宋濤

（遼寧省水利廳沈陽市110003）

1 超前地質(zhì)預報

（1）TSP、HSP、BEAM等方法超前預報。

臨近不良地質(zhì)地段前，及時向監(jiān)理工程師申請，進行超前地質(zhì)預報，提前了解前方的地質(zhì)狀況，主要采用TSP、HSP、BEAM等方法，必要時申請進行超前鉆孔取巖芯。

（2）不良地質(zhì)情況綜合判別。

不良地質(zhì)體在被揭露之前往往表現(xiàn)出一些明顯或不明顯前兆標志，這些標志的出現(xiàn)，預示著隧洞即將臨近不良地質(zhì)體。預測短距離地質(zhì)情況可根據(jù)掌子面出露的巖石情況、皮帶機上渣料的粒徑大小、形狀，地下水的滲漏、掘進機參數(shù)的變化等進行綜合判斷。

●斷層破碎帶前兆標志：節(jié)理裂隙組數(shù)及密度劇增、巖石強度降低、出現(xiàn)碎裂巖、巖石風化相對強烈、泥質(zhì)含量增加等。對于較大斷層破碎帶，TBM在掘進過程中，機械振動加大，在主控室即能聽到掌子面發(fā)出的巨大聲響。嚴重時刀盤被石塊卡住，無法旋轉，巖渣不均，渣中大塊較多，掘進過程中沒有切削細渣。

●突水、突泥前兆標志：節(jié)理裂隙組數(shù)增加、滲水量增大、且常常含有泥質(zhì)物或渾濁。

地質(zhì)工程師、1#皮帶機觀察人員、TBM操作工程師在掘進過程中，一旦發(fā)現(xiàn)上述情況，馬上向現(xiàn)場當班工區(qū)主任和支護班長反映情況，當班工區(qū)主任和支護班長馬上采取相應的措施，及時支護。原則上不良地質(zhì)地段采取保守的支護措施。

2 合理調(diào)整掘進參數(shù)

不良地質(zhì)地段TBM掘進參數(shù)的合理匹配，能夠減少對圍巖的擾動，減輕或防止圍巖出現(xiàn)坍塌，保證順利掘進。一般情況下，推進速度開始為20%，待圍巖變化趨于穩(wěn)定后，推進速度可上調(diào)到45%左右，并控制推力，通常推進速度不能大于2.4 m/h，控制貫入度指標在10 mm/r以下，特別破碎情況下，不能大于1.0 m/h；嚴格觀察和控制驅(qū)動電機電流和扭矩變化范圍；刀盤轉速要適當降低，特別破碎情況下，控制在4.0 rpm以下，達到1#皮帶機輸出的巖渣料流較少，且不連續(xù)的狀態(tài)。

3 不良地質(zhì)段施工處理措施

3.1 斷層破碎帶處理措施

（1）較小斷層破碎帶處理。

TBM掘進過程中，對較小斷層處理，撐靴以上緊貼巖面掛Φ8@100 mm×100 mm或Φ8@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng);打系統(tǒng)錨桿（Φ22、L=2.5 m），錨桿間距（0.8～1.0）m；視情況架立Ⅰ16拱架，間距（1.1～1.2）m，拱架之間打入長錨桿。每環(huán)鋼拱架由五節(jié)弧形構件組成，按照設計尺寸制作，每節(jié)鋼拱架端部焊連接鋼板，相鄰端板采用M20螺栓連接，在2榀拱架間，采用Φ22 mm縱向連接筋（縱向連接筋頂拱間距1 m，仰拱和邊墻間距1.5 m），鋼拱架接頭處施作鎖腳錨桿，鋼架與錨桿焊牢，將鋼架鎖定到洞壁上。鋼拱架應緊貼巖壁，有間隙時按2 m間距設楔形塊擠緊，拱架與坍塌圍巖間設型鋼支撐。

必要時，立即進行噴射混凝土，及時封閉巖石。

（2）刀盤頂護盾上方圍巖塌腔處理。

開挖后刀盤頂護盾段上方圍巖出現(xiàn)部分崩塌或局部掉塊時，主要采用Φ22、L=2.5 m錨桿，掛鋼筋網(wǎng)（Φ8 100 mm×100 mm），將錨桿頭與鋼筋網(wǎng)焊接為一整體，再噴射混凝土。

