開敞式TBM在塑性變形洞段的施工

杜士斌，李 強，徐利芬

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧 沈陽 110003)

1 前 言

在隧洞工程設計中，洞線布置應力避通過各種不良地層。在施工方法的比較與選擇上，對于各種不良地質洞段，則盡可能地采用鉆爆法而不采用TBM施工。

然而，任何一座隧洞工程，其地質條件都不可能是單一的。

國內外的經驗表明，凡是確定采用TBM施工的隧洞，無論是開敞式TBM，還是雙護盾TBM，都會毫無例外地、程度不同地遇到某些不良地質條件，導致塌方、涌水、卡機、巖爆、圍巖塑性變性侵占隧洞設計斷面的情況發生及由此帶來的處理難題。

變形量大、持續時間長的塑性變形巖體，屬不良地質條件之一。

本文通過大伙房輸水隧洞731m塑性變形洞段的施工，從設計和施工角度，總結了開敞式TBM在塑性變形洞段施工的經驗和教訓。

2 731m洞段地質條件及在施工中存在的問題

該洞段圍巖主要為正常斑巖、煌斑巖和構造巖。巖體節理裂隙發育，多為節理密集帶。

該段發育30多條規模大小不一的斷層，其中4條為較大斷層。斷層與洞軸線小角度相交，緩傾角，有斷層泥，起伏光滑，對洞室穩定十分不利。

受斷層和巖脈侵入影響，正常斑巖與煌斑巖的接觸帶巖體破碎，穩定性差。

掘進初期隧洞呈干燥狀態。隨著時間的推移，逐漸出現滲流。

煌斑巖脈質脆，隱裂隙十分發育。在地下水長期浸泡下，膨脹泥化，順水流出。

本洞段在TBM掘進過程中，多次發生大面積塌方，被認定為不良地質段。該段施工中存在的主要問題是:

(1)正常斑巖大量夾泥且遇水軟化崩解，難以成孔施作系統錨桿;

(2)連續發生大面積塌方，最長12m，寬0.5～4.0m，深0.3～1.5m，共53.52m3，后續大量塌方掉塊被擋在鋼拱架和鋼筋網上部;

(3)鑒于TBM撐靴單扇寬980mm，如按600 mm間距架設I16鋼拱架，將被撐靴擠壓產生嚴重變形，起不到支護作用，只能采用1.2m間距;

(4)由于TBM輔助設備噴射混凝土系統，其工作范圍只能達到300°圓心角，下部60°圓心角的仰拱部位，噴射混凝土不能封閉;

(5)由于TBM機頭下支撐在步進過程中對地面壓力大，故在下支撐落地部位未對鋼拱架進行縱向連接。

3 TBM通過后圍巖塑性變形嚴重

該洞段巖石飽和抗壓強度在30MPa左右。洞室埋深250～300m。按照以巖石單軸飽和抗壓強度與最大主應力的比值作為評價初始地應力對工程巖體穩定性影響的指標，則該洞段屬于高初始應力區［1］。其主要表征是:開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續時間較長，成洞性差。

TBM掘進通過后出現的問題是:

(1)圍巖變形致使后配套拖車護欄被迫拆除，噴射混凝土設備通過受阻;

(2)頂拱鋼拱架部位的噴射混凝土掉塊嚴重，鋼拱架外露并產生變形;

(3)邊拱噴射混凝土產生裂縫，局部隆起;

(4)仰拱承受邊頂拱的高壓荷載普遍隆起(見表1)，運輸軌道扭曲變形;

(5)煌斑巖在高強擠壓下，從邊拱混凝土裂縫、特別是從仰拱巖體中涌出;

(6)60°圓心角仰拱部位裸露的鋼拱架普遍產生“N”字形嚴重變形等。

在處理前進行的斷面測量表明，該段圍巖的塑性變形嚴重侵占了二次襯砌混凝土斷面，乃至隧洞凈空斷面(見表2)。該段Ⅳ、Ⅴ級圍巖設計襯砌厚度260mm，凡超過此值者即為侵占隧洞凈空斷面。

表1 仰拱隆起高度

表2 圍巖塑性變形侵占襯砌混凝土斷面情況

4 臨時的仰拱封閉處理

為了保證施工安全，遏制塑性大變形的持續發展，在原有初期支護基礎上，對仰拱進行了封閉處理。措施包括:

