開敞式TBM應對地質災害施工技術

施春生，伊長友，黃 兵

（1.遼寧潤中供水有限責任公司 遼寧 沈陽 100166；2.哈爾濱建成集團有限公司，黑龍江 哈爾濱150030）

1 工程概述

遼寧省大伙房水庫輸水工程設計輸水流量70 m3/s，多年平均輸水量18億m3。工程主體建筑物為一長85.32 km的輸水隧洞，隧洞底坡為1/2 380，埋深大多在100～300 m之間。工程在總體布置上充分利用天然地形，布設施工輔助支洞14條。隧洞施工采用以掘進機為主、鉆爆法為輔的聯合作業方法。3臺開敞式TBM（全斷面隧洞掘進機）分三個掘進段進行施工，每臺TBM的掘進長度控制在18～20 km。掘進機開挖洞徑8 m，成洞直徑7.16 m，各類圍巖一次支護均采用錨噴支護，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖在一次支護的基礎上采用現澆混凝土襯砌作為永久支護。

2 TBM掘進過程中坍塌形成的原因

2.1 拱頂松動坍塌

采用開敞式TBM開挖的隧洞，巖體中開挖洞室后出現了臨空面，巖體有了變形的空間，由于應力局部釋放，使巖體發生卸載而向隧洞內變形，原來平衡的三維初始應力狀態必然要引起應力的重新分布。一般隧洞的初始應力主要為自重應力場，此時垂直應力分量是最大主應力，水平應力很小，開挖隧洞所形成的二次應力場為：洞頂、洞底出現拉應力，邊墻部分有很大的切向壓應力。TBM在這種初始應力主要為自重應力場的隧洞施工過程中，若巖體較破碎，出護盾后隧洞頂部的松動區由于應力和強度明顯下降，裂隙擴張增多，體積擴大，出現了明顯的塑性位移，這時若沒有足夠的支護抗力就不能使圍巖維持平衡狀態，則形成頂部大范圍的坍塌。示意圖1如下：

圖1 坍塌示意圖

這種形式的坍塌一般出現在刀盤前方上部和刀盤頂護盾上方，呈倒鍋底狀，伴有落石現象。通常破碎圍巖在出護盾后由于有了更大的變形空間，坍塌常擴展到護盾后方，此時若不及時進行支護或者支護抗力不足，則極易形成拱頂大范圍坍塌。

2.2 不利結構面組合引起的坍塌

在普通自重應力場為主要初始應力的隧洞開挖過程中，由于巖體被各種不同產狀的結構面切割組，形成許多大小、形狀不一的巖塊。當隧洞開挖形成臨空面后，各巖塊之間在自身重力的作用下，形成小范圍的掉塊，這種形式的坍塌一般發生在隧洞的頂部。示意圖如圖2。

圖2 掉塊示意圖

當存在不利結構面組合且沿結構面出水時，更易形成此類坍塌。此類坍塌一般發生在頂護盾上部及護盾后方1～2 m內。

2.3 節理密集帶及擠壓軟弱結構面產生的坍方

節理密集帶由于節理間距較小，巖石的抗壓強度受節理面的影響較大。節理面間的充填物質大大降低了圍巖的整體穩定性，隧洞開挖后，原始應力平衡狀態被破壞，應力二次重分布，圍巖承載能力降低，易造成沿結構面的掉塊坍方；而且節理發育，多在2～3組，或3組以上，呈X型或米字型交叉布置，更易造成受力不平衡，造成坍方。

擠壓軟弱結構面在斷層附近較發育，主要由碎裂巖、構造擠壓巖或糜棱巖組成，巖面滲水～滴水，這類巖石TBM掘進開挖時不會立即產生很大坍塌，但由于水的破壞作用及時間推移，圍巖變形將逐漸增大，易產生坍方。

3 TBM掘進中防止圍巖坍塌措施

3.1 預測圍巖狀況

1）根據地質編錄進行預報。由長期從事地質工作的地質工程師，對護盾后圍巖做地質素描，地質素描的內容主要包括地下水狀態，地層巖性，巖石特征，地質結構面，軟弱夾層，貫穿性的大節理、斷層等，根據地質素描圖的內容，繪制地質素描圖，并做出開挖面前方較短距離內的巖體穩定性分析，據此編制隧洞地質編錄，根據地質編錄分析和預測圍巖的穩定情況，判斷圍巖是否穩定，不穩定時是否進行超前支護，如需進行超前支護,即立刻采取超前支護措施，以防止圍巖坍塌。

