中天山隧道TBM施工塌方治理技术研究

高攀科郭金鑫

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099；2.中铁五局集团有限公司，贵州 贵阳 550003）

中天山隧道TBM施工塌方治理技术研究

高攀科1郭金鑫2

（1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714099；2.中铁五局集团有限公司，贵州 贵阳 550003）

关于隧道塌方研究成果甚多，但针对TBM施工塌方治理技术的研究鲜见。基于此，以中天山隧道TBM施工过程中的软弱围岩洞段的一次塌方事故为例，从地质分析入手，依据TBM施工机械的特点，提出加固坍腔、人工钻爆、固结坍体、人工开挖坍体并支护的一系列安全治理措施。经现场检验，该治理方案效果良好，具有一定借鉴意义。

隧道工程；TBM；塌方；治理技术

硬岩掘进机（Tunnel Boring Machine），简称TBM，以其全断面一次开挖成型、钻掘速度快、施工效率高等特点，在我国乃至世界范围内地下与隧道工程施工中得以广泛应用［1］。

中天山隧道长22.467km。该工程穿越天山南麓中部，采用TBM施工。然而，由于该隧道局部围岩地质结构十分复杂，围岩软弱，自稳能力差，隧道施工过程中出现多次塌方，对正常生产造成极大的影响。为此，本文着重研究了隧道软弱围岩洞端TBM施工塌方的治理措施和对策。

1 施工塌方概况

中天山隧道右线TBM掘进至里程DyK148+192时，刀盘前方及护盾右侧出现大面积的坍塌，坍塌石块将刀盘及护盾卡死，并形成了一个纵向长度约10m，宽约6m，最大高度为8m，与线路约成30°夹角的坍腔。

2 地质情况

原设计该段围岩为Ⅱ级花岗岩地段，在掘进时由于围岩自稳性较差，受掘进扰动引起局部失稳，开始坍塌，形成坍腔。根据地质超前预报TSP探测结果显示，坍腔段具有破碎、自稳性差等特点。超前地质预报TSP探测情况分析结果见表1。

表1 TSP超前地质预报分析结果

3 塌方治理措施

3.1 总体方案

根据坍体样式及刀盘被卡停机时通过刀盘内的刀孔查看前方围岩的情况，可初步判定在隧道掘进断面内，其上部是坍碴体，下部仍为基岩。

根据TBM机械特性，在非封闭的半虚碴、半基岩的断面下，TBM推进易产生偏压，对TBM主轴承造成较大损伤，且可能在掘进时引起再次坍塌，造成再次卡死刀盘，故对此坍体不宜采用TBM掘进。为稳妥起见，此坍腔段决定采用人工钻爆处理。首先对坍腔进行锚网喷加固处理，稳定坍腔，防止其继续扩大，同时架设钢护拱、过河撑等措施进一步加固围岩，为坍腔处理作业人员创造较为安全的作业环境；然后注浆固结坍体，而后再由人工进行坍体处理，在坍腔段开挖出大于刀盘断面的圆形断面，最后TBM步进通过［2］。

针对超前地质预报探测出的后续与坍腔段相同岩性的围岩段，里程DyK148+202～+218，长度16m。在坍体段处理完毕，试将掌子面开挖齐整。此时若掌子面围岩不坍，则对前方围岩进行超前预注浆加固，而后由TBM缓慢推进通过；若掌子面围岩仍然不稳，继续存在坍塌现象，则继续采用与坍体段同样的人工处理方法通过［3］。

3.2 治理步骤

3.2.1 坍腔处理。先通过锚网喷对坍腔进行封闭，再沿坍腔壁施作小导管注浆固结围岩；而后在坍腔内，施作工字钢护拱及钢管过河撑，防止坍腔围岩继续变形、坍塌，对坍腔内作业人员起到安全保护作用。

3.2.1.1 锚网喷支护。首先对坍腔岩壁进行初喷C25砼，厚度5cm，其基本稳定围岩，保证坍腔内不再掉块后，再在坍腔内利用φ50脚手架管在坍体上搭建施工平台，对坍腔周边围岩进行锚网喷支护，支护参数如表2所示［4］。

表2 坍腔周边围岩锚喷支护参数

3.2.1.2 小导管注浆固结围岩。沿坍腔壁施作φ42小导管，对坍腔周边围岩进行固结，小导管长4.5m，间距1.0m×1.0m，梅花型布置，注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃浆液体积比1.0∶0.8，注浆压力0.5～1.5MPa。

3.2.1.3 架立护拱。在坍腔内，高于隧道开挖断面顶部2m以上位置施作Ⅰ16工字钢护拱，护拱拱架间距1榀/m，每榀护拱两端脚锁脚锚杆不少于4根；锁脚锚杆采用砂浆锚杆，锚杆长3.5m，对称布设，双面焊接于拱架上；拱架间采用U14槽钢连接，间距1.0m。在护拱拱架上、下铺设钢筋网，喷20cm厚的C25砼，形成钢筋砼护拱结构，并在护拱上设Ⅰ16工字钢支撑，用于支撑坍腔顶部围岩。

3.2.1.4 架立过河撑。在坍腔内增加过河撑，防止坍腔两壁出现较大收敛变形，导致再次出现坍塌。过河撑选用φ150钢管，布设位置其高度大于开挖断面以上1m，间距1榀/m。

3.2.2 坍体加固。对坍腔处理完毕后，进行坍体封闭加固，施工措施如下［5］。

3.2.2.1 表面喷浆。对坍体表面进行喷砼封闭，厚度10cm。

3.2.2.2 司钻注浆管。在坍碴体上司钻，埋入φ42注浆小导管，导管长5m，导管间按1m间距布设。

3.2.2.3 注浆固结。注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃浆液体积比1.0∶0.8，注浆压力0.5～1.5MPa。

