朱文敏,王文明

(中国水利水电第八工程局有限公司,湖南 长沙 410004)

1 引言

TBM作为岩石隧道先进的特大型施工设备，主要应用于铁路隧道工程、水工隧洞工程及地铁区间隧道工程等领域。与隧道(洞)传统钻爆法掘进施工相比，TBM具有安全、快速、利于环保、节省用工、提高工率等优点，目前，TBM通过不良地质地段时可能会发生突泥涌水、塌方卡机等工程安全事故，从而严重影响工程施工安全、质量及工期。因此，对浅埋隧洞敞开式TBM隧道施工进行技术研究尤为重要[1]。

2 工程概况

新疆某输水工程位于新疆北部，为国家水利部重点工程项目，施工内容主要为24.3 km输水隧洞，隧洞分布埋深4～127 m，围岩强度范围适中，但地质条件复杂，Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩与断层破碎带、涌水、软弱岩层交替，隧洞过浅埋冲沟段最小埋深约6 m，穿高速公路段最小埋深8.8 m。其中TBM段总长21.6 km，钻爆段总长2.7 km，设施工支洞1条。主洞采用1台开敞式TBM掘进施工，分为TBM4-1、TBM4-2两段，长度分别12.942 km和8.796 km，TBM开挖直径7.83 m。施工程序为：TBM边开挖边支护，开挖完成后TBM拆除出洞，进行衬砌混凝土施工[2]。本工程合同工期48个月。施工区段划分见图1。

图1 施工区段划分示意

3 输水隧洞特点

(1)掘进距离长：本工程TBM掘进总长21.6 km，分两段掘进，长度分别为12.942 km和8.796 km。TBM单工作面掘进距离长，对设备性能、设备管理、运行管控等要求高。

(2)断层破碎带：在施工区内有多条大小不等的断层，断层破碎带内以糜棱岩与碎裂岩为主，岩体稳定性差，为Ⅳ～Ⅴ类围岩。TBM4-1施工段中f36、f36-1、f41断层规模较大，破碎带宽10～15 m，带内以破碎岩、糜棱岩为主，产状为：50°SE∠85°、50°NW∠80-85°，断层走向与洞线夹角83°～88°，在洞内延伸长度约13～17 m，对隧洞稳定有较大影响。

(2)涌水：主要分布在存在小断层及裂隙较发育地段，隧道段处于裂隙水以下4～125 m处，以基岩裂隙水为主，断层破碎带洞壁会产生线流水现象。其中在桩号102+567～105+246 m段总涌水量达到342～596 m3/h。

(3)软岩：本工程虽未提及发现明显的软岩，但在钻爆法施工段存在断层f34是软岩， TBM施工过程中，实际揭露也存在软岩。

4 超前地质预测预报

TBM隧洞掘进过程中，采取针对性超前地质预报措施，可以有效指导TBM安全、顺利通过断层破碎带、富水地段。通常来讲，超前地质预报可以有效指导隧道(洞)施工采用正确的开挖方法和支护措施，特别是在断层破碎带、软弱岩体及富水地段隧道(洞)掘进过程中作用更为明显[4]。在本输水隧洞地质超前预报实施过程中，主要涉及的内容有以下几方面，即浅埋冲沟段、破碎带、软岩地层和富水地层等，对工程地质灾害可能出现的位置和规模等进行全面探测。超前地质预报方法主要有地质素描、钻探、物探等。

4.1 地震波探测技术

利用地震波在不同围岩中传播速度不同，如遇到断层，其岩体的弹性模量特征变化将产生反射信号，通过评估接收到的信号以确定断层的空间位置。地震波在不同地质岩层界面或岩体中不连续界面传播时，波阻抗会发生变化，此时反射的地震波信号也会不同，当遇到岩体内部有较大破碎带时，反射波的极性会明显反转， 通过对不同反射信号分析，可以判断隧洞工作面前方一定距离不含水不良地质体的性质、位置及规模[3]。地震波成像结果采用确定一个背景场，所有分析都相对背景场进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少分析隧洞前方的地质情况。

地震波的震源点设置和采集接收传感器采用立体分布布置方式，具体布置方法见图2。具体操作程序为：震源点锤击，触发器产生触发信号→基站→基站下达采集地震波指令→远程模块传回地震波数据→主机采集→完成地震波数据采集。

