑性位移，这时若没有足够的支护抗力就不能使围岩维持平衡状态，则形成顶部大范围的坍塌。示意图1如下：

图1 坍塌示意图

这种形式的坍塌一般出现在刀盘前方上部和刀盘顶护盾上方，呈倒锅底状，伴有落石现象。通常破碎围岩在出护盾后由于有了更大的变形空间，坍塌常扩展到护盾后方，此时若不及时进行支护或者支护抗力不足，则极易形成拱顶大范围坍塌。

2.2 不利结构面组合引起的坍塌

在普通自重应力场为主要初始应力的隧洞开挖过程中，由于岩体被各种不同产状的结构面切割组，形成许多大小、形状不一的岩块。当隧洞开挖形成临空面后，各岩块之间在自身重力的作用下，形成小范围的掉块，这种形式的坍塌一般发生在隧洞的顶部。示意图如图2。

图2 掉块示意图

当存在不利结构面组合且沿结构面出水时，更易形成此类坍塌。此类坍塌一般发生在顶护盾上部及护盾后方1～2 m内。

2.3 节理密集带及挤压软弱结构面产生的坍方

节理密集带由于节理间距较小，岩石的抗压强度受节理面的影响较大。节理面间的充填物质大大降低了围岩的整体稳定性，隧洞开挖后，原始应力平衡状态被破坏，应力二次重分布，围岩承载能力降低，易造成沿结构面的掉块坍方；而且节理发育，多在2～3组，或3组以上，呈X型或米字型交叉布置，更易造成受力不平衡，造成坍方。

挤压软弱结构面在断层附近较发育，主要由碎裂岩、构造挤压岩或糜棱岩组成，岩面渗水～滴水，这类岩石TBM掘进开挖时不会立即产生很大坍塌，但由于水的破坏作用及时间推移，围岩变形将逐渐增大，易产生坍方。

3 TBM掘进中防止围岩坍塌措施

3.1 预测围岩状况

1）根据地质编录进行预报。由长期从事地质工作的地质工程师，对护盾后围岩做地质素描，地质素描的内容主要包括地下水状态，地层岩性，岩石特征，地质结构面，软弱夹层，贯穿性的大节理、断层等，根据地质素描图的内容，绘制地质素描图，并做出开挖面前方较短距离内的岩体稳定性分析，据此编制隧洞地质编录，根据地质编录分析和预测围岩的稳定情况，判断围岩是否稳定，不稳定时是否进行超前支护，如需进行超前支护,即立刻采取超前支护措施，以防止围岩坍塌。

2）通过掘进参数进行预报。开敞式TBM在掘进过程中，围岩状况时刻影响TBM的掘进参数，通过分析TBM的掘进参数来判断围岩好坏，以此指导施工防止围岩坍塌。开敞式TBM的各种掘进参数可以在主控室的主控电脑上读取。TBM掘进各种参数中，掘进推力及推进速度最能反映掌子面围岩的状况，一般情况下，三者间关系如表1所示：

表1 掘进推力、推进速度与围岩状况关系表

实际施工过程中，若掘进推力低于100bar（相当于6.43 MN），而推进速度大于额定值的40%，则可大致推断前方围岩较差，需注意防止发生坍塌。

3.2 预防坍塌措施

1）超前支护加固。综合预测前方围岩状况极不稳定，需采取超前支护对前方围岩进行预加固时，在TBM掘进之前，进行超前小钢管注浆或施工超前锚杆对前方围岩加固。超前小钢管及超前锚杆均可利用TBM上的超前钻机进行施工。超前小钢管规格为φ42 mm，管长5 m，顶拱120度范围内施工。超前锚杆规格为5 m长φ22 mm砂浆锚杆，施工范围仍是顶拱120度范围内。

