敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)過(guò)節(jié)理密集帶施工技術(shù)

鄧青力

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道及地下工程施工技術(shù)也日新月異，特長(zhǎng)隧道采用TBM施工也越來(lái)越普遍。長(zhǎng)大隧道往往難以避免要通過(guò)圍巖破碎帶或軟弱圍巖段，而TBM受制于自身設(shè)計(jì)，不適宜在這種圍巖段內(nèi)施工［1］。為此，TBM掘進(jìn)必須克服因軟弱破碎圍巖帶來(lái)的掌子面圍巖坍塌、圍巖松動(dòng)變形卡死刀盤或擠壓拱架、侵入二次襯砌凈空等問(wèn)題。在以往已采用敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)施工的磨溝嶺、桃花鋪隧道中，提出或采用了TBM超前鉆機(jī)施作鉆孔，進(jìn)行超前小導(dǎo)管(管棚)注漿加固圍巖等方式確保TBM通過(guò)軟弱破碎帶［2－3］。但由于TBM超前鉆機(jī)鉆孔及注漿效率太低，并且存在漏漿卡刀盤等問(wèn)題，因而不易全面推廣采用。隨著新材料的研發(fā)及推廣應(yīng)用，圍巖注漿加固材料也在不斷增加，其中有機(jī)化學(xué)注漿材料已成功地應(yīng)用于煤礦、水利等工程中［4－6］。目前正在施工的中天山隧道，通過(guò)多種圍巖地質(zhì)段，其中花崗巖地質(zhì)段內(nèi)包含多條節(jié)理密集帶，其圍巖破碎，易坍塌，TBM掘進(jìn)必須提前對(duì)其進(jìn)行加固處理，否則極易出現(xiàn)圍巖坍塌、掩埋刀盤，造成TBM無(wú)法掘進(jìn)，施工進(jìn)度就此擱淺的后果。針對(duì)以節(jié)理密集帶為主的軟弱破碎帶，借助化學(xué)注漿材料的優(yōu)越性能，在刀盤內(nèi)施作超前自進(jìn)式錨桿，注新型聚氨酯化學(xué)漿液，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易注漿、快速固結(jié)圍巖、TBM隨即掘進(jìn)的施工模式，有效地防止了圍巖坍塌，提高了TBM利用率;而后隨TBM掘進(jìn)，圍巖出護(hù)盾后，再進(jìn)一步對(duì)破碎段圍巖進(jìn)行徑向注漿加固，有效地控制圍巖收斂變形，確保TBM安全、高效地通過(guò)花崗巖節(jié)理密集帶。

1 概況

1.1 工程概況

中天山特長(zhǎng)隧道為南疆線吐庫(kù)段增建二線鐵路第二標(biāo)段(SK2)重點(diǎn)工程，位于吐魯番地區(qū)的托克遜縣與巴音郭楞蒙古自治洲境內(nèi)——托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)，長(zhǎng)22.467km，為全線控制性工程。隧道穿越地區(qū)總體地勢(shì)中部高，北東和南西低，海拔1 100～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m，地形切割較為劇烈，溝壑縱橫，植被稀疏，相對(duì)高差800～1 200 m;隧道最大埋深超過(guò)1 700m，設(shè)計(jì)坡度為11‰的上坡。中天山隧道進(jìn)口采用從德國(guó)Wirth公司引進(jìn)的φ8.8 m開(kāi)敞式880E型TBM施工，計(jì)劃掘進(jìn)長(zhǎng)度為13 792 m。

中天山隧道通過(guò)的地層巖性主要為泥盆系礫巖夾砂巖、泥盆系片巖夾大理巖、志留系變質(zhì)砂巖夾片巖、志留系角斑巖、中元古界片巖夾大理巖、中元古界混合巖夾片麻巖、華里西期花崗巖、加里東期閃長(zhǎng)巖等。

