敞開式TBM遇不良地質洞段的處理

梁晨曦

(新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

本工程采用敞開式TBM掘進機施工，隧洞全長41.8 km，隧洞埋深>500 m的洞段長度約占70.6%，埋深>1000 m的洞段長度約占38.1%，埋深>2000 m的洞段長度約占7.2%，最大埋深為2268 m，屬深埋長隧洞工程，且本工程具有“四大三高二強一害”(大埋深、大斷層、大變形、大水量、高水壓、高地溫、高地應力、強蝕變、強巖爆和有害氣體)等特殊地質特點，地質條件復雜程度為國內罕見。在進入華里西中期侵入的二長花崗巖(具有不同程度的蝕變及突涌水)洞段時設備入孔處涌出大量泥石混合物，并將設備的1號皮帶壓停，造成 TBM卡機，掘進被迫停止。后期通過施作大管棚依舊未能順利解決掘進問題。后通過管棚施作資料，突涌水量， TBM掘進參數，刀盤入孔出現溜渣，1號皮帶多次壓停等情況分析出前方圍巖破碎程度加劇，巖體可灌性較差，滲水通道分散。

2 處理措施

2.1 總體施工方案

由于本工程洞徑3.25 m，上部空間狹小，須進行管棚工作間擴挖。首先從護盾尾部開始進行管棚工作間擴挖，擴挖完成后將ZM-90鉆機安裝至護盾后方，依次施作排水孔、短裸孔注漿孔、長裸孔注漿孔、管棚，施工完成后對擴挖段進行回填，TBM掘進通過[1]。不良地質洞段施工總體布置詳見圖1。

圖1 不良地質洞段施工總體布置(單位：cm)

2.2 鉆機工作間擴挖

(1)擴挖段加固。擴挖施工前首先對護盾尾部3.5 m(縱向)范圍內的圍巖進行加固，采用L1區錨桿鉆機與YT-28風鉆施作徑向φ25自進式中空注漿錨桿，錨桿長度6.0～7.5 m，入巖1 m，錨桿環向間距1 m，排距1.5 m，梅花形布設，施作范圍為拱頂270°，錨桿最后1 m不設孔，其余錨桿孔間距為0.5 m，錨桿間距可根據現場實際情況進行加密[2]。錨桿采用隔眼鉆孔和間隔注漿，采用HC材料進行灌注，注漿壓力1～3 MPa。護盾后方灌漿施工時安排專人在刀盤內值守，發現險情及時處理并通知人員撤離，漏漿及時封堵、通過調節注漿速率與調節劑摻量減小漏漿，HC注漿配合比為：HC材料∶水∶添加劑=1∶0.30∶0.15，施工中可根據注漿情況適當調整漿液配合比。

(2)擴挖施工。人工配合錨桿鉆機對護盾尾部3.5 m拱頂270°范圍內圍巖進行擴挖，其中拱頂220°擴挖為圓形斷面，開挖半徑為4.156 m，下部為直墻斷面，均噴24 cm混凝土進行支護。

擴挖中對露出的錨桿進行割除，護盾上部 30 cm 范圍內不得殘留錨桿，以免影響后期管棚施工。

擴挖由拱頂向兩側逐榀擴挖，擴挖段及擴挖區后方2 m范圍內主梁上方采用HW150型鋼施作門形臨時支撐。

(3)擴挖段支護。擴挖完成后安裝HW200型鋼拱架，間距≤50 cm，鋼拱架全環采用10#槽鋼進行連接，槽鋼環向間距50 cm，拱頂180°范圍布設φ8的15 cm×15 cm鋼筋網。拱架安裝完成后拱腳采用HW200型鋼進行縱向連接，拱腳施作50 cm×30 cm 的C40納米纖維混凝土基礎。拱架鎖腳采用φ42自進式錨桿連接，布設于時針3點與9點及兩側拱腳位置，錨桿長4.5～9.0 m，每處2根[3]。

系統錨桿布設在隧洞左側7點半至右側3點位置，采用φ25自進式錨桿，長6.0～7.5 m，環向間距1 m，排距1.5 m，梅花形布置。注漿壓力、配比等與擴挖段相同。

支護完成的鋼拱架采用C40納米纖維混凝土封閉?；炷潦┕橹鸺壥┕ぃ凹馨惭b完成后未完成混凝土施工前不得進行下一循環擴挖。盾尾一側擴大洞室端頭在護盾上部噴射30 cm厚混凝土(作為后期鉆孔施工的止漿墻)，與原斷面交接處擴挖一側端頭噴射10 cm厚混凝土，兩側端頭噴射混凝土不得侵占管棚工作間界限。

