TBM通过断层破碎带超前加固方案的经济合理性比较

姜彪

（中交二公局东萌工程有限公司）

0 前言

断层破碎带是由地质构造造成，在隧道开挖前期中心区已形成破碎-松散状态，围岩的连续性基本失去，核心区地应力大部分已松驰或全释放，离开核心区的围岩完整性逐渐变好，地应力开始增加，直到原状围岩[1]。TBM在通过断层破碎带时，围岩自身不能自稳造成不同规模的塌方，对TBM掘进造成影响，导致被迫停机。造成停机的原因很多，如进碴量过大，压死皮带；松散料块度大，造成刀盘阻矩过大；持续进碴有无限塌腔趋势；机头趋势失控；护盾后支护及撑靴支护工作量大，护盾卡住等。目前TBM应对断层破碎带的超前加固方式主要包括超前管棚进行深孔固结加固和化学灌浆浅孔短距离加固。

1 两种超前加固方式的施工特点

⑴超前管棚深孔固结加固：此方案不用超前钻，直接用锚杆钻机或地质钻机在护盾后造孔，孔径108mm以上，造孔时用套管跟进，造孔完成后先在套管内灌浆将围岩固结，再在套管内插入钢筋束，将套管及钢筋束进行灌浆作为管棚。加固一段后再脱固开始掘进通过加固段，在第一加固段接近通过后再加固第二段。

⑵化学灌浆浅孔短距离加固：在遇到塌方卡机被迫停机后，在刀盘内用小型手风钻对刀盘前方直接打入自进式空心锚杆，长度3～5m，利用前护盾上预留孔在护盾后用手风钻及导轨式风钻造6～12m的孔，边打孔边注浆，根据空隙注浆采用双组份聚胺脂进行灌浆处理，化灌后一般不需要待凝即开始脱困并掘进，等掘进穿过第一个加固段后再开始第二循环的加固，如此循环通过断层破碎段，加固速度快，循环时间短，每次处理距离短，俗称“短步快跑”。

2 两种超前加固方式的工法比较

2.1 超前管棚加固

主要流程：施工准备→围岩加固和临时支撑→管棚工作间扩挖→护盾上部和刀盘部位化灌固结→管棚钻孔注浆→扩挖段回填→TBM掘进。

2.1.1 钻机工作间扩挖

为满足超前钻机施工要求，需要TBM护盾后部开挖工作槽，如此部位岩石较好可直接开挖，扩挖后视围岩情况进行支护，如围岩不好先要对扩挖区进行加固，采用L1区锚杆钻机与YT-28风钻在护盾尾部3.5m（纵向）范围内施作径向φ25自进式中空注浆锚杆，对护盾尾部围岩进行加固。

扩挖施工采用人工配合锚杆钻机对围岩进行扩挖，扩挖范围为TBM开挖断面拱顶180～220°圆形断面，扩挖开挖半径应超过开挖轮廓0.9m，支护后净断面内轮廓半径超过设计半径0.75m，扩挖长度为护盾尾部3.9m。

2.1.2 刀盘前上部松散围岩化灌封闭

为避免管棚施工注浆时浆液进入刀盘及护盾部位，需将刀盘前部及上部松散围岩采用化学灌浆进行封闭灌浆。具体可在刀盘内用手风钻造孔，采用φ25自进式中空锚杆，孔深超前刀盘2m即可，或在护盾后部使用钻杆钻机向前造孔，造孔也应用φ32自进式锚杆，开孔环向间距为1～1.5m，前部超过刀盘2m以上，采用高发泡率的双组份化学灌浆进行灌注，以达到表面的封闭效果。

2.1.3 管棚钻孔及注浆

在刀盘前上方封闭灌浆完成后安设管棚钻机，施作φ108管棚，管棚一般采用为P110热处理调制管。管棚外倾角为4°，布设范围为拱顶180°，环向间距为30cm，单根长度为25.5m。管棚采用ZM-90管棚钻机施工，采用φ108偏心钻头钻孔，跟管送入φ108跟管。造孔完成后进行清孔和孔口空隙封堵，并连接注浆设备对施工完成的管棚进行注浆。注浆压力为0.5～6MPa。注浆完成后重新在套管内扫孔清理，完后插入三根φ32螺纹钢，再注入砂浆最后封闭孔口即可。

2.1.4 扩挖段回填及TBM掘进

管棚施工完成后，对扩挖段按照隧洞设计断面恢复钢拱架，恢复段钢拱架采用HW200型钢拱架，榀距0.45～0.9m，继续掘进采用HW200钢拱架配合钢筋排进行支护，拱架间距为0.45c～90cm，施工中根据围岩情况适当调整拱架榀距，必要时在拱架完成后初喷一层混凝土。

2.2 化学灌浆加固方案

主要流程：化灌准备工作→造孔、清孔、封孔→双组份灌浆→脱困、恢复掘进。

2.2.1 化灌加固前准备工作

化灌前主要准备工作包括设备、材料、作业环境，具体为钻孔设备、化灌泵、化灌材料等，化灌材料根据加固地层的松散度、环境温度及有无地下水流出等情况进行选择，并根据洞内温度调整材料添加剂，以获得合适的膨胀倍数和开始反应和结束时间。