(1)對仰拱裸露變形的鋼拱架進行處理，采用間距1.0m的Ⅰ10工字鋼進行縱向連接，打設φ25鎖腳錨桿，使其形成環向封閉的骨架;

(2)澆筑C25仰拱混凝土與邊頂拱混凝土連接，使其形成一個環形的混凝土薄壁結構;

(3)在頂拱120°范圍內設置系統錨桿，將鋼拱架、鋼筋網、噴射混凝土和圍巖連成一體，形成一個完整的承載體。

處理前、后現場監控量測的對比見表3。從表3可以看出:

(1)仰拱封閉前，各現場監控量測斷面的隧洞周邊水平收斂速度均大于0.2mm/d，仰拱封閉后均小于0.2mm/d;

(2)仰拱封閉后的拱頂垂直位移速度均小于0.1mm/d，基本趨于穩定。

表3 仰拱封閉前、后圍巖收斂變形速度對比

這表明:

(1)封閉仰拱有效地阻止了圍巖收斂變形的大幅度增長;

(2)隨后增設的錨桿支護措施使圍巖變形進一步得到控制;

(3)對于高地應力區軟弱巖體的隧洞施工，及時進行鋼拱架、錨、網、噴，特別是及時采取仰拱封閉措施的極端重要性。

5 初期支護侵占設計斷面的最終處理

對侵占設計斷面洞段進行處理的要求是:確保施工安全，保證結構安全，滿足隧洞過水能力要求。

處理主要包括:對全段進行固結灌漿，加固圍巖，提高其完整性及強度指標;對地質條件差、塑性變形嚴重的洞段，全部拆除原有的初期支護，進行擴挖;按照承載結構設計，重新進行初期支護;滿足穩定要求后，及時進行混凝土襯砌。

5.1 固結灌漿

漿材:采用可灌性、可控性好的HSC特種漿材。

布孔:每20m為一施工段，每段布設16環灌漿孔，環距1288mm。單數環每環按圓心角40°布設9個灌漿孔，雙數環每環按圓心角45°布設8個灌漿孔。

孔深:5m。

抬動觀測裝置:每段布設5套。

灌漿方法:孔內循環、全孔一次灌漿法。

灌漿順序:每段從上、下游向中間鉆灌;每環從仰拱向邊頂拱鉆灌。

灌漿壓力:以不破壞原初期支護為原則，取0.7～1.0MPa。

設計灌漿標準:5Lu。

結束標準:在設計壓力下單位注入量不大于1L/min，持續灌注5min結束。

封孔:用錨固劑平順封閉孔口。

5.2 對原初期支護的處理原則

(1)侵占襯砌斷面小于50mm的，不予處理;

(2)侵占襯砌斷面在50～150mm的，采用風鎬鑿除;

(3)侵占襯砌斷面大于150mm的，采用爆破法拆除并擴挖。

據此確定:采用爆破處理的洞段長256m，擴挖直徑φ8.76m。

5.3 初期支護參數

(1)隨機錨桿 φ25，L=3.0m;

(2)頂拱 120°范圍超前小導管 φ42，L=3m，外插角5°～10°，環向間距30cm;

(3)Ⅰ16鋼拱架，間距0.5m，Ⅰ10工字鋼連接，間距1～2m;

(4)頂拱180°范圍掛φ8@150×150鋼筋網，拱腰以下局部掛網;

(5)全環噴射C25混凝土，t=200mm。

5.4 二次混凝土襯砌

(1)擴挖段采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土襯砌，t=600mm，雙層配筋φ25@200。

(2)非擴挖段則采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土，按成洞洞徑7.16m襯砌，單層配筋φ25@200。

對塑性變形洞段的處理，從第一次灌漿試驗到全部處理結束歷時近兩年，耗資近兩千萬元。

6 經驗教訓

6.1 開敞式TBM施工更符合新奧法設計理念

巖體的本構關系和強度特征表明，深埋巖體長期在高地應力或極高地應力作用下，由于受到周圍巖體的約束，無論堅硬巖體或軟弱巖體，都可承受相當高的應力水平，處于平衡狀態。隧洞開挖破壞了這種平衡狀態。堅硬巖體會因開挖而突然卸荷，但變形量并不很顯著。軟弱巖體則在失去高地應力約束后，無膠結的松散圍巖會因膨脹而產生塌方;得到及時支護的圍巖，產生塑性大變形，延續時間長。

