開敞式TBM過類泥石流不良地質(zhì)洞段施工處理技術(shù)

苗雙平，李 強(qiáng)，高健冬

(1.北京振沖工程股份有限公司，北京100102;2.吉林省中部城市供水股份有限公司，吉林長春130012)

隧道與爆破工程

開敞式TBM過類泥石流不良地質(zhì)洞段施工處理技術(shù)

苗雙平1，李 強(qiáng)1，高健冬2

(1.北京振沖工程股份有限公司，北京100102;2.吉林省中部城市供水股份有限公司，吉林長春130012)

開敞式TBM在掘進(jìn)過程中，往往會遇到斷層破碎帶，目前業(yè)界已經(jīng)有相應(yīng)的處理方式，但是在遇到類泥石流洞段時，單獨依靠目前TBM自身條件及已有的處理方式很難實現(xiàn)順利通過，需要采取特殊的施工處理措施相互配合才能通過。本文依托吉林引松供水項目三標(biāo)段類泥石流不良地質(zhì)洞段的處理，形成了一套完整的開敞式TBM過類泥石流不良地質(zhì)洞段施工處理技術(shù)，即在碎塊石夾雜斷層泥段采用超前管棚支護(hù)，在類泥石流不良地質(zhì)洞段采用堵水灌漿加固技術(shù)并配以噴錨噴網(wǎng)+鋼拱+模筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。工程實踐驗證了該技術(shù)的可行性。

類泥石流洞段;管棚;灌漿;TBM施工處理技術(shù)

0 引言

TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))由于其高效、安全的優(yōu)越性能，近年來在隧道工程中得到愈來愈多的應(yīng)用。但其對斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差。這些不良地質(zhì)條件對TBM掘進(jìn)會產(chǎn)生較大影響，不僅可能導(dǎo)致TBM掘進(jìn)作業(yè)時間利用率降低，甚至有可能出現(xiàn)TBM損壞和難以順利通過的情況［1］。國內(nèi)目前施工完成的大伙房輸水工程、引洮、錦屏水電站引水隧洞工程以及正在施工的遼西北供水工程，均存在斷層破碎帶等不良地質(zhì)洞段，對工程建設(shè)安全、進(jìn)度造成很多影響。蘇華友，王樹勛，田春成，周紅，董泗龍等人［2－6］在一般的斷層破碎帶處理方面積累了不少的經(jīng)驗和技術(shù)。但是對于類泥石流不良地質(zhì)洞段的處理，目前業(yè)內(nèi)還沒有最佳的施工處理技術(shù)。吉林省中部城市引松供水工程總干線三標(biāo)段TBM施工洞段，在掘進(jìn)至47+373段時，揭露類泥石流不良地質(zhì)洞段，導(dǎo)致隧洞形成坍塌，處理時間達(dá)到5個多月，通過對本次類泥石流不良地質(zhì)洞段的處理，研究了適合的施工處理技術(shù)。

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線三標(biāo)段位于吉林省吉林市岔路河至溫德河之間，總長度24.3 km。TBM獨頭掘進(jìn)10 km，開挖洞徑7.9 m，逆坡掘進(jìn)，坡度為1/4300，埋深50～500 m。刀盤掘進(jìn)至樁號47+373(護(hù)盾揭露47+378)時發(fā)生大規(guī)模斷層破碎帶塌方，該洞段埋深110 m，地表為山梁、溝谷交錯，溝谷寬10～30 m，山勢較陡，植被發(fā)育。巖性為燕山早期石英閃長巖，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石普遍遭受蝕變，主要礦物成份為斜長石、角閃石、黑云母和少量石英(石英占10%～22%)。受構(gòu)造影響，巖體破碎，滲透性弱—中等。TBM施工中，已掘進(jìn)通過80 m均為完整的石英閃長巖，圍巖類別為Ⅱ類，在掘進(jìn)至樁號47+380(護(hù)盾揭露47+ 385)時，圍巖發(fā)生突變，揭露為斷層破碎帶，圍巖極其破碎，并伴隨有少量的滲水。隨后現(xiàn)場嚴(yán)格按照設(shè)計支護(hù)參數(shù)進(jìn)行施工，在掘進(jìn)至樁號47+373(護(hù)盾揭露47+378)時，發(fā)現(xiàn)頂護(hù)盾壓力接近極限值，證明刀盤上部圍巖壓力持續(xù)增加，隨后發(fā)現(xiàn)塌方體體積龐大，并且持續(xù)塌落，持續(xù)對刀盤施加壓力，導(dǎo)致刀盤無法轉(zhuǎn)動。現(xiàn)場對刀盤逐步進(jìn)行后退，退至安全洞段后進(jìn)行處理。