2.2.2 化灌造孔及灌浆

化灌孔一般在刀盘内及前护盾后布孔，刀盘内利用刀具及铲刀情况布置，在TBM刀盘内腰线以上正面和刀盘上半圆周边，从刀座、边刀和铲刀处钻孔布设花管进行化学灌浆，用于固结刀盘掌子面，钻孔和布管深度一般为2～4m。

护盾上布孔双护盾利用前盾的预留孔或用伸缩外盾与前盾的连接部分开孔布置风钻孔，前护盾钻孔和下管深度一般为6～12m，随掌子面围岩松散情况现场调节，以进入原状围岩3m以上，对于敞开式TBM在护盾后部围岩外露部位直接布孔，造孔长度10～15m。对于直径6～8m的TBM，刀盘在刀盘内斜上方，正前方造孔10个左右，在护盾位置造孔4～6个即可完满足。

化学灌浆材料主要采用双组份聚胺脂，主要有加固型和填充型两类，加固型一般发泡率较低（3～5倍），强度较高，而填充性发泡率较高（20倍），而强度较低。在造孔完后用高压水对孔进行冲洗，在孔口再插入1m长4″钢花管作为封孔管，灌浆工序：钻孔→冲洗→安装堵塞→连接灌浆枪→注浆→封孔→检查孔钻孔及灌浆→孔位转移。

灌浆压力按现场试验选定，做到在较短时间内将灌浆压力上升到规定的最大允许压力，以保证灌浆的密实性和增大扩散范围。化学灌浆开灌后连续灌注，不允许中断。每孔先用高发泡率材料对封孔短管化灌，再用加固型材料对长孔进行正式灌浆，对于孔隙很大或有塌腔时需要增加发泡率，并适当调小发泡开始时间（20s左右）和终止发泡时间（40s左右），对孔隙较小时采用低发泡率，并适当延长终止发泡时间，以提高灌浆效果。对于长管化灌，化灌发泡开始时间为60s左右，终止发泡时间为120s左右。

3 两种超前加固方案的经济合理性比较

3.1 施工功效比较

管棚法需要人工开挖工作槽并进行必要的支护，在围岩好时，人工开挖工作槽需要约15d；为避免掌子面窜浆，在进行深孔水泥灌浆时需要对掌子面松散围岩用化灌进行封闭，化灌封闭工序需要约3d；由于管棚之间间距在30～50㎝，因此每个管棚一般至少需要施工20～30个孔，管棚孔深一般在25～30m，管棚钻孔注浆工序一般需要约20d；加固完成后脱困前准备工作和待凝时间需要约3d时间；TBM掘进通过加固段需要约7d。因此，从人工开挖工作槽、化灌封闭、管棚施工、掘进通过，综合一个循环下来需要约48d，管棚有效加固长度约为22m，折合综合功效为0.46m/d。

化学灌浆准备工作较简单，一般需要约1d；钻孔工程量按照15～18个计，后续钻孔及灌浆需要约1.5d；化学灌浆后一般不需要待凝即开始脱困并掘进，TBM脱困及通过加固段一般需要0.5d，因此化学灌浆加固每个循环需要约3d；化学灌浆有效加固长度约为3m，折合综合功效为1m/d。

可见，化学灌浆加固效率高于超前管棚加固方案。

3.2 成功率比较

从成功率上分析，管棚在造孔完成后必须利用套管进行固结灌浆，即需在隧道顶固结成联拱，如地层裂隙较大，窜浆范围不可控，或围岩不吃浆等造成固结效果不好时，会导致TBM在掘进通过时管棚以下的围岩塌方，管棚上部的破碎围岩也会通过管棚的间隙塌下来，管棚也因上面围岩荷载过大引起跨塌而失效，导致整个方案失败。额河引水工程VIII标就是在使用管棚方案过大断层时因上述因素导致塌方。化学灌浆只是浅孔处理，化灌材料的窜浆范围可控，形成结构固结体的可靠性高，相比超前管棚加固方案，化学灌浆加固方案成功率高。

3.3 施工成本比较

经综合分析，按照超前加固通过20m长断层破碎带的同条件考虑，两种方案人材机直接成本分析见表1和表2。

由表1、表2可知，虽然化学灌浆加固在化灌材料成本上高于管棚加固方案，但由于化学灌浆加固施工速度快，相比超前管棚加固能节省一半工期，人工和设备功效高，综合成本低于管棚加固方案。

表1 超前管棚加固通过20m断层破碎带成本分析

表2 化学灌浆加固通过20m断层破碎带成本分析

4 结束语

超前管棚加固和化学灌浆加固作为目前应用较广泛的两种TBM通过不良地质加固方案，施工特点各有不同，超前管棚加固相对工艺较复杂，要求布孔间距和外插角不能太大，且需围岩的可灌性较好，能在洞顶形成一个承载拱，此方案在灌浆时如出现吃浆量很差或漏浆很多造成固结浆效果差时，在掘进过程中管棚下的围岩会出现大量塌方，导致方案失败。化学灌浆加固方案相对超前管棚加固可靠性强、成功率较高，虽然在材料成本上高于管棚加固方案，但功效高，综合施工成本低。从施工功效、成功率及施工成本进行综合分析，化学灌浆加固方案在经济合理性上优于超前管棚加固方案。