中天山隧道TBM施工塌方治理技術(shù)研究

高攀科郭金鑫

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.中鐵五局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550003）

中天山隧道TBM施工塌方治理技術(shù)研究

高攀科1郭金鑫2

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.中鐵五局集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550003）

關(guān)于隧道塌方研究成果甚多，但針對TBM施工塌方治理技術(shù)的研究鮮見。基于此，以中天山隧道TBM施工過程中的軟弱圍巖洞段的一次塌方事故為例，從地質(zhì)分析入手，依據(jù)TBM施工機(jī)械的特點(diǎn)，提出加固坍腔、人工鉆爆、固結(jié)坍體、人工開挖坍體并支護(hù)的一系列安全治理措施。經(jīng)現(xiàn)場檢驗(yàn)，該治理方案效果良好，具有一定借鑒意義。

隧道工程；TBM；塌方；治理技術(shù)

硬巖掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine），簡稱TBM，以其全斷面一次開挖成型、鉆掘速度快、施工效率高等特點(diǎn)，在我國乃至世界范圍內(nèi)地下與隧道工程施工中得以廣泛應(yīng)用［1］。

中天山隧道長22.467km。該工程穿越天山南麓中部，采用TBM施工。然而，由于該隧道局部圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，圍巖軟弱，自穩(wěn)能力差，隧道施工過程中出現(xiàn)多次塌方，對正常生產(chǎn)造成極大的影響。為此，本文著重研究了隧道軟弱圍巖洞端TBM施工塌方的治理措施和對策。

1 施工塌方概況

中天山隧道右線TBM掘進(jìn)至里程DyK148+192時，刀盤前方及護(hù)盾右側(cè)出現(xiàn)大面積的坍塌，坍塌石塊將刀盤及護(hù)盾卡死，并形成了一個縱向長度約10m，寬約6m，最大高度為8m，與線路約成30°夾角的坍腔。

2 地質(zhì)情況

原設(shè)計該段圍巖為Ⅱ級花崗巖地段，在掘進(jìn)時由于圍巖自穩(wěn)性較差，受掘進(jìn)擾動引起局部失穩(wěn)，開始坍塌，形成坍腔。根據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報TSP探測結(jié)果顯示，坍腔段具有破碎、自穩(wěn)性差等特點(diǎn)。超前地質(zhì)預(yù)報TSP探測情況分析結(jié)果見表1。

表1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報分析結(jié)果

3 塌方治理措施

3.1 總體方案

根據(jù)坍體樣式及刀盤被卡停機(jī)時通過刀盤內(nèi)的刀孔查看前方圍巖的情況，可初步判定在隧道掘進(jìn)斷面內(nèi)，其上部是坍碴體，下部仍為基巖。

根據(jù)TBM機(jī)械特性，在非封閉的半虛碴、半基巖的斷面下，TBM推進(jìn)易產(chǎn)生偏壓，對TBM主軸承造成較大損傷，且可能在掘進(jìn)時引起再次坍塌，造成再次卡死刀盤，故對此坍體不宜采用TBM掘進(jìn)。為穩(wěn)妥起見，此坍腔段決定采用人工鉆爆處理。首先對坍腔進(jìn)行錨網(wǎng)噴加固處理，穩(wěn)定坍腔，防止其繼續(xù)擴(kuò)大，同時架設(shè)鋼護(hù)拱、過河撐等措施進(jìn)一步加固圍巖，為坍腔處理作業(yè)人員創(chuàng)造較為安全的作業(yè)環(huán)境；然后注漿固結(jié)坍體，而后再由人工進(jìn)行坍體處理，在坍腔段開挖出大于刀盤斷面的圓形斷面，最后TBM步進(jìn)通過［2］。

針對超前地質(zhì)預(yù)報探測出的后續(xù)與坍腔段相同巖性的圍巖段，里程DyK148+202～+218，長度16m。在坍體段處理完畢，試將掌子面開挖齊整。此時若掌子面圍巖不坍，則對前方圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿加固，而后由TBM緩慢推進(jìn)通過；若掌子面圍巖仍然不穩(wěn)，繼續(xù)存在坍塌現(xiàn)象，則繼續(xù)采用與坍體段同樣的人工處理方法通過［3］。

3.2 治理步驟

3.2.1 坍腔處理。先通過錨網(wǎng)噴對坍腔進(jìn)行封閉，再沿坍腔壁施作小導(dǎo)管注漿固結(jié)圍巖；而后在坍腔內(nèi)，施作工字鋼護(hù)拱及鋼管過河撐，防止坍腔圍巖繼續(xù)變形、坍塌，對坍腔內(nèi)作業(yè)人員起到安全保護(hù)作用。

