引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究

赵海雷， 陈 馈， 周建军， 张 兵， 阳 斌， 王振飞

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001； 2. 中国中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)



引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究

赵海雷1， 陈 馈1， 周建军1， 张 兵1， 阳 斌2， 王振飞2

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001； 2. 中国中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

为应对吉林引松供水4标7 km灰岩隧洞段的特殊地质条件，引松开敞式TBM的针对性设计和克服不良地质风险的施工技术研究显得尤为重要。首先，针对引松4标长距离掘进、大断面施工、快速掘进及强支护量等工程特点，对TBM进行超前地质预报系统、支护系统等方面的针对性设计制造。其次，对于通过灰岩地段各种不良的地质风险，分别制定相应的施工和处理措施。通过对TBM的针对性设计以及不良地质地段恰当的施工处理措施，使TBM顺利地通过了7 km灰岩地段，既节省了开支，又缩短了工期。

引松供水工程； 隧洞； 开敞式TBM； 灰岩地段

0 引言

全断面隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)作为岩石隧道最先进的开挖装备，在我国已广泛应用于铁路隧道工程、水利隧洞工程、城市轨道工程以及煤矿巷道工程等领域[1]。与传统的钻爆法相比，TBM的优点是可实现连续掘进，能同时完成破岩、出渣和支护等作业，其掘进速度一般为常规钻爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、对周边环境影响小、作业安全及节省劳动力等优点，特别适合于深埋长隧道的施工[2-4]。然而，由于地质条件的复杂多变，导致TBM施工设备通用性差，针对不同的隧道工程，TBM几乎都需要“量体裁衣”地进行设计，若TBM的选型以及采用的施工技术不能适应所建工程的地质特征，往往导致严重的施工风险、工程进度严重滞后，并造成重大经济损失[5-9]。例如，印度克什米尔、中国云南和台湾省3台TBM由于选型和施工措施不恰当，最终在施工中遇险，并最终被钻爆法所取代[10]。文献[11-12]分别介绍引汉济渭工程TBM掘进机通过富水带和突水涌泥段的施工技术，并取得了一些经验。但是由于引汉济渭工程地质和引松供水7 km灰岩段地质相差极大，导致可供借鉴的施工方法相对较少。另外，TBM穿越灰岩段施工技术在国内外范畴经验尚属缺乏，没有TBM通过长距离灰岩段的施工案例可供借鉴。

根据地质资料，引松供水4标段63+964～70+823近7 km洞段为灰岩段，穿越地层岩性主要为泥盆系、石炭系泥晶灰岩[13]，灰岩段多断层破碎带、低阻异常带及溶洞，局部穿越浅埋沟谷段，存在突泥、涌水风险[14]。因此，采取有效措施确保TBM安全、顺利穿越灰岩段是本工程的重点也是难点，可为今后类似工程提供借鉴。

1 工程概况

引松供水工程主要是为了解决关系民生的吉林省中部城市生活及生产用水问题，工程输水干线全长263.02 km，输水总干线采用自流输水。吉林省中部城市引松供水工程总干线施工4标段位于吉林市岔路河至饮马河之间，线路桩号48+900～71+855，总长度为22 955 m，由中铁隧道集团有限公司施工。施工平面布置图如图1所示。

施工项目主要为隧洞主洞、支洞、调压井和竖井的开挖、支护、衬砌、灌浆、封堵及排水等工作。隧洞主洞部分开挖采用全断面TBM施工为主、钻爆法为辅的施工方法。其中TBM施工段总长为21 042 m，成洞断面为圆形，洞径为6.8 m。钻爆法接应洞段、组装及检修洞段总长为2 273 m。区间共布置2个支洞、2个通风竖井和1个调压井，其中7#支洞长518 m，8#支洞投影长1 188 m。支洞均采用钻爆法施工，成洞断面均为圆拱直墙型，成洞断面尺寸均为7.2 m×6.8 m(宽×高)；竖井直径为5.0 m和6.3 m；调压井直径为15 m。本段涉及地层岩性主要有三叠系上统小蜂蜜顶子组凝灰岩，三叠系上统大酱缸组砂砾岩，石炭系中下统磨盘山组灰岩，石炭系下统余富屯组凝灰岩，石炭系下统鹿圈屯组凝灰质砂岩，泥盆系中下统碱草甸-常家街组灰岩、砂岩，侵入岩为燕山期花岗岩、钠长斑岩、石英闪长岩，华力西晚期闪长岩。

