高黎貢山隧道敞開式TBM穿越高壓富水軟弱破碎蝕變構造帶施工技術

王亞鋒， 曾 勁， 蔣佳運

(1. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001； 2. 云桂鐵路云南有限責任公司， 云南 昆明 650000)

0 引言

TBM施工具有快速、優質、高效、安全、環保、自動化等優點,目前已廣泛應用在國內各長大隧道(洞)工程中[1-2]。但TBM也因其自身結構特點存在一些不足之處,如進洞后改造困難、工法轉換困難、地質條件適應性差等[2-5]。因TBM無法適應地質而導致施工失敗的情況,國內外時有發生,如昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞、臺灣坪林公路隧道、印度Dul Hasti水電工程引水隧洞等[6],其中大多數都是TBM通過不良地質地段時發生了突水、塌方、卡機等工程難題,嚴重影響了工程安全、質量、經濟與社會效益。

自我國使用TBM進行隧道(洞)施工以來,針對復雜地質條件下的TBM施工技術,很多學者進行了不同方面的研究。王夢恕等[7-8]對敞開式TBM在特硬巖、軟巖及斷層破碎帶等不良地質的施工技術進行深刻分析，并針對TBM卡機脫困施工技術進行了闡述。楊曉迎等[9]以遼寧大伙房輸水工程為例,對深埋地層TBM卡機問題進行了分析,采用導洞法繞到刀盤前方人工開挖,襯砌完成后TBM步進通過。董泗龍[10]以某供水工程為例,介紹了固結灌漿及超前管棚預注漿的脫困處理。鄧青力[11]以中天山隧道為例,采用自進式錨桿及化學注漿方法處理TBM卡機問題。徐虎城[12]以新疆某引水工程為例, 通過超前地質預報和化學灌漿相結合的方法使TBM順利脫困。何春保等[13]依托蘭渝鐵路建設，對高地應力軟巖變形機制及施工控制進行了研究。為應對不良地質,也有不少學者在TBM設計方面進行了研究。西康鐵路秦嶺隧道TB880E型TBM采用液壓馬達驅動刀盤慢速旋轉,用于換刀、檢修、脫困等。邢阿龍等[14]對錦屏二級水電站φ12.43 m TBM指形護盾現場改造。洪開榮等[15]對高黎貢山隧道φ9.03 m TBM的隱藏式超前鉆機、前置式噴射混凝土等關鍵技術進行研究和創新。

雖然已有學者、專家對TBM在節理密集帶、斷層破碎帶等不良地質條件下的卡機脫困、設備改造等方面進行了技術研究，但尚未有TBM在高壓富水軟弱破碎蝕變構造帶這類極端復雜地質條件下施工的相關研究。本文依托大瑞鐵路高黎貢山隧道出口TBM施工案例，結合現場地質條件，總結研究出對于此類不良地質，采用側壁導坑超前泄水降壓、原位超前加固、盾體區域擴挖脫困等措施，最終TBM脫困通過。

1 工程概況

大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區，東起廣大鐵路終點大理站，西至瑞麗，線路全長約330 km。其中，高黎貢山隧道位于保山與龍陵之間，是全線的重點控制性工程。大瑞鐵路線路示意如圖1所示。

圖1 大瑞鐵路線路示意圖

由中鐵隧道局承建的高黎貢山隧道全長34.538 km，最大埋深1 155 m，位于喜馬拉雅地震帶，受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓，地形地質條件極為復雜，具有高地熱、高地應力、高地震烈度、活躍的新構造運動、活躍的地熱水環境、活躍的外動力地質條件和活躍的岸坡淺表改造過程等“三高”、“四活躍”的特征。全隧共分布17套地層巖性，19條斷層，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質和重大風險，堪稱隧道建設“地質博物館”。高黎貢山隧道地質縱斷面見圖2。

圖2 高黎貢山隧道地質縱斷面圖

高黎貢山隧道出口段采用TBM+鉆爆法聯合施工，正洞、平導分別采用開挖直徑9.03、6.39 m的敞開式TBM掘進施工。其中，正洞TBM計劃掘進12 546 m，已掘進6 066 m； 平導計劃掘進10 623 m，已掘進5 872 m。

