軟弱千枚巖地段TBM掘進施工技術

張學軍，胡必飛

(中鐵隧道集團二處有限公司，河北三河 065201)

0 引言

西秦嶺隧道全長28 236 m，采用鉆爆法與TBM法相結合的施工方式，TBM掘進出碴方式采用連續皮帶機出碴，襯砌采用同步襯砌技術［1－3］。TBM掘進12 934m，分為2個階段，其中第1階段5594m，第2階段7 340 m。在已掘進的第1掘進段中Ⅳ級軟弱千枚巖段約2 400 m，TBM在第1掘進段的軟弱圍巖段施工速度慢，其掘進速度無法得到充分體現，且施工效率低、刀具磨損大。TBM掘進遇到軟弱圍巖時，如何讓TBM安全快速通過，對保證TBM施工進度，提高施工效益有積極的意義。我國在秦嶺隧道、磨溝嶺隧道和大伙房輸水工程對敞開式TBM使用的基礎上，積累了TBM安全通過不良地質地段的方法及輔助措施［4－6］;但TBM在軟弱千枚巖地層中施工經驗較少，本文結合西秦嶺隧道敞開式TBM在軟弱千枚巖地層中掘進的施工經驗，介紹了軟弱千枚巖地質條件下的TBM掘進施工技術。

1 概述

蘭渝鐵路西秦嶺隧道XQLS2標位于新建鐵路蘭渝線中段，地處甘肅省隴南市武都區境內，為左右線分設的2條單線隧道，XQLS2標負責左線隧道的施工，全線處于直線上。用于西秦嶺隧道施工的TBM采用美國羅賓斯公司生產的φ10.2 m開敞式全斷面隧道硬巖掘進機。隧道地層主要為第四系全新統松散層，石炭系下統砂質千枚巖，泥盆系下統灰巖、千枚巖，下元古界灰巖、砂質千枚巖夾變砂巖、變砂巖、砂質千枚巖，斷層角礫巖和斷層泥礫［4］，TBM掘進段地層主要為千枚巖和砂質千枚巖。

2 軟弱千枚巖特征

西秦嶺隧道軟弱圍巖地段出露的千枚巖為淺灰色至深灰色，主要為砂質千枚巖和千枚狀夾變砂巖。千枚巖節理發育，受構造影響，層間揉皺強烈，巖石較破碎，零星夾有灰巖薄層。當TBM進入軟弱千枚巖地段進行掘進施工時，由于千枚巖節理發育或存在斷層破碎帶，層間結合差，巖體本身碎塊狀結構，加之刀盤切削作用和護盾的震動影響，致使千枚巖沿節理面、斷層面或巖層松動、錯落，出現大面積失穩、坍滑和坍塌。

3 軟弱千枚巖地段影響TBM掘進的主要因素

2010年12月26日—2011年3月3日，TBM在連續647 m的Ⅳ級軟弱圍巖地段掘進施工，該段掘進日平均進尺9.6 m，遠低于Ⅲ級圍巖地段日平均進尺21.5 m的掘進速度。通過對掘進報告的整理分析(見表1)，在軟弱千枚巖地段掘進時，刀具檢查時間、更換頻率以及由于石碴較大引起的皮帶機故障頻率明顯高于Ⅲ級圍巖地段，從而減少了TBM的有效掘進時間。

表1 不同圍巖段各工序及停機時間百分比對比表Table 1 Percentage of time consumed by different construction procedures and downtime in different rock mass %

影響TBM掘進的主要因素大致可以歸納為以下4個方面:

1)因撐靴位置圍巖破碎或滑塌，無法提供撐靴支撐所需要的反力，需要對撐靴背后圍巖進行加固;

2)圍巖坍塌、掉塊等情況，停機進行初期支護施工以及處理圍巖坍塌;

3)因軟弱圍巖段TBM掘進施工時，碴體中塊狀巖碴含量達到60%～90%，粒徑3～10 cm，有時會出現30 cm以上的大石塊，容易劃傷、劃破皮帶，有時掌子面破碎圍巖坍塌體會堵塞皮帶機接料口，造成連續皮帶故障，停機修復甚至更換皮帶;

4)因軟弱圍巖段碴體中大塊巖塊較多，刀盤側邊鏟斗的刀牙磨損嚴重，導致刀盤檢查、刀具和刀牙的更換。

4 軟弱千枚巖地段TBM掘進施工技術

4.1 加強超前地質預報工作

超前地質預報工作可以提前預測前期沒有探明的、隱伏的地質問題，做好圍巖判別，降低隧道地質災害發生的概率及危害程度，做好施工對策及處理措施，保證隧道施工正常進行;特別是軟弱圍巖段，加強超前地質預報工作對保證機器設備的安全和施工的連續性、安全性有重大意義。西秦嶺隧道工程成立專門的超前地質預報組，并將其納入全工序管理，采用多種地質預報手段與現場經驗實踐相結合的方式加強超前地質預報工作。

