引松供水工程巖溶及軟弱破碎地層敞開式TBM施工技術

孫振川， 陳建立

(1. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

引松供水工程巖溶及軟弱破碎地層敞開式TBM施工技術

孫振川1, 2， 陳建立1, 2

(1. 中鐵隧道集團有限公司， 河南 洛陽 471009； 2. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

引松供水工程四標段隧洞TBM法施工長度約17 km，其中7 332 m主要穿越灰巖(巖溶)、炭質板巖、斷層等軟弱破碎地層。為解決TBM在該類地層中掘進時TBM偏機、栽頭、刀盤被糊、被卡、涌泥涌水、收斂變形引起設備被卡等難題，通過資料查閱、調研國內外現有TBM施工案例、專家咨詢研討等，對比研究多種方案；結合工程實踐，提出TBM超前地質預報、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯合及時支護等一系列確保TBM連續施工的方案與措施。經工程驗證，該方案與措施能夠很好地保證TBM在巖溶及軟弱破碎地層的連續掘進，為工程的順利實施奠定了堅實的基礎。本文研究得出了一系列理論及參數，可為類似工程提供借鑒和參考。

隧道； 巖溶； 軟弱破碎地層； 敞開式TBM； 超前地質預報； 鋼筋排支護

0 引言

TBM是一種集機、電、液壓、傳感、信息技術于一體的隧道施工成套設備，可以實現連續掘進，能同時完成破巖、出渣、支護等作業，可實現工廠化施工，掘進速度較快，在長距離巖石隧道(洞)中得到了廣泛的應用[1]。TBM分為敞開式TBM、雙護盾TBM、單護盾TBM 3種類型。它和盾構的最大區別是其不具備平衡掌子面的密閉建壓功能。敞開式TBM施工一般采用復合式襯砌，而護盾式TBM施工一般采用管片作為襯砌形式[2]。

敞開式TBM 自1997年因修建西康鐵路秦嶺隧道而引進國內以來，已先后在磨溝嶺隧道、中天山隧道、西秦嶺隧道、大伙房輸水隧洞、遼西北供水隧洞等工程中得到應用，是國內長大隧道施工技術的一次巨大革新，大大提升了隧道(洞)施工機械化水平[3-4]。但敞開式TBM主要是針對硬巖施工而設計制造的，一般適用于地質條件相對單一的中硬巖長大隧道，對斷層、構造發育及節理密集帶等軟弱破碎地層適應性較差，甚至需要停機處理，從而造成工效降低，成本攀升[5-8]。眾所周知，隧道等地下工程地質千變萬化，充滿變數且無法預先完全探明，經常存在斷層破碎帶、侵入巖、蝕變巖、風化槽等軟弱破碎地層[9]。如何保證TBM連續順利穿越此類地層，往往決定一項工程的工期和造價，對工程建設意義重大。雖然采用敞開式TBM已成功修建了很多隧道(洞)，如秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、遼西北供水隧洞、中天山隧道等，也曾嘗試采用TBM處理軟弱破碎地層，并做了大量的研究，取得了一些成績；但受制于復雜多變且無法精準探明的地下工程地質，仍沒有很好地解決TBM對軟弱破碎地層的適應性問題。為不斷提高TBM的適應性，創新TBM施工技術水平，進一步研究并探索TBM對軟弱破碎地層的適應性和施工技術顯得尤為重要和必要。

吉林省中部城市引松供水工程四標段23 km的引水隧洞采用敞開式TBM輔以鉆爆法施工，TBM穿越的不良地質構造主要有斷層破碎帶、灰巖段巖溶溶洞區和富水炭質板巖等軟弱破碎地層，在該類地層中掘進時TBM存在偏機、裁頭、刀盤被糊、被卡、涌泥掩埋盾體、涌水引起電氣故障、收斂變形引起設備被卡等施工風險，嚴重制約著TBM 的施工質量和掘進進度。為解決該問題，通過超前地質預報、合理掘進參數的選擇、圍巖及時支護與封閉、加強支護措施的應用、無尺量測監測技術的應用等一系列措施，順利通過了掘進過程中遇到的斷層、溶洞、涌水段及涌泥段，較好地解決了TBM對軟弱破碎地層的適應性問題。

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程是從第二松花江豐滿水庫庫區引水，以解決吉林省中部地區城市供水問題的大型調水工程，是松遼流域水資源優化配置的主要工程之一。引松供水工程四標段設計為23 km的引水隧洞，起止樁號為48+900～71+900(見圖1)，采用1臺φ7.93 m的敞開式TBM輔以鉆爆法施工，其中TBM法施工長度17 km。

