某TBM施工引水隧洞塌方特征與施工方案

肖逸飛

(新疆水利發展投資(集團)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程背景

1.1 工程概況

某特長大埋深隧洞總長約170 km，應用9臺敞開式TBM進行單頭開挖，平均單臺開挖長度為18 km左右，刀盤直徑分別為8.50 m、8.00 m、7.03 m，隧洞埋深在20～800 m之間，綜合縱坡坡比i=1/2587，沿線地形為剝蝕丘陵地貌，地形起伏小，平坦、開闊；地下主要巖類以石炭系安山巖、石炭系火山角礫巖、石炭系熔結凝灰巖、石炭系安山玢巖、泥盆系凝灰巖、泥盆系凝灰質砂巖、泥盆系鈣質砂巖、凝灰巖、凝灰角礫巖、碳質頁巖、華力西期花崗巖閃長巖、華力西期花崗巖、粉砂巖、玄武巖、志留系片理化凝灰巖，華力西期黑云母花崗巖等[1-5]。

本文為第6臺TBM，開挖長度約19 km，該段開挖部位巖性為青灰色、紅褐色石炭系凝灰巖，局部夾薄層狀碳質砂巖，圍巖堅硬、新鮮，巖體較完整，呈厚層狀，揭露巖類情況：Ⅱ類占69.1%，Ⅲ類占26.9%，Ⅳ類占2.5%，Ⅴ類占1.5%。巖石單軸飽和抗壓強度：Ⅱ類為80～140 MPa、Ⅲ類為60～120 MPa、Ⅳ類為35～60 MPa、Ⅴ類<5 MPa。

1.2 地質情況

塌方災害位于159+606.1～159+596.9段，埋深約508 m，位于石炭系凝灰巖與碳質砂巖內。凝灰巖與碳質砂巖接觸面間斜穿洞身，產狀301°NE∠50°～70°，與洞軸線夾角17°。凝灰巖為堅硬巖，塊狀結構，碳質砂巖為中硬巖，薄層或互層狀結構，巖層產狀305°～310°NE∠50°～70°。主要發育兩組節理：(1)順層節理，張開2.0～10.0 mm，充填黑色巖屑，節理面起伏粗糙，延伸長度5～12 m，發育間距一般0.03～0.10 m。(2)35°～40°NW∠40°～60°，張開2.0～8.0 mm，充填黑色巖屑，節理面起伏粗糙，延伸長度0.3～1.5 m，發育間距一般0.05～0.15 m。

該段大多破碎、穩定性差，局部有塌腔發育，另有部分松散巖體堆積在鋼拱架上方，堆積厚度>3 m；在護盾末端1點～2點方向有片狀滴水現象，水量約1～2 L/min。經觀察，刀盤前方巖體均為炭質粉砂巖，巖體破碎，穩定性差，推測護盾內及刀盤前方為Ⅴ類圍巖。

2 塌方特征分析

2.1 塌方經過

TBM掘進過程中，樁號159+606.1～159+601.9段，拱頂2點～3點范圍出現掉塊及小塌方現象，影響深度約2.0 m左右；樁號159+599.9～159+596.9段，拱頂1點～3點范圍發生塌方，通過中空錨桿實測，虛渣層厚度約3～4 m，塌腔最大深度約5～6 m。

掘進至樁號159+591.0時，刀盤扭矩增至4100 kN·m，后退刀盤30cm，采用TBM脫困模式，仍無法轉動，經確認拱頂12點～3點范圍發生塌方，刀盤內集滿巖渣，渣體堆于TBM護盾和刀盤上方及刀盤背部，抱死刀盤。頂護盾壓力187 bar，左護盾壓力89 bar，右護盾壓力95 bar，經清除刀盤內部及背部渣后，采用TBM脫困模式轉動刀盤，間斷轉動出渣約30 min后，扭矩突然增至上限，刀盤無法啟動，查看各部位，頂護盾上方堆積大量巖渣，滾刀前面堆積松散巖體，刀箱及鏟斗附近的松散巖渣較多，刀盤背部堆滿巖渣，繼續進行清渣。采用脫困模式啟動刀盤，轉矩4300 kN·m，連續轉動20 min后，轉矩持續不變，刀盤內集滿巖渣，為防止卡機風險，停工，對該塌方段進行加固處理[6-15]。

2.2 塌方區地質超前探測

為探明TBM掘進前方巖體情況，采用地震波法進行不良地質超前預報，地震波成像如圖1、圖2所示。

圖1 隧洞地震波成像

圖2 隧洞地震側視圖

探測結果顯示，159+591～159+531段落中，反射圖像出現明顯的正負反射，由此推斷該段落圍巖破碎，易發生掉塊和塌腔，應注意加強支護。159+531～159+491段落中，反射圖像局部出現較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖完整性差，局部較破碎，節理裂隙發育，易發生掉塊，局部可能發生塌腔，應加強支護。