經(jīng)后期處理過程發(fā)現(xiàn)樁號47+378～47+372段為碎塊石夾雜斷層泥;樁號47+372～47+364段為類泥石流不良地質(zhì)洞段，刀盤前方及頂部均為級配較好的類泥石流狀流態(tài)土、砂及水的結(jié)合體。刀盤被死死包裹，1號皮帶渣量太大，導(dǎo)致TBM無法掘進(jìn)，為此進(jìn)行了分階段、分層次的處理措施，歷經(jīng)5個多月順利通過該洞段。

2 施工處理技術(shù)

2.1 47+378～47+372碎塊石夾雜斷層泥段

TBM后退過程中，掌子面前方渣體一直跟隨TBM向刀盤前方延伸，直至累計TBM后退13 m處才穩(wěn)定。后退后，多次嘗試向前掘進(jìn)，均因刀盤壓力過大，未能成功。

經(jīng)過對現(xiàn)場斷層帶情況、TBM設(shè)備情況進(jìn)行詳細(xì)的分析后，根據(jù)斷層帶情況、空間布局及隧洞施工經(jīng)驗，制定了施工方案進(jìn)行處理。采用管棚進(jìn)行破碎巖體加固，管棚布置見圖1、圖2。

圖1 管棚布置及塌方洞段示意圖

圖2 管棚布置斷面圖

經(jīng)過與地質(zhì)資料的對比結(jié)合物探數(shù)據(jù)顯示，前方不良地質(zhì)洞段約30～50 m，為此制定了循環(huán)加固掘進(jìn)的實施方案。

(1)探孔施工:結(jié)合管棚施工在頂拱左中右布置3個?127 mm跟管探孔，孔深30 m，外插角10°，以探明前方地質(zhì)情況。

(2)管棚施工:在護(hù)盾頂拱后側(cè)120°范圍，設(shè)置?127 mm跟管鉆進(jìn)管棚，間距為40～50 cm，外插腳為10°，長25～30 m，管棚管提前加工為花管，以便注漿。

(3)管棚施工完成后，在管棚中安裝3根?32 mm鋼筋束，增強(qiáng)管棚承載力，并進(jìn)行灌漿固結(jié)，灌漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，水灰比為0.5∶1，灌漿壓力0.3～1.0 MPa。

(4)松渣體固結(jié):管棚鉆孔施工中，若遇松渣體、塌腔體，則灌注水泥砂漿或混凝土。完成塌腔體回填后再重新開孔進(jìn)行管棚孔施工。

(5)支護(hù)加固完每一循環(huán)管棚及灌漿作業(yè)后，待凝72 h，開始TBM掘進(jìn);根據(jù)管棚施工的長度，每掘進(jìn)6～8 m開始進(jìn)行下一循環(huán)的管棚及灌漿加固。

(6)掘進(jìn)過程中，按照V類圍巖鋼拱架加密間距到45 cm，配合鋼筋排等進(jìn)行支護(hù)。

經(jīng)過以上方案處理，施工3個循環(huán)管棚灌漿后，TBM掘進(jìn)至樁號47+369，但由于該洞段地質(zhì)條件極其復(fù)雜，滲水流量大(100 L/s)，刀盤頂部及前方圍巖成泥石流狀，一經(jīng)刀盤旋轉(zhuǎn)擾動，變成類泥石流狀，造成刀盤阻力大，皮帶無法出渣，致使無法正常掘進(jìn)，需要進(jìn)行堵水及巖體固結(jié)加固。

2.2 47+372～47+364段為類泥石流不良地質(zhì)洞段

2.2.1 處理原則

(1)掌子面破碎巖體坍塌后擠壓在刀盤前，因此需要對刀盤進(jìn)行減壓。

(2)對于TBM設(shè)備施工經(jīng)過斷層時，首先探明水文地質(zhì)條件及圍巖穩(wěn)定條件，早預(yù)防、早準(zhǔn)備，封閉地下水、固結(jié)圍巖，再掘進(jìn)［7］。地下水滲透量大，導(dǎo)致巖體成類泥石流狀，因此需先進(jìn)行堵水固結(jié)處理。

(3)對TBM設(shè)備進(jìn)行觀察，防止?jié){液對設(shè)備造成損害。

(4)灌漿過程中需要嚴(yán)格控制洞室變形。

(5)考慮灌漿過程中漿液的可控性，選擇新型灌漿材料。

(6)以已經(jīng)施工的管棚作為骨架，進(jìn)行圍巖加固處理。

2.2.2 具體實施方案

基于現(xiàn)場實際情況，結(jié)合處理原則，具體實施方案如下。

(1)在刀盤兩側(cè)開挖小導(dǎo)洞，高1.8 m，寬1.5 m，采用風(fēng)鎬短進(jìn)尺開挖，邊開挖邊支護(hù)，以開挖到刀盤后背(刀脖子)為目標(biāo)。布置圖見圖3。

