敞開式TBM斷層破碎帶施工技術(shù)初探

安 倉

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，新疆833300）

0 引言

目前已有多種樣式的TBM應(yīng)用于地下工程的各種領(lǐng)域，TBM施工具有速度快、安全、可靠和對環(huán)境影響小等多種優(yōu)點，現(xiàn)已成為長大隧道快速施工的趨勢。采用TBM施工的長大隧道在施工中一般會穿越斷層破碎帶、強蝕變等不良地質(zhì)段，極易遇到破碎巖層坍塌，嚴(yán)重影響TBM施工進(jìn)度。以往施工項目大多采用側(cè)面導(dǎo)坑法進(jìn)人TBM刀盤前方清理塌方松散體，或者從護(hù)盾上方通過導(dǎo)坑清理刀盤前方松散體，然后TBM步進(jìn)通過[1]。施工過程中在破碎帶內(nèi)施做新的導(dǎo)坑，安全風(fēng)險大，并且因作業(yè)空間限制，大型設(shè)備不能用于施工作業(yè)，多數(shù)情況下采用人工操作，施工進(jìn)度較慢。某引水工程隧洞采用敞開式TBM施工穿越斷層破碎帶時，通過化學(xué)注漿固結(jié)刀盤輪廓線和護(hù)盾上方坍塌松散體施做止?jié){墻和護(hù)盾上部180°范圍內(nèi)施作管棚超前預(yù)支護(hù)承住護(hù)盾上部及兩側(cè)洞壁松散體，然后TBM掘進(jìn)通過的方法，加快了TBM施工進(jìn)度，同時也保障了施工安全和施工質(zhì)量[2]。

1 TBM施工概況

1.1 斷層破碎帶地質(zhì)概況

圍巖巖性為花崗巖,灰白色，巖體整體破碎，掘進(jìn)完成后露出護(hù)盾圍巖肉眼無法判斷裂隙情況，巖體極不穩(wěn)定，露出護(hù)盾圍巖存在大量松散體，松散體以細(xì)顆粒為主，局部夾雜較大石塊，兩側(cè)及頂拱存在大范圍塌方，部分段落圍巖全斷面破碎。掘進(jìn)過程中從主梁人孔有大量砂礫和碎石隨著滲水流出。掌子面圍巖松散，停機后泥沙不再涌出刀盤，圍巖在刀盤、護(hù)盾的聯(lián)合作用下自穩(wěn)。施工中對隧洞內(nèi)涌出砂狀物的物理性能進(jìn)行了篩分試驗檢測：隨著時間增加涌出物粒徑不斷變大，細(xì)顆粒不斷減少。

不良地質(zhì)洞段圍巖整體出水嚴(yán)重，出水以線流、股狀為主，隧洞出水主要分布于頂拱及右側(cè)，最大出水量達(dá)141.3m3/h，2018年1月28日開始逐步穩(wěn)定至50m3/h。

1.2 TBM掘進(jìn)施工簡述

自2017年10月7日TBM施工進(jìn)入斷層破碎帶后，右側(cè)0點-3點方向一直出現(xiàn)小規(guī)模掉塊塌方。通過刀盤掌子面、刀盤輪廓線、護(hù)盾上方鉆孔化學(xué)注漿加固及初期支護(hù)，TBM仍然可以穩(wěn)步前行。2018年2月27日掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)刀腔內(nèi)大量石渣與水混合物沿主梁進(jìn)人口涌出。涌渣中直徑3cm以下的小顆粒石渣（含細(xì)砂）含量占50%左右，較之前TBM施工進(jìn)入不良地段時情況類似，但細(xì)砂直徑較之前有所增大。3月24日刀盤每啟動15s左右皮帶壓力迅速升高，皮帶壓力達(dá)120bar時停轉(zhuǎn)刀盤無法降低皮帶壓力，皮帶壓力持續(xù)上升直至皮帶壓停，期間主梁人孔處流出的混凝土狀石渣較多，TBM掘進(jìn)被迫停止[3]。停機后對刀盤掌子面、刀盤輪廓線、護(hù)盾上方鉆孔化學(xué)注漿加固，效果不佳，掘進(jìn)不能正常進(jìn)行。

