某TBM引水隧洞塌方段控制技術研究

陳 誠

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

塌方是地下工程施工過程中由不良地質導致的最為常見的工程災害，經常造成工期延誤、設備損壞，施工費用增加，嚴重時甚至導致人員傷亡[1]。如京珠高速靠椅山隧道發生塌方，塌方量達20000m3，形成188m的塌體，導致隧道被迫停工[2]。因此，建立一套高效便捷的TBM塌方段控制技術對保證隧道穩定有序施工具有重要意義。

中外學者對隧道塌方段控制技術進行了許多研究。陳秋南等[3]對比分析了超前小導管和長大管棚處理方案的優缺點，采用超前小導管預注漿輔以工字鋼處理塌方區。王正哲和趙云[4]分析了某水電站泄洪隧洞的塌方原因與教訓，指出支護措施是巖體穩定性的最后一道屏障。黃友富[5]針對金盆水庫溢洪洞塌方，總結出一套應對"倒漏斗"形塌方的襯砌成洞施工方法。丁傳全[6]針對敞開式TBM穿越軟弱圍巖大塌方，提出松散巖體初步加固，強化初期支護體系，建立噴射混凝土作業平臺，建立刀盤覆蓋層，塌方空腔回填的完整綜合處理措施。呂斌[7]根據XSDY二期工程TBM隧洞施工實例，論述了TBM通過塌方段的施工方案。受限于TBM結構，一旦不能及時進行拱架支護，待塌方區完全揭露后，再進行拱架支護，塌方區穩定性勢必受到嚴重影響，因此，準確預測隧道塌方風險進而進行提前拱架支護，對于保證隧洞塌方段穩定性有重要意義。

本文依托新疆某引水隧洞，該隧洞通過某不良地質段時，發生塌方。根據現場通過塌方段的施工過程，總結TBM隧洞通過塌方段的控制技術，為相同或相近條件下的施工提供依據。

1 工程概況

1.1 工程背景

新疆某引水工程全長540km，這里主要介紹其中一個標段。該標段主洞長度41.0km，采用2臺TBM施工(TBM9、TBM10)[8]。TBM10掘進洞段為主洞段樁號225+518—245+153，長度19.635km，開挖洞徑7.0m。洞段埋深為632～740m。根據地面地質測繪及沿線鉆孔資料分析，該洞段通過的地層巖性主要為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖。該段發育1條次級斷層(f71- 1)，斷裂產狀306°SW∠70°，斷層走向與洞線方向夾角44°，破碎帶寬度30m，斷層帶內以碎裂巖為主，巖體穩定性差，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖；據鉆孔揭露，該段發育數條小斷層，寬度一般0.6～5.5m，帶內以糜棱巖、碎裂巖為主，其規模小。

總體來說，該洞段圍巖整體穩定性好，以Ⅱ類圍巖為主，斷層帶及影響帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅱ類圍巖長16.373km，占該段總長的89.17%；Ⅳ類圍巖長1.941km，占該段總長的10.57%；Ⅴ類圍巖長0.048km，占該段總長0.26%。

1.2 現場塌方情況

隧道開挖過程中，KS228+940—K228+992段發生多次結構型塌方，以KS228+949—950為例，如圖1(a)所示，左側位置發生結構型塌方，最大可見塌腔深度為0.34m，塌腔處發育一條結構面，結構面老舊，產狀為300°∠40°，結構面控制塌腔邊界，塌腔附近出現滲水，呈淋浴狀，巖體完整性較差。該段區域破壞分布情況如圖1(b)所示，由圖可知，此60m范圍內發生多次塌方及掉塊。

圖1 K228+940—K228+992圍巖破壞情況

2 塌方段控制技術

2.1 超前地質預報技術

受限于TBM結構限制，往往難以直接觀察隧道掌子面圍巖地質情況。在此情況下，開展超前地質預報有助于獲得掌子面前方大致地質情況，一定程度上預測圍巖塌方風險。綜合超前地質預報技術即采用宏觀地質分析法、TSP地震波法、電磁波法及超前鉆探等方法進行綜合超前預報，多角度、多參數地對掌子面前方地質情況進行預報[9]。

地震波是利用地震波遇到波阻抗差異界面時，一部分信號被反射，一部分信號透射進入前方的區別，而波阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面。如此，可以利用反射波的特征了解隧洞工作面前方地質體的性質。

山東大學2021年1月20日對KS228+954—KS229+054進行了地震波法探測，獲得結果如圖2所示。由圖2可知：

(1)KS228+954—KS228+984段落： 在反射圖像上出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較破碎，節理裂隙發育，易發生掉塊和塌腔。

(2) KS228+984—KS229+034 段落： 在反射圖像上出現較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較前一段有變好的趨勢，圍巖完整性差，節理裂隙較發育，局部易發生掉塊，可能發生塌方。

(3) KS229+034—KS229+054 段落： 在反射圖像上未出現較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較前一段有變好的趨勢，圍巖較完整，局部節理裂隙較發育。

