开敞式TBM在灰岩段岩溶及炭质板岩地层中快速掘进技术

张俊卿

中铁隧道股份有限公司 河南郑州 450001

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，具有较高的掘进效率，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]。但是，TBM施工是一个相对复杂的系统工程，受众多不确定因素的影响和制约。目前国内外采用TBM施工的很多项目中，其中不少工程项目受复杂地质条件的影响而导致施工受阻，TBM法快速高效的优势无法得到充分发挥[5-7]。另外，TBM穿越长大灰岩岩溶地层中的施工技术在国内外范畴尚属缺乏，没有可借鉴的施工经验。根据引松供水四标段地质资料显示，TBM掘进需穿越7km长的灰岩岩溶段，掘进过程中存在溶蚀溶洞、塌方、突泥涌水等施工风险；因此，采取有效的处理措施，保证TBM安全、顺利的穿越灰岩岩溶段是该项目工程的重难点，并为今后类似的工程项目提供可借鉴的经验。

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263.02km，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四标段位于吉林市岔路河至饮马河之间，线路桩号48+900m-71+900m，总长度23000m，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施工段长为17488m，开挖成洞7.93m，衬砌后平均洞径为6.8m。钻爆法接应洞段、组装及检修洞段总长为5512m。区间共布置2个支洞、2个通风竖井和1个调压井，支洞即7#、8#支洞，其中7#支洞长518m；8#支洞投影长1188m。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7.2m×6.8m（宽×高）；竖井直径5.0、6.3m；调压井直径18m。

2 工程与水文地质

2.1 工程地质

本标段断裂构造方向以NE和NW为主，与洞身相交断层及低阻异常带39(包括确定断层17条、物探异常带19条、遥感解译断层3条)处，其中TBM掘进段有32处，按倾向北东向为13条，北西向为7条，南东向7条，南西向12条。分析认为Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等断裂断层，为阻水或导水断裂，且地处沟谷，有汇水条件，与地表水可能形成联系，可能存在断裂带的突水、突泥问题。根据设计地质总剖面图显示，灰岩地层岩溶较发育，存在溶隙、溶槽、溶洞。已探明的溶洞有12处，其中有3处为疑似溶洞。最大溶洞高38.52m，距洞顶5.7m；最小溶洞高6.3m，距洞顶32.5m处。TBM自掘进开始7km为灰岩，岩溶较发育，实际揭露形式、规模、大小不一的溶蚀溶洞共计45处；溶洞内有的含有充填物，有的无充填物形成空腔，充填物较软弱，遇水垮塌，且在撑靴部位时，撑靴无法受力；整个灰岩岩溶地层施工中TBM极其容易载头、盾体被淹埋、无法调向、撑靴脱空打滑等风险，施工难度极大。

2.2 水文地质条件

线路区地表水由松花江水系控制，地表水总体由东南向西北、南向北流。较大河谷有岔路河及其支流石门子河，河水流量受季节影响较大，其余小河沟、支岔均为季节性河流。且隧洞在桩号62+273-62+413m从黄榆水库下穿过，自掘进施工以来，依次经历“2.19涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量达1200m3/h。

地下水主要靠大气降水补给，枯水期地表径流接受地下水补给，丰水期河水短时补给地下水。地下水以浅循环为主，在可溶岩及断层部位存在深循环。线路前半部分山势较高，地下水多以短径流，常以下降泉的形式在沟谷低处排出地表。

3 灰岩段岩溶及炭质板岩段对TBM施工的影响

3.1 灰岩段岩溶对TBM施工的影响

结合本段水文地质情况分析，总结本段可能出现的岩溶构造和对TBM施工的影响如下：

①小型溶洞群：TBM掘进可能揭露围岩连续出现的小规模溶洞。小规模溶洞对TBM掘进通过不会造成本质影响，但可能出现局部小规模塌腔、掉块，造成人员和机械损伤，影响施工。

②大型空洞溶洞：大型空洞溶洞会对TBM掘进造成极大威胁，TBM贸然掘进揭露这一类型岩溶构造容易发生塌方、卡机事故，造成TBM难以掘进。尤其在隧道下部揭露时，可能产生TBM低头，甚至掉机的事故。

③大型充填溶洞：由于该段落地下水补给充沛，溶洞充填的可能性很大。TBM揭露大型充填溶洞往往难以避免突水涌泥灾害，轻者淹没掘进工作区域，延误TBM施工，重者或导致掌子面或附近围岩坍塌等严重后果。

④岩溶管道：本段落沿线断层破碎带发育且地下水丰富，灰岩地层中的岩溶管道很容易联通富水断层。TBM揭露小规模岩溶管道可能出现洞壁涌水，延误施工。如果揭露沟通大规模含水构造的岩溶管道甚至地下暗河，人员财产损失将难以估计。