1.2 施工情況

原設(shè)計(jì)隧道縱斷面圖顯示在隧道穿越的華里西期花崗巖地質(zhì)段有3條節(jié)理密集帶，而TBM實(shí)際掘進(jìn)出的地質(zhì)展示圖顯示有4條共計(jì)長(zhǎng)達(dá)600多m的節(jié)理密集帶及其影響帶。巖體受構(gòu)造影響強(qiáng)烈、風(fēng)化嚴(yán)重，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育—很發(fā)育，多呈寬張，部分微張，節(jié)理面呈灰白色及灰綠色，有高嶺土、綠泥石填充物，其上分布有擦痕，巖體破碎，呈碎石角礫狀及塊石狀結(jié)構(gòu)，大小混雜，拱部裂隙水呈線狀滲流，現(xiàn)場(chǎng)圍巖如圖1所示。整個(gè)花崗巖節(jié)理密集帶段隧道埋深均大于1 500 m，有高－極高地應(yīng)力分布，TBM掘進(jìn)中極易出現(xiàn)坍塌，為Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖。

圖1 花崗巖節(jié)理密集帶段圍巖Fig.1 Granite rock mass with densely developed joints

前期剛進(jìn)入第1段節(jié)理密集帶時(shí)，由于未及時(shí)采取相應(yīng)的加固措施，掌子面出現(xiàn)坍塌，現(xiàn)場(chǎng)處理近2個(gè)月。按照相應(yīng)的圍巖級(jí)別進(jìn)行支護(hù)后，圍巖出現(xiàn)較大變形，最大變形量達(dá)35cm，支撐鋼拱架出現(xiàn)扭曲變形，嚴(yán)重影響TBM的掘進(jìn)。

2 施工對(duì)策及方案設(shè)計(jì)

由于施工工期緊，且TBM配套的超前鉆機(jī)需重新維修安裝，耗時(shí)較多;而刀盤前掌子面無(wú)法施作止?jié){墻，水泥漿由于凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)會(huì)通過(guò)貫通面裂隙進(jìn)入碴倉(cāng)凝固，導(dǎo)致刀盤、護(hù)盾被卡死。為確保TBM掘進(jìn)順利通過(guò)節(jié)理密集帶，經(jīng)過(guò)方案比較，決定在刀盤內(nèi)施作超前自進(jìn)式錨桿，注漿材料采用新型聚氨酯化學(xué)漿液，圍巖固結(jié)后TBM方可掘進(jìn)，支護(hù)形式參照V級(jí)圍巖設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，I16全圓拱架間距0.9 m，必要時(shí)可加密至0.45 m，拱架連接局部增加I12型鋼。為控制圍巖變形，待掘進(jìn)斷面完成初期支護(hù)后，進(jìn)行徑向注漿加固。

2.1 新型聚氨酯化學(xué)漿液特點(diǎn)

新型聚氨酯化學(xué)漿液(以下簡(jiǎn)稱化學(xué)漿液)分為A，B 2組，由體積不大的塑料桶裝，搬運(yùn)較為方便。注漿材料主要有以下幾方面特點(diǎn):

1)黏度低、可注性好，能注入巖土層中的細(xì)小裂隙或孔隙并形成良好的擴(kuò)散充填。

2)黏合性好，可與松散巖體形成很好黏合。

3)材料固結(jié)時(shí)間可調(diào)(20 s～5 min)，強(qiáng)度增長(zhǎng)快，0.5～1 h即可達(dá)到非常高的強(qiáng)度(20 MPa左右)。

4)具有良好的塑性，能承受隨后TBM掘進(jìn)擾動(dòng)的影響。

5)遇水反應(yīng)快速膨脹，有效封堵水流通道。

6)滲透性強(qiáng)，滲透范圍可達(dá)1.5～3 m。

7)配套設(shè)備簡(jiǎn)便，操作安全，工藝簡(jiǎn)單。

8)材料不含有毒物質(zhì)，符合環(huán)保要求。

2.2 超前注漿參數(shù)設(shè)計(jì)

由于圍巖破碎鉆孔成孔較差，選用φ25自進(jìn)式錨桿，一方面作為鉆桿使用，另一方面作為注漿管使用。其布設(shè)在拱部150°范圍內(nèi)，長(zhǎng)3 m，環(huán)向間距1 m，外插角20°。超前自進(jìn)式錨桿布設(shè)示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 超前自進(jìn)式錨桿布設(shè)示意圖(單位:cm)Fig.2 Pattern of advance self-drilling bolts(cm)

