TBM通過斷層破碎帶超前加固方案的經(jīng)濟(jì)合理性比較

姜彪

（中交二公局東萌工程有限公司）

0 前言

斷層破碎帶是由地質(zhì)構(gòu)造造成，在隧道開挖前期中心區(qū)已形成破碎-松散狀態(tài)，圍巖的連續(xù)性基本失去，核心區(qū)地應(yīng)力大部分已松馳或全釋放，離開核心區(qū)的圍巖完整性逐漸變好，地應(yīng)力開始增加，直到原狀圍巖[1]。TBM在通過斷層破碎帶時(shí)，圍巖自身不能自穩(wěn)造成不同規(guī)模的塌方，對TBM掘進(jìn)造成影響，導(dǎo)致被迫停機(jī)。造成停機(jī)的原因很多，如進(jìn)碴量過大，壓死皮帶；松散料塊度大，造成刀盤阻矩過大；持續(xù)進(jìn)碴有無限塌腔趨勢；機(jī)頭趨勢失控；護(hù)盾后支護(hù)及撐靴支護(hù)工作量大，護(hù)盾卡住等。目前TBM應(yīng)對斷層破碎帶的超前加固方式主要包括超前管棚進(jìn)行深孔固結(jié)加固和化學(xué)灌漿淺孔短距離加固。

1 兩種超前加固方式的施工特點(diǎn)

⑴超前管棚深孔固結(jié)加固：此方案不用超前鉆，直接用錨桿鉆機(jī)或地質(zhì)鉆機(jī)在護(hù)盾后造孔，孔徑108mm以上，造孔時(shí)用套管跟進(jìn)，造孔完成后先在套管內(nèi)灌漿將圍巖固結(jié)，再在套管內(nèi)插入鋼筋束，將套管及鋼筋束進(jìn)行灌漿作為管棚。加固一段后再脫固開始掘進(jìn)通過加固段，在第一加固段接近通過后再加固第二段。

⑵化學(xué)灌漿淺孔短距離加固：在遇到塌方卡機(jī)被迫停機(jī)后，在刀盤內(nèi)用小型手風(fēng)鉆對刀盤前方直接打入自進(jìn)式空心錨桿，長度3～5m，利用前護(hù)盾上預(yù)留孔在護(hù)盾后用手風(fēng)鉆及導(dǎo)軌式風(fēng)鉆造6～12m的孔，邊打孔邊注漿，根據(jù)空隙注漿采用雙組份聚胺脂進(jìn)行灌漿處理，化灌后一般不需要待凝即開始脫困并掘進(jìn)，等掘進(jìn)穿過第一個(gè)加固段后再開始第二循環(huán)的加固，如此循環(huán)通過斷層破碎段，加固速度快，循環(huán)時(shí)間短，每次處理距離短，俗稱“短步快跑”。

2 兩種超前加固方式的工法比較

2.1 超前管棚加固

主要流程：施工準(zhǔn)備→圍巖加固和臨時(shí)支撐→管棚工作間擴(kuò)挖→護(hù)盾上部和刀盤部位化灌固結(jié)→管棚鉆孔注漿→擴(kuò)挖段回填→TBM掘進(jìn)。

2.1.1 鉆機(jī)工作間擴(kuò)挖

為滿足超前鉆機(jī)施工要求，需要TBM護(hù)盾后部開挖工作槽，如此部位巖石較好可直接開挖，擴(kuò)挖后視圍巖情況進(jìn)行支護(hù)，如圍巖不好先要對擴(kuò)挖區(qū)進(jìn)行加固，采用L1區(qū)錨桿鉆機(jī)與YT-28風(fēng)鉆在護(hù)盾尾部3.5m（縱向）范圍內(nèi)施作徑向φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，對護(hù)盾尾部圍巖進(jìn)行加固。

擴(kuò)挖施工采用人工配合錨桿鉆機(jī)對圍巖進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖范圍為TBM開挖斷面拱頂180～220°圓形斷面，擴(kuò)挖開挖半徑應(yīng)超過開挖輪廓0.9m，支護(hù)后凈斷面內(nèi)輪廓半徑超過設(shè)計(jì)半徑0.75m，擴(kuò)挖長度為護(hù)盾尾部3.9m。

2.1.2 刀盤前上部松散圍巖化灌封閉

為避免管棚施工注漿時(shí)漿液進(jìn)入刀盤及護(hù)盾部位，需將刀盤前部及上部松散圍巖采用化學(xué)灌漿進(jìn)行封閉灌漿。具體可在刀盤內(nèi)用手風(fēng)鉆造孔，采用φ25自進(jìn)式中空錨桿，孔深超前刀盤2m即可，或在護(hù)盾后部使用鉆桿鉆機(jī)向前造孔，造孔也應(yīng)用φ32自進(jìn)式錨桿，開孔環(huán)向間距為1～1.5m，前部超過刀盤2m以上，采用高發(fā)泡率的雙組份化學(xué)灌漿進(jìn)行灌注，以達(dá)到表面的封閉效果。

