敞開式TBM穿越孤石堆積體泥質填充型溶洞施工技術研究

徐海峰，王 斌，徐鵬祖，楊延棟，王天一

（1.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001；2.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001；3.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著地下工程的不斷發展，中國已經成為隧道及地下空間工程規模最大、地質條件最復雜、修建速度最快的國家之一，長大隧道TBM 的使用越來越廣泛，已經在地鐵、市政、水電、鐵路等領域得到廣泛應用，但由于結構復雜、巖體破碎程度較大、TBM 長時間卡機、刀盤、刀具損傷等問題，致使TBM 掘進過程中存在異常，輕則影響施工進度，重則發生安全事故。

針對TBM 穿越不良地質施工過程中的問題，眾多學者進行了大量的研究和探索。齊夢學[1]等結合TBM 工程實踐，總結了10 項超前處置技術用于TBM 應對不良地質；楊騰添[2]等在傳統敞開式TBM 的基礎上，引入超前鉆注一體化裝備，建立了配套的TBM 超前加固技術，用于不良地質超前加固；劉琪等[3]采用三維數值模擬的方法，揭示了TBM 穿越斷層破碎帶時的巖機作用關系；朱光軒[4]采用室內模擬實驗的方法，建立了TBM穿越破碎地層刀盤被卡災害判識方法；王亞鋒[5]等針對大瑞鐵路高黎貢山隧道，總結了TBM 穿越富水破碎地層的TBM 施工技術；張兵[6]等結合掌子面前方化學灌漿加固、小導洞開挖及超前管棚等方法，有效降低了TBM 在破碎地層掘進刀盤被卡的風險；齊夢學[7]首次采用選項對比表形式綜述復雜地質TBM 施工關鍵技術，提出解決斷層破碎帶、巖爆、軟巖大變形情況下TBM順利施工問題的關鍵技術；馮歡歡[8]等在總結分析遼西北供水等工程建設過程中出現的隧道局部塌方、TBM 卡機等案例及其影響因素的基礎上，從裝備改造、掘進參數調控、施工過程控制等方面提出了相關的建議；羅武先[9]等總結了引松供水總干線TBM 穿越灰巖巖溶段的具體措施和關鍵技術，結合實際情況對開敞式TBM 穿越灰巖巖溶構造地層的預報、處置等措施給出了建議；胡軍[10]提出了更換刀箱挖提供鋼管片安裝空間、鋼管片支護提高撐靴撐緊力、更換大減速比減速器提高刀盤脫困扭矩、優化護盾結構滿足護盾超前鉆孔支護等設備改造技術，有效解決了軟弱圍巖卡機問題；趙海雷[11]等依托于吉林引松供水四標，通過對灰巖隧洞段的特殊地質條件進行分析，提出了開敞式TBM 的針對性設計和克服不良地質風險的施工技術；孫振川[12]等依托于引松供水四標段，結合工程實踐，提出TBM 超前地質預報、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯合及時支護等一系列確保TBM 連續施工的方案與措施。但對于其他工程的適用性有待進一步驗證。對于孤石堆積體泥質填充型溶洞的TBM施工技術目前鮮有報道，本文以滇中引水香爐山隧洞為依托開發針對性施工技術，對于TBM 安全穿越孤石堆積體泥質填充型溶洞意義重大。

1 工程概況及重難點

滇中引水工程是國家2020 年前開工建設的172 項重大水利工程10 大標志性工程之首，滇中引水工程以解決滇中地區的城鎮生活及工業用水為主，兼顧農業和生態。

滇中引水工程大理Ⅰ段施工3 標位于大理州鶴慶縣松桂鎮境內，線路長約26.542km（TBM 掘進總長度為20.802km，鉆爆段為4.845km，雙孔U 型渡槽595m)，標段工程平面布置如圖1 所示，TBM 掘進段隧洞開挖直徑?9.83m，設計縱坡1／1 800，工程地質和水文地質條件復雜。

圖1 標段工程平面布置圖

2 孤石填充溶洞段TBM施工問題分析

2020 年11 月18 日，TBM 掘進至X7K1+806位置時，TBM 皮帶機出渣過程中出現泥夾小塊孤石和片石，如圖2 所示。后續TBM 采用低轉速、低扭矩參數持續掘進6.5m，皮帶機出渣變為大塊石夾溶蝕渣體，且溶蝕渣體不斷增多，出渣量持續增加為TBM 正常掘進時出渣量的5～6 倍，輸送皮帶多次被壓死，且多處砸傷、劃傷。掘進過程中扭矩和推力一直居高不下（推力20 000～25 000kN，扭矩10 000～15 000kNm），因扭矩過大造成電機多次出現切斷現象。

圖2 刮渣口及輸送帶渣體照片

3 孤石堆積體泥質填充型溶洞施工技術

孤石堆積體泥質填充型溶洞處理措施，主要通過超前鉆探和物探進行對掌子面圍巖進行研判，通過超前對掌子面超前加固，確保前方圍巖穩定，破碎圍巖揭露后加強支護，并且對其及時封閉，使拱部松散體及塌腔進行注漿加固和分層回填，確保施工安全。敞開式TBM 掘進過孤石堆積體泥質填充型溶洞施工流程如圖3 所示。