大伙房輸水隧洞731m洞段在TBM掘進后的變形發展，充分驗證了軟弱巖體的這種本構特征。

規范明確提出，對于“出現圍巖坍塌失穩的不良地質洞段，應嚴格按新奧法進行施工。”［2］

就開敞式TBM而言，具有以下特點:

(1)僅在前支撐系統設有較短(3.1m)的頂護盾和側護盾;

(2)整個主機基本敞開于已經開挖完成的洞室內，具有一定的操作空間;

(3)可及時進行錨桿、掛網、噴射混凝土、安裝鋼拱架等初期支護;

(4)錨噴支護屬柔性結構，適應圍巖的變形能力;

(5)對支護襯砌參數可以結合工程類比、仿真理論計算及現場監控量測驗證，進行動態設計，及時進行調整和優化，支護措施更具有靈活性;

(6)采用開敞式TBM進行初期支護，更符合現代隧洞工程施工的新奧法設計理念。［3］

這就說明，為什么采用開敞式TBM，可以順利地進行這731m洞段的施工。如果采用雙護盾TBM，對于這樣的洞段，可能會因連續卡機而改用鉆爆法施工。

6.2 及時封閉仰拱的重要性

731m塑性變形洞段的變形機理是:

(1)在高應力區的軟弱巖體內開挖隧洞，打破了原來的平衡狀態;

(2)在圍巖壓力作用下，四周洞壁均產生向洞內的變形，以調整應力重分布;

(3)初期支護可以防止圍巖松動變形向深處發展;

(4)但同時初期支護也與圍巖一道共同承受圍巖壓力;

(5)在仰拱未封閉的情況下，仰拱既承受原本它固有的那部分圍巖壓力，又需額外地承受著來自邊頂拱初期支護傳遞過來的集中荷載;

(6)由于仰拱部位同屬軟弱巖體，因而拱腳部位在集中荷載作用下產生下沉，從而帶動了整個邊頂拱的下沉;

(7)仰拱拱腳以外的自由面，在圍巖壓力和邊頂拱集中荷載作用下，必然產生起鼓或隆起;

(8)原本已成環的Ⅰ16鋼拱架，由于沒有縱向連接，也沒有混凝土的固定和支撐，在極大的圍巖壓力作用下，相當于一個柔性桿件而產生“N”字形的變形，其變形量正是整個洞室的收斂變形量。

由此不難看出，731m洞段塑性變形持續發展的關鍵是沒有及時封閉仰拱。

關于及時封閉仰拱的重要性，已有不少論述。錨噴支護規范指出，在塑性變形洞段施工中，“必須設置仰拱，形成全封閉環，以提高支護抗力。”［4］《公路隧道施工》一書也明確提出:“當圍巖壓力極大，其變形速率難以收斂時，應及時封閉仰拱。”［5］731m塑性變形洞段封閉仰拱的實踐也證明，封閉仰拱可以有效地阻止圍巖收斂變形的大幅度增長。

特別需要指出的是，采用開敞式TBM施工，具有長約30m左右的設備橋，在距離掌子面2～3倍開挖洞徑后，具備進行仰拱封閉的條件。關鍵是施工的組織者和管理者，要對及時封閉仰拱的重要性和施工的安全性給予足夠的重視，對事后處理的難度和耗資的昂貴有一個清醒的認識。

6.3 開敞式TBM施工隧洞的斷面尺寸設計

采用開敞式TBM施工的水工隧洞，其斷面尺寸設計的總體原則是:

(1)有壓隧洞和無壓隧洞的成洞洞徑Dc，均應滿足使用功能要求;

(2)二次永久襯砌的型式和厚度Ty，應考慮與初期支護和圍巖的聯合作用，保證其結構的安全與穩定;

(3)無壓隧洞的二次襯砌，在按減糙設計的情況下，對塑性變形洞段則應視地質條件確定是否按承載結構進行設計;

(4)初期支護的型式和厚度Tc，應充分考慮與圍巖的聯合作用，保證結構在施工期的安全與穩定;