2）及时采用锚网及全圆型钢拱架支护。超前支护施工完后，在出护盾位置挂上加密钢筋网或双层钢筋网，结合系统锚杆及全圆型钢拱架，以加强支护抗力。系统锚杆及全圆型钢拱架分别采用TBM自带的锚杆钻机及型钢拱架安装器进行施工，锚杆规格为2.5 m长φ22 mm砂浆锚杆，钢筋网规格为φ8 mm，间距200 mm×200 mm，型钢拱架为I160型全圆拱架。施工中应严格按照设计交底进行，大体遵循以下原则：

①首先对主要结构面的出水进行引排处理，避免因地下水引起节理裂隙扩张。

①钢筋网贴紧岩面，并切实起到对顶部围岩的加固作用。

②锚杆施工应垂直节理裂隙进行打孔，须穿过节理裂隙锁住节理两端岩石，阻止裂隙扩张。

③全圆型钢拱架应保证与洞室轴线垂直，锁脚锚杆焊接牢固，拱架间连接筋布置合理。

3）护盾后手喷混凝土。当围岩较差需及时封闭时，可在刀盘护盾后部进行人工湿喷混凝土作业，尽快封闭围岩，使围岩尽快稳定。喷射混凝土主要原材料选用：水泥为425号普通硅酸盐水泥；砂子为细度模数3.2～3.3；粗骨料粒径为5～10 mm。

4）监控量测。为防止初期支护后围岩变形过大造成洞室失稳，由测量人员按照统一规定布置监控量测断面，及时监控洞室周边收敛及拱顶下沉，以获取隧洞位移信息和支护结构的变形情况，预防因此引起的围岩坍塌。

4 TBM施工对不良地质段的处理措施

TBM穿越不良地质段遇到的主要问题是洞室不同部位的坍塌和围岩渗水。通常情况下隧洞坍塌的部位主要是：刀盘前方顶部滑坍或坍塌；刀盘顶护盾上方洞顶坍塌；刀盘护盾两侧上拱腰处滑坍；TBM主机撑靴部位洞壁滑坍塌。TBM在通过断层曾发生多处规模不等的坍方，最大规模的一次坍方为刀盘前方顶部坍塌，坍腔长度为9 m，断面宽约4 m，最大坍腔深度达3 m，坍塌量近60 m3。

4.1 隧洞顶拱坍塌处理措施

在TBM掘进过程中，以顶拱坍塌发生最为频繁。在坍塌量较小（10 m3以下）时，按照设计要求进行初期支护，并在护盾后初喷混凝土封闭围岩。具体为：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系统锚杆拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm钢筋网拱部240°布置；I16型全圆钢拱架，间距1200 mm，拱架间采用φ22 mm螺纹钢连接；C25喷射混凝土，厚16 cm（护盾后初喷厚度8 cm，在L2区复喷至设计厚度）；沿洞室开挖轮廓采用2 mm厚钢板封闭坍腔，在护盾后采用C25混凝土回填密实。如图3所示。

在坍腔深度大于2 m的较大范围坍塌，尤其是针对类似最大规模的一次坍方，根据实际情况对支护参数进行了相应的调整。具体为：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系统锚杆拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm 钢筋网拱部240°布置；I16型全圆钢拱架，间距1 000 mm，拱架间采用I12型钢连接；C25喷射混凝土，厚16 cm（护盾后初喷厚度8 cm，在L2区复喷至设计厚度）；坍腔内采用I12型钢支撑加固；沿洞室开挖轮廓采用2 mm厚钢板封闭坍腔，在护盾后采用C25混凝土回填密实。如图4所示。

图3 隧洞顶拱坍塌示意图

4.2 隧洞拱腰及撑靴部位坍塌处理措施

用于该标段施工的开敞式TBM是“X”型撑靴，发生在拱腰部位的坍塌后也将直接影响撑靴撑紧岩面。若不及时采取有效措施，TBM不但无法撑紧岩面，还有可能因为撑靴压力造成坍塌的进一步扩大。对于此类坍塌，其初期支护处理措施为：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm 系统锚杆拱部 240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm钢筋网拱部240°布置；I16型全圆钢拱架，间距1 200 mm，拱架间采用φ22 mm螺纹钢连接；C25喷射混凝土，厚16 cm（护盾后初喷厚度8 cm，在L2区复喷至设计厚度）；沿洞室开挖轮廓采用2 mm厚钢板封闭坍腔，在护盾后采用C25混凝土回填密实，并增设垫板加大支撑面积，确保混凝土强度可承受撑靴压力后方可掘进。