4.1.1 一般地段

以地質分析為基礎，充分利用前期勘察資料、鉆爆法施工段開挖揭露的地質資料及施工積累的經驗，通過地質符合性評判，經地表調查、地質素描、地質分析作圖，綜合分析后得出超前地質預報結論，遇有異常時采取TSP、紅外探測等進行驗證預報。

4.1.2 重點地段

對可能存在構造破碎帶(斷層破碎帶、褶皺帶)、軟硬巖分界面及其他軟弱夾層或節理裂隙發育帶的隧道段、物探異常區、可能存在涌水突水的隧道段，以地質分析為基礎，在地表調查、地質素描、地質分析作圖的基礎上，采用TSP、紅外探測對發現的地質異常地段進行核實與驗證。

4.1.3 現場經驗實踐手段

西秦嶺隧道軟弱千枚巖受結構面影響較嚴重，圍巖情況指標很大程度上受巖體結構的控制。因此，對該類圍巖的情況進行估計時，應重點考察其巖體結構和不連續面情況等。TBM開挖的碴料由片狀或塊狀巖碴、巖粉及構造充填物等構成，TBM滾刀將巖體擠壓破碎時，破裂面優先沿著巖體節理面、層理面等軟弱結構面形成。因此，當圍巖類別不同時，其碴料成分和粒徑也不相同［5－6］。

根據西秦嶺隧道第1掘進段碴料特征:Ⅲ級圍巖段，因千枚巖完整性較好，碴體中片狀巖碴含量為90%～100%，塊狀巖碴含量為0%～5%，粒徑為3～10cm，巖粉主要由刀具切割巖石形成，巖碴中一般少見或無節理面;Ⅳ級圍巖段，小粒徑巖碴含量較少，塊狀巖碴含量較大，粒徑為3～20cm，超過20 cm的大塊巖碴出現較多，常見棱角狀未切割巖塊，不同圍巖段碴體特征見圖1和圖2。實際施工中，可根據碴體情況判斷掌子面圍巖情況，提前做好圍巖處理措施及工序轉換。

4.1.4 物探重點手段

1)TSP203+超前地質預報。TSP203+每次可探測100～350 m，為提高預報準確度和精度，采取重疊式預報，每開挖120～200 m預報一次，并對重疊部分(不小于20 m)進行對比分析，所有探測孔布置在盾尾和2#拖車之間，見圖3。

圖1 Ⅲ級圍巖段碴料Fig.1 Mucks produced in GradeⅢrock mass

2)紅外探測。紅外探測每循環可探測30 m，為提高預報準確度和精度，采取重疊式預報，2次探測應重疊5 m，紅外探測作業見圖4。

圖4 隧洞紅外探測作業Fig.4 Infrared detection in tunnel

4.1.5 TBM施工段地質超前預報方案及手段

根據設計圖紙中的圍巖情況，確定TBM施工的以下里程段應加強地質超前預報工作，采取地表調查、地質素描、TSP、紅外探測儀、地質綜合判析等手段對隧道地質進行超前探測，見表2。

4.2 TBM掘進機參數調整

TBM在軟弱千枚巖中施工時，如果仍按在Ⅲ級硬巖下的掘進參數進行施工，會對周邊圍巖擾動較大，容易造成圍巖剝落，增加支護工作量，甚至會卡住刀盤或護盾，造成掘進方向出現過大偏差;若TBM撐靴位置出現坍腔，會造成撐靴支撐不到位或打滑，這些問題會嚴重制約TBM的施工進度。為了避免上述問題的發生，在軟弱圍巖段施工時，必須對TBM施工中的掘進參數進行必要的調整。

1)刀盤轉速。在軟弱圍巖中，依據上一掘進循環的掘進參數和巖碴的形態，調整刀盤轉速和刀盤推力。在千枚巖隧道Ⅲ級圍巖施工中，推進油缸推力一般維持在16～19 MPa，刀盤轉速為6 r/min左右;Ⅳ級圍巖推進油缸推力維持在16 MPa以下，刀盤轉速控制在4 r/min以下。

表2 TBM施工段地質超前預報方案及手段Table 2 Advance geology prediction methods for TBM-bored tunnel sections

2)撐靴壓力。遇到軟弱圍巖時，撐靴壓力不宜太高，否則可能壓碎洞壁巖石，造成坍塌，撐靴部位的圍巖抗壓強度不能抵抗撐靴的反力，易造成撐靴打滑，導致撐靴部位遭受擾動，變形過大。