3.2 炭质板岩地层对TBM施工的影响

炭质板岩，成黝黑色，围岩软弱，基本无强度，受力成粉末，遇水泥化容易糊刀盘，堵刀孔，且顶部伴有塌腔、掉块严重，出渣困难，造成刀盘扭矩过载无法掘进；在转接皮带处打滑，无法顺利出渣，造成场地泥泞；隧洞底部软化，刀盘载头等问题。

4 灰岩段岩溶及炭质板岩段不良地质段处理措施

4.1 超前地质预报

超前地质预报是决定TBM能否安全、顺利通过灰岩岩溶地层的关键，可减少TBM在不良地质洞段掘进过程中的盲目性，及时采取正确的掘进参数和支护措施；TBM掘进超前地质预报方法主要采用长短距离相结合、地质素描等多种地质预报相结合的形式进行探测，通过对探测的结果对比更能准确的判断出掌子面前方的围岩情况，采取相对应的措施使之TBM安全快速的通过。

（1）激发极化法（短距离预测）。激发极化法是电法勘探的一个重要分支，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；能探测掌子面前方30m的地质情况，对水体比较敏感。（见图2）

（2）三维地震波发超前地质预报（即TRT，长、中距离预测）。TRT的基本原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质；可以在破碎岩层内实现远距离探测定位，探测距离为100m。（见图3）

图2 激发极化三维图像Fig.2 3d imaging of induced polarization

图3 TRT三维图像FlG.3 TRT 3d image

（3）地质素描。通过对出露护盾的围岩以及在岩溶地层中通过刀舱内的刀孔、人孔对掌子面围岩进行观察，绘制地质素描图，与物探的结果进行对比验证。

4.2 岩溶地层不良地质处理措施

4.2.1 溶蚀及小溶洞群处理措施

2倍洞径外的溶洞不处理。对TBM掘进过程中揭露出的溶洞和探测出的2倍洞径内未揭露出的溶洞，根据岩溶型态大小、充填特征、充填物性质、岩溶水量及岩溶与隧洞的位置关系等采用不同的处理措施。

4.2.1.1 溶蚀及溶洞在拱顶位置

图4 拱顶溶洞处理措施FlG.4 treatment measures of the arch top solution

溶洞出现在拱顶位置，在溶洞出露护盾前先安装Φ12或Φ16钢筋排及I16钢拱架（间距可选择45cm、90cm、180cm）进行支护。若溶洞内有充填物并伴有掉块，为防止钢筋排变形和钢拱架收敛，将Φ22连接筋改为I16工字钢与钢拱架进行纵向连接，必要时减小钢拱架间距；若溶洞内无充填物，待溶洞出露护盾后，采用I16工字钢支撑一端与钢拱架焊接，一端顶紧岩面，待I16工字钢焊接牢固后将φ8钢筋网片填塞至空腔内，采用铁皮等对溶洞进行封闭并安装φ42注浆管与排气管，采用C20细石混凝土对溶洞溶腔进行回填，并在后配套进行回填灌浆作业。(见图4)

4.2.1.2 溶蚀及溶洞在撑靴位置

溶洞出现在撑靴位置时，分两种情况进行处理：

（1）溶洞内含有充填物且较破碎，在TBM撑靴位置安放H150型钢或I16工字钢，为TBM撑靴提供足够支撑力，并提前进行网片挂设或钢筋排安装，采用应急喷射混凝土对溶洞位置进行喷射混凝土处理，喷射混凝土厚度与钢拱架内弧面齐平，待混凝土强度达到要求后TBM慢速掘进通过。

（2）溶洞内无充填物，在拱架背部安放H150型钢或I16工字钢并焊接，或塞填折叠的φ8钢筋网片和Φ22钢筋，并在该处挂网喷射混凝土，喷射混凝土厚度与钢拱架齐平，待混凝土强度达到要求时，TBM慢速掘进通过。

4.2.1.3溶蚀及溶洞在隧洞底部

TBM掘进过程中加强对掌子面围岩的预判，结合物探地质预报推断隧洞底部溶洞存在的可能性及规模，然后启用应急泵站及管路深入刀盘前方对隧洞底部溶洞进行回填，实现边回填边缓慢推进的技术处理措施。溶洞在隧洞底部时，钢拱架底部采用I16工字钢进行纵向连接，防止钢拱架和轨排发生不均匀沉降，确保支护和机车运行安全。

