TBM引水隧洞塌方处理施工技术研究

刘彦章

摘要：TBM施工法是一项新型的隧道施工技术，其主要以为核心设备，以大型现代化装载运输机械为辅助设备，采用全断面掘进机法施工，掘进、出渣、衬砌、灌浆等工序一次完成，全断面一次成型，施进度快，安全性好，通风要求低，衬砌支护工程量少。本文针对某TBM引水隧洞穿断层破碎洞段过程中，发生的大规模塌方情况，根据TBM施工隧洞的特点，采取一定的施工技术措施，保证了安全、快速地对塌方洞段进行处理。

关键词：TBM;引水隧洞;塌方处理;施工技术

1、工程概况

某隧洞是采用全断面掘进机（简称TBM）完成开挖与支护施工的。施工中在进洞土体段掘进时发生塌方，处理期间因掘进机长时间停滞，机头部位土体受压后发生变形。塌方处理结束，TBM向前掘进，但停机部位土体产生的沉陷长度约90m，最大沉陷值达54cm。为满足隧洞过水要求和防止变形引发的其它不利事件，设计单位决定对该超差现象进行处理。

该项处理是将原施工中做为永久支护的混凝土管片拆除，然后再按隧洞正确中心线进行开挖，随即进行喷锚支护，最后进行全断面混凝土衬砌。隧洞超差处理部位位于沙峁东沟西侧，洞外与2号引水渡槽相接，隧洞出口山体边坡覆盖第四纪Q2+3黄土，水平露出長度约160m，由里向外，土体主要由粘土、壤土、粉砂土组成。因处理段属浅埋土洞且上覆土体多为壤土和粉砂土，在前期施工中曾发生过土体塌方，故本次处理是以超前小导管对土体预灌浆为主，然后按管片拆除※隧洞扩挖※一次支护※钢筋混凝土衬砌的顺序进行。

灌浆小导管单排布置，直径42mm，孔距40cm，长4.5m，上仰角度30°，布置范围为顶拱两侧各60°，浇筑纯水泥浆，浆液水灰比为（1∶1）～（0.5∶1），灌浆压力0.5～1.0MPa。要求在管片拆除48h前灌浆。原设计洞体支护混凝土管片每环由4片组成，每片宽1.5m。上下交错布置，每块之间有止水胶条、凹凸槽等相互镶嵌。施工时先拆两侧边块，再拆顶拱块，最后拆底拱块。拆除施工中拆除一环管片即对洞体进行一次规格处理，然后喷第1层2～5cm厚混凝土→挂第1层钢筋网→再喷5～10cm厚混凝土※安装钢格栅拱架→挂第2层钢筋网→喷混凝土至设计要求20cm厚度。在临时支护长度达到12m时，对前6m进行永久钢筋混凝土衬砌。当拆除至第30环管片时发生了塌方，经过不到10d的紧张施工，安全顺利地处理了塌方事故。

2、处理经过

超差处理按从里向外顺序进行，即相对桩号为0+139.2～0+000m，其中管片拆除部位在0+139.2～0+47.9m，共60余环管片，其外侧为临时钢支撑支护。实际观察隧洞土体由里向外是由粘性土、壤土过渡到粉砂土层，但不均匀，中间局部夹有含砂量较大的地段。

12-18晚6时许，当拆除到30环顶拱管片时，上覆土体在管片拆除后约5min开始坍塌，几分钟的时间就沿洞轴线方向塌成长约4m、宽6m多、高5m多的穹体，总方量约160m3。待塌方稍微稳定后进行观察时，其顶部还有土体以层片状塌落。在对塌方及已有支护等情况进行分析后，现场制定的塌方处理步骤与措施如下。

2.1对塌方两侧相邻管片及一次支护进行加强处理。为防止在塌方扩展，几小时后当塌方基本稳定时，首先对第31、32环管片进行了加强支护，即安装早已准备好的、用Ⅰ18制作的、与管片衬护断面相同的拱架，每环管片中间各安装1架，在与管片紧密接触后，2架钢支撑用20钢筋焊牢。与此同时用钢管对塌方段内侧的一次支护（钢格栅）进行加强支护，方法为对塌方段内侧至已完成永久支护部位之间的一次支护段中完好的2架钢格栅每架均匀地用3根15cm钢管进行竖向支撑，以防不测。