圖3 導(dǎo)洞布置斷面圖

(2)采用“循環(huán)置換法”進(jìn)行刀盤前方石渣清理。通過拆除下半部刀盤內(nèi)刀具，進(jìn)行刀盤前方石渣的清理，同時為了防止連續(xù)垮塌，在刀盤頂部進(jìn)渣口填充高密度苯板進(jìn)行置換空腔，以便減少刀盤阻力，同時為后期清理提供準(zhǔn)備。

(3)在已施工3個循環(huán)管棚區(qū)域分上中下3層5排進(jìn)行堵水固結(jié)灌漿;經(jīng)過測算及工程經(jīng)驗，選取加固范圍為9點鐘位置至2點鐘位置1倍洞徑范圍，沿洞軸線15 m區(qū)間進(jìn)行加固，布置圖見圖4。

圖4 管棚及灌漿孔布置示意圖

(4)施工過程中，采用先進(jìn)行上層孔位(第1排)的施工，再進(jìn)行下一段鉆孔施工。隨后進(jìn)行下層孔位(第3排)施工，中間孔位(第2排)的施工，最后進(jìn)行第4、5排孔位施工，采用前進(jìn)式分段注漿工藝，每5 m為一段。

(5)灌漿過程中采用由山東大學(xué)研發(fā)的水泥基新型可控速凝膏狀體注漿材料(GT－1)。該材料具有初終凝時間可調(diào)、擴(kuò)散控制性好、動水抗分散、早期強(qiáng)度高、環(huán)保無毒等優(yōu)點，同時結(jié)合水玻璃進(jìn)行施工。水泥、GT－1兩種漿液配比即Vc∶Vgt控制在1∶1～5∶1。初凝時間控制在30～200 s，壓力控制在1.0～3.5 MPa。采用36～40波美度水玻璃，P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

(6)單個灌漿孔施工完成后，重新掃孔，在孔內(nèi)安裝鋼筋束，再次灌漿封孔，增加整齊強(qiáng)度。

(7)灌漿過程中，在護(hù)盾后方安裝收斂變形監(jiān)測斷面及多點位移計，實時監(jiān)測圍巖收斂情況，一旦超過限定，馬上停止灌漿。

(8)灌漿結(jié)束后，進(jìn)行鉆孔取心，驗證灌漿加固效果，同時配合TRT三維地震地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行相互對比，確認(rèn)灌漿效果后進(jìn)行下一步施工。

(9)為了防止隧洞周圍的水壓力再次對加固區(qū)造成破壞，灌漿結(jié)束后，根據(jù)鉆孔揭露地質(zhì)情況，在隧洞左側(cè)、右側(cè)、頂部及特殊部位設(shè)置排水孔，排水孔終孔位置穿透加固區(qū)，保證排水通暢。

(10)注漿加固后的斷層圍巖形成一個彈塑性承載環(huán)，該承載環(huán)抑制斷層圍巖的變形和屈服區(qū)的擴(kuò)展，只要承載環(huán)內(nèi)有一定厚度的完整的彈性環(huán)存在，則計算是收斂的，斷層圍巖是穩(wěn)定的［8］。灌漿加固結(jié)束，達(dá)到設(shè)定要求后，進(jìn)行刀盤前方及四周渣體的清理，清理分為兩部分進(jìn)行，其一為在刀盤內(nèi)部通過刀孔進(jìn)行清理;其二為將護(hù)盾兩側(cè)導(dǎo)洞繼續(xù)開挖，延伸至刀盤前方1～1.5 m處，進(jìn)行刀盤掌子面及刀盤周圍的圍巖固結(jié)體的清理。同時對護(hù)盾周圍的巖體及固結(jié)體進(jìn)行清理，釋放壓力。

經(jīng)過以上處理方案的實施，刀盤前方掌子面及周圍巖體得到了有效的加固，開挖過程中揭露，圍巖空腔、裂隙中均被水泥漿填充，同時在灌漿過程中，原類泥石流狀渣體受到擠壓，水分被排出，經(jīng)過水泥固結(jié)，形成強(qiáng)度較高的固結(jié)體，保證了TBM在掘進(jìn)過程中安全通過。

2.3 后續(xù)處理措施

掘進(jìn)過程中鋼拱架間距調(diào)整為45 cm，系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)配合McNally系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)隧洞邊墻發(fā)生較大的塌方或邊墻圍巖強(qiáng)度不足以承受支撐靴壓力，采用噴錨噴網(wǎng)+鋼拱+模筑混凝土的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行處理，局部區(qū)域換填混凝土后支撐通過［9］。