3.2.1.1 錨網(wǎng)噴支護(hù)。首先對坍腔巖壁進(jìn)行初噴C25砼，厚度5cm，其基本穩(wěn)定圍巖，保證坍腔內(nèi)不再掉塊后，再在坍腔內(nèi)利用φ50腳手架管在坍體上搭建施工平臺，對坍腔周邊圍巖進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，支護(hù)參數(shù)如表2所示［4］。

表2 坍腔周邊圍巖錨噴支護(hù)參數(shù)

3.2.1.2 小導(dǎo)管注漿固結(jié)圍巖。沿坍腔壁施作φ42小導(dǎo)管，對坍腔周邊圍巖進(jìn)行固結(jié)，小導(dǎo)管長4.5m，間距1.0m×1.0m，梅花型布置，注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃漿液體積比1.0∶0.8，注漿壓力0.5～1.5MPa。

3.2.1.3 架立護(hù)拱。在坍腔內(nèi)，高于隧道開挖斷面頂部2m以上位置施作Ⅰ16工字鋼護(hù)拱，護(hù)拱拱架間距1榀/m，每榀護(hù)拱兩端腳鎖腳錨桿不少于4根；鎖腳錨桿采用砂漿錨桿，錨桿長3.5m，對稱布設(shè)，雙面焊接于拱架上；拱架間采用U14槽鋼連接，間距1.0m。在護(hù)拱拱架上、下鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，噴20cm厚的C25砼，形成鋼筋砼護(hù)拱結(jié)構(gòu)，并在護(hù)拱上設(shè)Ⅰ16工字鋼支撐，用于支撐坍腔頂部圍巖。

3.2.1.4 架立過河撐。在坍腔內(nèi)增加過河撐，防止坍腔兩壁出現(xiàn)較大收斂變形，導(dǎo)致再次出現(xiàn)坍塌。過河撐選用φ150鋼管，布設(shè)位置其高度大于開挖斷面以上1m，間距1榀/m。

3.2.2 坍體加固。對坍腔處理完畢后，進(jìn)行坍體封閉加固，施工措施如下［5］。

3.2.2.1 表面噴漿。對坍體表面進(jìn)行噴砼封閉，厚度10cm。

3.2.2.2 司鉆注漿管。在坍碴體上司鉆，埋入φ42注漿小導(dǎo)管，導(dǎo)管長5m，導(dǎo)管間按1m間距布設(shè)。

3.2.2.3 注漿固結(jié)。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃漿液體積比1.0∶0.8，注漿壓力0.5～1.5MPa。

3.2.3 坍體處理。坍體在固結(jié)穩(wěn)定后，即開始進(jìn)行坍體開挖處理工作。為防止在坍體處理中，圍巖再次出現(xiàn)坍塌，開挖采用上、中、下三臺階法進(jìn)行開挖。

3.2.3.1 刀盤前端挖坑。因坍體已擠壓接近至刀盤頂，而刀盤無法退動，因而首先從刀盤頂上往下進(jìn)行刀盤前方2m左右的坍體的開挖，為防止坍體滑落，采用放坡開挖，坡度1.00∶0.75。開挖深度至上臺階底部。

挖坑主要采用風(fēng)鎬開挖，遇到大塊石則采用放炮解小處理。坍碴通過人工使用鍬、鏟，以及手工搬運(yùn)至刀盤刮碴孔內(nèi)，由TBM皮帶機(jī)運(yùn)輸至礦車內(nèi)。

3.2.3.2 安裝開口拱架。利用刀盤前端挖坑形成的作業(yè)面，安裝上臺階Ⅰ16開口拱架。第一榀拱架距離刀盤的距離為60cm，而后拱架按間距按照50cm間距架立，至拱架頂部接近于坍體坡面。每榀拱架兩端腳各采用不少于4根3.5m長砂漿錨桿鎖固。拱架間采用U14槽鋼連接，間距為1m。

表3 坍體處理支護(hù)參數(shù)

3.2.3.3 上臺階開挖支護(hù)

①開挖。上臺階開挖采用環(huán)型掏槽開挖、中心預(yù)留核心土方法。為減少爆破對TBM設(shè)備的影響，盡量采用風(fēng)鎬開挖，如遇硬巖、大塊石，處理困難時，則采用松動爆破，然后風(fēng)鎬剔除。每循環(huán)按50cm的進(jìn)尺進(jìn)行開挖作業(yè)。