图1 引松供水4标施工平面布置图

2 TBM针对性设计方案

2.1 TBM设计原则

引松供水TBM的设计和制造由中铁工程装备有限公司完成，其设计原则主要有： 具备较强的破岩能力；较强的软弱破碎围岩通过能力，在不良围岩地段能够快速支护通过；具有较强的出渣能力；设备主要部件有较大的安全储备，以及快速掘进的能力；满足长距离掘进要求和人性化设计。

2.2 激发极化超前地质预报系统搭载设计

激发极化法[15](induced polarization，简称IP)是电法勘探的一个重要分支，在进行电阻率法勘探时，会出现如下现象： 在向地下供入稳定电流的情况下测量电极之间的电位差并非瞬间达到饱和值，是随时间而变化，经过一段时间后趋于稳定的饱和值；而断开供电电流后，电位差也并非瞬间衰减为零，而是在最初的一瞬间很快下降，而后随时间延长缓慢下降并趋于零。这种发生在地质介质中因外电流激发而引起介质内部出现电荷分离，由于电化学作用引起附加电场的物理化学现象，称为激发极化效应。激发极化法正是以不同地质介质之间的激电效应差异为物质基础，通过观测和研究被测对象的激电效应进行地质探查的一种电法。图2为时间域激发极化现象的示意图。

由山东大学自主研发的TBM搭载激发极化超前预报仪器[16]，将供电电极系集成到TBM的护盾上并沿环向布置，测量电极系集成在刀盘上，刀盘上通过开孔的方式安装测量电极系，TBM施工时测量电极系收缩到刀盘的刀舱中。采用2条多芯电缆与供电及测量电极系连接，同时设计2根单芯电缆连接电极B与N，探测仪器安装在TBM主控室，电缆连接到主控室的仪器。测量时，通过液压系统推出电极伸缩到掌子面实现激发极化超前探测，如图3所示。

图2 时间域激发极化现象示意图

Fig. 2 Sketch diagram of time domain induced polarization phenomenon

(a) TBM刀盘搭载激发极化装置的测量系统

(b) TBM主控室内激发极化装置专用主机

Fig. 3 Carrying mode of induced polarization detect devices in TBM

2.3 TBM支护能力设计

设计配置了L1区域、L2区域2套锚杆钻机，增强锚杆作业；盾尾处增设了钢筋排支护系统和网片存储装置，L1区域增设了应急喷混系统；喷混机械手采用双喷护系统、悬臂伸缩式设计(伸缩臂可伸缩2 m)，有效解决了悬臂伸出长度过大而导致的无法可靠伸缩问题；输送泵选取20 m3/h 的瑞士Aliva输送泵，喷混机械手可实现有线和无线的双面操作模式。TBM超强支护系统如图4所示。

(a) 钢筋排支护系统

(b) 双喷机械手

3 灰岩段TBM掘进问题及应对措施

63+964～70+823近7 km为灰岩段，TBM灰岩段长距离施工在世界范围内并无先例，灰岩岩体风化的不均匀度较为明显，施工过程中易出现因掌子面不平整而引发刀具异常损坏或掌子面坍塌堵住刀盘进渣口等情况。同时，通过灰岩地段还伴随着各种地质风险，例如沟谷富水及浅埋地段、全断面炭质板岩地段、断层破碎带地段、岩溶溶洞群发育段和突水涌泥段等。针对这些地段，TBM施工过程中采取了有效的应对措施，顺利地通过了高风险区域。