開挖后圍巖在刀盤或刀盤頂護盾處出現(xiàn)較大坍塌時，必須停機處理。先人工采用長6 m的4”鋼管清撬護盾頂部危石，再進行人工超前噴混凝土（將隨機安放在材料平板小車上的干噴機沿軌道推到第一節(jié)主梁下部），隨后架立I16環(huán)形鋼拱架（間距0.6 m），施作系統(tǒng)錨桿（Φ25 L=3.0 m間距0.8 m），并在鋼拱架與圍巖之間鋪設焊接1.5 mm厚鋼板封閉塌腔，然后鋪設焊接鋼筋網(wǎng)（Φ8 150×150 mm）便于噴射混凝土施工，再用Φ22鋼筋縱向焊接在相鄰鋼拱架之間支撐上面的鋼板和網(wǎng)片（特殊情況下可采用型鋼縱向焊接），環(huán)形拱架隨刀盤前進，逐榀架立，從鋼板預留的灌漿口回填C25混凝土至鋼板與塌腔圍巖之間，回填密實使塌腔與周圍巖石連危一體，待混凝土初凝穩(wěn)定后，重新開始掘進。

（3）刀盤側護盾兩側出現(xiàn)圍巖塌腔。

TBM刀盤側護盾兩側巖石坍塌、掉落，一般小面積的軟弱結構，調(diào)整掘進參數(shù)TBM就可順利通過；如果巖石特別破碎時，應該視情況，采取打錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土，確保撐靴穩(wěn)固支撐，順利掘進。

當兩側發(fā)生較大坍塌時，造成TBM撐靴無法支撐，必須停機處理：

方案一、首先清理危石，利用臨時安放在材料小車上的干噴機對塌腔及其周圍噴100 mm厚混凝土，然后架立I16鋼拱架(間距0.6 m～1.2 m)，在拱架與塌腔之間用1.5 mm厚鋼板封閉，用棉紗封堵漏洞，再用C25混凝土回填塌腔，使回填混凝土與圍巖連成一體，密實后整個鋼板外圍焊接鋼筋網(wǎng)（Φ8 150 mm×150 mm），再噴射（80～120）mm厚混凝土，待混凝土初凝后方可掘進（必要時可在混凝土中摻加速凝劑，減少等強時間）。

方法二、人工清理危石后，利用臨時安放在材料平板小車上的干噴機對塌腔極其周圍噴100 mm厚混凝土，間隔（0.6～1.2）m安裝短格柵與錨桿焊接，短格柵間焊接鋼筋網(wǎng)（網(wǎng)格150 mm×150 mm），要求鋼筋網(wǎng)帖靠噴射混凝土表面,再次噴射混凝土(80 mm～120 mm厚)將鋼筋網(wǎng)埋入,向塌腔內(nèi)填塞砂袋，確保撐靴穩(wěn)固支撐，順利掘進后，再將填塞砂袋取出，重新采用機械手噴射一定厚度的混凝土。

（4）較大斷層破碎帶或Ⅴ類圍巖處理。

較大斷層破碎帶及Ⅴ類圍巖處理措施：根據(jù)超前地質(zhì)預報的成果，結合掘進過程中觀察到的各種不良現(xiàn)象進行綜合分析，確認處于較大斷層破碎帶或Ⅴ類圍巖地段時，應本著保守支護的原則，采用超前處理的措施。利用TBM配備的錨桿鉆機在拱部120°范圍內(nèi)布設超前錨桿Φ25、L=6.0 m；圍巖十分破碎時，可選用超前小導管注漿或管棚等方法進行超前支護。隨TBM掘進，人工清理局部危石，人工先在洞壁上噴一層C25混凝土，厚100 mm，盡早封閉圍巖。利用鋼拱架安裝器布設I16鋼拱架，間距為0.6 m；鋼筋網(wǎng)采用Φ8@100 mm×100 mm；再利用錨桿鉆機在環(huán)向240°范圍內(nèi)（人工采用手風鉆實施下部120°范圍）布設系統(tǒng)錨桿Φ25、L=3.0 m，間距0.8 m；混凝土噴射機械手在隧洞環(huán)向320°范圍內(nèi)自下而上復噴C25混凝土至設計總厚度（160 mm）。如果底部巖石也破碎，應及時封閉仰拱。

3.2 超前支護

在Ⅳ類、Ⅴ類圍巖等自穩(wěn)時間較短的不良洞段施工時，需進行超前支護。超前支護的方法視不良地質(zhì)情況有超前錨桿、超前小鋼管支護、超前小導管注漿加固、管棚支護。具體施工方法如下：