2 斷層破碎帶管棚施工

加固護(hù)盾后方圍巖，隨著TBM設(shè)備的掘進(jìn)完成鉆機工作室的擴挖，將鉆機安裝至護(hù)盾后方，采用阿特拉斯1838鉆機鉆孔對護(hù)盾上方與刀盤部位采用化學(xué)灌漿進(jìn)行固結(jié)，采用ZM-90管棚鉆機施工管棚，管棚安設(shè)完成后進(jìn)行大循環(huán)注漿施工，施工完成后對擴挖段進(jìn)行回填，TBM設(shè)備掘進(jìn)通過，根據(jù)圍巖破碎情況重復(fù)進(jìn)行此項施工，不良地質(zhì)洞段TBM設(shè)備管棚施工流程詳見圖1。

圖1 不良地質(zhì)洞段TBM設(shè)備管棚施工流程圖

2.1 護(hù)盾后已支護(hù)段加固

2.1.1 護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍圍巖加固

利用L1區(qū)錨桿鉆機在護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍內(nèi)施作φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿對護(hù)盾尾部圍巖進(jìn)行加固，錨桿梅花形布設(shè)，采用隔孔鉆孔和間隔注漿，錨桿采用HC材料或水泥漿（無水段為水泥漿、滲水與線狀出水段為HC材料）進(jìn)行灌注，所有錨桿尾端與拱架焊接牢固[4]。

表1 護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍加固具體技術(shù)要求

2.1.2 護(hù)盾頂部圍巖加固

采用YT-28風(fēng)槍對護(hù)盾頂部施作φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿進(jìn)行灌注，注漿為隔孔灌注。

表2 護(hù)盾頂部加固具體技術(shù)要求

2.2 管棚工作空間施做

根據(jù)管棚鉆機工作空間需求，對護(hù)盾尾部3.5m范圍內(nèi)的隧洞上半斷面進(jìn)行擴挖，工作間擴挖具體施工順序為：掘進(jìn)→擴挖→擴挖段支護(hù)→掘進(jìn)。

1）掘進(jìn)。護(hù)盾尾部與頂部加固完成后開始進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)中需安排專人在主梁上部與下部進(jìn)行看護(hù)，如掉塊塌方嚴(yán)重應(yīng)立即停止掘進(jìn)，對圍巖進(jìn)行加固后再進(jìn)行掘進(jìn)，每循環(huán)掘進(jìn)長度不得大于50cm。

2）露出護(hù)盾圍巖擴挖。擴挖施工采用人工配合錨桿鉆機進(jìn)行施工，擴挖范圍為拱頂200°，擴挖按照“掘進(jìn)1段擴挖1段”進(jìn)行，擴挖半徑為3.99m，一次支護(hù)厚度為24cm，支護(hù)完成后內(nèi)輪廓半徑為3.75m，擴挖長度為3.5m，具體尺寸如圖2。

3）擴挖段支護(hù)。擴挖段支護(hù)主要包括：鋼拱架、錨桿、鋼筋排（鋼筋網(wǎng)）、噴射混凝土，具體施工如圖2所示的擴挖段斷面與支護(hù)圖[5]。

鋼拱架安裝。擴挖完成后人工配合拱架安裝器安裝鋼拱架，鋼拱架為HW200型鋼拱架，間距不得大于50cm，根據(jù)圍巖情況間距可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，鋼拱架全環(huán)采用10#槽鋼進(jìn)行連接，槽鋼環(huán)向間距為50cm。上、下部分鋼拱架需位于同一斷面，采用HW200型鋼連接后施作50cm厚C30混凝土擴大基礎(chǔ)，上部拱架伸入混凝土內(nèi)30cm。鋼拱架拱頂180°適當(dāng)安裝鋼筋排，未安裝鋼筋排位置安裝15cm*15cm鋼筋網(wǎng)。

錨桿。系統(tǒng)錨桿：系統(tǒng)錨桿為φ25自進(jìn)式錨桿，布設(shè)范圍為拱頂180°，間距為1m，排距為1.5m，梅花形布置，錨桿長度為6～7.5m，入巖1m。鎖腳錨桿：鎖腳錨桿上半部分采用φ42自進(jìn)式錨桿，下半部分采用φ25自進(jìn)式錨桿，布設(shè)于上、下部分拱腳位置，每環(huán)拱架共計布設(shè)8根，錨桿與鋼拱架呈“L”形連接，錨桿長度為6～9m。錨桿注漿：錨桿注漿類別、壓力、配合比與護(hù)盾后部圍巖加固相同。

