敞开式TBM断层破碎带施工技术初探

安 仓

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，新疆833300）

0 引言

目前已有多种样式的TBM应用于地下工程的各种领域，TBM施工具有速度快、安全、可靠和对环境影响小等多种优点，现已成为长大隧道快速施工的趋势。采用TBM施工的长大隧道在施工中一般会穿越断层破碎带、强蚀变等不良地质段，极易遇到破碎岩层坍塌，严重影响TBM施工进度。以往施工项目大多采用侧面导坑法进人TBM刀盘前方清理塌方松散体，或者从护盾上方通过导坑清理刀盘前方松散体，然后TBM步进通过[1]。施工过程中在破碎带内施做新的导坑，安全风险大，并且因作业空间限制，大型设备不能用于施工作业，多数情况下采用人工操作，施工进度较慢。某引水工程隧洞采用敞开式TBM施工穿越断层破碎带时，通过化学注浆固结刀盘轮廓线和护盾上方坍塌松散体施做止浆墙和护盾上部180°范围内施作管棚超前预支护承住护盾上部及两侧洞壁松散体，然后TBM掘进通过的方法，加快了TBM施工进度，同时也保障了施工安全和施工质量[2]。

1 TBM施工概况

1.1 断层破碎带地质概况

围岩岩性为花岗岩,灰白色，岩体整体破碎，掘进完成后露出护盾围岩肉眼无法判断裂隙情况，岩体极不稳定，露出护盾围岩存在大量松散体，松散体以细颗粒为主，局部夹杂较大石块，两侧及顶拱存在大范围塌方，部分段落围岩全断面破碎。掘进过程中从主梁人孔有大量砂砾和碎石随着渗水流出。掌子面围岩松散，停机后泥沙不再涌出刀盘，围岩在刀盘、护盾的联合作用下自稳。施工中对隧洞内涌出砂状物的物理性能进行了筛分试验检测：随着时间增加涌出物粒径不断变大，细颗粒不断减少。

不良地质洞段围岩整体出水严重，出水以线流、股状为主，隧洞出水主要分布于顶拱及右侧，最大出水量达141.3m3/h，2018年1月28日开始逐步稳定至50m3/h。

1.2 TBM掘进施工简述

自2017年10月7日TBM施工进入断层破碎带后，右侧0点-3点方向一直出现小规模掉块塌方。通过刀盘掌子面、刀盘轮廓线、护盾上方钻孔化学注浆加固及初期支护，TBM仍然可以稳步前行。2018年2月27日掘进过程中发现刀腔内大量石渣与水混合物沿主梁进人口涌出。涌渣中直径3cm以下的小颗粒石渣（含细砂）含量占50%左右，较之前TBM施工进入不良地段时情况类似，但细砂直径较之前有所增大。3月24日刀盘每启动15s左右皮带压力迅速升高，皮带压力达120bar时停转刀盘无法降低皮带压力，皮带压力持续上升直至皮带压停，期间主梁人孔处流出的混凝土状石渣较多，TBM掘进被迫停止[3]。停机后对刀盘掌子面、刀盘轮廓线、护盾上方钻孔化学注浆加固，效果不佳，掘进不能正常进行。

2 断层破碎带管棚施工

加固护盾后方围岩，随着TBM设备的掘进完成钻机工作室的扩挖，将钻机安装至护盾后方，采用阿特拉斯1838钻机钻孔对护盾上方与刀盘部位采用化学灌浆进行固结，采用ZM-90管棚钻机施工管棚，管棚安设完成后进行大循环注浆施工，施工完成后对扩挖段进行回填，TBM设备掘进通过，根据围岩破碎情况重复进行此项施工，不良地质洞段TBM设备管棚施工流程详见图1。

图1 不良地质洞段TBM设备管棚施工流程图

2.1 护盾后已支护段加固

2.1.1 护盾尾部2m（纵向）范围围岩加固

利用L1区锚杆钻机在护盾尾部2m（纵向）范围内施作φ25自进式中空注浆锚杆对护盾尾部围岩进行加固，锚杆梅花形布设，采用隔孔钻孔和间隔注浆，锚杆采用HC材料或水泥浆（无水段为水泥浆、渗水与线状出水段为HC材料）进行灌注，所有锚杆尾端与拱架焊接牢固[4]。