3.1 沟谷富水及浅埋地段TBM通过措施

7 km灰岩段TBM需要5次穿越富水沟谷，累计770 m，其中最长段沟谷为466 m的永盛兴沟谷，地下水极其发育。小河沿沟谷和碱草甸子沟谷，最小埋深为28 m，并分别有一段全断面土层侵入正洞洞身。该段可能遇到的地质灾害有涌水涌泥、溶蚀溶洞、断层破碎带、炭质板岩等，会导致塌方掉块、TBM栽头、设备被淹、刀盘被卡、糊刀盘、设备被砸、人员受伤、掘进姿态难以控制等潜在危害。因此TBM通过沟谷富水及浅埋地段是一件极其复杂的工作，项目部曾多次召开专题讨论会及专家论证会，研究应对措施，形成的主要应对技术措施如下。

3.1.1 超前地质预报

充分做好超前地质预报，利用物探及地表补勘相结合的方法，准确探明该段地质构造和TBM施工风险评估，并做好相应的应急物资准备。其中所使用的主要探测手段为激发极化探测法，利用其对水的敏感性，通过对探测结果的后期处理，可以直观地反映在激发极化三维成像图中，对其断面区域成像颜色进行分析，进而推断前方的地质情况。具体以69+223.0～+203.0的探测结果作为说明，其测试数据如图5所示，其测试结果结合三维成像图和半衰时数据分析如下。

(a) 激发极化三维成像图

(b) 激发极化成像X=0切片图

(c) 激发极化半衰时数据

X方向表示竖直方向，Y方向表示掌子面宽度方向，Z方向表示开挖方向，坐标原点为掌子面中心位置，反演区域为Y(-10 m,10 m)、X(-10 m，10 m)，掌子面坐标为Y(-4 m，4 m)、X(-4 m，4 m)。

图5 激发极化法三维成像图和半衰时数据

Fig. 5 3D imaging and half-decay data of induced polarization

1)69+233.0～+226.0段落。三维反演图像中掌子面范围内电阻率值变化不明显，二电流半衰时之差正值幅度较小，推断该段落围岩完整性差，裂隙发育，可能出现渗水或滴水现象。

2)69+226.0～+203.0段落。三维反演图像中掌子面范围电阻率增大，二电流半衰时之差为负值，推断该段落围岩较完整，地下水不发育。

3.1.2 加强初期支护

根据超前地质预报的结果及出露护盾围岩的情况，及时采取加强支护措施，采用钢拱架、钢筋排、连接筋、喷射混凝土联合支护，必要时，利用干喷系统提前封闭(如图6所示)。

(a) (b)

图6 沟谷富水及浅埋地段应对措施

Fig. 6 Countermeasures for valleys with rich water and shallow-buried section

3.1.3 涌水处理

若出现涌水情况，启动应急预案，加强抽排水，并采取注浆堵水方案。

3.1.4 监控量测

初期支护及前部加强支护完成后，及时布设量测点，并将变形收敛及速率变化数据反馈至工程部技术人员，技术人员根据反馈的数据决定是否采取二次加强支护措施。

3.2 全段面炭质板岩地段TBM通过措施

在7 km灰岩掘进中TBM共穿越2处炭质板岩段。全断面发育的炭质板岩，围岩软弱，基本无强度，遇水泥化容易糊刀盘，堵刀孔，且隧洞顶部伴有塌腔、掉块严重，宜造成TBM扭矩过载而无法正常掘进。此外，出渣在转渣皮带上造成溜滑，无法顺利出渣，造成场地泥泞，给TBM顺利施工带来极大的挑战，具体如图7所示。

针对以上全断面炭质板岩地段所出现的问题，为使TBM能够顺利地通过，施工中采取的具体措施如图8所示。

3.2.1 超前地质预报

提前施作超前地质预报，在掘进过程中增加超前地质预报的频率(TRT、激发极化)，每30 m必须做一次激发极化超前地质预报，根据详细的超前地质预报结果，及时调整掘进参数和姿态，做好洞内应急物资的储备。