3)刀盤扭矩。在軟弱圍巖段施工時，刀盤扭矩過大，易產生機身滾動、撐靴打滑，為此扭矩應控制在正常值的70%。

4)推進速度。推進速度是TBM掘進最重要的可控參數。在一般Ⅲ級圍巖中TBM掘進速度為2.5～3.5 m/h，在軟弱圍巖段施工時，推進速度必須依據撐靴數量和撐靴壓力的大小來調整，一般控制在2.5 m/h以下。推進速度的變化可導致刀盤推力、扭矩、皮帶機壓力的變化;反之，刀盤推力、扭矩、皮帶機壓力的變化也制約推進速度的調整。

5)換步行程。在軟弱千枚巖施工中，換步與調向是TBM操作的重要一環。選擇堅硬的洞壁且錯開鋼拱架及洞壁的破碎部位作為撐靴的支撐位置是比較困難的;因此，換步行程不一定是設計行程，但應盡可能接近設計行程，保證鋼拱架安設間距在0.9m或1.8m。

4.3 圍巖支護參數調整

根據前方掌子面圍巖情況及時調整TBM支護參數，做好工序轉換，提前做好物資準備，減少因調整支護參數引起施工材料未跟上而造成停機待料的現象，造成不必要的時間浪費。西秦嶺隧道Ⅳ級和Ⅴ級圍巖初期支護采用鋼拱架支護，鋼拱架采用H150型鋼加工，按0.9m或1.8m間距架立。環向連接鋼筋為φ22螺紋鋼，掛設單層鋼筋網，半圓以上布設φ25中空注漿錨桿，半圓以下布設φ22全螺紋砂漿錨桿。實際施工中，若遇到圍巖破碎、拱部掉塊嚴重的位置，應掛設雙層鋼筋網加強支護，防止掉塊打傷護盾后作業人員。

4.4 軟弱千枚巖坍塌處理

TBM在軟弱千枚巖施工中，造成的坍塌位置主要有拱頂坍塌、刀盤護盾兩側拱腰坍塌、掌子面坍塌3種［7－8］。

1)拱頂坍塌處理。開挖后圍巖在刀盤或刀盤護盾處出現較大坍塌時，處理方法和步驟為:先處理拱部危石，后初噴5 cm厚混凝土，封閉巖面;再架立H150型鋼拱架，在鋼拱架與巖面之間，根據坍腔深度在拱架上用H150型鋼按50 cm間距焊接扇形支撐，在環向拱架之間鋪設焊接3mm厚鋼板封閉塌腔，坍腔用同標號混凝土回填。

2)TBM刀盤護盾兩側拱腰巖石坍塌、掉落處理。根據圍巖的不同，其形狀各異。一般小面積的軟弱結構，通過調整掘進參數，TBM就可順利通過;如果巖石特別破碎時，應視情況采取打錨桿、掛網、噴射混凝土支護，確保撐靴支撐穩固，順利掘進。當兩側發生較大坍塌，造成TBM撐靴無法支撐時，必須停機處理。先清理危石，噴5 cm厚混凝上，然后架立環形鋼拱架，用編織袋裝填洞碴填塞在拱架與坍腔中，保證撐靴有足夠反力，使TBM在短時間內恢復施工。待TBM撐靴通過坍腔位置后，移除填塞碴體，在坍腔位置掛設鋼筋網，采用同標號混凝土回填封閉坍腔。

3)掌子面坍塌處理。在TBM刀盤的正前方，開挖斷面以內出現的圍巖沿節理面大面積坍滑、坍塌，大塊巖體較多。這種情況一般不影響正常掘進施工，但應及時停止TBM推進，保持刀盤空轉，通過刀盤鏟斗自動將坍落碴體清理完畢后，再繼續掘進，防止因碴體過多堵塞主機皮帶機接料口，造成皮帶刮破及停機。這種情況下坍滑、坍塌容易擴展，圍巖從護盾尾部出露后應立即架立鋼拱架，按照Ⅳ級圍巖支護參數進行施工，保證后續施工的安全。

4)圍巖在遠離護盾后、進入噴漿區前出現開裂掉塊現象處理。遇到這種情況應立即組織人員在該位置架立鋼拱架，加設錨桿、鋼筋網，防止裂縫及掉塊繼續發展，保證人員和設備的安全。

4.5 TBM設備改造

TBM通過軟弱千枚巖地層，遇有節理裂隙發育情況，掌子面坍塌嚴重，滾刀接觸不到巖面，坍塌體中含有大量較大巖塊直接經鏟斗進入主機皮帶中。由于原刀盤鏟斗刀牙為梳形，整體強度不高，遇有大塊碴體時易損壞(見圖5)，導致刀盤鏟斗刀牙及螺栓更換頻繁;并且大塊巖石的出現砸壞主機皮帶，使TBM不能正常連續生產，嚴重影響施工進度。