2.1.3 管棚鉆孔及注漿

在刀盤前上方封閉灌漿完成后安設(shè)管棚鉆機(jī)，施作φ108管棚，管棚一般采用為P110熱處理調(diào)制管。管棚外傾角為4°，布設(shè)范圍為拱頂180°，環(huán)向間距為30cm，單根長度為25.5m。管棚采用ZM-90管棚鉆機(jī)施工，采用φ108偏心鉆頭鉆孔，跟管送入φ108跟管。造孔完成后進(jìn)行清孔和孔口空隙封堵，并連接注漿設(shè)備對施工完成的管棚進(jìn)行注漿。注漿壓力為0.5～6MPa。注漿完成后重新在套管內(nèi)掃孔清理，完后插入三根φ32螺紋鋼，再注入砂漿最后封閉孔口即可。

2.1.4 擴(kuò)挖段回填及TBM掘進(jìn)

管棚施工完成后，對擴(kuò)挖段按照隧洞設(shè)計(jì)斷面恢復(fù)鋼拱架，恢復(fù)段鋼拱架采用HW200型鋼拱架，榀距0.45～0.9m，繼續(xù)掘進(jìn)采用HW200鋼拱架配合鋼筋排進(jìn)行支護(hù)，拱架間距為0.45c～90cm，施工中根據(jù)圍巖情況適當(dāng)調(diào)整拱架榀距，必要時(shí)在拱架完成后初噴一層混凝土。

2.2 化學(xué)灌漿加固方案

主要流程：化灌準(zhǔn)備工作→造孔、清孔、封孔→雙組份灌漿→脫困、恢復(fù)掘進(jìn)。

2.2.1 化灌加固前準(zhǔn)備工作

化灌前主要準(zhǔn)備工作包括設(shè)備、材料、作業(yè)環(huán)境，具體為鉆孔設(shè)備、化灌泵、化灌材料等，化灌材料根據(jù)加固地層的松散度、環(huán)境溫度及有無地下水流出等情況進(jìn)行選擇，并根據(jù)洞內(nèi)溫度調(diào)整材料添加劑，以獲得合適的膨脹倍數(shù)和開始反應(yīng)和結(jié)束時(shí)間。

2.2.2 化灌造孔及灌漿

化灌孔一般在刀盤內(nèi)及前護(hù)盾后布孔，刀盤內(nèi)利用刀具及鏟刀情況布置，在TBM刀盤內(nèi)腰線以上正面和刀盤上半圓周邊，從刀座、邊刀和鏟刀處鉆孔布設(shè)花管進(jìn)行化學(xué)灌漿，用于固結(jié)刀盤掌子面，鉆孔和布管深度一般為2～4m。

護(hù)盾上布孔雙護(hù)盾利用前盾的預(yù)留孔或用伸縮外盾與前盾的連接部分開孔布置風(fēng)鉆孔，前護(hù)盾鉆孔和下管深度一般為6～12m，隨掌子面圍巖松散情況現(xiàn)場調(diào)節(jié)，以進(jìn)入原狀圍巖3m以上，對于敞開式TBM在護(hù)盾后部圍巖外露部位直接布孔，造孔長度10～15m。對于直徑6～8m的TBM，刀盤在刀盤內(nèi)斜上方，正前方造孔10個(gè)左右，在護(hù)盾位置造孔4～6個(gè)即可完滿足。

化學(xué)灌漿材料主要采用雙組份聚胺脂，主要有加固型和填充型兩類，加固型一般發(fā)泡率較低（3～5倍），強(qiáng)度較高，而填充性發(fā)泡率較高（20倍），而強(qiáng)度較低。在造孔完后用高壓水對孔進(jìn)行沖洗，在孔口再插入1m長4″鋼花管作為封孔管，灌漿工序：鉆孔→沖洗→安裝堵塞→連接灌漿槍→注漿→封孔→檢查孔鉆孔及灌漿→孔位轉(zhuǎn)移。

灌漿壓力按現(xiàn)場試驗(yàn)選定，做到在較短時(shí)間內(nèi)將灌漿壓力上升到規(guī)定的最大允許壓力，以保證灌漿的密實(shí)性和增大擴(kuò)散范圍。化學(xué)灌漿開灌后連續(xù)灌注，不允許中斷。每孔先用高發(fā)泡率材料對封孔短管化灌，再用加固型材料對長孔進(jìn)行正式灌漿，對于孔隙很大或有塌腔時(shí)需要增加發(fā)泡率，并適當(dāng)調(diào)小發(fā)泡開始時(shí)間（20s左右）和終止發(fā)泡時(shí)間（40s左右），對孔隙較小時(shí)采用低發(fā)泡率，并適當(dāng)延長終止發(fā)泡時(shí)間，以提高灌漿效果。對于長管化灌，化灌發(fā)泡開始時(shí)間為60s左右，終止發(fā)泡時(shí)間為120s左右。