2019年8月27日，平導TBM掘進至里程PDZK221+481處時出現大推力無法推進現象(該段正常推力為7 000～8 000 kN，加大至12 000 kN仍無法推動，轉矩為980 kN·m，轉速為4 r/min)，判斷為圍巖變形護盾被卡，隨后掌子面出現溜坍，大量泥沙狀渣體隨水流不斷從刀盤入口處涌出(見圖3)，造成隧底大量積渣。同時，TBM護盾及盾尾主梁區域拱部圍巖出現沉降，拱部巖體間形成錯臺(4 cm)，頂護盾被圍巖擠壓下沉，盾尾拱架局部出現扭曲變形。

圖3 掌子面溜坍

該不良地質主要表現特征為高壓富水、圍巖整體松散破碎、遇水泥化蝕變現象明顯。采用TBM施工，掘進方面主要存在的問題有掌子面失穩溜坍造成出渣量不可控、皮帶機壓力超限、泥渣包裹刀盤刀具造成轉矩增大致使刀盤被卡、護盾區域破碎圍巖變形造成護盾壓力大致使護盾被卡、撐靴位置軟弱破碎圍巖造成撐靴下陷無法提供推進反力以及姿態失控等問題；對于支護，主要存在的問題有鉆孔內存在高壓頂鉆無法穿透不良地質體、盾尾漏渣造成隧底大量積渣清理難度大時間長、破碎圍巖變形初期支護侵限、作業空間限制注漿加固困難等。

2 構造帶地質情況

2.1 構造帶設計地質情況

2.1.1 自然地理概況

本次不良地質測區位于云南高原西部邊緣，屬高黎貢山脈南延段，東南方向于大雪山附近與怒山余脈相接，屬高黎貢山古生界變質巖緊密褶皺和花崗巖體高山區。地面高程為 640～2 340 m，相對高差約 1 700 m，地形起伏大。測區屬熱帶—亞熱帶季風氣候區，日照豐富，雨量充沛，每年 5—10 月為雨季，11月—次年 4 月為旱季，年平均降雨量為 967.1～2 105.7 mm，最大可達2 597.7 mm。

2.1.2 地層巖性

2.1.3 水文地質特征

測區地下水主要為基巖裂隙水，地表局部溝槽少量第四系松散巖類孔隙水，地下水以大氣降雨補給為主，局部受地表水體補給。

2.1.4 圍巖情況

PDZK221+505～+353段原設計為Ⅲ級圍巖，埋深約467 m，屬中等富水區，巖性為燕山期花崗巖，平均單軸飽和抗壓強度為46 MPa，單位體積節理數為3～10條，節理較發育，巖體完整性系數Kv為0.85～0.65，巖體較完整。PDZK221+481處地質縱斷面見圖4。

圖4 PDZK221+481處地質縱斷面圖

2.2 地質預報情況

PDZK221+481卡機前，針對該洞段采用以下2種物探方式進行超前地質預報。

2.2.1 地震波反射法

地震波反射法采用的設備型號為TSP303Plus，單次預報長度為120 m，本次探測里程段PDZK221+501～+381，地震波反射法解析如圖5所示。探測結果為： PDZK221+481～+470、PDZK221+466～+459、PDZK221+447～+437、PDZK221+412、PDZK221+404～+390區段節理裂隙發育，巖體較破碎—破碎，局部巖體自穩能力較差；PDZK221+489、PDZK221+470、PDZK221+457、PDZK221+437、PDZK221+413～+410、PDZK221+395、PDZK221+389附近發育地下水。