3.2.2 掘进参数控制

降低掘进速度、刀盘转速、掘进推力，在满足围岩掘进的条件下，使用最小的撑靴压力；并通过超前地质预报探测的结果，提前调整掘进姿态及趋势，防止TBM栽头或偏移。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(d)

图8 TBM过炭质板岩段处理措施施工图

Fig. 8 Countermeasures for TBM boring through carbonaceous slate section

3.2.3 加强初期支护

围岩出护盾后及时进行加强支护，坚持“防止临空面发展，支护宁强勿弱、短进尺、强支护、勤量测”的原则。

3.2.3.1 拱顶位置

采取钢拱架+钢筋排+I16工字钢纵连等联合支护，必要时利用应急喷混系统提前干喷封闭。

3.2.3.2 撑靴位置

提前将撑靴位置表面的泥渣及掉块清理干净，挂网喷混凝土处理，保证给撑靴提供反力。

3.2.3.3 隧底位置

隧道底部在轨线延伸前，铺设干硬性混凝土，且所有轨排采用焊接纵向拉筋连成整体，并将拱架两侧连接筋更换为I16工字钢纵连。

3.2.4 刀盘清渣

对于刀盘内刀盘糊死，应立即进行刀盘清理工作；在立拱期间同时进行刀盘清理工作；掘进过程中扭矩急剧增大且贯入度极小时，需及时清理刀盘。

3.2.5 监控量测

加强支护完成后，及时布设量测点，并将变形收敛及速率变化数据反馈至工程部技术人员，技术人员根据反馈的数据决定是否采取补强支护。

3.3 断层破碎带地段TBM通过措施

TBM在灰岩中掘进，已揭露需穿越断层破碎带32处，其中2处影响最大，最大影响范围为200 m，且还有1处断层与炭质板岩叠加，该段顶部坍塌严重，塌腔最深约6.5 m，现场支护困难，清渣量大，作业现场遇到的难点如图9所示。

(a)

(b)

图9 TBM过断层破碎带施工难点图

Fig. 9 Construction difficulties and keys of fault fracture zone

为了使TBM顺利通过断层破碎带地段，经讨论采用以下措施。

3.3.1 超前地质预报

提前做好超前地质预报探测，并在掘进期间提高超前地质预报的频率，以确定破碎带边缘、长度、破碎程度以及含水情况等，并根据超前预报结果，提前调整掘进参数、姿态及洞内应急物资储备。该掘进段主要采用TRT超前地质预报[17]，对其采集来的数据进行处理、解译，进而形成地质剖面主观图、围岩完整程度推断图以及波速分布图(如图10所示)，采集的数据和得到的图像对围岩的破碎程度及完整性(里程、桩号可以推断出来)都有很直观的反映。

3.3.2 掘进参数控制

TBM通过断层破碎带时，适当减小TBM的掘进速度、刀盘转速、掘进推力、撑靴压力等掘进参数，这样能有效减小对围岩的扰动，从而减小或避免发生塌方。

(a) 地质剖面主观图

(b) 围岩完整程度推断图

(c) 波速分布图

3.3.3 加强支护

围岩出护盾后及时进行加强支护，坚持“防止临空面发展，支护宁强勿弱、短进尺、强支护、勤量测”的原则(如图11所示)。

(a)

(b)

(c)

(d)

图11 TBM过断层破碎带处理措施施工图

Fig. 11 Countermeasures for TBM boring through fault fracture zone

3.3.3.1 拱顶位置

对于一般破碎地段，采用钢筋排、钢拱架、连接筋、喷射混凝土等联合支护；对于严重破碎地段，采用钢筋排、加密钢拱架或改为型钢拱架、工字钢代替连接筋、拱架背部加焊支撑等联合支护措施，必要时，利用应急喷护系统对该段进行干喷封闭；对于塌腔范围较大的位置采用灌注或喷射混凝土的方式进行填充，并确保注浆密实。

