长大深埋型水工隧洞不良地质条件TBM施工技术研究

(中铁十九局集团有限公司，北京 100176)

长大深埋型水工隧洞施工的地质和工况非常复杂，TBM施工设备须针对特殊地质状态进行适应性施工操作。本文结合案例工程和TBM施工技术特点，就长大深埋型水工隧洞TBM施工技术开展专题研究，为同类工程施工技术应用提供研究和技术参考。

1 长大深埋型水工隧洞案例工程概况

案例工程位于雅砻江锦屏大河湾，是锦屏二级水电工程的组成部分。该工程利用锦屏大河的高水头，辅之四条呈平行的引水隧洞进行发电。另外，为了增大水流量、提高流速，还挖掘了两条“旁路”，即辅助洞A、辅助洞B。引水隧洞的直径、平均长度均相等，分别为12m、16.60km，隧洞上表层岩体厚度高达1500～2000m，最大埋深为2525m，属于典型的深埋长大隧洞。

a.对饮水隧洞进行考察分析得知，Ⅱ类围岩、Ⅲ类围岩、Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩所占比例分别为36.70%、54.10%、8.30%、0.90%，并且主要是碳酸盐岩，大理岩占隧洞总长度的75%左右。

b.引水隧洞的4+700～7+300地段，属于富水带区域。通过对辅助洞的地质条件进行全面、深入的考察与分析发现，此洞段地下水储量较为丰富，并且水压高。7+300～10+000段具有较大的出水量，并且涌水点的出水速度高达1m3/s。

c.该工程在施工过程中，对水压破坏进行了充分考虑，工程固结灌浆压力最高可以达到12MPa，足以抵抗巨大水流冲击，引水隧洞主要采取灌浆施工方式，并且施工长度超过10km。由于地质、环境、资源等各方面因素的交互影响，施工难度较高，并且隧洞断面较大会对隧洞的挖掘、衬砌等施工过程产生十分严重的影响。

2 长大深埋型水工隧洞TBM施工法概要

TBM施工法主要是借助全断面隧洞掘进机进行挖掘作业。当在硬岩环境之中进行施工时，掘进机的滚刀会与岩石发生剪切、挤压等多种力的作用，被压碎的岩石通过掘进机旋转刀盘上的铲斗齿传输至皮带机上，利用牵引矿渣车运输至洞外。

应用TBM施工法进行施工过程中，掘进、支护、运出等一系列施工步骤无缝对接，循环往复,并且具有一系列其他施工设备无可比拟的优势，如掘进速度快、施工成本低等。对于一些施工难度高、地质比较复杂的深埋长隧洞，该施工方式能够展现出十分显著的施工效果。TBM施工皮带运输碎石的流程见图1。

图1 连续皮带机出渣示意图

图2 洞内轨道布置示意图(单位：cm)

TBM开挖洞内主要通过有轨矿渣车运输碎石，见图2。

对于不同的围岩，TBM施工掘进机的设定参数也存在较大的差别，见表1。

表1 各类围岩施工参数

续表

3 不良地质条件长大深埋型水工隧洞TBM施工措施

3.1 高压、集中涌水的应对措施

3.1.1 地质检测

对施工洞段进行超前地质检测，将检测结果与排水洞和辅助洞的施工情况进行对比，对于可能发生高压、集中涌水问题的洞段，要利用TBM设备进行维护。在实际施工过程中，要根据具体情况采取相应的施工方式，当施工洞段的正下方具有充足的地下水，而水层上方的岩石层较厚时，可以采取钻孔卸压和超前钻孔等方法来削弱水流的压力和流量。在排放高压水流的过程中，为防止水流对岩层的冲击，应先采取超前灌浆处理措施。灌浆处理的标准是能够维持隧洞中岩层的稳定，只有各项安全指标均已达到的情况下，方可进行隧洞挖掘。涌水洞段施工要考虑水流对机器的作用，浸入水中的刀盘通过转动，会将大量水流甩至正在运转的皮带上，从而影响TBM的工作。在这种施工条件下，要减少刀盘周围的存水量，减小刀盘的转速，尽量避免工作中的皮带受到水流影响。由于涌水中含有大量砂石，在刀盘旋转的过程中这些砂石就会被带到钢枕中，从而影响到刀盘的工作和装卸。

3.1.2 钢瓦片安装

施工隧洞的内壁上有较多水流涌出时，要在洞壁上安装钢瓦片，来达到降低涌水压力和分流的作用，将一定量的钢瓦片运送到施工洞段后，要使用安装器来抓取和安装钢瓦片。钢瓦片被抓起后通过旋转和移动固定在目标位置，并采用对齐布置的方式排列。

钢瓦片的位置确定后，利用螺栓连接进行加固。运用锚杆钻机对瓦片进行锚固，首先在钢瓦片底部进行钻孔，然后装配锚杆、背板，最后利用螺母固定。

3.1.3 施作导排水孔

当涌水压力较高时，为了确保施工稳定、有序开展，可以采取钻排水孔的措施，进而达到减小出水点压力的目的。运用TBM上的锚杆实施钻孔作业，并在孔内装配弹簧软管，将水引流至施工之外的地段。

3.1.4 喷射混凝土

当导水、排水结束之后，需要进行混凝土喷射作业。通常情况下，运用机械手开展混凝土喷射工作，当机械手长度不够时，可以在工作区域之内重新装配一台机械手，然后把混凝土运输管道与喷射位置进行连接，以确保混凝土喷射工作顺利完成。