(5)設計的開挖洞徑Dw，除應滿足成洞洞徑、永久襯砌厚度和初期支護厚度外，尚應預留施工期允許的隧洞周邊收斂變形量(半徑變形量);

(6)在采用固定直徑TBM掘進的情況下，通常是以比較差的Ⅳ、Ⅴ級圍巖作為設計的控制性斷面，并以此作為采購TBM的一項重要參數。

這樣，如果采用TBM掘進的洞軸線，而不是采用設計的洞軸線作為襯砌的洞軸線(即成洞的洞軸線)［6］，

如果采用設計的洞軸線作為襯砌的洞軸線，則開挖洞徑尚應考慮TBM蛇形掘進的偏差量P，

關于預留允許的周邊收斂變形量的幾點說明:

(1)所有隧洞的施工，都會產生收斂變形;

(2)隧洞斷面尺寸的設計，應預留允許的周邊收斂變形量;

(3)不設允許的周邊收斂變形量是沒有道理的;

(4)預留太大的允許周邊收斂變形量會給工程造成浪費;

(5)預留允許的周邊收斂變形量，可為塑性變形等不良地質洞段的施工要否采取封閉仰拱等加強支護措施及其實施時機的決策提供依據。

6.4 關于開敞式TBM的輔助設施

國內已建和在建采用TBM施工的隧洞工程，基本都遭遇過軟弱圍巖(軟巖、斷層破碎帶或節理裂隙密集發育等)及其它不良地質洞段。由于洞線比較長，多在崇山峻嶺之中，詳盡的地質勘察工作難度很大，隧洞工程施工存在著許多不可預見的因素和地質風險。由于地質條件的復雜性和TBM必要的輔助設施不配套，致使原設計采用TBM施工的隧洞不得不被迫改用鉆爆法施工。為此，筆者建議，采用開敞式TBM的設備采購或定貨，除必須配備錨桿鉆機、鋼拱架安裝器、自動噴射混凝土系統外，尚應適當配備:

(1)超前勘探取芯設備，以便進行最可靠的中期超前地質預報;

(2)超前預注漿系統，以便超前進行圍巖加固;

(3)人工噴射混凝土系統，以便及時對軟弱圍巖進行初期噴射混凝土支護、塌方處理乃至用噴射混凝土進行仰拱封閉;

(4)在刀盤設置擴孔刀，供軟弱圍巖洞段擴挖，以增加局部預留變形量等。

其目的是:遇到各種不良地質條件，做到有對策、有手段，保證施工人員和設備安全，保證施工的順利進行。

7 結束語

采用開敞式TBM進行731m塑性變形洞段施工的經驗教訓是:

(1)在塑性變形洞段，采用開敞式TBM施工，相對于雙護盾TBM而言，在進行初期支護方面，更及時、更靈活，更符合現代隧洞施工的新奧法設計理念。

(2)封閉仰拱可以有效地阻止圍巖塑性變形的大幅度增長。采用開敞式TBM施工，要對及時封閉仰拱的重要性給予足夠的重視。

(3)采用開敞式TBM施工隧洞的斷面尺寸設計，應預留允許的收斂變形量，作為加強初期支護時機和措施決策的依據。

(4)采用開敞式TBM施工，應適當配備超前加固、初期支護的輔助設施，以便對各種不良地質條件，做到有對策、有手段，保證施工安全、順利地進行。而后處理難度大，危險性高，歷時長，耗資更昂貴。

［1］中華人民共和國水利部.GB50218－94《工程巖體分級標準》［S］.北京:中國計劃出版社，1995.

［2］水利部東北勘測設計研究院.SL279－2002《水工隧洞設計規范》［S］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［3］杜士斌，杜業彥.大伙房水庫輸水隧洞施工中TBM作業方案的論證與實踐［J］.水利水電技術，2007(3):47－49.

［4］冶金部建筑研究總院.GB50086－2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》［S］.北京:中國計劃出版社，2001.

［5］黃成光主編.公路隧道施工［M］.北京:人民交通出版社，2001:302.

［6］杜士斌，楊勝，冀紅偉.TBM施工隧洞混凝土襯砌軸線的確定［J］.水利水電技術，2008(2):36 －39.