隧洞TBM施工穿越斷層破碎帶拱架變形處置及施工方案設(shè)計(jì)

韓強(qiáng)

（新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某輸水工程由5 條輸水隧洞組成，隧洞全長(zhǎng)140.771km。隧洞施工以5 臺(tái)TBM 設(shè)備開(kāi)挖施工為主，開(kāi)挖洞徑7.8m，縱坡為1/2310～1/3000。其中1#隧洞段長(zhǎng)72.89km，該段總體走向由西北向東南，地貌為低山丘陵。隧址區(qū)地勢(shì)西、南低，東、北高，海拔730m～1400m 不等，隧洞最大埋深為 668m。地形起伏大，隧洞沿線沖溝較發(fā)育。目前有TBM1、TBM2、TBM3 三臺(tái)設(shè)備開(kāi)挖掘進(jìn)施工。TBM 施工洞段圍巖巖性為奧陶系斜長(zhǎng)黑云母石英片巖，層面起伏粗糙，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石中石英含量一般50～60%，巖石中硬，完整性較差。該區(qū)域發(fā)育不同規(guī)模的斷裂構(gòu)造，對(duì)洞室穩(wěn)定有一定影響，洞內(nèi)地下水以基巖裂隙水為主。

TBM3-1 設(shè)備掘進(jìn)至49+680 附近，揭露F17 斷層，進(jìn)入斷層影響帶，隧洞埋深約397m。TBM3-1 施工至49+769 處，掌子面遇到拱頂塌方，拱頂150°范圍節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎嚴(yán)重，完整性差，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，TBM 護(hù)盾后方和49+730～49+758 段兩處拱架發(fā)生變形，施工停滯，拱架大變形照片如圖1所示。

圖1 隧洞拱頂塌方破碎圍巖

隧洞現(xiàn)場(chǎng)在樁號(hào)49+730～49+758 段拱架變形段設(shè)置3 組變形觀測(cè)點(diǎn)，采用全站儀進(jìn)行觀測(cè)收集沉降數(shù)據(jù)，每2 個(gè)小時(shí)觀測(cè)一次，并記錄沉降數(shù)據(jù)，觀測(cè)結(jié)果表明樁號(hào)49+732.9 處最大沉降值為51.9mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況如圖2所示。

圖2 拱架變形監(jiān)測(cè)曲線

2 拱架變形原因分析及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1 拱架變形原因分析

發(fā)生拱架大變形洞段隧洞圍巖巖性為華力西期變質(zhì)花崗巖斷層蝕變巖，顏色呈淺黃色，碎塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，局部巖塊及裂隙面呈糜棱巖化和高嶺土化，巖石局部酥軟，強(qiáng)度低。該段（49+730～49+758）巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，主要發(fā)育三組節(jié)理，產(chǎn)狀：①5°SE∠15°～25°②325°～330°NE∠55°～60°③52°～55°NW ∠60°。受三組節(jié)理裂隙相互切割的影響，拱頂150°范圍巖體破碎嚴(yán)重，完整性差，圍巖無(wú)自穩(wěn)能力，局部形成塌腔體。根據(jù)施做錨桿時(shí)初步探明破碎層層厚3.5m～4m，為抑制拱架變形施工方采用了化灌處理，仍無(wú)法抑制拱架后期變形。綜合分析，造成拱架變形原因主要為圍巖破碎，產(chǎn)生塌方，且塌方量巨大，超過(guò)了拱架的極限承載力，造成拱架變形。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為進(jìn)一步查明該段落地質(zhì)情況，開(kāi)展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用地震波法進(jìn)行超前探構(gòu)造，采用電法進(jìn)行超前探水。三維地震探測(cè)主要利用介質(zhì)波阻抗的差異來(lái)探測(cè)前方的不良地質(zhì)。地震波反射成像圖如圖3所示，預(yù)報(bào)結(jié)果如下：49+769～49+829 段落：地震波成像圖上正負(fù)反射明顯，預(yù)測(cè)該段落隧洞圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，塌腔出現(xiàn)概率高；

圖3 隧洞地震波成像圖

電法勘探的原理是隧洞圍巖與含水地質(zhì)構(gòu)造的電性參數(shù)差異明顯。現(xiàn)場(chǎng)激發(fā)極化法探測(cè)結(jié)果如圖4所示，預(yù)報(bào)結(jié)論如下：49+769～49+799 段落：激發(fā)極化三維電阻率成像反映圍巖電阻率值較低，預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)線狀流水概率較高，局部可能出現(xiàn)小股狀流水。

圖4 激發(fā)極化法三維成像圖

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，掌子面前方60 米范圍內(nèi)為斷層破碎帶及其影響帶的范圍，且發(fā)育地下水。

3 拱架變形及圍巖處置加固方案

引水隧洞掌子面49+769 處位于F17 斷層影響帶，隧洞巖體較破碎～破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，設(shè)計(jì)確認(rèn)后變更為V 類(lèi)圍巖。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，及確保TBM 后續(xù)的安全掘進(jìn)，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、咨詢及施工單位共同討論研究后，采用先對(duì)拱架變形區(qū)進(jìn)行加固，再加固護(hù)盾上方圍巖，最后采用合理調(diào)整開(kāi)挖及支護(hù)參數(shù)的方法通過(guò)該斷層破碎帶。施工工序流程如圖5所示。

圖5 施工工序流程圖

3.1 拱架變形段施工方案

拱架變形區(qū)域采用先噴射混凝土形成止?jié){墻，然后再采取加密自進(jìn)式錨桿并固結(jié)灌漿等措施加固拱架，待圍巖穩(wěn)定后實(shí)施換拱。具體步驟如下：