混凝土。支護(hù)完成的鋼拱架全環(huán)采用混凝土封閉，混凝土厚24cm，為噴射C30一級配混凝土?；炷潦┕橹痖┕?，拱架安裝完成后未完成混凝土施工前不得掘進(jìn)。

4）掘進(jìn)。混凝土終凝后開始進(jìn)行下一循環(huán)的掘進(jìn)，以此循環(huán)進(jìn)行擴挖段施工，直至擴挖段3.5m施工完成。

5）盾尾一側(cè)擴大洞室端頭噴射30cm厚混凝土，開始擴挖一側(cè)端頭噴射10cm厚混凝土。

2.2 刀盤輪廓線及護(hù)盾上方施做止?jié){墻

圖2 擴挖段斷面與支護(hù)圖

護(hù)盾與刀盤上部圍巖固結(jié)錨桿為Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，采用阿特拉斯1838鉆機進(jìn)行施工，施工中保持水路暢通，及時通過水流清理鉆孔內(nèi)巖渣。錨桿施工長度為10m，錨桿間距為40cm，外傾角為3°。自進(jìn)式錨桿孔壁開孔，開孔縱向間距為25cm，每個截面錨桿開孔1個，開孔為梅花形布設(shè)，孔徑6～8mm，護(hù)盾尾部1m范圍內(nèi)不設(shè)孔。同時在刀盤內(nèi)采用YT-28風(fēng)槍通過刀孔與刮渣口對刀盤上部及掌子面圍巖采用鉆桿鉆孔后插入玻璃纖維錨桿進(jìn)行化學(xué)灌漿加固。錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿進(jìn)行灌注，灌漿壓力、配合比等與擴挖施工前圍巖加固化學(xué)灌漿相同[6]。鉆孔完成后立即拆除阿特拉斯1838鉆機，安設(shè)ZM-90管棚鉆機。

2.3 超前施做管棚及注漿

在護(hù)盾與刀盤上方化灌施工完成后安設(shè)管棚鉆機，同時采用YT-28鉆機鉆進(jìn)1米，通過鉆頭反復(fù)沖擊巖體形成孔洞，安裝Φ146導(dǎo)向管，導(dǎo)向管長度為1米，外傾角4°，環(huán)向間距為40cm，安裝完成后采用模具復(fù)核，無誤后采用錨固劑對孔壁與巖體周圍的間隙進(jìn)行充填。導(dǎo)向管與巖壁間充填物終凝后采用ZM-90管棚鉆機進(jìn)行安設(shè)管棚施工，管棚布置范圍為頂拱150°～160°，材料為外徑Φ108的熱處理調(diào)質(zhì)管，單根長度為30m，間距為40cm，每環(huán)共計23根，管棚布設(shè)于已化灌的Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿中間，鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)卡鉆應(yīng)降低推力提高轉(zhuǎn)速[7]。具體施工如圖3所示的棚施工斷面圖。

圖3 管棚施工斷面圖

φ108管棚采用熱處理調(diào)質(zhì)管，護(hù)盾與刀盤上部的8m不設(shè)孔，8～30m段設(shè)溢漿孔，孔徑12mm，每環(huán)設(shè)2個孔，環(huán)間距25cm。施工中為增強管棚剛度，在φ108管棚內(nèi)插入三根φ16螺紋鋼，鋼筋預(yù)先在洞外加工為三角形腳架，在插入鋼筋的同時在鋼筋前端綁扎φ35耐高壓膠管，膠管隨鋼筋一同插入鋼管內(nèi)。采用高壓水通過膠管對鉆孔進(jìn)行洗孔，同時對圍巖進(jìn)行擾動，以便增大圍巖孔隙率，提高持漿量，待管內(nèi)無石渣或污水流出時停止注水，采用錨固劑封堵φ108管棚與導(dǎo)向管及導(dǎo)向管與巖壁間的空隙，封堵長度不得小于50cm。待封堵的錨固劑達(dá)到終凝后，連接注漿設(shè)備對施工完成的管棚進(jìn)行注漿，安設(shè)管棚施工采用隔孔施作。如圖4所示的管棚內(nèi)部截面圖[8]。