2.2加强安全监测。塌方发生后，安排测量人员对31、32、33环管片以及塌方段里侧的一次支护进行沉陷及收敛观测，要求1h测量1次，并绘出变形曲线，以便及时发现问题和采取措施。

2.3设专职安全员进行施工监护。为防止处理塌方过程中人员及设备发生意外，并随时观察塌方洞段变化的情况，安排专门人员24h进行安全监察，并授予其有下令停工的权力。

2.4塌方处理措施。采用平行梁一侧递进支护方法及时封闭顶拱。所谓平行梁一侧递进法支护就是从进洞左侧开始，沿顶拱180°范围内，利用第31环混凝土管片和另一端未变形钢格栅为支撑点，向右侧铺设用Ⅰ14制作的纵梁。纵梁安放间距0.4m，为保证永久衬砌断面尺寸，其梁底位置距钢格栅外层主筋净间距220cm。然后在纵梁上部铺设25螺纹钢筋网，间距均为16.7cm。钢筋网与工字钢纵梁焊接。工字钢纵梁铺设完成后，迅速对其上部进行喷混凝土作业，喷层厚度≥40cm。喷混凝土作业时不对塌方土体进行支护，以免破坏基本稳定的土体，但在每道纵梁安完后，先对上部土体进行少量水泥砂浆喷护，并逐渐由左向右延伸，以便在土体外部形成一层不断加厚的薄壳，既可以防止少量土体剥落，还可利用与土体颜色的不同使人们随时发现土体的任何变化。利用此方法从左至右施工，操作人员在支护好的梁底（棚架）下作业，上部即使有土体剥落也无大碍，塌方发生后不到48h便形成了一道安全的防护棚。考虑到下步顶拱回填需要，做纵梁支护时，在塌方部位中间最高位置及其两侧预埋了直径分别为15cm与5cm钢管3根，其高度距塌方穹顶0.3m，1根为混凝土泵管，另2根为排气兼灌浆管。

防护棚形成后，迅速用装载机辅以人工清除塌方土体。为增强上部纵梁的稳定性，清除塌方土体的同时对洞体两侧纵梁下部的洞壁按规格进行扩挖，随后马上喷40cm厚混凝土与上部梁体相接，使纵梁自我成为一个整体。在喷混凝土全部结束后，在防护棚下安装间距不变，但比设计直径增大20cm的钢格栅，并与喷混凝土外露拉筋等焊接，互相之间进行加固。塌方紧急处理历时不足3d，其间未出现任何安全问题。

2.5二次混凝土支护

当第32环小导管灌浆完成后，对包括塌方段在内的6.0m长洞体进行了永久混凝土衬砌，也可称为塌方段的二次混凝土支护。为增强混凝土整体强度，设计对安装的钢筋进行了调整，内层主筋间距由16.7cm改为13.3cm，外层主筋由22改为25，其间距不变。混凝土全断面一次浇筑，常规方法作业。

3、分析与探讨

该地段土体非均匀变化，含砂量突然增加，土体自稳性降低，是造成塌方的主要原因。塌方前在拆除两侧管片时曾发现个别点有少量的松散土从顶部管片自然散落现象，但未引起足够重视和及时采取有效措施是塌方发生的次要原因。含砂量增大的土体范围小，塌方处理及时，措施稳妥，对防止塌方的发展与扩大起到了有益的作用。

塌方处理后，经过几年冬雨季和充水运行，在土体冻融及内外水压力作用下塌方段至今未发生任何异常，实践证明此次土体洞段塌方处理是成功的。

参考文献：

[1]鲁成勃，辛凤茂，曹阳，等.TBM掘进机脱困的围岩加固技术[J].土工基础，2014（4）：90-92.

[2]王江.引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术[J].隧道设，2011，31（3）：364-368.

（作者单位：中铁十六局集团第二工程有限公司）