2.2.2 水平聲波反射法

水平聲波反射法采用的設備為HSP206型超前地質預報儀及配套分析軟件系統。本次探測里程段PDZK221+535～+435，探測前方距離100 m。水平聲波反射法解析如圖6所示。探測結果為： PDZK221+475～+473、 PDZK221+443～+440段存在反射界面，分析認為上述里程段巖體較完整—較破碎；PDZK221+455～+452段反射界面稍強，分析認為該段圍巖局部較破碎，節理裂隙較發育，巖體易沿結構面掉塊、坍塌，圍巖完整性和穩定性較差。

圖5 地震波反射法解析圖

圖6 水平聲波反射法解析圖

綜合2種物探結果，PDZK221+481處未探測到明顯異常，物探結果為巖體節理裂隙發育、較破碎—破碎，局部巖體自穩能力較差，易掉塊、坍塌。結合預報及揭示的地質情況，卡機前掘進加強了支護強度及參數控制，采用Ⅴ級圍巖支護措施，破碎處增設鋼筋排支護，及時噴射混凝土封閉，TBM掘進參數設定為低轉速、小推力，使TBM穩步推進。

2.3 實際揭示地質情況

2.3.1 超前鉆探

遭遇不良地質后，現場補充了大量超前鉆探(包括處治過程中)，鉆探主要表現為泥漿裹鉆、頂鉆、孔內噴涌泥渣/水現象，鉆孔未穿透不良地質體。根據鉆探及揭示圍巖情況，判斷掌子面前方圍巖存在高壓富水軟弱破碎蝕變構造帶不良地質。

2.3.2 實際揭示

該段盾尾揭示圍巖為弱—強風化花崗巖，圍巖整體較破碎，節理裂隙發育；掌子面揭示強—全風化花崗巖，呈泥沙狀(見圖7)，無水尚可自穩，遇水即泥化呈流塑狀。TBM掘進進入該地層后掌子面出現溜坍，隨后盾體區域圍巖變形致使護盾被卡。卡機后發生突涌，最大涌水量約1 200 m3/h，涌水攜帶大量泥沙狀顆粒物。TBM脫困后掘進過程中，揭示該段圍巖整體呈泥沙狀(見圖8)，未擾動前致密，整體自穩能力差，擾動揭示后呈松散泥沙狀，遇水泥化。

2.3.3 地質綜合分析

根據平導、迂回導坑等鉆孔探測情況，推測 PDZK221+481卡機段前方發育高壓富水軟弱破碎蝕變構造帶，該構造帶具有巖體破碎、部分泥化、高壓富水、易涌突的特征。構造帶走向約為 N74°E，與線路走向夾角約 24°，推測構造帶大里程側邊界與平導交于 PDZK221+483，與正洞交于 D1K221+553 附近(見圖9)。小里程側邊界未探明，推測構造帶寬度大于20 m。根據超前鉆孔，平導盾尾前方強—強風化花崗巖厚度為3～24 m，迂回導坑洞室前方弱風化花崗巖厚度為5～17 m，正洞盾尾前方強—弱風化花崗巖厚度為0～24 m。

圖7 掌子面泥沙狀圍巖

圖8 盾尾揭示松散破碎圍巖

圖9 構造帶大里程側邊界平面圖

該段圍巖變化突然，刀盤接觸構造帶后掌子面發生溜坍失穩，引起盾體區域圍巖應力重分布，快速沉降收斂致使護盾被抱死，造成本次卡機。

3 構造帶卡機處治

3.1 第1階段(加固及試脫困)

結合現場情況，初步處治方案如下。

1)對盾尾主梁區域圍巖進行初期支護加固： ①增設HW100型鋼豎撐，間距0.75 m； ②模筑C25混凝土加固。

2)采用盾尾超前管棚注漿+掌子面化學灌漿超前加固圍巖： ①拱部90°范圍內打設φ76 mm超前管棚(無工作室)對前方圍巖超前注漿加固，環向間距為0.3 m，深度為20 m/根，施作2循環，循環間距0.75 m，交叉布置，注漿材料為聚氨酯類化學漿液； ②在刀盤內通過刀孔、刮渣孔對刀盤周邊進行超前注漿加固，注漿管采用φ32 mm玻璃纖維管，加固深度為2～5 m，注漿材料為聚氨酯類化學材料。