圖1 引松供水工程四標平面布置示意圖(單位： m)

2 主要工程地質問題

2.1 工程地質巖性

工程涉及地層巖性主要有： 三疊系上統小蜂蜜頂子組凝灰巖，三疊系上統大醬缸組砂礫巖，石炭系中下統磨盤山組灰巖，石炭系下統余富屯組凝灰巖，石炭系下統鹿圈屯組凝灰質砂巖，泥盆系中下統堿草甸-常家街組灰巖、砂巖；侵入巖為燕山期花崗巖、鈉長斑巖、石英閃長巖，華力西晚期閃長巖。其中K63+884～K71+216洞段共計7 332 m以灰巖、炭質板巖為主。

2.2 不良地質構造

TBM穿越的不良地質構造主要有斷層破碎帶、灰巖段巖溶溶洞區、富水炭質板巖3種。與洞身相交斷層及低阻異常帶39處， Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等斷裂為阻水或導水斷裂，且地處溝谷，有匯水條件，與地表水可能形成聯系，可能存在斷裂帶的突水、突泥問題。其中灰巖段巖溶溶洞區已探明12處溶洞。最大溶洞高38.52 m，距洞頂5.7 m；最小溶洞高6.3 m，距洞頂32.5 m。

在該類地層中掘進時，TBM存在偏機、栽頭、刀盤被糊(見圖2)、被卡、涌泥掩埋盾體、涌水引起電氣故障、收斂變形引起設備被卡等施工風險[10-11]。

3 主要技術方案與措施

3.1 掘進原則

1)超前探、少擾動、短進尺、早封閉、強支護、勤量測； 2)避免在不良地質段長時間停機，勻速通過。

圖2 炭質板巖刀盤被糊

3.2 超前地質預報

超前地質預報是決定TBM能否安全、順利通過軟巖地段的關鍵，超前地質預報可減少盲目性，便于采取正確的開挖方法和支護措施，尤其是在軟巖或斷層破碎帶掘進過程中。引松供水工程四標段地質預報的主要內容有： 斷層，軟弱夾層，巖溶的位置、規模和性質，不同巖類間接觸界面位置，工程地質災害可能發生的位置和規模等。預報方法主要采用長短結合、物探+鉆探+地質素描相結合的綜合地質預報手段[12]，以探明掌子面前方地質情況。

1)物探主要采用2種手段： ①搭載在TBM設備上的激發極化法; ②TRT法[13]。激發極化法是電法勘探的一個重要分支，是以不同地質介質之間的激電效應差異為物質基礎，通過觀測和研究被測對象的激電效應進行地質探查的一種電法，能實時預測掌子面前方30 m的地質情況(見圖3)。TRT法的基本原理是當地震波遇到聲學阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時，一部分信號被反射回來，另一部分信號透射進入前方介質(見圖4)。該方法被用來了解隧道工作面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規模，操作簡單、快捷，預測距離為100～120 m。

2)鉆探。因該工程埋深為26～260 m，地表具備鉆探條件。通過對物探低阻帶及斷層破碎帶的針對性鉆孔取芯，分析洞頂巖石覆蓋層厚度、巖溶發育程度、地下水發育情況等。

3)地質素描。通過對出露護盾的圍巖以及不良地質段在刀艙內通過刀孔、刮渣孔、人孔等位置對掌子面圍巖情況進行觀察，繪制地質素描圖，對物探和鉆探結果進行驗證校核。

圖3 激發極化三維圖像

圖4 TRT三維圖像

通過以上綜合地質預報手段，相互驗證糾偏，能比較準確地探明前方地質情況。

3.3 TBM掘進和出渣控制

3.3.1 掘進參數的選擇

選擇合理的掘進參數至關重要[14]。根據地質預報結果結合實際揭露圍巖，尤其是軟弱破碎地層易產生坍塌，溶洞發育易造成掌子面不平而損壞刀具，在選擇掘進參數時應遵循“低轉速、小推力”的原則，減小對圍巖的擾動，同時降低刀具異常損傷的概率。引松供水工程四標段掘進參數選擇范圍見表1。

