長距離淺埋輸水隧洞TBM快速掘進技術研究

朱文敏,王文明

(中國水利水電第八工程局有限公司,湖南 長沙 410004)

1 引言

TBM作為巖石隧道先進的特大型施工設備，主要應用于鐵路隧道工程、水工隧洞工程及地鐵區間隧道工程等領域。與隧道(洞)傳統鉆爆法掘進施工相比，TBM具有安全、快速、利于環保、節省用工、提高工率等優點，目前，TBM通過不良地質地段時可能會發生突泥涌水、塌方卡機等工程安全事故，從而嚴重影響工程施工安全、質量及工期。因此，對淺埋隧洞敞開式TBM隧道施工進行技術研究尤為重要[1]。

2 工程概況

新疆某輸水工程位于新疆北部，為國家水利部重點工程項目，施工內容主要為24.3 km輸水隧洞，隧洞分布埋深4～127 m，圍巖強度范圍適中，但地質條件復雜，Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖與斷層破碎帶、涌水、軟弱巖層交替，隧洞過淺埋沖溝段最小埋深約6 m，穿高速公路段最小埋深8.8 m。其中TBM段總長21.6 km，鉆爆段總長2.7 km，設施工支洞1條。主洞采用1臺開敞式TBM掘進施工，分為TBM4-1、TBM4-2兩段，長度分別12.942 km和8.796 km，TBM開挖直徑7.83 m。施工程序為：TBM邊開挖邊支護，開挖完成后TBM拆除出洞，進行襯砌混凝土施工[2]。本工程合同工期48個月。施工區段劃分見圖1。

圖1 施工區段劃分示意

3 輸水隧洞特點

(1)掘進距離長：本工程TBM掘進總長21.6 km，分兩段掘進，長度分別為12.942 km和8.796 km。TBM單工作面掘進距離長，對設備性能、設備管理、運行管控等要求高。

(2)斷層破碎帶：在施工區內有多條大小不等的斷層，斷層破碎帶內以糜棱巖與碎裂巖為主，巖體穩定性差，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。TBM4-1施工段中f36、f36-1、f41斷層規模較大，破碎帶寬10～15 m，帶內以破碎巖、糜棱巖為主，產狀為：50°SE∠85°、50°NW∠80-85°，斷層走向與洞線夾角83°～88°，在洞內延伸長度約13～17 m，對隧洞穩定有較大影響。

(2)涌水：主要分布在存在小斷層及裂隙較發育地段，隧道段處于裂隙水以下4～125 m處，以基巖裂隙水為主，斷層破碎帶洞壁會產生線流水現象。其中在樁號102+567～105+246 m段總涌水量達到342～596 m3/h。

(3)軟巖：本工程雖未提及發現明顯的軟巖，但在鉆爆法施工段存在斷層f34是軟巖， TBM施工過程中，實際揭露也存在軟巖。

4 超前地質預測預報

TBM隧洞掘進過程中，采取針對性超前地質預報措施，可以有效指導TBM安全、順利通過斷層破碎帶、富水地段。通常來講，超前地質預報可以有效指導隧道(洞)施工采用正確的開挖方法和支護措施，特別是在斷層破碎帶、軟弱巖體及富水地段隧道(洞)掘進過程中作用更為明顯[4]。在本輸水隧洞地質超前預報實施過程中，主要涉及的內容有以下幾方面，即淺埋沖溝段、破碎帶、軟巖地層和富水地層等，對工程地質災害可能出現的位置和規模等進行全面探測。超前地質預報方法主要有地質素描、鉆探、物探等。

4.1 地震波探測技術

利用地震波在不同圍巖中傳播速度不同，如遇到斷層，其巖體的彈性模量特征變化將產生反射信號，通過評估接收到的信號以確定斷層的空間位置。地震波在不同地質巖層界面或巖體中不連續界面傳播時，波阻抗會發生變化，此時反射的地震波信號也會不同，當遇到巖體內部有較大破碎帶時，反射波的極性會明顯反轉， 通過對不同反射信號分析，可以判斷隧洞工作面前方一定距離不含水不良地質體的性質、位置及規模[3]。地震波成像結果采用確定一個背景場，所有分析都相對背景場進行，異常區域會偏離背景區域值，根據偏離與分布多少分析隧洞前方的地質情況。

地震波的震源點設置和采集接收傳感器采用立體分布布置方式，具體布置方法見圖2。具體操作程序為：震源點錘擊，觸發器產生觸發信號→基站→基站下達采集地震波指令→遠程模塊傳回地震波數據→主機采集→完成地震波數據采集。