3)割除頂護盾部分限位塊，回收頂護盾試掘進。

4)超前鉆孔探測不良地質類型及規模。

超前加固及超前鉆探時頻繁出現卡鉆、泥漿裹鉆、頂鉆、鉆孔涌泥等異常情況致使TBM脫困施工未成功，該階段用時25 d。

3.2 第2階段(盾尾高位小導洞、超前管棚)

針對鉆孔中存在的問題，分析主要原因為軟弱巖體內賦存高壓水，結合TBM脫困盾體區域加固及泄水降壓需求，制定了在平導盾尾右側開設高位小導洞+有工作室超前管棚注漿加固的綜合處理方案。高位小導洞(見圖10)的主要功能是降壓、泄水，并為進一步探測TBM前方地質情況提供空間，管棚工作室主要目的是超前加固及后續TBM脫困釋放護盾刀盤。

圖10 第2階段方案平面圖(單位： cm)

高位小導洞底部位于平導坑底面以上約2.9 m，開挖長度為16.3 m，斷面凈空尺寸為1.8 m×2.0 m(寬×高)，坡度為16%，導洞支護為φ8 mm鋼筋網片，HW100型鋼拱架、C25噴射混凝土等。PDZK221+490.5～+485.5拱部增設管棚工作室，管棚工作室開挖高度為2 m，環向范圍為拱部180°，支護方式為HW150型鋼、φ22 mm鎖腳錨桿、φ16 mm鋼筋排、φ42 mm超前小導管、C25噴射混凝土等。管棚洞室施工完成后施作φ76 mm超前管棚并注漿加固。管棚工作室橫斷面示意見圖11。

圖11 管棚工作室橫斷面示意圖(單位： mm)

高位小導洞施工完成后，嘗試多種鉆機進行地質鉆探及泄水，累計鉆孔12個，鉆孔情況如下：

1)YT1孔深31 m，5～16 m鉆進速度較快，推測該段位于不良地質體影響范圍內，圍巖風化程度高，松散破碎，含泥質夾層，且存在裂隙含水層。

2)其中6個探孔(YT2、YT6、YT9、YT10、YT11、YT12)鉆至9～10 m鉆進困難，主要由于泥漿包裹鉆頭鉆桿、泥砂堵塞鉆頭、卡鉆等原因導致無法鉆進。退鉆后YT2、YT9孔有柱狀、流塑狀渣體涌出，其余孔少量出水并伴有泥漿噴出，推測該段位于不良地質體范圍內。

3)YT3孔與平導夾角為16°，孔深13.5 m，鉆孔深度達11 m后卡鉆現象頻繁且鉆頭頻繁被泥狀物堵塞，推測該段圍巖破碎，位于不良地質體范圍內。

4)YT4、YT5鉆孔過程中出現噴涌水(攜帶石塊、泥渣)，出水過程中出水量間斷性增大、衰減，2個孔均在出水約12 h后，鉆孔被渣體堵塞停止出水。YT4最大出水量約200 m3/h、總出水量約300 m3； YT5最大出水量約120 m3/h、總出水量約400 m3。

5)YT7孔打設方位近似與平導平行，孔深40 m，未探測出不良地質。

6)YT8孔與平導夾角為11°，孔深20 m，鉆孔深度達14 m后卡鉆現象頻繁。推測該段圍巖破碎，位于不良地質體范圍內。

本次鉆孔進一步探明了構造帶地質情況，但仍無法穿透該不良地質體，且鉆孔后極易堵孔，難以達到泄水降壓效果，該階段用時31 d。涌水量曲線見圖12。

3.3 第3階段(突水涌泥處治)

在盾尾管棚工作室施工過程中，盾尾左側突發涌水，最大涌水量約1 200 m3/h，涌水攜帶大量泥沙涌出造成TBM部分區域被泥渣覆蓋。在出水穩定后，采用方木支撐、方木垛回填管棚工作室的方式對主梁區域圍巖加固，方木垛有效支撐了圍巖，同時也利于排水，防止二次坍塌造成TBM被埋，該階段用時9 d。