通過對掘進參數的有效控制，減小了對不良地質段圍巖的擾動，限制了塌方、掉塊的發展；同時,減小了刀具的異常損壞，降低了不良地質段頻繁換刀的概率。

3.3.2 循環進尺的控制

引松供水工程四標段采用的敞開式TBM推進油缸行程為1.8 m，即正常單循環進尺為1.8 m。在不良地質段控制掘進進尺的目的在于對出露護盾的圍巖盡早封閉并加強支護，減少因風化造成的進一步剝落或坍塌，以限制臨空面的發展，確保圍巖出護盾后的施工安全和施工的連續性。

表1 不同圍巖類別、不同巖性掘進參數選擇范圍

對于圍巖完整性差、破碎洞段，循環進尺控制在0.9 m，即鋼拱架支護間距為0.9 m，結合TBM水平撐靴的特殊設計，該工況可正常換步；對于溶蝕發育、洞頂脫空在4 m以上、涌泥洞段，循環進尺控制在0.45 m，即鋼拱架支護間距為0.45 m，該工況需將撐靴受力范圍的鋼拱架間采用噴射混凝土回填密實，等強后撐靴直接在噴射混凝土表面受力提供反力換步。

3.3.3 掘進姿態預調整

在超前地質預報確認圍巖軟弱、破碎后，立即對掘進姿態進行預調整，水平姿態向0調整，水平趨勢趨近于0，垂直姿態控制在+10～+20 mm，垂直趨勢控制在+10 mm/m。提前將TBM水平姿態調正，垂直姿態呈“抬頭”形式，以便在軟弱圍巖中處于主動態勢。

3.3.4 刀盤清理

針對炭質板巖遇水泥化的特性，關閉刀盤噴水，減少人為原因造成的泥化問題。對于糊刀盤、糊刀孔問題，加強人工清理刀盤工作，在立拱架及常規保養時間內必須進行刀盤清理，清理刀孔及刮渣孔，至少保證對角2個刮渣孔清理徹底，以確保泥渣的外排；除立拱架及保養時間外，在掘進過程中扭矩急劇增大且進尺極小時，需要及時停機清理刀盤。

3.4 出露護盾圍巖的及時支護封閉

引松供水工程四標段采用的敞開式TBM在充分研究工程地質的基礎上配備了鋼筋排支護和應急濕噴系統，2種系統的配置可及時有效完成出露護盾后圍巖的及時支護封閉。

3.4.1 鋼筋排支護系統

橫向采用盤條將3根鋼筋連接成一體，形成鋼筋排。鋼筋排構成見圖5。

圖5 鋼筋排構成(單位： mm)

在護盾尾部設置鋼筋排安裝卡槽，布設范圍為拱頂120°，將鋼筋排的一端提前插入卡槽內(卡槽寬137 mm、高50 mm)，另一端與鋼拱架背部焊接牢固。隨著TBM的掘進，鋼筋排逐漸被拖出，形成相對封閉的棚護體系(見圖6)，防止拱頂塌方體的墜落。鋼筋排支護一方面保證了設備和支護人員的安全；另一方面大大減少了清渣工作量，減少了停機時間，有效降低了在不良地質段長時間停機和刀盤護盾被卡的風險，同時為TBM在不良地質條件下連續掘進創造了條件。

(a) (b)

圖6 鋼筋排支護

Fig. 6 Rebar row support

3.4.2 應急濕噴系統

由于TBM設備噴混凝土系統位于掌子面后方約55 m，無法對出護盾后的圍巖進行及時支護封閉，因此，增設濕噴機及時對圍巖封閉至關重要。濕噴機的操作與鉆爆法施工相同，在噴射之前須對設備進行防護，防止噴射混凝土對設備造成損壞。采用應急噴射混凝土一方面可以對圍巖及時封閉，防止塌方的進一步發展；另一方面對于撐靴受力部位的塌腔或小型溶洞可及時回填加固，以滿足撐靴的受力要求(見圖7)。

圖7 圍巖噴混凝土加固

3.4.3 聯合加強支護

1) 圍巖出護盾后，拱頂大范圍掉塊，存在塌方風險時，根據設計參數，采用鋼拱架、錨網、鋼筋排進行聯合支護，在掉塊及鋼筋排受力擠壓變形處使用I16工字鋼縱向連接拱架進行加固(見圖8)；TBM通過后，及時對支護背后塌腔進行回填注漿。