3.3.3.2 撑靴位置

对于存在掉块或塌腔，无法提供撑靴反力的位置，采取以下3种方法通过： 在撑靴位置加垫方木；在撑靴位置挂网干喷混凝土封闭；灌注混凝土充填密实。

3.4 岩溶溶洞群发育段TBM通过措施

TBM掘进近7 km灰岩洞段，局部洞段为岩溶区，已探明12处溶洞，其中3处为疑似溶洞。最大溶洞高38.52 m，距洞顶5.7 m；最小溶洞高6.3 m，距洞顶32.5 m。该段TBM掘进时容易偏机、栽头、刀盘被卡、涌泥掩埋盾体、涌水引起电器故障、收敛变形引起整机被卡等施工风险。采取强有力的TBM通过措施，至关重要,具体如图12所示。

(a) 隧洞顶部溶洞、溶腔

(b) 撑靴位置溶洞、溶腔

Fig. 12 Construction difficulties and keys of karst cave developed section

针对通过岩溶溶洞群发育地段，项目部曾多次召开专题讨论会及专家会，研究应对措施，形成的主要应对技术措施如图13所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

图13 TBM过岩溶溶洞群发育段处理措施施工图

Fig. 13 Countermeasures for TBM boring through karst cave group developed section

3.4.1 超前地质预报

针对该段提前施作超前地质预报，准确探测出掌子面前方溶洞的空间位置、大小以及是否有充填等，并根据超前地质预报探测的结果，提前做出应对措施及应急物资储备。

3.4.2 溶洞处理

1)开挖轮廓线3 m以外的溶洞不做处理，开挖轮廓线3 m以内的，探明溶洞规模不大，TBM直接掘进通过，并加强初期支护。

拱顶位置： 溶洞溶腔出护盾瞬间，及时采用钢筋排、钢拱架、工字钢纵连、拱架背部加焊支撑等联合支护措施，必要时，利用干喷系统对该段进行封闭。若存在塌腔或溶腔，则回填混凝土，最后回填注浆确保密实。

撑靴位置： 采取钢拱架、挂网干喷混凝土或灌注混凝土等联合支护提前处理。

隧底位置： 隧底溶洞按开挖轮廓线外5 m控制，大于5 m的不做处理，小于5 m的采取提前回填砂浆固结或换填混凝土处理。

2)在开挖轮廓线3 m以内，如探明有大规模溶洞，则需提前采取钻爆法进行处理，然后TBM步进通过。

3)根据溶洞发育特征，对半填充和全填充溶洞采用静压灌浆法注入纯水泥浆进行处理。

3.5 突泥涌水段TBM通过措施

根据开敞式TBM的施工原理，并结合国内外开敞式TBM施工案例和经验，对于开敞式TBM遇突泥涌水地段大多无法掘进通过，因此必须提前进行超前地质预报，确定长度范围，准确判定发生部位，采取有效措施，减小TBM停机等待或者长时间停机风险。引松4标2016年2月29日掘进时掌子面前方发生涌水及3月24日发生突泥，致使支护工人在底部安装拱架困难、刀盘前方石渣随水流出、连续皮带系统打滑、TBM行走及运输轨线淹没无法延伸，TBM被迫停止掘进，整个3月和4月施工比较艰难(如图14所示)。

(b)

(b)

(c)

(d)

图14 突泥涌水段施工现场图

Fig. 14 Construction site photos of water and mud burst section

引松4标项目部针对以上出现的险情，采取了果断和有效的处理措施，并将TBM停机等待时间降到最短，取得了重大突破。采取的主要措施如图15所示。

3.5.1 掘进前

3.5.1.1 超前地质预报

在进行日常的物探超前地质预报基础上，连续在掌子面施作钻孔预报及地表跨孔CT等联合预报的方式。准确预报掌子面前方一定范围内有无突水、塌方等施工风险，及时反馈信息，做好施工风险源的辨别并及时调整掘进参数，以指导后续工作。