②支護(hù)。在掏出環(huán)形立拱斷面后，及時初噴砼5cm，后架立Ⅰ16鋼拱架，按表3支護(hù)參數(shù)進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)作業(yè)。在開挖斷面拱部120°范圍內(nèi)設(shè)φ42超前小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管長4.5m，環(huán)向間距40cm，搭接1m，外插角為5°。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃漿液體積比1.0∶0.8，注漿壓力0.5～1.5MPa。

③安裝預(yù)埋管。在噴砼支護(hù)前，在拱架背后有坍腔位置，間隔5m由高到低埋設(shè)排氣管（φ50）、吹填緩沖層管（φ80）、細(xì)石砼回填管（φ60）。根預(yù)埋管焊接固定于鋼拱架上。

3.2.3.4 中臺階開挖支護(hù)。中臺階滯后上臺階3～4m施工。其仍然首先在刀盤前方掏坑，形成作業(yè)面。然后分左右兩側(cè)錯位開挖，保證兩側(cè)接腿不在同一斷面內(nèi)。每循環(huán)進(jìn)尺控制在1m范圍內(nèi)，支護(hù)參數(shù)見表3。

3.2.3.5 下臺階開挖支護(hù)。下臺階在上臺階開挖支護(hù)完畢后，開始施工。其開挖作業(yè)方式同中臺階。

3.2.4 圍巖加固。為保證TBM機(jī)械的順利通過，以及防止以后圍巖繼續(xù)變形對結(jié)構(gòu)的破壞，沿開挖斷面進(jìn)行全環(huán)徑向注漿加固。注漿管采用φ42小導(dǎo)管，單根長4.5m，間距1.0m×1.0m，梅花型布置。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水泥漿與水玻璃漿液體積比1.0∶0.8，注漿壓力0.5～1.5MPa。

3.2.5 坍腔回填。在整個坍腔段支護(hù)完成后，為保證TBM的順利通行，特別是保證TBM撐靴處能受力，必須及時對坍腔處進(jìn)行回填?；靥畈牧喜捎肅25細(xì)石砼，依據(jù)預(yù)埋細(xì)石砼回填管高度，按照由低到高的順序依次分層對坍腔進(jìn)行回填，回填高度至拱頂以上1m高度即可［6］。

4 結(jié)語

TBM隧道工法適宜在圍巖穩(wěn)定性高的硬質(zhì)巖時采用，然而相對一條隧道而言，其地質(zhì)情況復(fù)雜多變且具有較高未知性，故掘進(jìn)作業(yè)前應(yīng)做好超前地質(zhì)預(yù)報，避免塌方事故出現(xiàn)。TBM施工塌方段宜采用人工開挖，避免對坍體進(jìn)一步擾動和二次事故。同時，硬巖隧道TBM施工過程中，應(yīng)隨時準(zhǔn)備與鉆爆法結(jié)合施工，防止TBM強(qiáng)行通過圍巖穩(wěn)定性差的洞段。

［1］張青林.重慶地鐵隧道TBM始發(fā)段的施工技術(shù)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2011.

［2］姚安華，張修高.TBM施工中塌方部位支護(hù)處理措施研究［J］.水利水電施工，2013（3）：38-39.

［3］高文藝.深部復(fù)合地層TBM隧道變形時空演化規(guī)律研究［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2015.

［4］高文藝.敞開式全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)通過軟弱破碎圍巖的施工方法［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2003（6）：50-57.

［5］張文達(dá).鐵路隧道軟弱圍巖超大斷面TBM拆卸洞施工技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2015（S1）：144-147.

［6］高攀科.斑竹林隧道軟弱圍巖變形特征與控制措施研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2009.

Study on Collapse Treatment Technology in TBM Construction of Zhongtian Mountain Tunnel

Gao Panke1Guo Jinxin2
（1.Shannxi Railway Institute，Weinan Shannxi 714099；2.The Fifth Bureau（Group）Corporation of China Railway，Guiyang Guizhou 550003）

There are a lot of research results about the tunnel collapse,but the research on the treatment technology of TBM construction landslide is rare.Based on this,taking a landslide accident in the soft rock tunnel during the TBM construction of the Zhongtian mountain tunnel as an example,starting from the geological analysis,according to the characteristics of TBM construction machinery,a series of safety measures of reinforce the collapse cavity,artifi?cial drilling and blasting,consolidation of the collapse body,artificial excavation and supporting the collapse body were put forward.Through the field test,the control scheme has a good effect,and it has a certain reference value.

tunnel engineering；TBM；collapse；treatment technology

U455.49

A

1003-5168(2016)09-0121-03

2016-08-07

陜西省教育廳自然科學(xué)項(xiàng)目（2011JK926）。

高攀科（1984-），男，博士，研究方向：軟弱圍巖隧道安全施工及控制理論研究。