利用地震波探測技術可以對隧洞掌子面前方200 m范圍內探測斷層破碎帶等不良地質分布情況。

圖2 震源和傳感器的布置方法

4.2 激發極化探測技術

激發極化探測方法是以不含水和含水地質構造的電性參數差異(對含水構造表現為低阻，對完整圍巖表現為高阻，)為物理基礎，通過在開挖掌子面布置一定數量的測量電極和供電電極，同時在近掌子面的洞壁邊墻上布置多圈供電電極，如圖3所示。探測時，A、B供電電極供入直流電，測量M、N兩個電極間的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。再通過反演計算，得到探測區域圍巖電阻率剖面，同時結合激發極化半衰時之差與反演低阻體體積估算水量，從而達到對探測區域地質含水情況探測的目的。

本隧洞工程探測采用山東大學自主研發的GEI綜合電法儀，如圖3所示。通過1條多芯電纜連接供電電極A與測量電極M，另外通過1根多芯電纜連接電極B和N，測量時刀盤后退使得刀盤脫離掌子面，推出電極接觸掌子面并保證電極與圍巖良好耦合。

激發極化探測技術可探測隧洞掌子面前方30m范圍內地下水發育情況。

圖3 隧洞激發極化超前探測示意

5 淺埋隧洞地表注漿加固處理技術

針對沖溝淺埋斷層破碎帶地質段，采用地表注漿預加固處理技術進行處理。預加固處理技術工藝流程為：布孔鉆孔→鉆孔沖洗→壓水試驗→注漿→封孔。

5.1 布孔鉆孔

(1)孔位放樣采用GPS測量儀進行分序定位。 孔位與設計孔位的偏差值不得大于10 cm，孔深符合設計規定。實際孔位、孔深做好詳實記錄。

(2)注漿孔進行孔斜測量，孔底的偏差不得大于0.25 m。

(3)注漿孔采用地質鉆機GY100鑿巖鉆機鉆進，鉆孔過程中，遇異常情況，詳細記錄。

(4)注漿孔(段)在鉆進結束后，進行鉆孔沖洗，孔底沉積石渣厚度不得超過20 cm。

(5)注漿孔按分序加密的原則進行鉆進。注漿孔排與排之間和同一排孔與孔之間，分為二序施工[5]。

5.2 鉆孔沖洗

鉆孔沖洗方法主要有自孔底向孔外大水量敞開沖洗、壓力風沖洗或風水聯合沖洗，具體通過現場注漿試驗確定。

裂隙沖洗：根據不同的地質條件分別采用壓力水沖洗、壓力風沖洗、風水輪換沖洗。

沖洗水壓為注漿壓力的80%，大于1 MPa時，則采用1 MPa；沖洗風壓為注漿壓力的50%，大于0.5 MPa時，則采用0.5 MPa。

裂隙沖洗沖至回水清凈后10 min結束，且總的時間要達到相關規范要求。對回水不能達到清凈要求的孔段，沖洗至孔內殘存的沉積物厚度不超過20 cm為止。

注漿孔(段)裂隙沖洗合格后，立即進行注漿作業，因故中斷時間間隔不能超過24 h，否則重新注漿前要先進行裂隙沖洗。

特殊地段：對于地質構造帶(特別是斷層破碎帶、遇水泥化帶)，采用自孔底向孔外進行壓力風沖洗的方式，避免用水沖洗使破碎巖體遇水泥化造成對裂隙的堵塞，從而影響注漿質量。

5.3 壓水試驗

壓水試驗在鉆孔沖洗合格后1 d內進行，否則重新沖洗。每個分段在Ⅰ序孔中選5%的注漿孔作單點法壓水試驗(即Ⅰ序孔總數的20%)，先導孔、灌后檢查孔必須進行“單點法”壓水試驗，其余注漿孔段均進行簡易壓水試驗。壓水試驗合格標準嚴格按相關規范執行。

正常壓水試驗的壓力為注漿壓力的80%，大于1MPa時，則采用1MPa，遇到特殊情況則按設計通知執行。

5.4 注漿

注漿在洗孔壓水驗收合格后及時進行。本工程采用分段注漿法，分段段長第一段為4.0 m，第二段及以下為6.0 m；注漿分段同鉆孔分段一致，各注漿段注漿結束后不待凝；分段注漿孔采用自下而上、孔內循環分段注漿法，注漿塞置于該段段頂0.5 m處，射漿管距孔底不大于0.5 m。