3.2.3 坍体处理。坍体在固结稳定后，即开始进行坍体开挖处理工作。为防止在坍体处理中，围岩再次出现坍塌，开挖采用上、中、下三台阶法进行开挖。

3.2.3.1 刀盘前端挖坑。因坍体已挤压接近至刀盘顶，而刀盘无法退动，因而首先从刀盘顶上往下进行刀盘前方2m左右的坍体的开挖，为防止坍体滑落，采用放坡开挖，坡度1.00∶0.75。开挖深度至上台阶底部。

挖坑主要采用风镐开挖，遇到大块石则采用放炮解小处理。坍碴通过人工使用锹、铲，以及手工搬运至刀盘刮碴孔内，由TBM皮带机运输至矿车内。

3.2.3.2 安装开口拱架。利用刀盘前端挖坑形成的作业面，安装上台阶Ⅰ16开口拱架。第一榀拱架距离刀盘的距离为60cm，而后拱架按间距按照50cm间距架立，至拱架顶部接近于坍体坡面。每榀拱架两端脚各采用不少于4根3.5m长砂浆锚杆锁固。拱架间采用U14槽钢连接，间距为1m。

表3 坍体处理支护参数

3.2.3.3 上台阶开挖支护

①开挖。上台阶开挖采用环型掏槽开挖、中心预留核心土方法。为减少爆破对TBM设备的影响，尽量采用风镐开挖，如遇硬岩、大块石，处理困难时，则采用松动爆破，然后风镐剔除。每循环按50cm的进尺进行开挖作业。

②支护。在掏出环形立拱断面后，及时初喷砼5cm，后架立Ⅰ16钢拱架，按表3支护参数进行锚网喷支护作业。在开挖断面拱部120°范围内设φ42超前小导管。超前小导管长4.5m，环向间距40cm，搭接1m，外插角为5°。注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃浆液体积比1.0∶0.8，注浆压力0.5～1.5MPa。

③安装预埋管。在喷砼支护前，在拱架背后有坍腔位置，间隔5m由高到低埋设排气管（φ50）、吹填缓冲层管（φ80）、细石砼回填管（φ60）。根预埋管焊接固定于钢拱架上。

3.2.3.4 中台阶开挖支护。中台阶滞后上台阶3～4m施工。其仍然首先在刀盘前方掏坑，形成作业面。然后分左右两侧错位开挖，保证两侧接腿不在同一断面内。每循环进尺控制在1m范围内，支护参数见表3。

3.2.3.5 下台阶开挖支护。下台阶在上台阶开挖支护完毕后，开始施工。其开挖作业方式同中台阶。

3.2.4 围岩加固。为保证TBM机械的顺利通过，以及防止以后围岩继续变形对结构的破坏，沿开挖断面进行全环径向注浆加固。注浆管采用φ42小导管，单根长4.5m，间距1.0m×1.0m，梅花型布置。注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃浆液体积比1.0∶0.8，注浆压力0.5～1.5MPa。

3.2.5 坍腔回填。在整个坍腔段支护完成后，为保证TBM的顺利通行，特别是保证TBM撑靴处能受力，必须及时对坍腔处进行回填。回填材料采用C25细石砼，依据预埋细石砼回填管高度，按照由低到高的顺序依次分层对坍腔进行回填，回填高度至拱顶以上1m高度即可［6］。

4 结语

TBM隧道工法适宜在围岩稳定性高的硬质岩时采用，然而相对一条隧道而言，其地质情况复杂多变且具有较高未知性，故掘进作业前应做好超前地质预报，避免塌方事故出现。TBM施工塌方段宜采用人工开挖，避免对坍体进一步扰动和二次事故。同时，硬岩隧道TBM施工过程中，应随时准备与钻爆法结合施工，防止TBM强行通过围岩稳定性差的洞段。

［1］张青林.重庆地铁隧道TBM始发段的施工技术研究［D］.北京：北京交通大学，2011.

［2］姚安华，张修高.TBM施工中塌方部位支护处理措施研究［J］.水利水电施工，2013（3）：38-39.

［3］高文艺.深部复合地层TBM隧道变形时空演化规律研究［D］.徐州：中国矿业大学，2015.

［4］高文艺.敞开式全断面隧道掘进机通过软弱破碎围岩的施工方法［J］.现代隧道技术，2003（6）：50-57.

［5］张文达.铁路隧道软弱围岩超大断面TBM拆卸洞施工技术［J］.施工技术，2015（S1）：144-147.

［6］高攀科.斑竹林隧道软弱围岩变形特征与控制措施研究［D］.重庆：重庆交通大学，2009.

Study on Collapse Treatment Technology in TBM Construction of Zhongtian Mountain Tunnel

Gao Panke1Guo Jinxin2
（1.Shannxi Railway Institute，Weinan Shannxi 714099；2.The Fifth Bureau（Group）Corporation of China Railway，Guiyang Guizhou 550003）

There are a lot of research results about the tunnel collapse,but the research on the treatment technology of TBM construction landslide is rare.Based on this,taking a landslide accident in the soft rock tunnel during the TBM construction of the Zhongtian mountain tunnel as an example,starting from the geological analysis,according to the characteristics of TBM construction machinery,a series of safety measures of reinforce the collapse cavity,artifi⁃cial drilling and blasting,consolidation of the collapse body,artificial excavation and supporting the collapse body were put forward.Through the field test,the control scheme has a good effect,and it has a certain reference value.

tunnel engineering；TBM；collapse；treatment technology

U455.49

A

1003-5168(2016)09-0121-03

2016-08-07

陕西省教育厅自然科学项目（2011JK926）。

高攀科（1984-），男，博士，研究方向：软弱围岩隧道安全施工及控制理论研究。