敞开式TBM施工重难点应对措施浅谈

2018-09-27靳党鹏张文强

建筑机械 2018年9期

靳党鹏，肖军，王涛，张文强

（中交天和机械设备制造有限公司，江苏常熟 215500）

自1851年美国人Chrles Wilson发明了第一台全断面隧道掘进机以来，经历了170多年的发展，功能与种类也越来越全面［1，2］。TBM在针对高强度岩土地层时，不仅掘进速度快，而且施工安全可靠，其在硬岩隧道的成功案例在全世界得到了广泛的认同。本项目采用敞开式TBM掘进机，在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力。因为当地山区的高海拔和断裂带的分布，掘进机主机同时配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等，如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备预先固结周边岩石，然后再开挖，提高了施工的多样性与应对机制。

1 工程地质条件

根据本次工程地质调绘及钻探成果，隧址区地层主要为第四系冲洪积卵石、崩坡积碎石、冰水堆积碎石、泥盆系上统天格尔组凝灰质砂岩、志留系阿河布拉克组石英片岩及华力西早期侵入花岗岩。岩石最大抗压强度90MPa。

根据地质资料显示，Ⅴ级围岩全长2205m，占全长的10.6%，Ⅳ级围岩全长11872m，占全长的56.7%，Ⅲ级围岩全长5619m，占全长的26.8%，Ⅱ级围岩全长1254m，占全长的5.9%。其中，F6、F7断层破碎带及岩性接触带等围岩段属中等富水区，涌水量大，开挖可能导致涌突水现象。

综上所述，岩体较易破碎、崩塌，围岩稳定性差，危岩体等不良地质岩性为风化凝灰质砂岩、石英片岩、中风化闪长岩、花岗岩。

2 工程重难点

TBM掘进一般要求进度快，工期紧，而且掘进的工况与地质条件比较恶劣，会引起施工时一系列的问题与难点，现总结主要问题如下［3］：

（1）通过断层破碎带问题。

隧道存在2条构造断裂带F6、F7，围岩构成主要为风化花岗闪长岩和石英片岩接触段，断裂带处围岩变形大，易造成塌方，支护工作量大，掘进方向难以控制，TBM撑靴落空无法推进等问题。

（2）高地应力条件下存在岩爆问题。

隧道最大埋深约1200m，区域地质构造活动较为活跃，局部围岩主要以花岗岩等硬质岩石为主，隧道开挖后可能会产生岩爆风险。

（3）涌水、突泥问题。

在Ⅴ级围岩及断层破碎带，局部富含裂隙与地下水，会产生较大涌水，尤其是下坡掘进，洞内积水可能会迅速增多，导致停机，甚至危及人员和设备安全。

（4）软岩大变形问题。

F7断层破碎带主要为灰绿色薄层状、千枚状绢云母石英片岩为主，夹少量灰岩、钙质片岩，遇水易泥化、软化，有涨缩性，工程地质性质不好。受地应力影响，围岩可能会出现局部或者较长区域的收敛，大变形带来的主要问题是支护变形甚至失效，对配套设备通过造成影响。

3 应对措施

3.1 破碎带针对性措施

TBM设计时考虑配置相应的辅助工法［4］，在L1区配置钢筋排支护系统、钢网片存储系统、钢拱架安装器、锚杆钻机系统、L1区混喷等系统，在L2区配置锚杆钻机系统、混凝土喷射系统。如图1所示。

图1 TBM三维模型

保证在破碎地层掘进时钢筋排同步支护隧道（见图2），再配合钢拱架、锚杆等支护手段，有效提高支护的及时性和安全性，减少石渣掉落和塌方，并有效应对破碎围岩、塌方及中等强度的岩爆。

