敞开式 TBM通过不良地质段施工技术

张晓彤

中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁 沈阳 110179

中文摘要：在敞开式TBM掘进施工过程中，不良地质段成为制约施工进度的关键因素。恰当地应用不同施工方法和应急处理措施对不良地质进行处理，确保TBM持续快速开挖，加强安全监测，保障施工安全，显得尤为关键和重要。本文主要对塌方、涌水两种不良地质情况采用的施工措施进行详细分析，阐述快速通过上述两种不良地质段的施工技术，旨在为此类工程类似情况提供参考意见。

关键词：敞开式TBM施工；塌方；涌水；管棚；灌浆。

1.工程概况

某地区隧洞引水工程是国家172项重大水利工程之一，隧洞总长58.528km，TBM施工段长39.76km，剩余为钻爆法施工。采用两台TBM施工，其中2-6支洞控制段上游采用TBM施工，圆形断面，开挖直径5.17m，上游TBM段总掘进长度10.065km，现已掘进5312m。主洞下游采用钻爆法施工，城门洞型，开挖断面尺寸为5.06×5.41（宽×高）。

#2-6主洞段上游TBM段掘进至桩号W60+833，揭露断层破碎带，受断层影响导致右侧顶拱及边墙发生塌方，塌腔最大深度约4m，局部伴有股状地下水流出，按照Ⅴ类围岩施工，并对塌方段内钢拱架间距进行加密（0.5m～0.9m/榀），对钢拱架采用[10槽钢进行加强支护，采用钢筋排代替钢筋网进行棚护，并对塌腔内进行喷射混凝土。塌方段处理完成后，TBM继续掘进至桩号W60+825，掌子面突然出现涌水，并伴有泥砂，四方现场进行水量确认，涌水量为1535L/min·10m洞长。

2.地质预报

2.1超前地质预报

根据设计图纸、地质资料以及实际揭露的围岩情况，采取TST法与CFC法、钻探法进行地质预报，预报结果如下：

本次预报为引绰济辽2-6支洞掌子面60+825前方100m范围内，通过TST地震波和CFC电磁波法，并结合地质资料的综合分析推断，围岩岩性以花岗岩为主，未发现较大规模断层，但存在多处软弱夹层以及受此影响产生的塌腔。同时发现4处含水带，具体成果如下：

1、60+825～60+795，长度30米。推断该段围岩为强~全风化花岗岩，岩体强度较低。围岩构造发育，呈碎块状，完整性和稳定性较差，特别是在60+820~60+810，60+808，60+800附近受当前坍塌以及岩体破碎影响，呈现局部空洞。该段围岩地下水分布不均，60+820~60+814之间较多，呈股状涌水，60+814~60+800之间地下水较少，以滴水~线状为主，60+814~60~810之间地下水略有增多，或为线状~股状。施工中易发生坍塌，有发生突水突砂可能，应及时并严格按V类围岩支护；

2、60+795～60+775，长度20米。推断该段围岩为中~微风化花岗岩，岩体强度较高。围岩节理裂隙稍发育，呈大块状，完整性和稳定好。地下水较少，以潮湿~滴水为主；施工中易发生掉块，应及时并严格按III类围岩支护；

3、60+775～60+725，长度50米。推断该段围岩为强~中风化花岗岩，岩体强度较低。围岩构造发育，完整性和稳定性差，在60+773~60+762、60+747~60+740之间或为全风化软弱夹层。大部分区域地下水稍多，以滴水~线状为主。在上述软弱夹层区域，地下水稍多，或呈线状～涌水状。施工中易发生坍塌，有发生突水突砂可能，应及时并严格按V类围岩支护。

2.2超前探孔

根据超前预报结果，掌子面前方30m为破碎带，存在富水情况，有塌方和涌水风险，为进一步探明掌子面前方地质情况，准备采用超前探孔探明，由于洞室内空间狭小，主梁上部安装钻机相对困难，选择在主梁进人孔安装潜孔钻机（钻机型号H20100A），拆除一把中心刀（1#-3#刀），超前钻孔位置位于洞轴线以下0.2m处，超前探孔情况见下表。

超前探孔情况说明

超前探孔情况：超前钻总进尺7m，夹钻停止钻孔。4m厚为破碎带，5.5m钻孔出现夹泥层，6m出现出水，水量不大，4.0m～4.5m位置，出现钻头突进情况，推断该段为软弱夹层或断层破碎带，围岩裂隙发育，局部岩石岩质软弱，整体呈破碎状。

3.塌方涌水处理方案

根据洞内塌方涌水情况，特别是涌水量无消减，进行塌方涌水处理首要前提是治水。地表具备地表阻水灌浆实施条件。又对TBM主梁上部实施超前管棚作业空间进行钻机模拟布置，也具备管棚实施空间。故采用洞内超前管棚为主，洞外地表阻水灌浆为辅的处理方案。

3.1地表阻水灌浆

由于洞内TBM掌子面前方出现塌方及涌水，且掌子面前方塌方及涌水情况不明，进行地表阻水灌浆，以起到阻水及固结围岩效果，防止淹机及卡机风险。

采用地表钻孔，对隧洞洞身附近围岩进行灌浆阻水，灌浆范围暂定38m，桩号W60+830～W60+792，灌浆孔间排距均为3.0m，梅花形布置，暂定灌浆范围洞顶以上8m，洞底以下3m，灌段长16.17m，根据探孔情况，若出现水量过大或岩体破碎，灌浆孔加密确保阻水效果，采用水泥注浆，必要时采用水泥+水玻璃双液灌浆，每排分二序施工，排内先灌Ⅰ序孔后灌Ⅱ序孔。考虑该部位塌方，压力不宜过大，暂定I序孔灌浆压力0.8MPa左右；II序孔灌浆压力为1.0MPa左右。