利用地震波探测技术可以对隧洞掌子面前方200 m范围内探测断层破碎带等不良地质分布情况。

图2 震源和传感器的布置方法

4.2 激发极化探测技术

激发极化探测方法是以不含水和含水地质构造的电性参数差异(对含水构造表现为低阻，对完整围岩表现为高阻，)为物理基础，通过在开挖掌子面布置一定数量的测量电极和供电电极，同时在近掌子面的洞壁边墙上布置多圈供电电极，如图3所示。探测时，A、B供电电极供入直流电，测量M、N两个电极间的电势差，从而计算出视电阻率剖面。再通过反演计算，得到探测区域围岩电阻率剖面，同时结合激发极化半衰时之差与反演低阻体体积估算水量，从而达到对探测区域地质含水情况探测的目的。

本隧洞工程探测采用山东大学自主研发的GEI综合电法仪，如图3所示。通过1条多芯电缆连接供电电极A与测量电极M，另外通过1根多芯电缆连接电极B和N，测量时刀盘后退使得刀盘脱离掌子面，推出电极接触掌子面并保证电极与围岩良好耦合。

激发极化探测技术可探测隧洞掌子面前方30m范围内地下水发育情况。

图3 隧洞激发极化超前探测示意

5 浅埋隧洞地表注浆加固处理技术

针对冲沟浅埋断层破碎带地质段，采用地表注浆预加固处理技术进行处理。预加固处理技术工艺流程为：布孔钻孔→钻孔冲洗→压水试验→注浆→封孔。

5.1 布孔钻孔

(1)孔位放样采用GPS测量仪进行分序定位。 孔位与设计孔位的偏差值不得大于10 cm，孔深符合设计规定。实际孔位、孔深做好详实记录。

(2)注浆孔进行孔斜测量，孔底的偏差不得大于0.25 m。

(3)注浆孔采用地质钻机GY100凿岩钻机钻进，钻孔过程中，遇异常情况，详细记录。

(4)注浆孔(段)在钻进结束后，进行钻孔冲洗，孔底沉积石渣厚度不得超过20 cm。

(5)注浆孔按分序加密的原则进行钻进。注浆孔排与排之间和同一排孔与孔之间，分为二序施工[5]。

5.2 钻孔冲洗

钻孔冲洗方法主要有自孔底向孔外大水量敞开冲洗、压力风冲洗或风水联合冲洗，具体通过现场注浆试验确定。

裂隙冲洗：根据不同的地质条件分别采用压力水冲洗、压力风冲洗、风水轮换冲洗。

冲洗水压为注浆压力的80%，大于1 MPa时，则采用1 MPa；冲洗风压为注浆压力的50%，大于0.5 MPa时，则采用0.5 MPa。

裂隙冲洗冲至回水清净后10 min结束，且总的时间要达到相关规范要求。对回水不能达到清净要求的孔段，冲洗至孔内残存的沉积物厚度不超过20 cm为止。

注浆孔(段)裂隙冲洗合格后，立即进行注浆作业，因故中断时间间隔不能超过24 h，否则重新注浆前要先进行裂隙冲洗。

特殊地段：对于地质构造带(特别是断层破碎带、遇水泥化带)，采用自孔底向孔外进行压力风冲洗的方式，避免用水冲洗使破碎岩体遇水泥化造成对裂隙的堵塞，从而影响注浆质量。

5.3 压水试验

压水试验在钻孔冲洗合格后1 d内进行，否则重新冲洗。每个分段在Ⅰ序孔中选5%的注浆孔作单点法压水试验(即Ⅰ序孔总数的20%)，先导孔、灌后检查孔必须进行“单点法”压水试验，其余注浆孔段均进行简易压水试验。压水试验合格标准严格按相关规范执行。

正常压水试验的压力为注浆压力的80%，大于1MPa时，则采用1MPa，遇到特殊情况则按设计通知执行。

5.4 注浆

注浆在洗孔压水验收合格后及时进行。本工程采用分段注浆法，分段段长第一段为4.0 m，第二段及以下为6.0 m；注浆分段同钻孔分段一致，各注浆段注浆结束后不待凝；分段注浆孔采用自下而上、孔内循环分段注浆法，注浆塞置于该段段顶0.5 m处，射浆管距孔底不大于0.5 m。