注漿結束待加深或鉆孔結束待注漿時，注漿孔孔口妥善保護，嚴防污水，污物流入孔內。

除接觸段和注入率大的孔段逐級升壓外。其它孔段注漿開始后快速使注漿壓力達到設計值，為防止巖石面抬動，固結注漿原則上一泵注一孔。當相互串漿時，如串漿孔具備注漿條件，則分別采用一泵一孔同時注漿。否則，安裝止漿塞塞住串漿孔，待注漿孔注漿結束后，再對串漿孔進行掃孔、沖洗，再進行注漿。地表注漿見圖4所示。

5.5 封孔

當注漿壓力達到規定值時，注入率≤1 L/min，繼續灌注30 min，即可結束注漿。當長時間達不到結束標準時報請業主、設計和監理共同研究處理措施。

固結注漿封孔采用采用機械壓漿封孔法或壓力灌漿封孔法，封孔采用漿液水灰比為0.5∶1的濃漿。待凝24 h后清除孔內污水、浮漿，脫空處采用干硬性水泥砂漿封填密實。

圖4 TBM隧洞淺埋沖溝段地表注漿

6 不良地質洞段施工技術措施

6.1 軟弱破碎圍巖洞段施工技術措施

根據圍巖破碎程度，出護盾后一般采用TBM上輔助設備安裝鋼拱架、鋼筋排、鋼筋網、錨桿進行初期組合支護[6]。

(1)對Ⅲb類圍巖，鋼拱架采用HW125型鋼，間距1.8 m，鋼筋排采用Φ16 mm、Φ20 mm 、Φ22和Φ 25 mm 幾種鋼筋，鋼筋網采用Φ10 mm的鋼筋焊接成長×寬為 1.5 m×1.5 m，網格間距為200 mm×200 mm而成，錨桿有Φ25 mm砂漿錨桿，長3 m、間距1.5 m。鋼拱架與均布的4根鎖腳錨桿焊接固定，鋼拱架之間采用Φ25mm鋼筋縱向連接固定，鋼筋排布設在鋼拱架與巖面之間，兩端與鋼拱架焊接固定，形成初期支護系統。

(2)對Ⅳ類圍巖支護需要進行加強，鋼拱架采用HW150型鋼，相鄰兩榀鋼拱架之間的間距由1.8 m 縮小為0.9 m，加密拱架，甚至更小；相鄰兩榀鋼拱架間的連接件由鋼筋更換為HW125型鋼，錨桿有Φ25 mm砂漿錨桿，長3 m、間距1.2 m。鋼拱架與均布的4根鎖腳錨桿焊接固定，支護效果如圖5所示。

(3)對Ⅴ類圍巖，鋼拱架采用HW150型鋼，相鄰兩榀鋼拱架之間的間距由0.9 m 縮小為0.6 m，加密拱架，甚至更小；相鄰兩榀鋼拱架間的連接件由鋼筋更換為HW125型鋼，錨桿有Φ25 mm砂漿錨桿，長3 m、間距1.0 m。鋼拱架與均布的4根鎖腳錨桿焊接固定，拱頂有較大塌腔時，拱頂90°范圍增設3 mm薄鋼板封頂，并埋設回填混凝土管，支護效果如圖6所示。

圖5 Ⅳ類圍巖支護效果

圖6 Ⅴ類圍巖支護效果

(4)軟弱程度高的圍巖支護進行進行加強，鋼拱架采用HW150型鋼，相鄰2榀拱架之間的間距由0.9 m減小為0.6 m，加密拱架，甚至更小；相鄰2榀拱架間的連接件由鋼筋更換為型鋼進行焊接連接，使之形成更加穩固的支護結構；底板60°范圍內在鋼拱架與巖壁間全面加墊5 mm鋼板以增加底護盾及后支撐的接地比壓，以利于機頭以抬頭姿態掘進并防止主機整體下沉如圖7所示。

圖7 軟弱圍巖拱架側面和底部加墊鋼板支護效果

6.2 涌水不良地段施工技術措施

根據隧洞地質報告，實際施工時部分施工段出現較大的涌水。當TBM掘進到預測涌水段時首先加大觀測密度，根據涌水情況逐漸增加排水泵工作數量，通過排水管道將涌水和生產廢水排出洞外。在TBM設備護盾位置除原配套布置的5臺總排量為580 m3/h排水泵外，另外在增加2臺排水量為200 m3/h的潛水泵作為應急水泵布置在TBM設備橋下方，以應對大涌水極端情況。