图2 拱架安装器

在主机L1区配置新型混喷系统，相对于常规型具有回弹量小、凝固时间短、强度高等特点，即使在地质松散段和富水洞段，也可以在很短的时间内给撑靴提供足够的支撑反力，让撑靴能够快速顺利无害通过环形梁。混喷系统通过后，配套混凝土输送泵将喷射料输送至设备桥处混凝土输送泵，再由设备桥混凝土输送泵将混喷料送至前置混喷机械手，对隧道岩壁进行混喷加固。若遇大的坍塌，可在洞壁坍塌处立模，将L1区喷嘴处管路断开，灌注混凝土。

严重断层破碎带，优先考虑采取加密的拱架钢筋排支护和L1区应急喷混支护进行穿越，同时调整掘进参数；万一无法穿越，刀盘出现卡顿，扭矩异常时，再考虑利用设备上的超前钻机及注浆系统进行超前加固。由于隧道地处高海拔，隧道埋深较大，并存在常年积雪，预估存在较大的水压，注砂浆效果差，可考虑注入化合物或者双液浆进行超前加固。

3.2 高地应力针对性措施

TBM工法本身是防治岩爆非常有效的手段。由于采用机械掘进开挖，对围岩的扰动非常小，同时开挖面为圆形，而且开挖轮廓非常圆顺，不易产生应力集中现象，这两方面因素本身对减少岩爆的发生和降低岩爆的发生等级都非常有效。

在大埋深、高地应力段施工，根据地质资料及探测手段对不同级别的岩爆采取不同的施工方法和应对措施，主要应对措施有：

（1）加强地质监测和预报，及早采取措施，防止岩爆发生或降低岩爆发生的等级，以使损失降到最小，确保施工安全；

（2）采取向岩面喷水、喷雾或深孔注水等办法降低表面脆性或降低岩石硬度；

（3）视情况报请监理审批同意后采用水胀式锚杆、涨壳式预应力锚杆、钢纤维混凝土、纳米仿钢纤维混凝土等新材料、新工艺试验，防止或者减弱岩爆发生及其造成的影响；

（4）对于中等-较弱的岩爆，及时喷锚网支护，减少围岩暴露时间，减少岩片剥落造成的安全隐患，且初期支护做到宁强勿弱，务必一次到位；在强烈—极强岩爆段，除以上措施外，必要时报请监理审批同意后采用钢架结合双层钢筋网加强支护；最严重情况下，为释放较高的地应力，减轻岩爆强度，采用先开挖导洞方式，以释放部分地应力，然后进行二次扩挖；对围岩进行监控量测，发现问题及时处理，确保施工安全；

（5）针对强岩爆地段，采用TBM自带的超前钻机钻孔，对开挖面周边进行弱爆破以超前释放部分地应力，然后TBM掘进通过；在TBM顶侧护盾增加了钢筋排存储空间，扩大了钢筋排的支护范围，实现在盾体尾部周向250°钢筋排支护，加密与扩大钢筋排支护范围可有效减少岩爆对人员及设备的损伤。

3.3 突涌水、突泥针对性措施

断层破碎带及岩性接触带等围岩段属中等富水区，涌水量大，开挖可能导致突泥、涌水现象，此隧道勘探正常涌水量约为1180m3/d，最大涌水量预估算为12000m3/d，此隧道TBM掘进有超过400m的下坡掘进，隧洞内积水可能会迅速增多，导致停机，甚至危及人员和设备安全，分别制定措施如下：

（1）突涌水措施。

在地质预测预报探明前方有突涌水时，在掘进之前进行超前预注浆、超前支护等手段进行处理。超前注浆材料以速凝、早强为原则，以化学浆材为主，具体应对对策根据实际施工情况报监理审批后组织实施；必要时采取超前泄水孔限量排放等措施，保障先行开挖通过，然后再进行堵水灌浆处理或高压固结灌浆堵水和加固。加强超前地质预报预警、超前探水工作，结合已揭露的隧洞地质情况，选择相应的施工方法。