表1 护盾尾部2m（纵向）范围加固具体技术要求

2.1.2 护盾顶部围岩加固

采用YT-28风枪对护盾顶部施作φ25自进式中空注浆锚杆，锚杆施工完成后采用化学灌浆进行灌注，注浆为隔孔灌注。

表2 护盾顶部加固具体技术要求

2.2 管棚工作空间施做

根据管棚钻机工作空间需求，对护盾尾部3.5m范围内的隧洞上半断面进行扩挖，工作间扩挖具体施工顺序为：掘进→扩挖→扩挖段支护→掘进。

1）掘进。护盾尾部与顶部加固完成后开始进行掘进，掘进中需安排专人在主梁上部与下部进行看护，如掉块塌方严重应立即停止掘进，对围岩进行加固后再进行掘进，每循环掘进长度不得大于50cm。

2）露出护盾围岩扩挖。扩挖施工采用人工配合锚杆钻机进行施工，扩挖范围为拱顶200°，扩挖按照“掘进1段扩挖1段”进行，扩挖半径为3.99m，一次支护厚度为24cm，支护完成后内轮廓半径为3.75m，扩挖长度为3.5m，具体尺寸如图2。

3）扩挖段支护。扩挖段支护主要包括：钢拱架、锚杆、钢筋排（钢筋网）、喷射混凝土，具体施工如图2所示的扩挖段断面与支护图[5]。

钢拱架安装。扩挖完成后人工配合拱架安装器安装钢拱架，钢拱架为HW200型钢拱架，间距不得大于50cm，根据围岩情况间距可适当进行调整，钢拱架全环采用10#槽钢进行连接，槽钢环向间距为50cm。上、下部分钢拱架需位于同一断面，采用HW200型钢连接后施作50cm厚C30混凝土扩大基础，上部拱架伸入混凝土内30cm。钢拱架拱顶180°适当安装钢筋排，未安装钢筋排位置安装15cm*15cm钢筋网。

锚杆。系统锚杆：系统锚杆为φ25自进式锚杆，布设范围为拱顶180°，间距为1m，排距为1.5m，梅花形布置，锚杆长度为6～7.5m，入岩1m。锁脚锚杆：锁脚锚杆上半部分采用φ42自进式锚杆，下半部分采用φ25自进式锚杆，布设于上、下部分拱脚位置，每环拱架共计布设8根，锚杆与钢拱架呈“L”形连接，锚杆长度为6～9m。锚杆注浆：锚杆注浆类别、压力、配合比与护盾后部围岩加固相同。

混凝土。支护完成的钢拱架全环采用混凝土封闭，混凝土厚24cm，为喷射C30一级配混凝土。混凝土施工为逐榀施工，拱架安装完成后未完成混凝土施工前不得掘进。

4）掘进。混凝土终凝后开始进行下一循环的掘进，以此循环进行扩挖段施工，直至扩挖段3.5m施工完成。

5）盾尾一侧扩大洞室端头喷射30cm厚混凝土，开始扩挖一侧端头喷射10cm厚混凝土。

2.2 刀盘轮廓线及护盾上方施做止浆墙

图2 扩挖段断面与支护图

护盾与刀盘上部围岩固结锚杆为Φ25自进式中空注浆锚杆，采用阿特拉斯1838钻机进行施工，施工中保持水路畅通，及时通过水流清理钻孔内岩渣。锚杆施工长度为10m，锚杆间距为40cm，外倾角为3°。自进式锚杆孔壁开孔，开孔纵向间距为25cm，每个截面锚杆开孔1个，开孔为梅花形布设，孔径6～8mm，护盾尾部1m范围内不设孔。同时在刀盘内采用YT-28风枪通过刀孔与刮渣口对刀盘上部及掌子面围岩采用钻杆钻孔后插入玻璃纤维锚杆进行化学灌浆加固。锚杆施工完成后采用化学灌浆进行灌注，灌浆压力、配合比等与扩挖施工前围岩加固化学灌浆相同[6]。钻孔完成后立即拆除阿特拉斯1838钻机，安设ZM-90管棚钻机。

2.3 超前施做管棚及注浆

在护盾与刀盘上方化灌施工完成后安设管棚钻机，同时采用YT-28钻机钻进1米，通过钻头反复冲击岩体形成孔洞，安装Φ146导向管，导向管长度为1米，外倾角4°，环向间距为40cm，安装完成后采用模具复核，无误后采用锚固剂对孔壁与岩体周围的间隙进行充填。导向管与岩壁间充填物终凝后采用ZM-90管棚钻机进行安设管棚施工，管棚布置范围为顶拱150°～160°，材料为外径Φ108的热处理调质管，单根长度为30m，间距为40cm，每环共计23根，管棚布设于已化灌的Φ25自进式中空注浆锚杆中间，钻孔过程中如发现卡钻应降低推力提高转速[7]。具体施工如图3所示的棚施工断面图。