2）通過掘進參數進行預報。開敞式TBM在掘進過程中，圍巖狀況時刻影響TBM的掘進參數，通過分析TBM的掘進參數來判斷圍巖好壞，以此指導施工防止圍巖坍塌。開敞式TBM的各種掘進參數可以在主控室的主控電腦上讀取。TBM掘進各種參數中，掘進推力及推進速度最能反映掌子面圍巖的狀況，一般情況下，三者間關系如表1所示：

表1 掘進推力、推進速度與圍巖狀況關系表

實際施工過程中，若掘進推力低于100bar（相當于6.43 MN），而推進速度大于額定值的40%，則可大致推斷前方圍巖較差，需注意防止發生坍塌。

3.2 預防坍塌措施

1）超前支護加固。綜合預測前方圍巖狀況極不穩定，需采取超前支護對前方圍巖進行預加固時，在TBM掘進之前，進行超前小鋼管注漿或施工超前錨桿對前方圍巖加固。超前小鋼管及超前錨桿均可利用TBM上的超前鉆機進行施工。超前小鋼管規格為φ42 mm，管長5 m，頂拱120度范圍內施工。超前錨桿規格為5 m長φ22 mm砂漿錨桿，施工范圍仍是頂拱120度范圍內。

2）及時采用錨網及全圓型鋼拱架支護。超前支護施工完后，在出護盾位置掛上加密鋼筋網或雙層鋼筋網，結合系統錨桿及全圓型鋼拱架，以加強支護抗力。系統錨桿及全圓型鋼拱架分別采用TBM自帶的錨桿鉆機及型鋼拱架安裝器進行施工，錨桿規格為2.5 m長φ22 mm砂漿錨桿，鋼筋網規格為φ8 mm，間距200 mm×200 mm，型鋼拱架為I160型全圓拱架。施工中應嚴格按照設計交底進行，大體遵循以下原則：

①首先對主要結構面的出水進行引排處理，避免因地下水引起節理裂隙擴張。

①鋼筋網貼緊巖面，并切實起到對頂部圍巖的加固作用。

②錨桿施工應垂直節理裂隙進行打孔，須穿過節理裂隙鎖住節理兩端巖石，阻止裂隙擴張。

③全圓型鋼拱架應保證與洞室軸線垂直，鎖腳錨桿焊接牢固，拱架間連接筋布置合理。

3）護盾后手噴混凝土。當圍巖較差需及時封閉時，可在刀盤護盾后部進行人工濕噴混凝土作業，盡快封閉圍巖，使圍巖盡快穩定。噴射混凝土主要原材料選用：水泥為425號普通硅酸鹽水泥；砂子為細度模數3.2～3.3；粗骨料粒徑為5～10 mm。

4）監控量測。為防止初期支護后圍巖變形過大造成洞室失穩，由測量人員按照統一規定布置監控量測斷面，及時監控洞室周邊收斂及拱頂下沉，以獲取隧洞位移信息和支護結構的變形情況，預防因此引起的圍巖坍塌。

4 TBM施工對不良地質段的處理措施

TBM穿越不良地質段遇到的主要問題是洞室不同部位的坍塌和圍巖滲水。通常情況下隧洞坍塌的部位主要是：刀盤前方頂部滑坍或坍塌；刀盤頂護盾上方洞頂坍塌；刀盤護盾兩側上拱腰處滑坍；TBM主機撐靴部位洞壁滑坍塌。TBM在通過斷層曾發生多處規模不等的坍方，最大規模的一次坍方為刀盤前方頂部坍塌，坍腔長度為9 m，斷面寬約4 m，最大坍腔深度達3 m，坍塌量近60 m3。

4.1 隧洞頂拱坍塌處理措施

在TBM掘進過程中，以頂拱坍塌發生最為頻繁。在坍塌量較小（10 m3以下）時，按照設計要求進行初期支護，并在護盾后初噴混凝土封閉圍巖。具體為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系統錨桿拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm鋼筋網拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1200 mm，拱架間采用φ22 mm螺紋鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護盾后初噴厚度8 cm，在L2區復噴至設計厚度）；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護盾后采用C25混凝土回填密實。如圖3所示。

在坍腔深度大于2 m的較大范圍坍塌，尤其是針對類似最大規模的一次坍方，根據實際情況對支護參數進行了相應的調整。具體為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系統錨桿拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm 鋼筋網拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1 000 mm，拱架間采用I12型鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護盾后初噴厚度8 cm，在L2區復噴至設計厚度）；坍腔內采用I12型鋼支撐加固；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護盾后采用C25混凝土回填密實。如圖4所示。