2.3 徑向注漿小導(dǎo)管參數(shù)設(shè)計(jì)

為控制圍巖變形，待掘進(jìn)斷面完成支護(hù)后，在拱墻范圍內(nèi)采用φ42小導(dǎo)管徑向注漿補(bǔ)強(qiáng)加固，小導(dǎo)管長(zhǎng)4 m，縱環(huán)向間距為1 m，梅花型布置，注漿材料采用單液水泥漿。徑向注漿小導(dǎo)管布設(shè)示意圖見(jiàn)圖3。

3 施工工藝及方法

3.1 超前自進(jìn)式錨桿注化學(xué)漿液加固圍巖

3.1.1 施工工藝流程

超前自進(jìn)式錨桿注化學(xué)漿液見(jiàn)圖4。

3.1.2 施工方法

3.1.2.1 鉆孔

在TBM刀盤隔倉(cāng)內(nèi)搭設(shè)簡(jiǎn)易作業(yè)架，利用刮碴孔空間，對(duì)掌子面前方圍巖進(jìn)行鉆孔。鉆孔采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施鉆，外插角為20°，偏差不超過(guò)3°，鉆孔深度為3 m。其斷面布置如圖5所示。

鉆桿采用φ25 mm自進(jìn)式注漿錨桿，同時(shí)作為注漿管，由于刀盤內(nèi)作業(yè)空間狹小，鉆桿長(zhǎng)度不易過(guò)長(zhǎng)，因而選用單節(jié)長(zhǎng)1 m的注漿錨桿，采用聯(lián)結(jié)套連接套打。即第1節(jié)前端套上鉆頭，當(dāng)一節(jié)錨桿鉆進(jìn)后，在其尾部套上聯(lián)結(jié)套連接后一節(jié)錨桿，直到每根錨桿鉆到需要長(zhǎng)度。注漿錨桿樣式見(jiàn)圖6。

3.1.2.2 注漿

通過(guò)快速注漿接頭將錨桿尾端與注漿泵相連，采用配套的氣動(dòng)注漿泵，漿液按照質(zhì)量配合比要求(A，B 2類材料1∶1配合)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配制，注漿壓力根據(jù)TBM刀盤前方掌子面漿液滲透情況確定，一般為2～4 MPa?；瘜W(xué)注漿如圖7和圖8所示。

3.2 TBM 掘進(jìn)

在完成1組超前注漿加固后，TBM開(kāi)始掘進(jìn)，采用緩慢低速推進(jìn)，時(shí)刻觀察皮帶出碴情況以及TBM電機(jī)電流值、推力等，一旦有異常，立即停機(jī)進(jìn)入檢查，以防止出現(xiàn)大面積坍塌情況。每掘進(jìn)完成3 m注漿加固段后，停機(jī)進(jìn)行下1組超前注漿加固，完成后，再掘進(jìn)，以保證TBM安全、順利通過(guò)節(jié)理密集帶。

3.3 圍巖支護(hù)

TBM往前推進(jìn)，圍巖出露護(hù)盾后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。

1)初噴混凝土。每掘進(jìn)1個(gè)立拱間距段后，對(duì)出露護(hù)盾的圍巖及時(shí)進(jìn)行人工噴混凝土封閉，減少圍巖掉塊，同時(shí)確保立拱作業(yè)人員安全。

2)架設(shè)鋼拱架。采用I16工字鋼，架設(shè)全環(huán)鋼拱架，拱架間距90 cm，局部破碎段可加密拱架，間距45 cm;縱向連接筋采用φ22螺紋鋼，環(huán)向間距1 m，縱向交錯(cuò)布置;在巖石開(kāi)裂有脫落跡象處，增加I12工字鋼連接，以保證拱架整體受力。

3)鋪設(shè)網(wǎng)片。拱架背后，沿上半圓巖面鋪設(shè)φ8鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)格為15 cm×15 cm，網(wǎng)片間搭接1～2個(gè)網(wǎng)格。