為進一步探明TBM掘進前方地下水情況，采用激發極化法進行不良地質超前預報，掌子面樁號159+591，激發極化法成像如圖3所示。

圖3 激發極化法成像結果

探測結果顯示在159+591～159+561段落，三維電阻率圖像中電阻率值局部偏低，推斷該區域圍巖局部易出現滴滲水，局部可能出現線狀流水。

2.3 塌方因素分析

塌方位置處于拱頂位置，屬于頂護盾上方塌方，塌方量較大，擴展迅速，災害發生的主要原因為破碎圍巖地層，地下水對塌方體擴展起到了促進作用。

塌方段圍巖性質較差，TBM對圍巖產生軟化、崩解、膨脹作用，在應力釋放過程中，拱頂上部巖體內部裂隙逐漸發展，出現變形、破壞，引發圍巖塌方，并由于塌方處于薄層或互層狀結構，節理中充填黑色巖屑，塌方體快速擴展，在地下水作用下得到進一步軟化、崩解，同時地下水在細小裂紋滲流并沖刷圍巖，降低結構面膠結作用，促進塌方發生，并使得巖屑迅速集滿刀盤。

3 塌方處理措施

經過深入分析塌方原因，為保證施工安全，確定以“護盾后方加固、化學注漿、固結灌漿、塌腔回填”為處理思路，停機進行塌方處理。

3.1 護盾后方加固措施

盾尾樁號159+597.3～159+605.2段，長度7.9 m，為Ⅴ類圍巖，HW150型鋼拱架間距45～90 cm，鋼拱架之間根據實際情況采用Φ10槽鋼加固連接，型鋼拱架外側由δ=2.0 mm厚鋼板封閉，拱架間空隙內回填C30噴射混凝土，見圖4。采用安裝洞布置的HZS90型拌和站供應混凝土，25 t機車牽引6.0 m3軌行式攪拌車運輸，TBM配備的輸送泵進行回填。

圖4 塌方段加固示意圖

3.2 化學注漿

護盾及刀盤已進入Ⅴ類圍巖破碎帶，大面積塌方體堆積護盾及刀盤上方，刀盤轉動扭矩超限，采用有機化學漿液對拱頂9點～3點范圍及刀盤周圍松散體進行注漿，目的使其松散體通過化學漿液發泡膨脹膠凝固化，對護盾及刀盤周圍一定范圍內形成自然拱保護殼，并且具有一定的強度，可有效地避免后期回填輕質混凝土時對其固結，能夠起到保護作用，故先實施化學預注漿，再行輕質混凝土回填施工?；瘜W灌漿選用組合聚醚多元醇(發泡型)材料?；瘜W注漿孔布置見圖5。

圖5 化學注漿孔布置示意圖

3.2.1 左右側和頂護盾及刀盤周圍化學注漿

在尾盾樁號159+597.9處，沿護盾9點～3點鐘范圍內超前布置中空注漿錨桿，采用YT-28型氣腿式鑿巖機打設，尾部使用專用連接套加長，布置在頂拱180°范圍，與巖面呈15°～25°角，超前中空自鉆式錨桿采用Φ25、L=3 m，Φ32、L=6 m，Φ32、L=9 m三種規格交替布置，中空錨桿環向間距0.2 m，同等規格環向間距0.6 m。施鉆過程中根據實際情況，適當調整錨桿鉆進長度，同時根據漿液擴散范圍靈活掌握孔間距，必要時進行加密布置?；酀{液為組合聚醚多元醇(發泡型)材料。

3.2.2 刀盤刮刀倉內頂拱化學注漿

為進一步固結刀盤周邊松散巖渣，在刀盤刮刀倉內采用G10風鎬頂打Φ25中空錨桿，錨桿孔位視現場能夠實施操作布置，中空錨桿長度根據松散范圍確定?；酀{液為組合聚醚多元醇(發泡型)材料。

3.3 松散體固結灌漿

樁號159+597.3～159+605.2段拱架上方塌方體，經中空錨桿實測，松散體厚度約3～4 m，塌腔深度約5～6 m。護盾及刀盤周圍化學注漿完成后，對該段拱頂12點～3點范圍松散體進行水泥固結灌漿，布置Φ25中空錨桿，采用YT-28型氣腿式鑿巖機打設，間排距2.0 m，根據實際情況進行適當調整，施鉆長度根據松散體范圍確定。灌注水泥單液漿，水灰比0.5∶1，注漿壓力控制在0.1～0.3 MPa，分級升壓，制漿采用ZJ-600型高速制漿機，儲漿采用J-1000型儲漿攪拌機，灌漿采用ZBSB-148型雙液注漿泵，根據現場實際情況調整壓力。松散體固結灌漿孔布置見圖6。