圖5 損壞的刀牙Fig.5 Damaged cutter teeth

1)刀牙改造。采用新制作的刀牙更換刀盤上部刀牙，增加刀牙強度。新制作的刀牙采用和原刀牙一樣的16 Mn鋼材料，不同的是新制作的刀牙將若干刀牙作為一個整體，如圖6所示。刀牙改造后，其損壞率明顯降低，大大減少了更換刀牙的頻率。

圖6 新制刀牙Fig.6 New cutter tooth

2)擋碴板改造。為減少大塊石碴從擋碴板空隙中漏入刀盤內部，砸壞劃傷皮帶，在擋碴板后部增焊640 mm×100 mm×50 mm(長×寬×高)的16 Mn鋼板，中心塊刀牙位置有4處，每個位置處有2塊擋碴板，選用640 mm×100 mm×50 mm的Mn鋼板，1塊鋼板焊接于2塊擋碴板之間。刀盤邊塊分為12區，根據每區長度焊接1～2塊擋碴板，焊接位置在刀盤中心往刀盤邊緣方向的首個刀牙位置向下400 mm處，如圖7所示。

圖7 中心塊刀牙處焊接的Mn鋼板Fig.7 Mn steel plate welded at cutter teeth of center block

3)皮帶機接料裝置改造。由于原設備皮帶機接料口位置與設備支撐件為硬連接，沒有緩沖裝置，大塊碴體從刀盤出料口出來后直接掉落在皮帶上，容易砸傷甚至劃破皮帶，需要停機修補皮帶。改造方式為在皮帶機與其支撐件之間設置緩沖彈簧，同時減小出料口與皮帶之間的垂直距離，減少大塊碴體對皮帶的沖擊。

4.6 圍巖監控量測

西秦嶺隧道采用無尺量測技術可有效減少因量測工作導致的停機時間，在軟弱圍巖段應加強監控量測的頻率，加密量測樁點。對初期變形較大的地段及時加強支護措施，盡量規避因支護滯后導致的停機處理時間。

5 其他輔助保證措施

5.1 加強維修保養

要牢固樹立掘進施工與維修保養并重的觀念，實行TBM保養機電總工程師負責制，確保每天4 h強制停機保養，實行定時停機保養與運行中重點檢查維護相結合的措施，堅決杜絕TBM設備帶病作業，減少設備故障率，提高有效掘進時間。TBM日常檢查、維修保養應做到以下幾點:

1)選定有豐富施工經驗的技術管理人員和技術工人組成專職維護保養班，包括工班長、機械師、液壓師、電氣師和各工位操作及配屬人員，規定所轄設備的職責范圍。

2)確保TBM主機液壓系統、內外機架潤滑、主軸承潤滑、主電機、變速箱及各液壓系統獨立泵站等重點部位的維修保養，切實做好清潔、點檢、潤滑、保養工作。

3)對每一點的每一項操作內容，制訂相應的目標狀態或需達到的標準，規范保養程序。

4)根據需要，做好設備安裝、拆卸、作業、工班交接、例會、備忘錄、檢測、故障、維修保養、油品和材料消耗等多項記錄，重要記錄一律存檔備案。

5.2 加強施工組織管理

在軟弱圍巖段，TBM掘進施工的工序數量與工作量都較在Ⅲ級圍巖段施工中大，因此在軟弱圍巖段施工時，施工組織的管理力度更要加強。

1)加強各工序的銜接工作。在TBM 7#拖車后應備有一定數量的鋼拱架、錨桿和鋼筋網片，保證TBM由Ⅲ級圍巖進入Ⅳ級圍巖時工序轉換的連續性，減少停機待料時間。

2)加強有軌運輸管理。西秦嶺隧道材料供給采用25 t內燃機車牽引編組成列的材料車運輸［9－10］，四軌雙線有軌運輸模式，軌距900 mm;軌道選用43 kg/m標準鋼軌并直接鋪設在仰拱預制塊上，通過仰拱預制塊頂部預埋的道釘螺栓進行固定連接。西秦嶺隧道施工材料第1階段運距平均為5 km，第2階段平均為16 km。通過有效的有軌運輸組織管理，可以保證TBM掘進和同步襯砌的施工材料供應，減少TBM停機待料時間。為保證洞內TBM掘進、同步襯砌所需材料供應的連續性，專門設立機車調度控制中心，負責機車的調配、裝卸、編組、日常保養等工作，每列機車設置專職調車員1名，指揮機車行走。

6 結論與討論

文章總結了TBM通過軟弱千枚巖地層的施工措施及技術，通過調整施工參數，減少了TBM的非正常停機時間，使刀盤運轉時間提高30%以上，提高了施工效率，取得了在Ⅳ級圍巖中月掘進510 m的好成績，為TBM第2階段掘進積累了施工經驗。但在施工中，采用何種超前地質預報手段對前方地質情況作出準確的判斷以及在軟弱圍巖中采用合適的掘進參數進行掘進施工，是以后研究和實踐的重點。

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