图3 管棚施工断面图

φ108管棚采用热处理调质管，护盾与刀盘上部的8m不设孔，8～30m段设溢浆孔，孔径12mm，每环设2个孔，环间距25cm。施工中为增强管棚刚度，在φ108管棚内插入三根φ16螺纹钢，钢筋预先在洞外加工为三角形脚架，在插入钢筋的同时在钢筋前端绑扎φ35耐高压胶管，胶管随钢筋一同插入钢管内。采用高压水通过胶管对钻孔进行洗孔，同时对围岩进行扰动，以便增大围岩孔隙率，提高持浆量，待管内无石渣或污水流出时停止注水，采用锚固剂封堵φ108管棚与导向管及导向管与岩壁间的空隙，封堵长度不得小于50cm。待封堵的锚固剂达到终凝后，连接注浆设备对施工完成的管棚进行注浆，安设管棚施工采用隔孔施作。如图4所示的管棚内部截面图[8]。

图4 管棚内部截面图

管棚注浆浆液为HC，孔口注浆终压为4～6Mpa，注浆时遵循先稀后浓，先单液浆后双液浆的原则进行间隔、分次大循环注浆。注浆结束标准为：孔口注浆压力为4～6Mpa，且不再吸浆，持压30min后完成注浆；注浆过程中安排专人对护盾尾部与刀盘内漏浆情况进行观察，发现漏浆及时进行封堵，注浆施工采用管内大循环施工工艺，进行孔口注浆，利用φ35耐高压胶管进行洗孔、排气及回浆，具体注浆施工如下：

每根管棚施工完成后，在管内插入φ35胶管，插入深度距管底0.5m，使用高压水泵通过胶管向管内灌水，彻底进行洗孔，完成后采用板车运输HC注浆料至连接桥下方，人工投料，TTQ-200型高速制浆机制浆，3s-100/20三缸柱塞式变频注浆机注HC单液浆，采用孔口压入式注浆，φ35胶管进行排气，当胶管内有浓浆流出后，将回浆管插入储浆罐，实现循环灌浆，通过调节注浆机频率和止浆塞上的进浆阀和回浆阀逐步提高注浆压力，并实现稳压，最后关闭回浆阀进行屏浆和闭浆，每次灌注完毕后30min，再次对该管进行二次注浆，完成后注入双液浆进行封孔。当需要封孔或堵漏时采用JD380/25型柱塞式计量泵注HC调节剂，在管通过三通与单液浆汇合。

2.4 扩大洞室回填及TBM掘进

管棚施工完成后，对扩挖段按照设计尺寸恢复钢拱架，上半断面与下断面钢拱架焊接完成后采用14#槽钢进行满焊加固，每端焊接长度不得小于15cm。按照设计断面进行钢拱架表面喷射混凝土厚度控制，完成后TBM掘进通过。

TBM设备向前掘进19.2m后开始对露出护盾尾部的隧洞断面进行扩挖，扩挖长度为3.5m，扩挖完成后一次支护内侧距护盾顶部距离为50cm，扩挖段采用HW200型钢拱架，间距为50cm～90cm，根据安全监测与围岩情况对拱架间距进行调整，喷射混凝土厚度为24cm，扩挖段施工完成后再次安装管棚钻机，施工超前管棚，管棚长度为30m，外倾角为4°，施工完成后TBM掘进通过，以此循环，通过断层破碎带。

3 结论

本次TBM在断层破碎带施工根据现场的实际坍塌情况和围岩情况，采用护盾上方和刀盘轮廓线化学注浆加固施做止浆墙、从护盾后方施作管棚注浆和护盾后已支护段加固等快速处理方法，以及护盾后方已支护段加固、护盾后方施作超前中管棚、护盾上方和刀盘轮廓线化学注浆平行作业方式，较以往处理方法及项目节约了时间、人工和设备成本;同时采取先加固的处理方式，保证了施工过程人员和设备的安全，极大地提高了TBM施工效率。本次敞开式TBM在断层破碎围岩带的快速施工，会给类似围岩段TBM快速施工提供借鉴和启迪，建议在以后类似工程采用及推广。