圖3 TBM過孤石堆積體泥質填充型溶洞施工工藝流程圖

3.1 超前地質預報與超前注漿加固

3.1.1 超前地質預報

采用地質調查、鉆探法和物探法（三維地震波法、激發極化法）探明隧洞前方地質情況。通過現場踏勘，對地形、地貌以及圍巖情況進行分析；通過鉆探和三維地震波法對掌子面前方圍巖情況進行研判；通過激發極化法對前方地下水情況研判。

3.1.2 超前注漿加固

1）掌子面超前玻璃纖維注漿加固 通過TBM 刀盤刀孔、刮渣口采用YT-28 手持鉆機向掌子面前方施作4m 和6m 長度的?32mm 玻璃纖維錨桿，淺孔灌注化學漿形成2～3m 止漿墻。深孔灌注雙液漿對孤石堆積體進行加固。每4m 一個循環管棚施工（搭接1m）。

2）拱部120°超前管棚注漿加固 在頂護盾尾部120°范圍施作長30m、?76mm 的中管棚，孔間距1.0m，灌注化學漿液對護盾頂部破碎巖體進行加固。每20m 循環管棚施工（搭接10m）。

3）隧底超前管橋注漿加固 采用潛孔鉆機自TBM 底護盾后方90°范圍施作長8m 的?108mm管橋，孔間距1.0m，采用1：1～1：0.5水泥漿，超前加固隧底圍巖。每4m 一個循環管棚施工（搭接4m）。注漿壓力不小于0.3MPa，當注漿壓力達到1.0MPa 或有回漿和滲漿時，停止注漿，防止漿液流入刀倉內固結刀盤。

3.2 TBM掘進參數與姿態控制

3.2.1 掘進參數控制

防止TBM 被孤石卡死和損傷，TBM 過孤石堆積體泥質填充型溶洞時，采用“低轉速、低推力、低扭矩”緩慢掘進。溶洞加固前后TBM 掘進參數如表1 所示。

表1 注漿加固前后TBM掘進參數對比表

3.2.2 掘進姿態控制

因孤石堆積體泥質填充型溶洞為全斷面貫穿性，TBM 掘進過程中姿態控制難度較大，為防止“栽頭”，TBM 在孤石堆積體泥質填充型溶洞段需保持“抬頭”姿態掘進，水平趨勢保持在3.5～5.5mm／m，垂直偏差保持+100mm，并通過勤換步來及時調整TBM 姿態。

3.3 加強初期支護與徑向注漿加固

3.3.1 加強初期支護

1）溶腔段出露護盾后在設計最強錨噴支護類型初期支護的基礎上進行加強，鋼支撐間距為0.3m，鋼支撐背側密布?16mm 鋼筋排?？v向采用I20 半剖型鋼加強縱向連接，增加拱架強度。

2）對護盾尾部揭露的破碎圍巖立即采用應急噴射混凝土設備對邊頂拱270°范圍噴射C25 聚丙烯粗纖維混凝土進行封閉，確保圍巖穩定安全。

3）隧底90°范圍采用C25 干硬性混凝土進行封閉。

3.3.2 徑向注漿加固

1）自頂護盾后方拱部120°范圍內打設?42小導管，深度3m，間、排距1.0m，先噴射厚50cmC25 聚丙烯粗纖維，后灌注1：1～1：0.5水泥凈漿，厚3m，對拱部松散體進行固結。

2）兩側撐靴范圍打設?42 注漿導管，間、排距1.0m，長度3.0m，梅花形布置，先噴厚0.5mC25 聚丙烯粗纖維混凝土，再注雙液漿對塌腔范圍松散巖體進行加固，厚度不小于3m，如圖4 所示。

圖4 撐靴范圍徑向注漿孔布置示意圖

3.4 拱頂塌腔回填

拱部120°范圍埋設?108mm 注漿管，每個斷面埋設3 個預埋管，排距3.0m，預埋管長度根據出露塌腔深度隨機確定，預埋回填管不大于6m，塌腔內回填C20 混凝土，厚度不小于3m，如圖5 所示。根據溶洞發育情況從頂拱處預設?108mm 無縫鋼管順溶洞發育走向至隧洞底部作為排水通道，間排距2.0m，管口采用鋼筋網封閉防止松渣堵塞管口，對應隧洞底部回填區采用鉆機造孔，保證排水流暢。

圖5 拱部回填C20混凝土示意圖

4 結論與討論

1）針對香爐山隧洞TBM 掌子面孤石堆積體泥質充填型溶洞的問題，提出護盾頂部、刀盤前方以及隧底管橋進行超前注漿加固，避免孤石對刀盤的損傷、卡機以及TBM 載頭的風險。

2）針對香爐山隧洞TBM 超量出渣造成輸送帶多次出現抱死的問題，提出對刮渣口格柵采用鋼板進行封堵，縮小刮渣口的口徑，減少出渣量，提高出渣效率，降低渣體對輸送帶的損壞。

3）針對揭露破碎圍巖、大塌腔及撐靴范圍破碎巖體不能滿足撐靴壓力的問題，提出采用TBM自帶應急噴漿設備及時對巖面進行噴漿封閉，對塌腔進行分層進行回填，對撐靴范圍破碎巖體進行注漿加固，確保揭露圍巖穩定、施工環境安全。此方法操作簡單，混凝土起強較快，使TBM在破碎圍巖不良地質段穩定、安全、快速通過。

4）上述方法的實施對TBM 施工應對香爐山隧洞孤石堆積體泥質充填型溶洞起到了重要作用，避免了TBM 長時間卡機，提高了TBM 在不良地質段施工效率。