圖12 涌水量曲線圖(2019年)

3.4 第4階段(迂回導坑)

突涌發生后，利用平導隧道進行不良地質處治及TBM脫困安全風險極高，已經無法實施，遂確定平導線路左側增設迂回導坑(見圖13)+高位支洞泄水、加固的綜合處理方案，即在TBM尾部增設迂回導坑繞行至TBM前方，采用鉆爆法處治該不良地質后TBM步進通過。迂回導坑沿平導左側30 m平行設置，迂回導坑中線與平導邊墻相交里程為平導PDZK221+739，與平導線路相交角度為40°； 迂回導坑長594 m，其中,單線段斷面(見圖14)凈空為4.1 m×4.35 m(高×寬)，雙線段斷面凈空為6.25 m×5.2 m(高×寬)。迂回導坑Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用全斷面法開挖，Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖。迂回導坑共計施工594 m，用時214 d。

3.5 第5階段(就地脫困)

平導TBM盾尾涌水量穩定在約200 m3/h后，盾尾初期支護結構穩定、監控量測數據穩定無異常。現場隨即啟動對主梁區域圍巖徑向注漿加固，注漿加固后拆除方木支撐，高位導洞內增設泄水孔超前泄水并探測地質，并進行管棚洞室修復。

正洞、迂回導坑超前平導后，平導盾尾出水量進一步衰減至約30 m3/h,現場鉆探鉆孔內壓力消失。基于現場邊界條件發生變化，涌水量大幅衰減，具備就地脫困條件，經研討后采用超前管棚支護+護盾周邊擴挖方案(見圖15)進行TBM脫困。管棚施作范圍為拱部160°，管棚環向間距為0.3 m，長度按進入基巖2～3 m控制，如未進入基巖，則加固長度為30 m。在超前管棚注漿加固完成后，對刀盤、護盾區域擴挖，擴挖長度為4.75 m(開挖至刀盤前端)，環向擴挖范圍180°，擴挖時向掌子面前方打設注漿孔注化學漿液加固，加固后從拱頂向兩側擴挖，擴挖高度為1.25 m。刀盤、護盾區域擴挖完成后，對刀盤內及周邊積渣進行清理。上述工作完成后試轉刀盤，刀盤恢復轉動，隨即試推進，護盾前移，至此TBM脫困。該階段用時55 d。

圖13 迂回導坑單線段斷面及支護參數示意圖(單位： cm)

圖14 第4階段方案平面圖

圖15 第5階段方案縱斷面示意圖

3.6 第6階段(脫困后掘進)

經過側向泄水及超前加固，該不良地質條件得到了一定改善，掘進過程中地下水弱發育，圍巖整體呈泥沙狀。掘進時應注意： 1)控制掘進參數，低轉速小推力掘進； 2)必要的超前加固，通過刀盤、盾尾對掌子面進行循環超前化學灌漿加固； 3)初期支護加強，加密拱架，及時通過混凝土將初期支護模筑成環，并進行初期支護背后深孔徑向注漿加固，確保整體結構穩定。該段共計用時56 d，掘進長度129 m。

4 構造帶段卡機處治思考及認識

4.1 高黎貢山隧道地質條件的復雜性

本次卡機處盾尾后方揭示圍巖相對較完整，局部破碎掉塊，節理裂隙較發育，屬于常規Ⅴ級圍巖。但受差異風化影響，掌子面圍巖發生突變，形成溜坍、突涌，潰口處涌水穩定至約200 m3/h后雖通過側洞進行了分流，但總水量至今未有明顯衰減，已經揭示較完整段徑向鉆孔孔內噴涌泥漿，孔內壓力極大，無法鉆進且卡鉆后鉆桿射出。以上均反映了該不良地質的極端復雜性。