3 兩種超前加固方案的經(jīng)濟(jì)合理性比較

3.1 施工功效比較

管棚法需要人工開挖工作槽并進(jìn)行必要的支護(hù)，在圍巖好時(shí)，人工開挖工作槽需要約15d；為避免掌子面竄漿，在進(jìn)行深孔水泥灌漿時(shí)需要對掌子面松散圍巖用化灌進(jìn)行封閉，化灌封閉工序需要約3d；由于管棚之間間距在30～50㎝，因此每個(gè)管棚一般至少需要施工20～30個(gè)孔，管棚孔深一般在25～30m，管棚鉆孔注漿工序一般需要約20d；加固完成后脫困前準(zhǔn)備工作和待凝時(shí)間需要約3d時(shí)間；TBM掘進(jìn)通過加固段需要約7d。因此，從人工開挖工作槽、化灌封閉、管棚施工、掘進(jìn)通過，綜合一個(gè)循環(huán)下來需要約48d，管棚有效加固長度約為22m，折合綜合功效為0.46m/d。

化學(xué)灌漿準(zhǔn)備工作較簡單，一般需要約1d；鉆孔工程量按照15～18個(gè)計(jì)，后續(xù)鉆孔及灌漿需要約1.5d；化學(xué)灌漿后一般不需要待凝即開始脫困并掘進(jìn)，TBM脫困及通過加固段一般需要0.5d，因此化學(xué)灌漿加固每個(gè)循環(huán)需要約3d；化學(xué)灌漿有效加固長度約為3m，折合綜合功效為1m/d。

可見，化學(xué)灌漿加固效率高于超前管棚加固方案。

3.2 成功率比較

從成功率上分析，管棚在造孔完成后必須利用套管進(jìn)行固結(jié)灌漿，即需在隧道頂固結(jié)成聯(lián)拱，如地層裂隙較大，竄漿范圍不可控，或圍巖不吃漿等造成固結(jié)效果不好時(shí)，會(huì)導(dǎo)致TBM在掘進(jìn)通過時(shí)管棚以下的圍巖塌方，管棚上部的破碎圍巖也會(huì)通過管棚的間隙塌下來，管棚也因上面圍巖荷載過大引起跨塌而失效，導(dǎo)致整個(gè)方案失敗。額河引水工程VIII標(biāo)就是在使用管棚方案過大斷層時(shí)因上述因素導(dǎo)致塌方?；瘜W(xué)灌漿只是淺孔處理，化灌材料的竄漿范圍可控，形成結(jié)構(gòu)固結(jié)體的可靠性高，相比超前管棚加固方案，化學(xué)灌漿加固方案成功率高。

3.3 施工成本比較

經(jīng)綜合分析，按照超前加固通過20m長斷層破碎帶的同條件考慮，兩種方案人材機(jī)直接成本分析見表1和表2。

由表1、表2可知，雖然化學(xué)灌漿加固在化灌材料成本上高于管棚加固方案，但由于化學(xué)灌漿加固施工速度快，相比超前管棚加固能節(jié)省一半工期，人工和設(shè)備功效高，綜合成本低于管棚加固方案。

表1 超前管棚加固通過20m斷層破碎帶成本分析

表2 化學(xué)灌漿加固通過20m斷層破碎帶成本分析

4 結(jié)束語

超前管棚加固和化學(xué)灌漿加固作為目前應(yīng)用較廣泛的兩種TBM通過不良地質(zhì)加固方案，施工特點(diǎn)各有不同，超前管棚加固相對工藝較復(fù)雜，要求布孔間距和外插角不能太大，且需圍巖的可灌性較好，能在洞頂形成一個(gè)承載拱，此方案在灌漿時(shí)如出現(xiàn)吃漿量很差或漏漿很多造成固結(jié)漿效果差時(shí)，在掘進(jìn)過程中管棚下的圍巖會(huì)出現(xiàn)大量塌方，導(dǎo)致方案失敗。化學(xué)灌漿加固方案相對超前管棚加固可靠性強(qiáng)、成功率較高，雖然在材料成本上高于管棚加固方案，但功效高，綜合施工成本低。從施工功效、成功率及施工成本進(jìn)行綜合分析，化學(xué)灌漿加固方案在經(jīng)濟(jì)合理性上優(yōu)于超前管棚加固方案。