圖4 管棚內(nèi)部截面圖

管棚注漿漿液為HC，孔口注漿終壓為4～6Mpa，注漿時遵循先稀后濃，先單液漿后雙液漿的原則進(jìn)行間隔、分次大循環(huán)注漿。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：孔口注漿壓力為4～6Mpa，且不再吸漿，持壓30min后完成注漿；注漿過程中安排專人對護(hù)盾尾部與刀盤內(nèi)漏漿情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)漏漿及時進(jìn)行封堵，注漿施工采用管內(nèi)大循環(huán)施工工藝，進(jìn)行孔口注漿，利用φ35耐高壓膠管進(jìn)行洗孔、排氣及回漿，具體注漿施工如下：

每根管棚施工完成后，在管內(nèi)插入φ35膠管，插入深度距管底0.5m，使用高壓水泵通過膠管向管內(nèi)灌水，徹底進(jìn)行洗孔，完成后采用板車運輸HC注漿料至連接橋下方，人工投料，TTQ-200型高速制漿機制漿，3s-100/20三缸柱塞式變頻注漿機注HC單液漿，采用孔口壓入式注漿，φ35膠管進(jìn)行排氣，當(dāng)膠管內(nèi)有濃漿流出后，將回漿管插入儲漿罐，實現(xiàn)循環(huán)灌漿，通過調(diào)節(jié)注漿機頻率和止?jié){塞上的進(jìn)漿閥和回漿閥逐步提高注漿壓力，并實現(xiàn)穩(wěn)壓，最后關(guān)閉回漿閥進(jìn)行屏漿和閉漿，每次灌注完畢后30min，再次對該管進(jìn)行二次注漿，完成后注入雙液漿進(jìn)行封孔。當(dāng)需要封孔或堵漏時采用JD380/25型柱塞式計量泵注HC調(diào)節(jié)劑，在管通過三通與單液漿匯合。

2.4 擴大洞室回填及TBM掘進(jìn)

管棚施工完成后，對擴挖段按照設(shè)計尺寸恢復(fù)鋼拱架，上半斷面與下斷面鋼拱架焊接完成后采用14#槽鋼進(jìn)行滿焊加固，每端焊接長度不得小于15cm。按照設(shè)計斷面進(jìn)行鋼拱架表面噴射混凝土厚度控制，完成后TBM掘進(jìn)通過。

TBM設(shè)備向前掘進(jìn)19.2m后開始對露出護(hù)盾尾部的隧洞斷面進(jìn)行擴挖，擴挖長度為3.5m，擴挖完成后一次支護(hù)內(nèi)側(cè)距護(hù)盾頂部距離為50cm，擴挖段采用HW200型鋼拱架，間距為50cm～90cm，根據(jù)安全監(jiān)測與圍巖情況對拱架間距進(jìn)行調(diào)整，噴射混凝土厚度為24cm，擴挖段施工完成后再次安裝管棚鉆機，施工超前管棚，管棚長度為30m，外傾角為4°，施工完成后TBM掘進(jìn)通過，以此循環(huán)，通過斷層破碎帶。

3 結(jié)論

本次TBM在斷層破碎帶施工根據(jù)現(xiàn)場的實際坍塌情況和圍巖情況，采用護(hù)盾上方和刀盤輪廓線化學(xué)注漿加固施做止?jié){墻、從護(hù)盾后方施作管棚注漿和護(hù)盾后已支護(hù)段加固等快速處理方法，以及護(hù)盾后方已支護(hù)段加固、護(hù)盾后方施作超前中管棚、護(hù)盾上方和刀盤輪廓線化學(xué)注漿平行作業(yè)方式，較以往處理方法及項目節(jié)約了時間、人工和設(shè)備成本;同時采取先加固的處理方式，保證了施工過程人員和設(shè)備的安全，極大地提高了TBM施工效率。本次敞開式TBM在斷層破碎圍巖帶的快速施工，會給類似圍巖段TBM快速施工提供借鑒和啟迪，建議在以后類似工程采用及推廣。