注浆结束待加深或钻孔结束待注浆时，注浆孔孔口妥善保护，严防污水，污物流入孔内。

除接触段和注入率大的孔段逐级升压外。其它孔段注浆开始后快速使注浆压力达到设计值，为防止岩石面抬动，固结注浆原则上一泵注一孔。当相互串浆时，如串浆孔具备注浆条件，则分别采用一泵一孔同时注浆。否则，安装止浆塞塞住串浆孔，待注浆孔注浆结束后，再对串浆孔进行扫孔、冲洗，再进行注浆。地表注浆见图4所示。

5.5 封孔

当注浆压力达到规定值时，注入率≤1 L/min，继续灌注30 min，即可结束注浆。当长时间达不到结束标准时报请业主、设计和监理共同研究处理措施。

固结注浆封孔采用采用机械压浆封孔法或压力灌浆封孔法，封孔采用浆液水灰比为0.5∶1的浓浆。待凝24 h后清除孔内污水、浮浆，脱空处采用干硬性水泥砂浆封填密实。

图4 TBM隧洞浅埋冲沟段地表注浆

6 不良地质洞段施工技术措施

6.1 软弱破碎围岩洞段施工技术措施

根据围岩破碎程度，出护盾后一般采用TBM上辅助设备安装钢拱架、钢筋排、钢筋网、锚杆进行初期组合支护[6]。

(1)对Ⅲb类围岩，钢拱架采用HW125型钢，间距1.8 m，钢筋排采用Φ16 mm、Φ20 mm 、Φ22和Φ 25 mm 几种钢筋，钢筋网采用Φ10 mm的钢筋焊接成长×宽为 1.5 m×1.5 m，网格间距为200 mm×200 mm而成，锚杆有Φ25 mm砂浆锚杆，长3 m、间距1.5 m。钢拱架与均布的4根锁脚锚杆焊接固定，钢拱架之间采用Φ25mm钢筋纵向连接固定，钢筋排布设在钢拱架与岩面之间，两端与钢拱架焊接固定，形成初期支护系统。

(2)对Ⅳ类围岩支护需要进行加强，钢拱架采用HW150型钢，相邻两榀钢拱架之间的间距由1.8 m 缩小为0.9 m，加密拱架，甚至更小；相邻两榀钢拱架间的连接件由钢筋更换为HW125型钢，锚杆有Φ25 mm砂浆锚杆，长3 m、间距1.2 m。钢拱架与均布的4根锁脚锚杆焊接固定，支护效果如图5所示。

(3)对Ⅴ类围岩，钢拱架采用HW150型钢，相邻两榀钢拱架之间的间距由0.9 m 缩小为0.6 m，加密拱架，甚至更小；相邻两榀钢拱架间的连接件由钢筋更换为HW125型钢，锚杆有Φ25 mm砂浆锚杆，长3 m、间距1.0 m。钢拱架与均布的4根锁脚锚杆焊接固定，拱顶有较大塌腔时，拱顶90°范围增设3 mm薄钢板封顶，并埋设回填混凝土管，支护效果如图6所示。

图5 Ⅳ类围岩支护效果

图6 Ⅴ类围岩支护效果

(4)软弱程度高的围岩支护进行进行加强，钢拱架采用HW150型钢，相邻2榀拱架之间的间距由0.9 m减小为0.6 m，加密拱架，甚至更小；相邻2榀拱架间的连接件由钢筋更换为型钢进行焊接连接，使之形成更加稳固的支护结构；底板60°范围内在钢拱架与岩壁间全面加垫5 mm钢板以增加底护盾及后支撑的接地比压，以利于机头以抬头姿态掘进并防止主机整体下沉如图7所示。

图7 软弱围岩拱架侧面和底部加垫钢板支护效果

6.2 涌水不良地段施工技术措施

根据隧洞地质报告，实际施工时部分施工段出现较大的涌水。当TBM掘进到预测涌水段时首先加大观测密度，根据涌水情况逐渐增加排水泵工作数量，通过排水管道将涌水和生产废水排出洞外。在TBM设备护盾位置除原配套布置的5台总排量为580 m3/h排水泵外，另外在增加2台排水量为200 m3/h的潜水泵作为应急水泵布置在TBM设备桥下方，以应对大涌水极端情况。