3.5.1.2 刀盘清理或固结

对刀盘人孔及刮渣孔焊接钢板局部封堵，以减少出渣量，且每次掘进前空转刀盘，将刀盘泥浆清理干净。若刀盘前方突泥量增大，采取化学灌浆固结突泥及破碎岩体。

3.5.2 掘进中

掘进参数： 采取手动模式，同时降低掘进速度、刀盘转速、掘进推力，以减少出渣量，避免出渣量较大造成皮带堵死或急停；并在过程中对出水点采取引、排、封堵和排堵结合的方式，做到不出现突水和大的涌水。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图15 突泥涌水段施工应对措施图片

Fig. 15 Countermeasures for TBM boring through water and mud burst section

3.5.3 掘进后

3.5.3.1 引排

对工作面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面。对侧壁的漏水采用遮挡、引排措施，保证喷射混凝土质量。喷射混凝土后，由于水压升高有可能使一次支护破坏，则采用引排方法或壁后注浆法封堵。

3.5.3.2 加强支护

及时进行加强支护，采取加密钢拱架(即45 cm/榀)、钢筋排、工字钢纵连、喷射混凝土封闭等联合支护措施。

4 施工效果

项目开工至今，成功攻克 “2·29”、“3·4”、“5·30”特大涌水涌泥，穿越近7 km浅埋灰岩岩溶区，有效掘进时间为13个月，累计进尺8 581 m，平均月进尺613 m；其中日最高进尺70.4 m，单班最高进尺37.1 m，单周最高进尺365 m，并于2016年5月创造了开敞式TBM月进尺1 226 m的全国纪录。不仅保质保量超额完成业主及公司下达的年度任务，而且在施工生产过程中未发生一起安全质量事故。

5 结论与建议

通过对TBM的针对性设计以及7 km灰岩段施工技术的正确运用，确保了TBM顺利通过引松供水4标7 km灰岩段的复杂地质地段，既节省了财力，又缩短了工期，且期间没有重大事故发生。作为国际范围内TBM首次通过长距离灰岩地段的实例，将为今后同类别的TBM施工提供宝贵经验和数据。虽然开敞式TBM在通过长距离灰岩地段取得了一定的施工经验，但还有很多方面值得我们去探索。例如，在施工过程中要加大环境的保护力度，将节能减排放在重要的位置；另外，还要进行刀盘刀具磨损方面的研究，以便提升TBM的掘进性能和使用寿命，提高经济效益。

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Research on Construction Technologies for TBM ContinuousBoring through Limestone Section of Bid Section No.4 of SonghuaRiver Water Conveyance Project

ZHAO Hailei1, CHEN Kui1, ZHOU Jianjun1, ZHANG Bing1, YANG Bin2, WANG Zhenfei2

(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China;2.ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

The open TBM bores through limestone section of 7 km long of Bid Section No. 4 of Songhua River Water Conveyance Project. The advanced geological prediction system and lining system of TBM are designed based on characteristics, i.e. long distance, large cross-section, rapid boring and strengthened support of the project. And then, corresponding construction technologies and countermeasures are decided for bad geological conditions. The TBM has successfully bored through the limestone section; the construction cost has been reduced and the construction schedule has been shortened by relevant design, construction technologies and countermeasures adopted.

Songhua River Water Conveyance Project; tunnel; open TBM; limestone section

2016-11-25;

2017-01-25

国家“973”计划(2014CB046906)； 中国铁路总公司科技研究开发计划(2016G004-A)； 中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2016-03)

赵海雷(1987—)，男，河南开封人，2016年毕业于东华大学，材料加工工程专业，硕士，助理工程师，现从事盾构掘进技术研究工作。 E-mail： 478339242@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.015

U 455

B

1672-741X(2017)03-0354-09