3.2 岩爆的处理方法

3.2.1 轻微、中等岩爆处理方式

当隧洞内产生轻微、中等岩爆时，应运用TBM的支护设备对已经开挖并且露出的岩石进行支护施工，同时利用电钻在洞壁上钻孔，以此来减小岩石内部产生的应力，达到降低岩爆产生概率的目的。当发生岩爆现象之后，需要对产生的碎石进行及时清理，然后利用混凝土对岩爆位置进行及时固封，最后再对岩体进行支护处理。

3.2.2 强烈岩爆处理方式

锦屏二级饮水隧洞的埋深为1500～2000m，且承受较高的应力，因此强烈岩爆发生的概率较高，此种岩爆形式具有下列四方面特点，具体为：ⓐ大理岩的特点是抗压强度较低，因此发生岩爆现象时，爆出石块的体积较大，岩爆范围较广、爆坑较深；ⓑ当岩爆产生之后，开挖轮廓线之外所有位置均会产生严重坍塌状况；ⓒ强岩爆产生位置极不固定、毫无规律；ⓓ强岩爆通常会在挖掘之后的6～12h内产生，滞后性较强。通过对大量的信息数据进行调查分析发现，10+000～7+000段极易产生强岩爆。为了降低强岩爆的发生概率，在掘进之前，应预先对围岩浇水，直至围岩全部浸湿，然后进行喷锚支护处理，使围岩处于封固状态。

当在岩爆区进行施工时，应当严格遵循预先处理、及时、标准化等相关基本准则，由于TBM施工方式在掘进时主要形成圆形断面，此种断面一般不会产生应力集中，与传统施工方式相比，岩爆产生概率较小。通过对大量的施工案例进行分析发现，应用TBM施工法进行施工的过程中，岩爆一般会产生于掌子面后的20m之外，并不会产生于掌子面之前，因此应重点加固刀盘后方区域。对岩爆洞内进行支护施工时，要做到迅速、高效，确保支护质量，应利用TBM刀盘后方的喷射机械手，对于岩面出露的区域，进行重点喷射，混凝土的厚度至少要达到8cm，然后在喷射完成的岩面上进行锚杆等一系列处理。一般情况下，水胀式、砂浆式、涨壳式是最为常用的三种锚杆类型，具体详情见图3。由于砂浆锚杆存在抗冲击能力差的缺点，不能在短时间内为围岩提供较强的支承，无法适应强岩爆环境，因此水胀式、涨壳式应用于紧急支护场合(见图4)。

图3 防岩爆锚杆类型

图4 TBM洞内的中空预应力涨壳式锚杆

3.3 断层破碎带TBM施工原则

若TBM施工遇见断层及破碎带，将会严重影响施工进度，这时必须要充分发挥TBM支护设备的作用，以此确保支撑系统的可靠性与安全性。首先，将刀盘护盾之中的岩石快速移除，并根据相关要求，装配格栅拱架，同时在岩面、拱架之间铺设钢筋网，当拱架紧固完成之后，再用混凝土对岩面进行喷射，在拱架之间，确定锚杆位置。若预测到可能会产生断层带，则需要利用TBM上的超前钻机进行钻孔，然后通过导管将混凝土灌注其中。钻孔完成之后，需要及时将导管插进其中，为了提高效率，一般采用同时注浆的方式。超前小导管的施工步骤见图5。

图5 超前导管施工流程

导管均选择长度为3.5m、直径为32～40mm的热轧钢管，导管的连接处均选用150mm长的满丝扣厚壁管箍。导管在安装过程中，纵向两组小导管间的搭接长度应大于100cm。

按照相关步骤与要求，运用TBM的注浆设备进行施工(见图6)。

图6 注浆施工流程

注浆压力控制在1～2MPa之间，同时确保固结体直径在40cm以上。注浆结束，围岩已经硬化后，进行TBM挖掘，同时根据间距要求，装配拱架，并且钢管由拱架进行支撑，二者之间要利用楔块加固。另外，进行开挖注浆施工之前，为了防止浆液四处流窜，应当预先建设高度为1.50m的墙壁。

3.4 高地应力地段TBM防止收缩变形的措施

对于塑性较大、脆性较高的围岩洞段，若产生地应力，围岩将会发生收缩变形现象。TBM在施工过程中，若不及时采取应对措施，那么将会造成护盾、刀盘被卡。为了避免产生此种状况，TBM施工过程中常采取以下三种措施。

3.4.1 采取预先处理措施

采取超前预报，并结合施工情况制定相应的应对措施，当施工进入围岩收缩段内之后，采取预先处理措施。

3.4.2 加装扩挖刀具

对TBM边刀的应用状况进行全面检查，当需要在上述洞段内进行施工时，对边刀进行更换，加大开挖洞径。同时，还可以加装扩挖刀具，以此来增大隧洞直径，防止因围岩收缩导致刀盘被卡现象发生。

3.4.3 尽快支护

TBM挖通之后，对于出露的岩石洞段，要采取合理、可行的方式进行初期支护处理，确保支护强度与刚度。根据施工状况，利用洞壁钻孔的方式释放岩体内部应力，达到进一步减小收缩变形量的目的。

4 结 语

本文结合案例工程和TBM施工技术特点，针对长大深埋型水工隧洞特点，梳理了TBM围岩施工常用支护形式；提出了长大深埋型水工隧洞TBM施工高压集中涌水的应对措施、岩爆的处理方法、断层破碎带TBM施工原则及高地应力地段TBM防止收缩变形的措施，可为同类工程施工技术应用提供研究和技术参考。