6.2.1 涌水量较小时的施工技术措施

掘进中发现水层水流较小，未形成线性流水，掘进可以照常进行，安排专人观察涌水量的变化和抽排水，加快喷混隔阻地下水。

6.2.2 涌水量较大时的施工技术措施

当涌水量较大，喷射混凝土不能有效凝结时，钻排水孔引出地下水，降低水压。用超前钻机沿盾体周边钻排水孔，孔径48 mm，深度15～20 m。排水孔的数量和位置根据水流的情况来判定。在洞壁布置引流管，然后喷混隔离地下水层。观察掌子面岩石没有垮塌现象后，可以恢复TBM掘进施工。反之，如果掌子面出现垮塌现象，则进行更深层的地质处理。

6.2.3 涌水量大时的施工技术措施

在涌水量较大，采用引流喷混等方式处理后，掌子面或洞壁有垮塌现象，采取地层加固和泡沫注浆封堵地下水的施工技术措施。

方法为使用超前钻机在机头四周或涌水集中区域钻孔，梅花形布置，孔深>15 m，间距40 cm通过这些孔安装注浆管。注浆管外露50 cm，四周使用聚氨酯注浆机进行密封封堵。然后使用双液注浆机注入双液浆，灌入岩石缝隙里以封堵岩体水层。完成岩体封堵后，钻部分更深的孔进一步排水，这部分孔深超过注浆孔的深度。

在TBM周围形成一个伞形的加固地层，水进一步引入隧洞中，待隧洞的水压进一步降低后掘进施工重新开始，必要时可以重复进行。

6.2.4 突发巨量涌水时的施工技术措施

当出现突发巨量涌水时，在进行封堵水层同时，原布置排水泵和排水管不能满足排水需求，则安装应急水泵，并利用进水管道向洞外进行强排水。应急水泵加原TBM配套排水泵，总排水量可达980 m3/h，利用原铺设的DN200 mm排水管和DN150 mm进水管改造为排水管，满足隧道最大涌水量596 m3/h的排水要求。

7 TBM掘进参数合理调整

针对围岩强度、裂隙发育情况和岩性，灵活地选择TBM刀盘转速、推力、扭矩等主要操作参数。

(1)在围岩饱和单轴抗压强度100 MPa左右，裂隙发育，掘进速度较快的情况下，刀盘转速选择7 r/min左右，以控制刀盘扭矩为主要指标，刀盘扭矩不大于3000 kN·m为宜，对应贯入度一般在6～8 mm/rev。

(2)在围岩饱和单轴抗压强度120 MPa以上，裂隙不发育，掘进速度较慢的情况下，刀盘转速选择6 r/min左右，以控制总推力为主要指标，总推力不在于18500 kN为宜，对应贯入度一般在3～5 mm/rev，同时增加刀具检查频次，减小刀具的更换磨损极限值。

(3)在围岩比较软，围岩饱和单轴抗压强度50 MPa以下时，要降低刀盘的转速，减小推力，控制贯入度在10 mm/rev左右，同时观察TBM主皮带机驱动液压系统压力不大于100 bar。

根据TBM上述的掘进数据分析，TBM推进总推力不宜大于19000kN。

在Ⅳ、Ⅴ类围岩掘进状态下，采取低转速、小推力前进方式，尽量减少刀盘对围岩的扰动而导致严重的塌方掉块，增加支护难度和清渣工作量，在这两种围岩掘进条件下，必须首先保支护质量和施工安全，TBM掘进速度主要受制于支护速度。同时，需要特别注意撑靴和后辅助支撑部位的钢拱架监护，防止撑靴滑动挤压损坏安装好的钢拱架。

8 结论

通过对浅埋输水隧洞TBM施工技术措施的研究和不断优化，并经过实际施工应用，较好地规避了浅埋输水隧洞TBM施工过程中遇到的各种不良地质地段停机处理风险，实现了TBM安全快速施工目标。目前，TBM第一段掘进距离已接近13 km，即将贯通，未发生因不良地质段施工技术措施不当造成长时间停机处理的事故。因此，本工程浅埋输水隧洞TBM施工的针对性的技术措施，对类似工程隧洞TBM施工具有一定借鉴作用。