4.2 復雜地質條件下TBM脫困方案的制定

本次構造帶卡機處治為高黎貢山隧道2臺TBM掘進至今所遭遇處理難度最大、時間最長的一次。整個處治過程歷經數次方案優化調整，調整原因均是由于現場條件發生較大變化，進而對方案進一步優化。方案優化總體目標為確保施工安全、降低處治工程規模、加快處治進度及減少投資。因此，對于類似復雜不良地質，制定處治方案應該是一個不斷調整優化的過程，而非一個方案執行到底。

4.3 關于迂回導坑

4.3.1 迂回導坑設置目的

平導在PDZK221+481處發生突涌后拱部存在高壓涌水，在平導內已不具備脫困施工條件，同時卡機處前方430 m為設計廣林坡斷層。為完成平導脫困及廣林坡處理，在平導TBM尾部設置迂回導坑，主要目的為： 1)探測平導卡機處不良地質情況同時進行超前泄水； 2)通過導坑開設高位支洞對平導進行高位加固、泄水； 3)若TBM無法脫困，迂回至平導內采用鉆爆法處理該段不良地質； 4)通過迂回導坑提前處理廣林坡斷層。

4.3.2 現場情況

迂回導坑高位支洞施工前在盾尾高位小導洞內進行鉆探顯示，拱部仍存在高壓水及突涌松散體，鉆孔后孔內仍出現原有噴涌現象，高位支洞施工再次突涌的風險極大，因此暫未進行高位支洞施工。

4.3.3 迂回導坑的意義

對于本次平導TBM脫困，迂回導坑起到了決定性作用。迂回導坑超前平導通過構造帶后，平導突涌處水量大幅衰減，同時原有孔內噴涌壓力釋放消失，鉆孔可穿透該不良地層進行超前加固，現場具備了就地脫困的條件并且順利實施完成，實現了TBM的脫困。

4.3.4 就地脫困前后2次對比

卡機之初，按照以往脫困經驗，制定了盾尾超前管棚支護+盾體區域擴挖的脫困方案，受制于鉆孔過程中孔內壓力極大未成功實施； 但在迂回導坑及正洞超前平導后，同樣的方案順利脫困，主要原因為側壁導坑泄水降壓效果明顯。

4.3.5 鉆爆法反向脫困方案思考

本次處治第4階段方案中考慮了迂回導坑超前平導后，施作迂回通道至平導前方，采用全斷面帷幕注漿加固改良的方式鉆爆法處理不良地質后，TBM步進通過。該方案仍然存在以下問題：

1)鉆爆施工風險。迂回通道進入平導后，超前加固可能仍然會存在無法鉆孔的問題，若加固不到位，鉆爆開挖極易造成再次突涌。

2)TBM保護問題。TBM側無法實施有效封堵，若在迂回導坑內向TBM掌子面前方注漿加固，漿液勢必將TBM刀盤、盾體固結，極大概率進入主軸承致使其損壞，對TBM將造成災難性后果。

5 結論與建議

通過本次高壓富水軟弱破碎蝕變構造帶現場處治過程總結及分析，可以得出以下結論：

1)對于類似復雜不良地質，敞開式TBM依靠設備本身難以通過，但通過側壁導坑泄水降壓、原位超前加固、盾體區域擴挖脫困等措施后可以通過。

2)軟弱破碎富水地質環境下平行施工的2條隧道，掘進超前的隧道對該區域地下水釋放效果明顯，對后通過隧道施工幫助較大，能有效改善其地質條件。

3)采用TBM順坡排水施工，若是單一圍巖軟弱破碎或地下水富集，并不足以造成較大影響，但圍巖軟弱破碎且富水時，一般情況下TBM難以通過。

對于地質情況復雜多變的隧道工程，建議支護措施務必寧強勿弱，尤其是采用TBM工法，受空間、工裝限制，拱架安裝器、錨桿鉆機、噴漿機械手等支護設備通過后難以實施二次補強，如遇未查明的隱性夾層或不良地質，極易造成后發性地質災害(失穩掉塊、垮塌突涌等)，安全風險高。因此，建議在圍巖揭露初期，除加強地質情況辨識外，需在支護措施方面寧強勿弱、一次到位。

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