开敞式TBM在吉林中部引水工程灰岩岩溶隧洞中的应用

罗武先，袁木林

(1.水利部建设管理与质量安全中心，100038，北京；2.吉林省水务投资集团有限公司，130061，长春)

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。与传统的钻爆法相比，TBM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，越来越多地应用在地下工程中。但是TBM对地层适应性较差，在复杂地质段落中往往难以充分发挥其掘进快速高效的优势。尤其在灰岩岩溶发育段，TBM掘进极有可能遭遇突水、涌泥、卡机、塌方等严重的工程事故，因此在灰岩岩溶地层中选用TBM工法进行长距离隧道掘进的案例很少。

吉林省中部城市引松供水工程总干线施工四标段采用一台Φ7.9 m的开敞式TBM施工，施工过程中，TBM需要掘进穿越长达7 km的灰岩岩溶段。针对这一问题，该工程使用了长距离灰岩岩溶段快速掘进技术，使TBM顺利穿越了灰岩岩溶段，为TBM穿灰岩地层施工积累了宝贵的经验。

一、工程概况

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永吉县岔路河至饮马河之间，线路全长23 km，由吉林省水务投资集团有限公司投资建设、中铁隧道集团有限公司作为承建方施工。本标段施工平面布置如图1所示。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。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，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。

图1四标段施工平面布置图

二、灰岩段岩溶构造类型和对TBM施工的影响

根据吉林省中部城市引松供水工程总干线四标段地质勘查结果，TBM隧道在7 km灰岩段中岩溶构造发育，存在溶隙、溶槽、溶洞。地表勘查已探明疑似溶洞12处，其中最大溶洞高38.52 m，距洞顶5.7 m；最小溶洞高6.3 m，距洞顶32.5 m。结合本段水文地质情况分析，总结可能出现的岩溶构造和对TBM施工影响如下：

①小型溶洞群：TBM掘进可能揭露围岩连续出现小规模溶洞。小规模溶洞对TBM掘进不会造成本质影响，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栽头，甚至掉机的事故。

图2 快速掘进技术路线图

③大型充填溶洞：由于该段地下水补给充沛，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，淹没掘进工作区域，延误TBM施工，甚至导致掌子面或附近围岩坍塌等严重后果。

④岩溶管道：本段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。

三、长距离灰岩岩溶段快速掘进技术

长距离灰岩岩溶段TBM快速掘进技术的技术路线如图2所示，其总体思路为：施工预备期地质方案与掘进装备针对性设计、施工掘进期超前地质预报与灾害治理相结合，全过程优化掘进管理组织。

在施工预备期，针对可能面临的灰岩段岩溶地质构造进行地质管理工作，包括地质分析、方案制定、技术交底等。在掘进装备招标过程中针对性提出要求并在招标、设计、制造、下线、调试阶段全程把控。如对本段可能出现的充填溶洞和岩溶管道诱发突涌水灾害的问题，专门在TBM制造阶段搭载了山东大学研发的TBM机载三维激发极化超前探测系统。

在TBM掘进施工期，采用超前地质预报先行、多种岩溶构造处置措施综合灵活运用的方法，保障TBM掘进过程的连续性和高效性。

在工程施工前期，不断优化组织管理模式和资源配置，为TBM高效顺利进行提供组织保障。

四、具体措施和关键技术

1.预备期措施

（1）地质管理

开工伊始，组织各参建单位相关技术管理人员进行地质解读，对不良地质进行具体统计、分析，对开敞式TBM的适用性及整体地质情况进行总体评价，定位工程的重难点，并制定针对性的解决措施及应急预案。召开专家会确定了TBM穿越不良地质段施工方案，先后编制、讨论并形成了实施性施工组织设计，TBM场地布置方案，TBM通风方案，TBM运输方案，TBM冬季组装施工方案，TBM始发、掘进施工方案及相关技术交底等。

（2）针对性设计

①超前地质预报搭载系统。TBM主机搭载了激发极化超前地质预报系统，刀盘上安装测量电极14个，护盾及其后方围岩安装供电电极20个、无穷远电极2个，依靠液压控制系统实现电极伸缩，该系统可实现实时地质预报，有效预报距离为30 m。

②支护能力加强。设计配置了L1区域、L2区域各2套锚杆钻机，用于满足240°支护要求；L1区域增设了湿喷系统，用于紧急情况下及时喷混凝土支护；喷浆机械手采用大车行走、悬臂伸缩式设计，有效解决了悬臂伸出长度过大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，喷浆机械手可实现有线+遥控的双面操作模式。