2.3 管棚鉆機安裝

鉆孔作業時管棚鉆機通過托板及“U”型螺栓固定在前后兩個弧形梁上。移動時鉆機前部脫離前部弧形梁，固定在懸臂梁上面，通過拱架拼裝器旋轉懸臂梁，帶動鉆機旋轉，完成洞室上部240°范圍內鉆孔作業。鉆機尺寸為303.8 cm×49.6 cm×65.4 cm，重量1 t，鉆機安裝如圖2所示。

圖2 懸臂梁示意(單位：cm)

2.3.1 弧形梁

在主梁上焊接加工2段弧形梁，弧形梁使用HW150型鋼加工。鉆機安裝完成后，鉆機距離尾盾處30 cm，為拆裝鉆頭鉆桿預留足夠空間。

2.3.2 鉆機托板

鉆機托板使用2 cm鋼板加工制作，在鉆機托板開孔4個，孔徑φ3 cm，使用M30的U型螺栓安裝固定鉆機。

2.3.3 懸臂梁

管棚鉆機懸臂梁通過法蘭盤螺栓安裝在拱架安裝器上，懸臂梁與鉆機采用螺栓連接，通過旋轉拱架安裝器帶動懸臂梁旋轉，從而帶動鉆機移動。懸臂梁采用HW150型鋼焊接加工，長160 cm，間距85 cm。

2.3.4 管棚鉆機鉆孔作業

(1)鉆機固定鉆孔。①鉆機安裝完成后，調整好鉆機鉆孔位置，使用 U型螺栓將鉆機固定在弧形梁2上。②將懸臂梁與鉆機托板連接螺栓拆除，使鉆機落在弧形梁1上端。③再次調整鉆機，使用U型螺栓將鉆機固定在弧形梁1上。④完成單個位置鉆機鉆孔作業。

(2)鉆機移位。①單個位置鉆機鉆孔作業完成后，將鉆機驅動端移至弧形梁2處。②拆松弧形梁1上鉆機托板與弧形梁連接螺栓，連接懸臂梁與鉆機托板連接螺栓。邊松弧形梁2上鉆機托板與弧形梁連接螺栓，邊緊固懸臂梁與鉆機托板連接螺栓，使鉆機前端抬起。③拆松弧形梁2上鉆機托板與弧形梁連接螺栓，使鉆機脫離弧形梁。④旋轉拱架安裝器帶動懸臂梁旋轉，移動鉆機位置。

(3)循環鉆孔作業。重復步驟(1)和步驟(2)完成鉆孔作業。

2.4 超前排水、加固施工

擴挖施工期間同時采用YT-28風鉆在刀盤內施作φ25自進式中空注漿錨桿與φ32玻璃纖維錨桿對掌子面前方圍巖進行固結，刀盤輪廓內錨桿采用玻璃纖維錨桿，刀盤外輪廓采用自進式中空注漿錨桿，長度不得小于2 m，孔壁開孔(孔距25 cm)，玻璃纖維錨桿孔壁不得開孔，施工完成后采用化學灌漿進行圍巖加固。管棚工作間擴挖完成后，安裝ZM-90管棚鉆機，空壓機放置于TBM設備尾部，通過敷設高壓管路將高壓風輸送至主梁上部，風管與ZM-90管棚鉆機連接，依次施作排水孔、裸孔注漿孔、管棚，各類孔進行分層施工，具體施工如下。

(1)排水孔施工。排水孔布置范圍為拱頂時針9點至14點位置，由于圍巖松散無法成孔，因此采用φ108根管管棚施作，管棚材料為外徑φ108熱處理調質管。排水孔長15 m，環向間距1 m，外傾角16°，管壁開孔間距為25 cm，開孔直徑14 mm，每斷面布設1個孔，排水孔布設半徑為3.758 m，排水孔由左側(面向掌子面)向右側施工。若無法準確的確定水源補給通道，排水孔可根據施工完成后的排水情況適當進行孔位與數量調整。

(2)裸孔注漿孔。排水孔施作完成后采用裸孔灌漿對護盾上部松散體進行固結，裸孔注漿孔采用φ146根管施作1.5 m后，采用φ108直錘鉆頭鉆進，裸孔灌漿孔分為10 m與40 m兩種，裸孔灌漿采用分段掃孔鉆進的方式，分段長度根據鉆進情況與注漿情況確定，裸孔布設半徑為3.531 m，注漿孔由右側(面向掌子面)向左側施工。

首先施作10 m長裸孔，外傾角為10°，布設范圍為拱頂時針9點至14點，環向間距0.5 m。裸孔注漿采用孔口壓入式注漿方式，漿液類型為膏狀特殊注漿材料(GT材料)，注漿壓力為1～6 MPa,注漿配合比根據試驗確定，注漿過程中及時根據現場情況調整注漿配合比，裸孔注漿完成后拆除孔口φ146根管。