由于斷層破碎帶，整體洞段均為破碎構(gòu)造，因此在TBM通過后，為防止長時間被積水浸泡，造成仰拱部位出現(xiàn)較大的變形，仰拱澆筑20 cm厚C20混凝土。同時安裝收斂變形監(jiān)測，持續(xù)監(jiān)測洞室收斂變形情況。

3 施工過程中的注意事項

開敞式TBM過類泥石流不良地質(zhì)洞段施工過程中采取了管棚、灌漿等處理技術(shù)，必須保證管棚、灌漿質(zhì)量，保證一次性通過。施工中應(yīng)注意以下幾個方面:

(1)按規(guī)定選擇合適的管棚材料及管棚施工工藝;

(2)確保使用的原材料均達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)號強(qiáng)度;

(3)注漿過程中密切觀察TBM設(shè)備;

(4)采用GT－1材料使?jié){液在巖體中成膏狀，不被水流稀釋帶走;

(5)灌漿結(jié)束后，需增設(shè)排水孔，保證加固圈外部水壓力能得到有效釋放。

加固處理完成后，在掘進(jìn)過程中，保證快速通過，避免圍巖收斂，造成主機(jī)被卡，同時按照Ⅴ類圍巖支護(hù)參數(shù)加強(qiáng)處理。

4 結(jié)語

通過吉林引松供水項目三標(biāo)段工程，形成了一套類泥石流狀不良地質(zhì)洞段的施工處理技術(shù)，工程實踐檢驗了該技術(shù)的可行性，為開敞式TBM在通過類泥石流不良地質(zhì)洞段時提供了可參考技術(shù)。該技術(shù)主要內(nèi)容如下:

(1)在開敞式TBM頂拱范圍進(jìn)行大直徑的管棚施工可以有效處理斷層破碎帶問題;

(2)在TBM掌子面及周圍巖體發(fā)生塌方時，采用在護(hù)盾后側(cè)進(jìn)行灌漿是可行有效的，但必須對TBM設(shè)備進(jìn)行觀察和防護(hù);

(3)在TBM掘進(jìn)遇到類泥石流狀不良地質(zhì)洞段時，采用管棚、灌漿的處理技術(shù)是可行的，但是灌漿過程中，必須采用初終凝時間可調(diào)、擴(kuò)散控制性好、動水抗分散、早期強(qiáng)度高、環(huán)保無毒，同時能結(jié)合水玻璃進(jìn)行施工的新型灌漿材料;

(4)施工過程中嚴(yán)格控制質(zhì)量，保證實施的處理措施到達(dá)既定目標(biāo)。

［1］王夢恕，王占山.TBM通過斷層破碎帶的施工技術(shù)［J］.隧洞建設(shè)，2001，21(3):1－4.

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［4］田春成，王群.淺談敞開式TBM在不良地質(zhì)段塌方處理［J］.中國科技縱橫，2015，(24):73－73.

［5］周紅，黃柏洪，吳慶山.TBM在不良地質(zhì)條件下施工技術(shù)［J］.水利建設(shè)與管理，2009，29(5):61－65.

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［9］徐曼玲，何鐘.TBM通過F1斷層破碎帶的施工技術(shù)［J］.四川水利，2014，(S1):78－80.

Construction Technology for Open TBM Tunneling through in Debris-flows-like Adverse Geological Tunnel Sec- tion

/MIAO Shuang-ping1，LI Qiang1，GAO Jian-dong2(1.Beijing Vibroflotation Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100102，China;2.Jilin Province Central-section City Water Supply Co.，Ltd.，Changchun Jilin 130012，China)

Fault fracture zones are often encountered in open TBM tunneling process，and the solution has already been put forward by the industry.But in debris-flows-like adverse geological conditions，it is hard for TBM to get through only by its own capacity and the existing treatment methods，it is necessary to take special construction measures working together.Based on the treatment of debris-flows-like adverse geological tunnel section in the third bid section of Jilin water supply project by diverting Songhua River，a complete set of construction technology is formed for open TBM tunneling through debris-flows-like adverse geological tunnel section，that is advanced pipe roof support used in fragment stones and fault gouge section，and water plugging＆ grouting reinforcement technology combining with combined support technology of spray anchor net+steel arch+formworking concrete used in debris-flows-like adverse geological tunnel section.The engineering practice proves the feasibility of this technology.

debris-flows-like tunnel section;pipe roof;grouting;construction technique for TBM

TV554

B

1672－7428(2017)03－0081－04

2016－11－07

苗雙平，男，漢族，1983年生，從事TBM施工工作，北京市朝陽區(qū)望京西園221號博泰大廈11層，80757072@qq.com。