圖8 I16工字鋼縱向連接拱架

2) 圍巖出護盾后，撐靴位置較大范圍掉塊，此類情況撐靴無法撐緊巖面或出現撐靴打滑，宜采用以下3種處理方法掘進通過。

①處理方法1： 減小撐靴壓力，控制TBM推進力，慢速掘進通過；

②處理方法2： 撐靴(外弧長4.74 m、寬1.55 m)處加墊方木(15 cm×15 cm)，方木的長度視現場實際情況決定(見圖9)，然后慢速掘進通過；

③處理方法3： 將該部位掉塊及渣土清除，然后掛設鋼筋網片并與鋼拱架焊接牢固，進行濕噴混凝土處理， 待混凝土強度達到5 MPa后慢速掘進通過。

3)圍巖出護盾后，在撐靴部位存在炭質板巖、黏土或塌腔時，圍巖強度無法滿足撐靴壓力或撐靴打滑，需濕噴混凝土進行處理。濕噴前應在撐靴部位掛設網片，使其與鋼拱架相連，在塌腔處將鋼筋網片(φ8 mm@150 mm×150 mm)卷疊后塞入(見圖10)，濕噴厚度與鋼拱架內弧面齊平(見圖11)。

圖9 撐靴位置加墊方木

圖10 脫空處填塞鋼筋網及型鋼

圖11 撐靴受力范圍內濕噴混凝土

4)隧道底部為炭質板巖或黏土時，極易造成整機下沉、掘進偏差超限。此種情況下應加強排水，底部應鋪設干硬性混凝土，并將底部拱架用工字鋼縱向連接(見圖12)。

圖12 軟巖隧底處理

隧底軌排采用針對性設計，增大腳板以擴大受力面積(見圖13)。

圖13 軌枕增設支腿及加大鋼板

3.5 坍塌處理

清理塌落體后，及時安裝鋼拱架，拱架間采用I16工字鋼連接，并加密拱腳處鎖腳錨桿；在拱部120°塌落處塞填卷疊鋼筋網(φ8 mm@150 mm×150 mm)；為防止塌腔內的圍巖進一步垮塌，采用I16工字鋼支撐圍巖，I16工字鋼落腳于鋼拱架上(見圖14)；同時利用應急濕噴機對坍塌處進行噴射混凝土封閉處理，減少圍巖暴露時間，以及時形成支護體系[15]。

圖14 塌腔I16工字鋼支撐圍巖

為保證對塌腔內的混凝土回填密實，根據塌腔深度從淺到深埋設φ80 mm、φ42 mm注漿管以及排氣管并編號記錄，注漿管及排氣管孔口采用廢布封堵。應急噴混凝土封閉后，采用濕噴混凝土泵送回填，回填順序由淺入深，待排氣孔漏漿時判定回填密實。隧道坍塌回填處理見圖15。

3.6 溶洞處理

根據超前地質預報成果，探明溶洞的性質、規模，與掌子面的空間位置，以采取有針對性的措施。由于東北吉林地區溶洞的規模一般不大，多為半填充型溶洞，處理的原則是隧洞開挖輪廓線3 m以外的溶洞對隧洞穩定性無影響，不予處理；開挖輪廓線3 m以內的溶洞，根據溶洞具體位置按以下措施進行處理：

1)位于拱頂的溶洞，處理方法類似于大規模巖石塌落處理方法，主要是加強支護及回填；

2)位于撐靴受力位置的溶洞，類似于較大規模巖石掉塊處理方法中撐靴位置掉塊的處理，主要以回填加固為主；但為及早發現開挖輪廓線3 m以內的溶洞，待圍巖出露護盾后要及時采用錨桿鉆機進行鉆探，發現溶洞后及時進行噴灌混凝土回填密實，防止到達撐靴位置時撐靴脫空無法撐緊或出現撐靴打滑；

(a)

(b)

3)位于隧洞底部的溶洞，主要采取泵送細石混凝土的方式進行回填，等強后恢復掘進。

3.7 涌水處理

灰巖地層地下水活動多以溶蝕裂隙水為主，導水通道發育，因此涌水處理原則為“以排為主，適時封堵”，防止盲目堵水致導水通道堵塞從而造成突水。

提前制定應急預案，儲備應急物資，按設計最大涌水量的2倍配備抽水機、水管、應急發電機等，并保證涌水發生時能及時啟動；在涌水發生后及時監測水位、流量，確認實際涌水量，并及時對預案進行修正；對集中出水點采用管道進行引排，排至后配套尾部再經水泵外排。待巖性發生變化后啟動封堵措施，將出水點集中封堵。