6.2.1 涌水量較小時的施工技術措施

掘進中發現水層水流較小，未形成線性流水，掘進可以照常進行，安排專人觀察涌水量的變化和抽排水，加快噴混隔阻地下水。

6.2.2 涌水量較大時的施工技術措施

當涌水量較大，噴射混凝土不能有效凝結時，鉆排水孔引出地下水，降低水壓。用超前鉆機沿盾體周邊鉆排水孔，孔徑48 mm，深度15～20 m。排水孔的數量和位置根據水流的情況來判定。在洞壁布置引流管，然后噴混隔離地下水層。觀察掌子面巖石沒有垮塌現象后，可以恢復TBM掘進施工。反之，如果掌子面出現垮塌現象，則進行更深層的地質處理。

6.2.3 涌水量大時的施工技術措施

在涌水量較大，采用引流噴混等方式處理后，掌子面或洞壁有垮塌現象，采取地層加固和泡沫注漿封堵地下水的施工技術措施。

方法為使用超前鉆機在機頭四周或涌水集中區域鉆孔，梅花形布置，孔深>15 m，間距40 cm通過這些孔安裝注漿管。注漿管外露50 cm，四周使用聚氨酯注漿機進行密封封堵。然后使用雙液注漿機注入雙液漿，灌入巖石縫隙里以封堵巖體水層。完成巖體封堵后，鉆部分更深的孔進一步排水，這部分孔深超過注漿孔的深度。

在TBM周圍形成一個傘形的加固地層，水進一步引入隧洞中，待隧洞的水壓進一步降低后掘進施工重新開始，必要時可以重復進行。

6.2.4 突發巨量涌水時的施工技術措施

當出現突發巨量涌水時，在進行封堵水層同時，原布置排水泵和排水管不能滿足排水需求，則安裝應急水泵，并利用進水管道向洞外進行強排水。應急水泵加原TBM配套排水泵，總排水量可達980 m3/h，利用原鋪設的DN200 mm排水管和DN150 mm進水管改造為排水管，滿足隧道最大涌水量596 m3/h的排水要求。

7 TBM掘進參數合理調整

針對圍巖強度、裂隙發育情況和巖性，靈活地選擇TBM刀盤轉速、推力、扭矩等主要操作參數。

(1)在圍巖飽和單軸抗壓強度100 MPa左右，裂隙發育，掘進速度較快的情況下，刀盤轉速選擇7 r/min左右，以控制刀盤扭矩為主要指標，刀盤扭矩不大于3000 kN·m為宜，對應貫入度一般在6～8 mm/rev。

(2)在圍巖飽和單軸抗壓強度120 MPa以上，裂隙不發育，掘進速度較慢的情況下，刀盤轉速選擇6 r/min左右，以控制總推力為主要指標，總推力不在于18500 kN為宜，對應貫入度一般在3～5 mm/rev，同時增加刀具檢查頻次，減小刀具的更換磨損極限值。

(3)在圍巖比較軟，圍巖飽和單軸抗壓強度50 MPa以下時，要降低刀盤的轉速，減小推力，控制貫入度在10 mm/rev左右，同時觀察TBM主皮帶機驅動液壓系統壓力不大于100 bar。

根據TBM上述的掘進數據分析，TBM推進總推力不宜大于19000kN。

在Ⅳ、Ⅴ類圍巖掘進狀態下，采取低轉速、小推力前進方式，盡量減少刀盤對圍巖的擾動而導致嚴重的塌方掉塊，增加支護難度和清渣工作量，在這兩種圍巖掘進條件下，必須首先保支護質量和施工安全，TBM掘進速度主要受制于支護速度。同時，需要特別注意撐靴和后輔助支撐部位的鋼拱架監護，防止撐靴滑動擠壓損壞安裝好的鋼拱架。

8 結論

通過對淺埋輸水隧洞TBM施工技術措施的研究和不斷優化，并經過實際施工應用，較好地規避了淺埋輸水隧洞TBM施工過程中遇到的各種不良地質地段停機處理風險，實現了TBM安全快速施工目標。目前，TBM第一段掘進距離已接近13 km，即將貫通，未發生因不良地質段施工技術措施不當造成長時間停機處理的事故。因此，本工程淺埋輸水隧洞TBM施工的針對性的技術措施，對類似工程隧洞TBM施工具有一定借鑒作用。