10 m長裸孔注漿孔施工完成后施作40 m長裸孔灌漿孔，裸孔外傾角為6°，布設范圍為拱頂240°，環向間距為0.5 m，與10 m長裸孔注漿孔間隔性布置。采用孔口壓入式注漿方式，漿液類型為HC材料，注漿壓力為1～6 MPa，裸孔注漿完成后拆除孔口φ146根管，具體注漿孔位置及孔距可根據情況進行適當調整。

(3)管棚施工。采用YT-28鉆機鉆進1 m，安裝φ146導向管(外傾4°)，環向間距30～40 cm，施工過程中對角度位置進行復核，無誤后采用錨固劑充填巖壁與孔壁間隙。充填物終凝后采用ZM-90管棚鉆機進行管棚施工，管棚布置范圍為頂拱240°，管棚布設半徑為3.323 m，管棚單根長度為40 m，管棚為φ108根管管棚，材料為外徑φ108熱處理調質管，單根長度為30 m，其中頂拱180°環向間距為30 cm，拱底兩側30°環向間距為40 cm，鉆孔過程中發現卡鉆降低推力提高轉速[3]。管棚施工中根據情況選擇適合的位置施作檢查孔與排水孔φ108根管管棚護盾與刀盤上部9 m不設孔，避免后期漿液流入刀盤，超過刀盤段設溢漿孔(每環1孔，間距25 cm，孔徑1 cm)，梅花形布置。管棚施工首先采用φ130直錘鉆頭鉆孔，然后根管送入φ108根管。施工中在φ108管棚內插入一根φ25耐高壓膠管(后期注漿施工中兼做排氣、射漿管)，采用高壓水通過膠管對孔內雜物進行清理，同時對圍巖進行擾動，增大圍巖孔隙率，提高持漿量，待管內無石渣或污水流出時停止注水，采用錨固劑封堵管棚與巖壁間的空隙，封堵長度50 cm。待充填物達到終凝后，連接注漿設備進行管棚注漿，管棚施工采用隔孔施作。

注漿時管棚內設置排氣管(兼做洗孔管、射漿管)，膠管外徑為25 mm，深入管棚內39.5 m，距孔底50 cm。

注漿遵循“先稀后濃、先單液后雙液(HC材料+添加劑)”的原則。材料采用HC材料，孔口壓力0～6 MPa，終壓5 MPa，工藝使用管內大循環，孔口壓入式注漿，利用耐高壓膠管進行洗孔、排氣、射漿[4]。

2.5 擴大洞室回填及TBM掘進

管棚施工完成后進行擴挖段恢復，恢復采用HW200鋼拱架，上半斷面與下斷面鋼拱架焊接完成后采用14#槽鋼進行滿焊加固，每端焊接長度不小于15 cm?；謴偷匿摴凹芘c擴挖的鋼拱架間采用HW200型鋼進行連接，每榀拱架連接不少于五處，梅花形布置。鋼拱架安裝完成后采用C30混凝土回填，完成后TBM掘進通過。

2.6 掘進中圍巖補強

掘進過程中若刀盤前方出現塌方，可利用阿特拉斯1838超前鉆機，通過防塵護盾已切割完成的孔槽(或護盾尾部)隨機施作φ42自進式中空注漿錨桿，錨桿長度根據實際情況確定(最長≤20 m)，錨桿外插角根據空間位置進行調整，最大施作范圍為拱頂150°左右。錨桿施工完成后采用化學材料進行灌注，注漿壓力為3～8 MPa。錨桿注漿完成后割除刀盤范圍內的自進式錨桿，TBM掘進通過，施工中可根據圍巖情況將灌漿漿液調整為HC材料。

施工中護盾上部與刀盤前方出現局部塌腔時，采用化學灌漿進行圍巖加固，護盾上部化學灌漿采用φ25自進式中空注漿錨桿進行灌注；刀盤正面采用φ32自進式中空玻璃纖維錨桿進行灌注，刀盤范圍外根據位置情況局部采用φ25自進式中空注漿錨桿進行灌注，灌注完成后拔除刀盤范圍內的錨桿，錨桿位置、長度根據塌腔情況結合TBM空間進行布設，化學灌漿注漿壓力3～8 MPa。

3 結 語

前期本工程采用的超前小導管及單獨管棚方法因圍巖破碎、水量較大等原因均未能成功渡過，后采用了文章中的方法成功渡過了300余米的不良地質洞段，且通過監測分析，隧洞處于穩定狀態，充分說明了此方法的可行性。深埋長隧洞使用TBM掘進機的項目越來越多，而深埋長隧洞的地質勘察手段有限，有時無法查清洞內全部地質危害，若處理不當會造成極大的人員財產損失，希望通過此文能夠給類似項目提供借鑒。