对于富水断层破碎带地段采用超前预灌浆、超前支护进行加固，改良地层，封堵地下水，开挖后及时加强支护，并进行堵水灌浆和衬砌后固结灌浆加固；对于一般的出水点，当地层稳定时，先掘进通过，开挖后封堵出水点；当地层不稳定时，灌浆堵水，并加固围岩，开挖后及时加强支护；对于较大的出水点，视情况采取灌浆全封堵和部分封堵措施；为避免直射的涌喷水影响正常作业和设备的正常运转，TBM施工段采用钢瓦片进行挡护、引排至隧底并通过洞内排水系统排出；必要时及时启用应急排水系统，确保涌水及时排出，避免积水劣化围岩和其他恶性事件发生；下坡掘进时，视相邻隧洞掘进情况，考虑与相邻隧洞打孔贯通，通过相邻隧洞进行排水；TBM主机段配置超前钻机系统，可进行超前钻孔及注浆堵水。锚杆钻机与超前支护钻机共用，通过旋转机构可将锚杆钻机旋转90°向掌子面方向进行钻孔，示意图如图3所示。

图3 超前预警钻机

（2）突泥措施。

突涌水突泥均将对TBM施工造成灾难性后果，通过施工过程中对工程地质情况的深入了解和结合实际围岩情况，制定防突泥专项方案，并加强在实施过程中的信息反馈，动态调整，确保方案实施效果，严禁突泥情况的发生。主要应对对策是：超前地质预报探明前方有突泥情况后，为防止泥浆涌出给TBM设备造成严重影响，掌子面采用超前灌浆封堵、加固，然后采用超前管棚注浆预加固，经评判具备TBM开挖条件后再开挖。当突泥量大，采用上述措施处理时间很长，影响总工期时，申请改变施工方案，从TBM护盾后部人工钻爆施工绕洞到TBM前方提前进行处理，然后TBM步进通过。

3.4 穿越软岩地层针对性措施

隧道项目地层存在软岩地质，地层易发生大变形，受地应力影响，围岩可能会出现局部或者较长区域的收敛，大变形带来的主要问题是支护强度不足引起支护变形甚至失效，占用隧道净空，对后配套设备通过造成影响。针对软质地层加固的主要措施为锚、注、喷一体化（锚、注为核心）、围岩加固-支护，主要体现在以下2个方面：

（1）在物探结果预测前方为软弱围岩时，超前探孔配合予以验证，视探孔取芯分析情况决定掘进措施。

（2）软弱围岩段按照“超前支护、短进尺、勤换步、早封闭、强支护、初期支护一次到位”的原则组织施工。掘进措施、支护方法和手段视具体情况实施。主要体现在：利用超前钻机，超前注浆加固、施作超前小导管或超前管棚预支护等手段后再掘进通过；若围岩收敛变形比较轻微，掘进通过后进行初期支护。根据具体情况，必要时采用超前混喷系统对护盾尾部即刻喷射混凝土覆盖加固，若发现有围岩塑性变形或膨胀现象，立即停止喷水，并加快速度尽快通过；若软岩无法提供支撑反力时，可在洞壁撑靴处采用喷锚网+钢拱+灌注混凝土的联合支护方式对撑靴部位洞壁处理后再掘进，必要时打锚索加强初期支护后再掘进通过。

若围岩收敛变形较为严重，首先利用TBM的扩挖功能，扩挖时，结合驱动抬升功能，采取边刀加垫块，将刀具外移，扩挖顶部空间；围岩出护盾后，及时施作初期支护，必要时采用短进尺、加密拱架、加强配筋、喷射钢纤维混凝土等措施加强支护。若TBM被卡，设备考虑驱动大扭矩配置（额定扭矩8720kNm、脱困扭矩13079kNm）。同时加大掘进推力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，减少护盾与围岩间的摩擦，通过后立即施作初期支护系统；在变形量极大、速度快的极端情况下，TBM扩挖不足以克服卡盾和掌子面自稳定能力差，不具备全断面TBM掘进时，则从护盾后开绕洞至掌子面，采用钻爆法施工处理后，TBM步进通过的方法。