③快速材料供应设计。后配套采用平台式结构，并配置加利福尼亚道岔，增加了安全空间，又可同时存放2列运输机车编组，整个施工辅助系统也进行了优化，以满足高强度支护工况下的支护材料运输及储备会车需求。设备桥处设计配置了折臂吊机，便捷可靠，工作范围大，可满足支护材料的快速吊运能力。

（3）设备制造与监督

设备招标前，针对本工程的具体地质、施工特点，通过TBM设计联络会确定了设备性能指标，对设备桥、控制系统、监视系统、气体检测系统、导向系统等尝试改进，使其更加适应中部引水工程的地质条件、换刀情况等。

在设备设计联络及监造过程中，与厂家对设备设计及制造进行过程优化及监控。为满足TBM主要部件多厂家、多地点监造要求，监造人员按阶段合理安排，监造人员包括专业工程师、参与TBM工地组装及操作人员、维保人员。监造人员分为白/夜班全程跟踪，重点控制关键组装工序。

工厂调试阶段对TBM各项关键系统调试、试运行过程进行严格监控，要求经过长时间试运行，如折臂吊机、液压泵站、冷却循环系统、主驱动系统等。对换刀作业等关键工序，要求现场模拟换刀过程。

2.施工期预报与处置技术

（1）超前地质预报

在地质分析基础上，采用长短距离相结合的综合超前地质预报技术，综合应用三维地震波法超前地质预报（即TRT，长、中距离预测）方法和三维激发极化超前地质预报（短距离预测）。

TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术的基本原理在于当地震波遇差异（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。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。在灰岩地层中，可主要用来预报大型空洞溶洞、断层、破碎带等不良地质构造界面。

激发极化法是电法勘探的重要分支。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，被称为激发极化效应，而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激电效应进行地质探查的一种电法。尤其针对灰岩地层中突涌水致灾岩溶构造，三维激发极化超前地质预报可对掌子面前方含水构造进行三维识别和定位。

（2）岩溶构造处置处理措施

①溶洞处理措施。根据超前地质预报结果，探明的溶洞多为灰岩小溶洞，TBM可直接掘进通过，处理措施主要以加强支护和回填灌浆为主。其中，对于隧底位置溶洞，主要是加强进刀盘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，然后启用应急喷混凝土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。

②岩溶地层塌方处理措施。对于岩溶地层塌方情况需停机处理，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，并加密拱脚处锁脚锚杆；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。

③岩溶地层涌水处理措施。TBM遇突泥地段无法掘进通过，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，如判定是突泥地段，则在征得设计、监理和业主同意后采取钻爆法绕洞施工的方式提前处理突泥地段，TBM步进通过；若仅为涌水，无突泥或掌子面失稳时，采用以排水为主、封堵为辅的措施。正常施工排水采取1套排水管路，突发涌水时采取2套排水管路同时运行，确保设备和人员安全。掘进后对工作面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面。对侧壁漏水采用挡遮、引排措施，保证喷射混凝土质量。

3.施工组织措施

（1）TBM快速掘进资源配置

本着“均衡生产”的原则进行资源配置。在人员配置方面，TBM掘进班组设置3个班组，实行12小时3班制作业，并组建了综合班、保养班、刀具班、电工班和机械班。掘进班各配1名土木值班工程师、TBM主司机及巡视电工，TBM工区设置工区主任1人，工区副主任3人分别监管3个掘进班。在设备配置方面，除了TBM施工常规和标配的设备外，针对灰岩岩溶地层快速施工保障增加的机械设备，如移动式喷浆车、半自动网片焊接机、软化水系统、配料机加装滤网等。

（2）安全管理

一是塑造安全理念，让工程项目“我要安全，平安是福”的安全管理理念深入人心。二是坚持班前讲话，内容包含安全、质量以及技术方面应注意事项，由副经理、工区副主任、班组长共同参加。三是坚持安全检查，项目建立了安全生产管理机构，制定安全生产责任制，开展安全管理活动，并进行监督检查，形成了涵盖施工生产全过程的安全生产保证体系。

（3）TBM 设备配合

TBM法施工属于综合机械化施工，仅从TBM整机本身来讲，除TBM主控操作外，各类附属设备众多，掘进作业时，各附属设备需同时配合作业。做好TBM操作管理，正确高效地操作运用好各设备，是充分发挥TBM整体有效利用率、确保快速施工的关键因素。应从以下几点进行管理：一是严格落实常规保养制度；二是强制日常保养和设备技术管控；三是加强通讯及实时监控系统；四是因地制宜，适时改造和增加设备；五是强化沟通。 ■