4)施作錨桿。采用φ22螺紋鋼加工生產(chǎn)出的“L”型砂漿錨桿，左右向交錯(cuò)鎖定鋼拱架，錨桿長(zhǎng)3 m/根，環(huán)向間距1 m布設(shè)。

5)復(fù)噴混凝土。全斷面噴混凝土覆蓋錨桿、網(wǎng)片，并全包裹拱架，形成剛?cè)岵?jì)的整體支護(hù)體系。

3.4 徑向注漿加固圍巖

為防止深層圍巖松動(dòng)變形對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，造成圍巖二次坍塌，在TBM掘進(jìn)完成支護(hù)后，利用TBM設(shè)備平臺(tái)對(duì)節(jié)理密集帶及影響帶圍巖實(shí)施徑向注漿加固。注漿孔采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔，注漿管采用φ42小導(dǎo)管，作業(yè)方式、方法與常見(jiàn)鉆爆隧道相同。注漿采用水泥單液漿，水灰質(zhì)量比1∶1，注漿壓力0.8～1.5 MPa。

4 方案實(shí)施效果

作業(yè)人員在刀盤內(nèi)進(jìn)行超前注漿錨桿施作，減少了超前鉆機(jī)等設(shè)備的投入，且操作上更具有靈活性，雖然一組加固的長(zhǎng)度較短，但通過(guò)化學(xué)漿液特有的性質(zhì)，可以快速有效地固結(jié)刀盤前方的破碎圍巖，形成較為完整的綜合體，其單軸抗壓強(qiáng)度能達(dá)到40 MPa以上，保證了TBM能夠及時(shí)跟進(jìn)掘進(jìn)。在后續(xù)的節(jié)理密集帶等軟弱破碎帶施工中，未曾再有刀盤前方大面積坍塌的事故發(fā)生，TBM掘進(jìn)過(guò)程中圍巖掉塊量明顯減少，以致圍巖支護(hù)及仰拱塊鋪設(shè)清碴等作業(yè)工程量隨之減少，TBM作業(yè)效率有了明顯提高;再加上徑向注漿對(duì)圍巖的二次加固，圍巖收斂變形得到了有效地控制，各工序可正常開(kāi)展，TBM掘進(jìn)進(jìn)度有了大幅提高?；◢弾r節(jié)理密集帶月進(jìn)度指標(biāo)由原來(lái)15～60 m提高到120 m以上，這在一定程度上緩解了中天山隧道右線施工工期的壓力。

5 結(jié)論與討論

經(jīng)過(guò)中天山隧道TBM掘進(jìn)過(guò)花崗巖節(jié)理密集帶施工實(shí)踐證明，通過(guò)利用刀盤內(nèi)部作業(yè)空間，對(duì)敞開(kāi)式TBM刀盤前方及上部圍巖進(jìn)行灌注新型聚氨酯化學(xué)漿液，可簡(jiǎn)單、有效地實(shí)施圍巖加固，改善地質(zhì)條件，確保TBM能安全、順利地通過(guò)類似的軟弱破碎圍巖。此方案適用于刀盤直徑較大的TBM，對(duì)于刀盤直徑較小、內(nèi)部作業(yè)空間有限的TBM，超前自進(jìn)式錨桿施作較為困難，不過(guò)可以考慮將自進(jìn)式錨桿更換為玻璃鋼中空注漿錨桿，通過(guò)刀盤刀孔對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行鉆孔、注漿，其實(shí)用性及有效性方面，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。另外，對(duì)于聚氨酯化學(xué)漿液，由于材料價(jià)格昂貴，在沒(méi)有明確給予施工補(bǔ)償?shù)那闆r下，施工方不愿大量使用。為此，施工單位還需借助市場(chǎng)上新材料的研發(fā)，選擇既能較好適用于TBM施工圍巖加固又價(jià)格低廉的產(chǎn)品，在確保施工進(jìn)度的同時(shí)，又不過(guò)多地增加施工成本。

［1］ 中國(guó)鐵路總公司.鐵建設(shè)(2007)106號(hào) 鐵路隧道全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)法技術(shù)指南［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2007.

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