（1）噴射混凝土形成止?jié){墻。噴射15cm 厚C30混凝土，采用分段、分片、分層工序依次進(jìn)行，先將超挖區(qū)域噴填平整，然后按照從下到上的順序分層、往復(fù)噴射。

（2）自進(jìn)式錨桿加固。布設(shè)自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)度6m，直徑25mm，相鄰錨桿間距1m，呈梅花型。自進(jìn)式錨桿采用手風(fēng)鉆或小型地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，利用鉆機(jī)安裝連接套與自進(jìn)式錨桿連接，錨桿鉆孔完成后與鉆機(jī)脫離，砂漿采用砂漿攪拌機(jī)拌和，灌漿泵注漿。施工過(guò)程中可根據(jù)圍巖松散層厚度適當(dāng)增加錨桿長(zhǎng)度。現(xiàn)場(chǎng)錨桿布設(shè)如圖6所示。

圖6 錨桿布置圖

（3）固結(jié)灌漿。利用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行固結(jié)灌漿，漿液采用化學(xué)灌漿。化學(xué)灌漿材料采用A 料、B 料及加固料組成。現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)漿液試驗(yàn)、灌漿試驗(yàn)，確定最優(yōu)的灌漿參數(shù)，包括布孔形式、孔深、孔序、間排距、灌漿壓力、灌漿段長(zhǎng)、注漿率等。施工時(shí)采用灌漿機(jī)進(jìn)行灌漿，灌漿壓力取1～3MPa，在設(shè)計(jì)壓力下，當(dāng)注入率不大于0.4L/min，繼續(xù)灌注20min，或不大于1.0L/min，繼續(xù)灌注30min。灌漿完成后首先關(guān)閉孔口閘閥，然后關(guān)閉注漿泵，等漿液終凝完畢，最后拆除孔口閘閥。

（4）拱架替換。固結(jié)灌漿施做完成，待圍巖變形觀測(cè)穩(wěn)定后，加裝豎向支撐，更換侵入開(kāi)挖輪廓線的部分鋼拱架。替換拱架原則為：1）影響TBM 正常通過(guò)的拱架，將影響部位拆除替換；2）拱架扭曲變形量較大，無(wú)法起到應(yīng)有的支撐作用，拆除替換；3）侵占二次襯砌空間的拱架，在襯砌施工前進(jìn)行替換。考慮施工安全，為防止拆除拱架時(shí)上方圍巖發(fā)生坍塌，拱架替換時(shí)先在拱架變形部位兩側(cè)施做φ25 鎖定錨桿，長(zhǎng)度3.5m，每側(cè)2 根，錨桿與拱架焊接牢固，然后割除變形拱架段，替換為合格拱架，替換拱架兩段施做3.5m 長(zhǎng)φ25 鎖定錨桿鎖定，拱架替換過(guò)程如圖7所示。

圖7 拱架替換流程圖

拱架替換完成后，進(jìn)行局部澆筑混凝土封閉巖面。底板采用封模澆筑混凝土的方法，拱架內(nèi)側(cè)焊接3mm鋼板，將TBM 泵送管延伸至預(yù)留注漿口位置，澆筑C30 細(xì)石混凝土。

3.2 護(hù)盾上方圍巖加固方案

護(hù)盾與刀盤(pán)上部圍巖受斷層破碎帶影響，自穩(wěn)能力差，已產(chǎn)生部分塌方，加固方案為：先采用Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿長(zhǎng)度6m，錨桿布設(shè)范圍為拱部240°，錨桿外傾角9°～15°，錨桿桿身按照25cm 間距布設(shè)溢漿孔，孔徑6mm～8mm。錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿材料進(jìn)行灌漿，注漿壓力0.5～3Mpa，具體壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。采用YT-28 手持風(fēng)槍鉆進(jìn)錨桿，鉆進(jìn)過(guò)程中持續(xù)噴水，并將鉆孔內(nèi)巖渣及時(shí)清理干凈，防止卡鉆。護(hù)盾上方超前灌漿示意圖如圖8所示。

圖8 超前灌漿剖面圖

3.3 TBM 掘進(jìn)方案

待變形區(qū)與護(hù)盾上方圍巖固結(jié)完成后開(kāi)始TBM 掘進(jìn)。受斷層破碎帶影響初期支護(hù)按Ⅴ類(lèi)圍巖進(jìn)行支護(hù)，拱架采用HW150 型鋼拱架，拱架間距為45cm，拱頂180°范圍內(nèi)鋪設(shè)φ20 鋼筋排，錨桿采用自進(jìn)式錨桿，長(zhǎng)度6m。采用應(yīng)急噴混設(shè)備，超前噴射C30 混凝土，厚20cm，及時(shí)封閉圍巖。每掘進(jìn)50cm 立即按上述處理方案及時(shí)支護(hù)，開(kāi)挖支護(hù)完成后及時(shí)超前注漿，固結(jié)圍巖。

4 結(jié)論

本文以新疆某引水工程為研究背景，分析了TBM穿越斷層破碎帶時(shí)，拱架發(fā)生大變形的原因，并提出了拱架大變形的處置方案和TBM 穿越斷層破碎帶的施工措施，得到如下結(jié)論：

（1）TBM 穿越斷層破碎帶，因不良地質(zhì)導(dǎo)致的塌方、卡機(jī)災(zāi)害，可先采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法確定掌子面前方不良地質(zhì)的規(guī)模，再制定相應(yīng)的TBM 脫困和施工處置方案。

（2）隧洞拱架變形的處置方案可采用先噴射混凝土形成止?jié){墻，再采取加密自進(jìn)式錨桿并固結(jié)灌漿等措施加固拱架，最后待圍巖穩(wěn)定后再實(shí)施換拱，該施工方案可為類(lèi)似工程提供借鑒意義。