圖2 地震波法探測結果

2.2 基于FPI的圍巖塌方風險評估

TBM與鉆爆法所不同的是，TBM法開挖后采用護盾對圍巖進行臨時支護，圍巖出護盾后才需要進行系統支護。TBM護盾長度一般為5.6m，分析此5.6m范圍的TBM掘進參數，評估圍巖條件是否有塌方風險，由此可以確定圍巖出護盾后所需的支護措施及參數。

研究表明，巖體完整性或節理裂隙對一定推進力條件下的TBM貫入度和掘進速度有很大影響，一般情況下，巖體越完整，為獲得較大貫入度，TBM操作司機會選擇較大推力[10]。同樣，在推進力一定的情況下，巖體越完整，貫入度越低。所以，可以采用推進力與貫入度的比值(貫入度指數，FPI)來反映圍巖完整性或節理裂隙發育程度。而圍巖完整性越差，節理裂隙越發育，塌方風險越高。因此，采用FPI可以評估圍巖塌方風險。

采用FPI評估圍巖塌方風險，是對超前地質預報的補充。FPI與隧道樁號一一對應，可以獲得較為精確的塌方風險段樁號，由此提前及時進行支護，即解決了塌腔揭露后進行支護的支護體不穩定問題，又不會由于過早支護導致的不經濟問題。

隧道K228+760—228+850段貫入度指數與隧道圍巖破壞分布的對應關系如圖3所示。由圖3可知，隧道塌方及掉塊破壞普遍分布于FPI較低的段落，如K228+792發生塌方破壞，其貫入度指數低至2103，K228+810—840連續發生多次塌方及掉塊，相對應的，該段貫入度指數普遍較低。K228+845—850段無破壞，該段貫入度指數普遍大于4000。由此可確定該隧道TBM貫入度指數與巖體破壞及結構面分布的關系：當FPI<2500時，圍巖易發生塌方；當2500≤FPI<4000時，圍巖易發生掉塊；FPI≥4000時，圍巖基本不發生塌方或掉塊。

圖3 貫入度指數FPI與圍巖破壞的關系

根據上述分析，可以采用貫入度指數對圍巖破壞進行預測。K228+940—K229+060段FPI的監測結果如圖4所示。由圖4可知，K228+940后，FPI急劇下降，至228+985，FPI開始上升。在228+993—996，FPI出現短暫下降。229+015段，FPI再次出現下降，并始終保持低位。根據上述分析可知，K228+940—985段有塌方風險，228+985—993，228+996—015段無塌方風險，228+993—996段易于掉塊，228+015—055段有塌方風險。該預測結果與圖1(b)結果照應，且與地震波法探測結果大致相同，但結果顯然更為精確，可作為隧道支護的重要依據。

2.3 拱架+鋼筋排超前支護

基于隧道開挖過程中FPI評估獲得準確的塌方段起始樁號后，采用拱架+鋼筋排進行支護。需要注意的是，為保證支護體穩定性，第一排拱架需超前塌腔0.5m。拱架間距為1～1.2m，拱架間鋪設鋼筋排，鋼筋排間距根據塌落塊體破碎程度確定。

施工過程中，每個施工班監測貫入度指數，至K229+012發現貫入度指數趨于下降，至K229+015貫入度指數低于2500。于是，預測K229+015有塌方風險。待K229+014.5出護盾，開始立拱架支護，以保證隧道圍巖穩定性。K229+015—055段支護圖如圖5所示。

圖5 塌方段拱架+鋼筋排支護

需要注意的是，拱架+鋼筋排的支護方式是一種被動支護方式，并不能抑制塌方的發生，但該方式在保證圍巖穩定性的同時，可以保證TBM穩定有序通過塌方段，使其施工速率不致過低。統計TBM通過K228+940—229+060段施工速率可知，在塌方頻發的情況下，仍能達到平均每日12.5m的掘進速率，最大掘進速率22m。

2.4 注漿+噴混封閉圍巖

鋼拱架支護后，在拱架內側焊接鋼板，對120°以下塌腔區域灌注C30混凝土，以保證撐靴的順利通過。塌方段達到噴混平臺后，還要對其頂部的塌腔進行注漿，以保證圍巖的密實。然后對表層噴射5cm的C30混凝土，及時封閉圍巖。

3 結語

針對某TBM隧道通過不良地質段出現的塌方問題，采用超前地質預報獲取掌子面前方大致地質情況，然后采用貫入度指數評估塌方風險，獲得精確的塌方段起始樁號。貫入度指數與圍巖破壞有著較好的對應，遵循以下關系：當FPI<2500時，圍巖易發生塌方；當2500≤FPI<4000時，圍巖易發生掉塊；FPI≥4000時，圍巖基本不發生塌方或掉塊。采用貫入度指數獲得塌方風險區域后，采用拱架+鋼筋排超前半米進行支護，保證圍巖穩定性。最后采用C30混凝土進行注漿+噴混封閉圍巖。應用效果表明，綜合使用超前地質預報及貫入度指數可以準確評估隧道塌方風險，為隧道支護措施及參數的設計提供依據。采用剛拱架+鋼筋排+噴混的支護措施在保證隧道圍巖穩定性的同時，使得TBM快速穩定通過塌方段。