灌浆施工整体思路：“先探后灌，由外到里，由近到远，逐层灌浆”，即施工时先施工探孔，探明灌区的围岩情况及地下水情况，由此确定具体灌浆深度；先灌外圈孔，再灌内圈孔，外圈孔主要起到阻水、隔水作用，施工时由大桩号向小桩号方向施工，逐层加密，确保灌浆效果。

若探孔情况相对较好，属于基岩，则灌浆方法为：灌浆段的钻孔采用潜孔钻钻孔，146mm钢管跟管至基岩进行护壁，然后钻孔至灌段顶高程，下入外径114mm钢管至灌浆孔顶高程，固管待凝后，钻设灌浆段洗孔、压水试验后进行灌浆。灌浆方法为孔口封闭式全孔一次灌浆法，灌浆方式为孔内循环式灌浆。

若探孔揭露断层破碎带，钻孔采用潜孔钻钻孔，146mm跟管至基岩，成孔至灌浆段顶高程，下入外径114mm钢管，固管后，再采用潜孔钻钻孔（孔径90mm），由上而下钻一段，灌一段，灌浆方法为自上而下分段灌浆，灌浆方式为孔内循环式灌浆。分段灌浆长度根据现场施工情况确定。

3.2超前管棚措施

目前掌子面前方已出现塌方，根据超前地质预报及超前探孔资料显示，前方围岩仍呈破碎状，并且岩质软弱，自稳能力差，极不稳定。第一循环拟采用20m长管棚进行超前支护，具体实施长度视钻孔情况进行调整，管棚前端约6m段采用钢花管，注入浆液起到阻水和固结岩体作用，浆液采用水灰比为1：1的水泥浆液，后端采用钢管，钢管内注入浆液凝固后增强管棚强度，同时也防止后端灌入浆液固结住刀盘。

70A管棚钻机布置在TBM锚杆钻机操作平台位置，受主梁上部空间限制，调整钻机仰角约15～17°沿TBM护盾向前方钻孔，采用管径φ108mm，壁厚5mm的钢管，单根管长1.5m，管间以丝扣连接，环向间距30～50cm，管内注浆为水泥浆，压力0.5～1MPa。

管棚钻孔时需要对已经支护好的钢拱架开孔，钢拱架开孔前采用型钢与TBM主梁焊接牢固，确保拱架不能发生变形。由于地质条件差，采用跟管钻进。钻孔过程中要始终注意钻杆角度的变化，并保证钻机不移位，钻进过程中符合钻孔角度是否正确，以确保钻孔方向及管棚棚护效果。

注浆时，先低压、中流量注入，注浆过程中压力逐渐升高，注浆流量逐渐减少，当压力升至终压时，继续灌注5min，在结束该孔灌浆。

为保证施工质量，在实际注浆施工前宜进行现场原位注入试验，确定最优注浆参数等来指导注浆，以保证注浆效果。但由于塌体内有许多块石相互支架，致使塌体内空洞大而多,这些空洞有的直接与塌空区相连，注浆时浆液在压力作用下通过这些空洞泄流至塌空区，而不能在管棚附近均匀扩散，从而使注浆加固带无法形成，为此，根据经验采用间歇注浆法，即当长时间注浆压力上不来时，说明浆液顺空隙泄流至塌空区，这时将浆液凝结时间调整至30～50秒，注浆1～5分钟，停40秒，待原注入浆液初凝变稠后再注，如此反复进行，同时，在浆液中掺加掺和料（如水玻璃等），加快浆液凝结速度，则原先的泄浆通道逐渐变小并最终堵塞，使浆液在管棚周围达到均匀扩散的目的。

4.监控量测

对于塌方段加密布设监控量测点。每天进行2次监测并及时对数据分析。

当变形值达到预警值时，第一时间通知施工现场人员及值班领导，提醒现场施工人员注意施工安全，随后采用预警快报的形式对超过预警的点位进行书面上报。

当变形值达到报警值时，第一时间通知施工现场人员及值班领导，驻地监理代表、监理单位、业主单位。建议施工现场负责人采取必要的措施，并加大监测的频率。随后采用预警快报的形式对超过控制值点位进行书面上报。

当变形值达到报警值后，仍然以较大速率变形时，建议施工现场负责人停止施工，并加大监测的频率，直到日均沉降速率正常、稳定、解除报警为止。

5.结论

该施工地区岩石富水性强，出现涌水情况较为常见，要提前做好预防措施。

（1）布置好排水管路，保证涌水的排放。

（2）超前地质预报与中长期地质预报相结合，及时调整TBM掘进参数。

施工过程中遇到塌方及涌水应采取以下措施：

（1）塌方段处理过程中要点动TBM刀盘以免卡机。

（2）加强支护工作，特别是塌方段的支护工作。

（3）针对掌子面前面不明的情况采用超前探孔探明不能贸然掘进。

（4）超前管棚加固掌子面前方围岩。

（5）对于涌水的处理首先排水，其次采取地表灌浆方式止水。

　参考文献：

[1]中国铁道建筑总公司.《隧道掘进机施工技术》，北京：机械工业出版社，2005.9

[2]编纂委员会.《岩石隧道掘进机（TBM）施工及工程实例》，北京：中国铁道出版社，2004.9

[3]王梦茹.《中国隧道及地下工程修建技术》，北京：人民交通出版社，2010.5