4.3 隧洞岩面渗水处理措施

岩面渗水不仅影响围岩稳定性，还直接影响喷射混凝土质量。该标段在施工中采取的主要措施是先排后堵，即在隧洞开挖后初期支护完成前，采用透水管和无纺布引排到隧底，掘进通过后在二次衬砌施工前，集中对淋水段进行堵水灌浆作业。初期支护前具体的引排措施为：在岩面渗（滴）水处（或线状流水），先打排水孔将围岩局部渗水集中引排至排水孔，在排水孔内安装塑料橡胶管，然后在洞壁沿隧底至排水孔顺岩面渗流部位安装软式透水盲管，将地下水通过透水管引排至隧底，最后在软式透水管上面铺设一层无纺布，确保喷射混凝土时岩面无外露渗水情况，从而保证了喷射混凝土质量。

5 不良地质段TBM快速施工技术

开敞式TBM掘进机比较适合硬岩的开挖掘进，对不良地质段的适应性较差。在实际施工中，根据设备性能及现场实际情况，该工程摸索出了几条较为可行的办法，使TBM安全、较为快速的通过了不良地质段。

1）在TBM掘进过程中做好掘进参数的控制，掘进以慢速掘进为主，尽量减少对围岩的挠动。掘进模式采用手动控制模式，TBM操作主司机密切注视监控视频图像上皮带机的碴体情况，若皮带上出现很多大块岩碴，且皮带机上的岩碴突增，皮带机压力指示明显升高，刀盘扭矩增大，此时必须立即停止TBM推进，继续转动刀盘和皮带机，防止皮带机被卡或拉伤。如果碴量仍不能下降，应立即后退刀盘3～5 cm，严重时继续后退刀盘，直到TBM掘进参数恢复正常。待掘进参数恢复正常后，停机进入刀盘内部检查塌体情况，若对正常掘进不会产生大的影响方可继续掘进；若坍体较大，则需制定相应的处理措施，以达到TBM安全顺利掘进通过。

2）采取针对措施，防止石碴大量掉落，减少清碴量。掘进过程中坍塌较严重时，在每次停机立拱时，将下一循环的钢筋网和连接筋预先伸入护盾内，连接筋和钢筋网处固定好后再立拱架，使伸入护盾的连接筋形成悬臂梁结构，将大量的落石兜在网片上，减少清碴量，确保人员安全。实际证明，这对控制落石量、减少清碴量、确保隧洞底部清碴人员的安全非常重要。

3）严格控制循环进尺长度，严禁盲目掘进。TBM正常掘进是1.8 m/循环，在不良地质段调整为以全圆钢拱架的架立间距为一个循环进尺的控制值，在护盾后及时架立全圆型钢拱架，严禁掘进完1.8 m后再停机立拱。

4）在软弱条件下掘进，有时撑靴部位出现塌方现象，使撑靴无法撑住岩面或出现撑不紧现象，较大的塌方部位一般采用外封钢板向内灌注混凝土，恢复塌方部位到正常岩面尺寸。对于较小的塌体，为使快速通过，一般采用在这些部位垫方木、木板，使撑靴达到撑紧状态。由于全圆钢拱架影响撑靴撑紧时，可减少撑靴撑出的数量，掘进过程中由巡检员观察撑靴工作状态，以防止撑靴打滑挤坏拱架。

5）快速通过节理密集带的主要技术措施。按设计采取系统锚杆、挂网、喷射混凝土，另外采用格栅拱架加固；根据量测结果，对于变形速度超过要求的，人工架立I12全圆钢拱架，加强刚性支护；严格按初喷、复喷要求在L1区和L2区喷射混凝土，确保喷射混凝土厚度达到设计厚度。