3.8 涌泥處理

灰巖洞段涌泥夾砂及碎塊石黏性較差，導致大量泥渣自刀艙涌出，增加了底護盾后方清渣的工作量，進而制約了拱架安裝的效率和連續性。針對此問題，一是對刀盤人孔及刮渣孔焊接鋼板局部封堵，減小刀盤開口率，以減少出渣量，且每次掘進前空轉刀盤，將刀盤泥漿清理干凈；二是在刀艙通道內堆碼沙袋形成封堵壩(見圖16)，防止泥渣的大量涌出，而是經皮帶輸出；三是增加清渣人員和泥渣收集斗，泥渣涌出時及時進行清理，并采用折臂吊機運至連續皮帶機上外運。

圖16 皮帶艙堆碼沙袋墻

3.9 敞開式TBM的監控量測

不同于常規鉆爆法施工，敞開式TBM由于設備的設計及其與開挖斷面的相對位置關系，無法采用銦鋼尺及收斂儀進行變形監測，而以往TBM項目對于監控量測的實施系統總結較少。該工程采用無尺量測，即監測樁末端用反光片固定，采用全站儀通過坐標法計算相鄰點的距離變化，反映監測位置的位移情況，以反饋指導施工。監測點布置見圖17和圖18。

圖17 無尺量測監測點位布置

通過無尺量測在不良地質段的應用，及時地掌握了圍巖的變形情況，根據量測結果及時加固，避免了變形的進一步加劇，規避了安全風險，體現了信息化施工的理念。

圖18 監測樁布置

4 結論與建議

引松供水工程四標段通過超前地質預報、合理掘進參數的選擇、圍巖及時支護與封閉、針對性加強支護措施的應用、無尺量測監測技術的應用等一系列措施，通過了32處斷層(其中最大影響寬度200 m)、36處溶洞(其中洞頂最大規模溶洞弧長6 m、縱向長度9 m、深度6 m)、2段涌水段(其中最大涌水量1 000 m3/h)、1段涌泥段，目前已順利完成灰巖等軟弱地層掘進6 km，平均月掘進進度512 m。

1)目前TBM施工超前地質預報手段多為定性物探，在定量的鉆探方面，由于設備問題不能有效實施。建議在刀盤和盾體位置預留一些孔洞，盾尾安裝超前地質鉆機實現水平鉆孔勘探，以便在物探的基礎上采用鉆探驗證，提高超前地質預報的精準度。需要進一步研究選用或者研發適用的鉆孔設備、鉆頭與鉆桿等工具與材料。

2)TBM濕噴系統離護盾太遠不利于前方不良地質出露護盾后的及時噴護封閉，建議在護盾后合適位置布置應急噴護系統及注漿回填系統，滿足拱頂塌腔或大溶洞條件下的應急處置；同時，應急材料能直接從設備橋運送到護盾尾端。

3)鋼筋排安裝槽布置建議增大到270°范圍，以便有效防止邊墻圍巖垮落造成撐靴支撐困難和清渣工作量增加，進而影響設備的連續掘進。

4)根據監控量測結果及時調整或補強初期支護，防止過大變形造成后配套、主機室不能正常通過而停機處理。

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Construction Technologies for Open TBM Used in Karst Areas and Soft-weak and Broken Grounds: Case Study of Songhua River Water Diversion Project

SUN Zhenchuan1, 2, CHEN Jianli1, 2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

The tunnel of No. 4 Bid Section of Songhua River Water Diversion Project bored by TBM is about 17 km; and there are total 7 332 m crosses soft-weak and broken areas; i.e. limestone (karst), carbonaceous slate and fracture. The TBM often deviates, pitches and jammed when boring in the above-mentioned areas. In this paper, the TBM construction cases, related expert consultations and construction schemes are analyzed and studied; and then a series of countermeasures for TBM continuous construction, i.e. advanced geological prediction and support scheme of steel arch frame + rebar row + shotcreting, are proposed. The practice shows that the above-mentioned technologies are feasible and rational and can guarantee the TBM continuous construction in karst areas and soft-weak and broken grounds.

tunnel; karst; soft-weak and broken ground; open TBM; advanced geological prediction; rebar row support structure

2016-08-04；

2016-11-11

孫振川(1972—)，男，陜西韓城人，2009年畢業于石家莊鐵道學院，土木與建筑專業，碩士,教授級高級工程師，現從事隧道與地下工程技術與管理工作。E-mail: szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.014

U 455

B

1672-741X(2017)02-0215-08