圖3 隧洞頂拱坍塌示意圖

4.2 隧洞拱腰及撐靴部位坍塌處理措施

用于該標段施工的開敞式TBM是“X”型撐靴，發生在拱腰部位的坍塌后也將直接影響撐靴撐緊巖面。若不及時采取有效措施，TBM不但無法撐緊巖面，還有可能因為撐靴壓力造成坍塌的進一步擴大。對于此類坍塌，其初期支護處理措施為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm 系統錨桿拱部 240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm鋼筋網拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1 200 mm，拱架間采用φ22 mm螺紋鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護盾后初噴厚度8 cm，在L2區復噴至設計厚度）；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護盾后采用C25混凝土回填密實，并增設墊板加大支撐面積，確保混凝土強度可承受撐靴壓力后方可掘進。

4.3 隧洞巖面滲水處理措施

巖面滲水不僅影響圍巖穩定性，還直接影響噴射混凝土質量。該標段在施工中采取的主要措施是先排后堵，即在隧洞開挖后初期支護完成前，采用透水管和無紡布引排到隧底，掘進通過后在二次襯砌施工前，集中對淋水段進行堵水灌漿作業。初期支護前具體的引排措施為：在巖面滲（滴）水處（或線狀流水），先打排水孔將圍巖局部滲水集中引排至排水孔，在排水孔內安裝塑料橡膠管，然后在洞壁沿隧底至排水孔順巖面滲流部位安裝軟式透水盲管，將地下水通過透水管引排至隧底，最后在軟式透水管上面鋪設一層無紡布，確保噴射混凝土時巖面無外露滲水情況，從而保證了噴射混凝土質量。

5 不良地質段TBM快速施工技術

開敞式TBM掘進機比較適合硬巖的開挖掘進，對不良地質段的適應性較差。在實際施工中，根據設備性能及現場實際情況，該工程摸索出了幾條較為可行的辦法，使TBM安全、較為快速的通過了不良地質段。

1）在TBM掘進過程中做好掘進參數的控制，掘進以慢速掘進為主，盡量減少對圍巖的撓動。掘進模式采用手動控制模式，TBM操作主司機密切注視監控視頻圖像上皮帶機的碴體情況，若皮帶上出現很多大塊巖碴，且皮帶機上的巖碴突增，皮帶機壓力指示明顯升高，刀盤扭矩增大，此時必須立即停止TBM推進，繼續轉動刀盤和皮帶機，防止皮帶機被卡或拉傷。如果碴量仍不能下降，應立即后退刀盤3～5 cm，嚴重時繼續后退刀盤，直到TBM掘進參數恢復正常。待掘進參數恢復正常后，停機進入刀盤內部檢查塌體情況，若對正常掘進不會產生大的影響方可繼續掘進；若坍體較大，則需制定相應的處理措施，以達到TBM安全順利掘進通過。

2）采取針對措施，防止石碴大量掉落，減少清碴量。掘進過程中坍塌較嚴重時，在每次停機立拱時，將下一循環的鋼筋網和連接筋預先伸入護盾內，連接筋和鋼筋網處固定好后再立拱架，使伸入護盾的連接筋形成懸臂梁結構，將大量的落石兜在網片上，減少清碴量，確保人員安全。實際證明，這對控制落石量、減少清碴量、確保隧洞底部清碴人員的安全非常重要。

3）嚴格控制循環進尺長度，嚴禁盲目掘進。TBM正常掘進是1.8 m/循環，在不良地質段調整為以全圓鋼拱架的架立間距為一個循環進尺的控制值，在護盾后及時架立全圓型鋼拱架，嚴禁掘進完1.8 m后再停機立拱。

4）在軟弱條件下掘進，有時撐靴部位出現塌方現象，使撐靴無法撐住巖面或出現撐不緊現象，較大的塌方部位一般采用外封鋼板向內灌注混凝土，恢復塌方部位到正常巖面尺寸。對于較小的塌體，為使快速通過，一般采用在這些部位墊方木、木板，使撐靴達到撐緊狀態。由于全圓鋼拱架影響撐靴撐緊時，可減少撐靴撐出的數量，掘進過程中由巡檢員觀察撐靴工作狀態，以防止撐靴打滑擠壞拱架。

5）快速通過節理密集帶的主要技術措施。按設計采取系統錨桿、掛網、噴射混凝土，另外采用格柵拱架加固；根據量測結果，對于變形速度超過要求的，人工架立I12全圓鋼拱架，加強剛性支護；嚴格按初噴、復噴要求在L1區和L2區噴射混凝土，確保噴射混凝土厚度達到設計厚度。