圖6 松散體固結灌漿孔布置示意圖

3.4 塌腔回填處理

化學注漿及松散體灌漿完成以后，對塌腔進行回填輕質混凝土。在盾尾采用YT-28型氣腿式鑿巖機向塌腔內鉆孔，埋設Φ50的回填管及排氣管，角度根據塌腔位置調整，回填管和排氣管間排距控制在3.0 m范圍內，埋設的具體位置及數量根據現場塌腔實際情況進行確定?；靥钶p質混凝土孔布置見圖7。

圖7 回填輕質混凝土孔布置示意圖

輕質混凝土采用ZJ-400型高速制漿機拌制，儲漿采用J-400型儲漿攪拌機，灌漿采用ZBSB-148型雙液注漿泵，輕質混凝土配合比見表1?；靥钸^程中，待排氣管有漿液流出時，確定塌腔已全部填滿，封堵所有回填管管口。

表1 輕質混凝土配合比

3.5 塌方段掘進

3.5.1 TBM出渣

為了減小刀盤轉動阻力，對刀盤前表面及背部堆積石渣進行清理，采用人工清理的方法，輔助工具包括電鎬、撬棍、鐵鍬等。清運石渣流程為編織袋裝渣、人工背運、軌行式牽引車運輸(主支洞交叉口)、人工卸車、裝載機裝車、自卸車運至洞外轉渣場。

注漿結束后，割除刀盤刮刀倉內多余中空錨桿，清空刀盤內鐵器及其他雜物，防止刀盤轉動過程中損傷刀具及皮帶。采用脫困模式，間隔啟動刀盤出渣，防止壓死主機皮帶，待刀盤扭矩降至1500 kN·m以下，判定TBM具備掘進條件。

3.5.2 TBM掘進

TBM掘進時，由于地質條件不明朗，需采用低扭矩、低轉速緩慢通過，刀盤轉速低于2 r/min，貫入度低于5 mm/r；掘進時需時刻關注刀盤扭矩的變化幅度，變化幅度需控制在10%以內，防止出現刀具偏磨和刀刃崩裂。待掌子面磨平后，逐步提高刀盤轉速和推進力。撐靴的撐緊力控制在12 000 kN以上，推進力控制在8000 kN以內。在掘進過程中，撐靴通過密排鋼拱架支護段之前，采用模筑混凝土對撐靴區域進行換填。

3.5.3 初期支護

該段初期支護在Ⅴ類圍巖設計支護參數的基礎上進行補強，將HW150鋼拱架間距縮減至0.45 m，鋼筋排采用Φ20 mm螺紋鋼，環形加密，布置間距5～20 cm，頂拱180°范圍布置。兩榀拱架之間根據實際情況，采用10槽鋼進行連接。

鋼拱架安裝器布置在主驅動后面，安裝在主梁上，縱向可沿主梁上的導軌移動一定距離。鋼拱架分片運輸到位后，由旋轉驅動機構逐節牽引旋轉并用螺栓連接，再用頂部和側部漲緊油缸將拱架從拼裝梁中頂出，貼緊到洞壁上。然后底部開口處用專用漲緊工具將整個拱架張緊到洞壁上，并用連接板將開口連接固定，形成整環鋼支撐。

在頂拱180°范圍使用Φ20 mm的鋼筋排進行支護。在頂護盾及搭接護盾內側設有鋼筋快速支護系統，將鋼筋排在洞外加工車間制作好后，運至安裝位置，將鋼筋排插入頂護盾內側預留的孔內，外露段搭接焊在安裝好的鋼拱架上，隨著TBM地向前掘進，鋼筋排隨著慢慢抽出，并與鋼拱架焊接固定。在一節鋼筋排前段出露護盾之前，插入下一節鋼筋排。

3.5.4 掌子面頂拱化學注漿

掘進過程中，根據刀盤周邊松散巖渣實際情況，在刀盤刮刀倉內采用G10風鎬頂打Φ25中空錨桿，錨桿孔位視現場能夠實施操作布置，中空錨桿長度根據松散范圍確定?；瘜W灌漿液為組合聚醚多元醇(發泡型)材料。

4 結 論

(1) 超前地質預報顯示施工段圍巖破碎，滴滲水，局部有線狀流水，分析得到塌方災害發生的主要原因為破碎圍巖地層，地下水對塌方體擴展起到了促進作用。

(2) 根據塌方特征與原因分析，確定“護盾后方加固、化學注漿、固結灌漿、塌腔回填”處理思路，處理安全、高效，結果表明該思路適用于本文所述塌方的處理，可為類似不良地質條件下的塌方處理提供參考。

(3) 在塌方處理結束后，優化塌方段TBM施工中出渣、掘進、支護和注漿方案，有效避免了因塌方造成卡機的風險，對在類似塌方段施工提供參考。