4.2.2 溶蚀及溶洞突泥涌水处理措施

施工前编制突泥涌水应急预案，施工过程中结合超前地质预报判断突泥涌水的可能性及规模。发生突泥涌水后立即启动应急抢险预案，并及时组织参建各方召开专家会，针对具体情况采取相应的处理措施。

突泥涌水处理措施：

（1）进入刀盘探明掌子面围岩地质情况，通过刀孔、人孔及刮渣孔判定涌泥的大小、位置及规模形态，TBM每推进0.5m至少观察1次，同时施做长距离TRT和地表钻孔。

（2）判定刀盘是否能够启动，对刀盘人孔及刮渣孔焊接钢板局部封堵，减小刀盘开口率以减少出渣量，每次掘进前空转刀盘，将刀盘泥浆清理干净。

（3）在皮带仓位置堆码沙袋墙，防止刀仓里面的泥浆从皮带仓口涌出，刀仓内泥渣从皮带系统输送出去，避免影响底部支护结构施工。

（4）调整掘进参数：降低掘进速度、刀盘转速、掘进推力，避免出渣量大造成皮带堵死或急停。

（5）加强支护强度：围岩出露护盾后及时进行封闭并加强支护，采取加密钢拱架、钢筋排、工字钢纵连、喷射混凝土封闭等联合支护措施，溶腔内灌填混凝土，确保支护强度不留安全隐患。

（6）加强监控量测：加强支护完成后，及时布设监控量测点，并加密量测频率，将监控量测数据及时反馈，以指导现场施工。

（7）配置应急水泵及管路等抽排水设施，确保抽排水系统具备足够的抽排水能力，避免TBM设备被淹风险，应急抢险期间加强与供电部门的沟通，同时配备足够的备用电源，确保电力供应。

4.2.3 岩溶地层塌方处理措施

遇此类情况，掘进机需停机处理；清理塌落体后，依据设计参数及时安装钢拱架（若塌方严重时，可采取拱架加密），拱架间采用I16工字钢连接；在拱部塌落处铺设钢筋排；为防止坍腔内的围岩进一步垮塌，可采用型钢支撑加固危岩，型钢落脚于钢拱架上；同时利用应急干喷机对坍塌处进行喷射混凝土封闭处理，减少岩石暴露时间以及时形成支护体系。为减少后续变形，利用应急干喷机对支护系统钢支撑进行封闭回填处理。为保证对塌腔内的回填密实，在封闭前安装φ42注浆管与排气管，采用C20细石混凝土对溶洞溶腔进行回填，到达喷浆桥后复喷砼至设计厚度，并在后配套进行回填灌浆作业。（见图5）

对于撑靴处坍塌较严重部位，则在拱架背后利用上述同样的方式浇灌混凝土，混凝土回填密实，待混凝土强度达到要求后方可进行撑靴作业，然后慢速掘进通过。

图5 岩溶地层塌方处理措施FlG.5 disposal measures of karst formation collapse

4.3 炭质板岩段不良地质处理措施

掘进参数的选择。在软弱围岩地段施工时根据围岩特性、输送皮带上石碴块度构成情况，选择合理的掘进参数，减少对围岩的扰动。 掘进采用人工手动模式。

5 结果与讨论

引松供水四标段通过对超前地质预报、不良地质段处理措施的应用，在施工中成功攻克了灰岩段溶腔溶洞发育、围岩变化频繁、地层软硬不均等不良地质难题，使TBM成功穿越了7.9km长的灰岩地层，实际揭露形式、规模、大小不一的溶蚀溶洞共计48处，穿越炭质板岩等软弱地质层2处；其中，由于揭露岩溶构造依次经历“2.29涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量达1800m3/h。应用本文提出的快速掘进技术，在超前地质预报工作及时准确探查的基础上，及时调整施工方案，将灰岩段岩溶构造和突涌水事故以及炭质板岩软弱段造成的工期延误大幅降低。自2015年5月底始发掘进至今，有效掘进时间共计23.7个月，累计掘进17.488m，平均月进尺738m，最高单日进尺70.8m，最高单月进尺1318.7m的较好成绩，创造了国内首台具有自主知识产权的开敞式TBM掘进月施工全国纪录，同时填补了开敞式TBM成功穿越灰岩地层的国内空白，为今后同类别的TBM施工提供了宝贵的经验。

虽然TBM在通过7.9km长的灰岩岩溶洞段取得了一定的施工经验，但仍存在一定的不足。例如，湿喷系统离护盾太远不利于前方不良地质出露护盾后的及时喷护封闭，建议在护盾后合适位置布置双应急喷护系统及注浆回填系统，满足大溶洞条件下的应急处置。同时应急材料能直接从设备桥运送到护盾尾端。