（1）超前錨桿的施工方法。

超前錨桿一般布置在拱部120°范圍內(nèi)，必要時也可在邊墻局部布置，沿指型護盾間鉆孔。與鋼拱架配合使用，其尾部一般置于鋼拱架腹部，或在系統(tǒng)錨桿尾部設置環(huán)向鋼筋，將超前錨桿尾部與環(huán)向鋼筋焊接牢固。

超前錨桿采用“先注漿后安裝錨桿”的程序進行施工。沿開挖輪廓線測量放點后利用TBM上配備的錨桿鉆機鉆孔，超前錨桿采用Φ25鋼筋，錨桿長度為6 m，鉆孔孔徑為42 mm，外插角10°，超前錨桿環(huán)向間距（30～40）cm，鉆孔后采用早強水泥砂漿進行滿孔注漿，并立即將錨桿插入孔內(nèi)至孔底，在孔口安裝好托板進行固定。錨桿尾部外露長度約（100～150）mm，超前錨桿尾部置于鋼拱架腹部，或設環(huán)向鋼筋將超前錨桿固定，以加強支撐。超前錨桿縱向兩排的水平投影搭接長度不小于1.0 m。見表1、附圖。

表1 超前錨桿布設參數(shù)表

附圖超前錨桿施工方法示意圖

在巖石很破碎情況下，須用邁式錨桿超前施工，它集鉆、注、錨于一體，解決常規(guī)錨桿鉆錨時的塌孔問題，能夠保證復雜地質(zhì)條件下的錨固質(zhì)量。

邁式錨桿超前支護施工方法：

①施工前，沿開挖輪廓線環(huán)向間距30 cm標出錨桿位置。

②檢查錨桿中孔無異物堵塞后，將鉆頭安裝在錨桿一端，另一端通過套管連接在TBM配備的錨桿鉆機上，對準掌子面前方標出的鉆位采用錨桿鉆機鉆孔。

③鉆至設計深度后，用水或高壓風清孔，確認暢通后，卸下鉆桿連接套，保持鉆桿外露長度（10～15）cm。如錨桿加長，用連接套將打入的錨桿與待接錨桿連在一起，然后繼續(xù)鉆進，直到設計深度。

④鉆孔結束后，卸下鉆機，安裝止?jié){塞，通過錨桿外露端將其打入孔口30 cm左右。

⑤注漿時用隨機安放在材料平板車上的型號SGB6-10灌漿泵和漿液攪拌機，灌注水泥砂漿，水泥砂漿水灰比1∶1～0.8∶1。

⑥開動注漿泵注漿，漿液通過錨桿的中空部分注到前端，然后沿周圍空隙倒流回桿尾，直至漿液從孔口周邊流出或壓力表達到設計壓力位置（注漿終壓1～2 MPa）。

⑦一根錨桿注漿完成后，迅速卸下注漿管及錨桿接頭，清洗后移至下一錨桿使用。若停泵時間較長，則在下根錨桿注漿前放掉注漿管內(nèi)殘留灰漿。

（2）超前小鋼管施工方法。

超前小鋼管布置在節(jié)理裂隙較發(fā)育的洞段或圍巖含夾層的洞段中。

①超前小鋼管布設參數(shù)。

超前小鋼管采用直徑Φ32鋼管，長度6.0 m，沿開挖輪廓線環(huán)向布置，環(huán)向間距:Ⅳ類圍巖（40～50）cm，Ⅴ類圍巖：（30～40）cm，外插角10°。

②超前小鋼管安裝。

超前小鋼管鉆孔孔位沿開挖輪廓線測量放點，沿指型護盾間鉆孔?？讖綖?2 mm。小鋼管頂部加工成尖錐狀，小鋼管尾部焊Φ6環(huán)形箍筋，用錘擊或用鉆機頂入孔內(nèi)5.8 m左右，錨桿尾部外露長度約（100～150）mm，縱向兩排的超前小鋼管的水平投影搭接長度不小于1.0 m，洞段斷面的超前錨桿尾部置于鋼拱架腹部，或設環(huán)向鋼筋將超前錨桿固定，以加強支撐。見表2。

表2 超前小鋼管布設參數(shù)表

（3）超前注漿小導管的施工。

在軟弱圍巖地層中施工時，超前小導管用于開挖后拱部不能自穩(wěn)的情況。采用超前小導管支護預加固地層，通過注漿，使小導管周圍巖體固結形成承載殼，在小導管和承載殼的棚作用下，開挖時可有效控制拱頂坍塌，保證安全施工。

①超前注漿小導管的加工。

采用Φ42無縫熱軋鋼管加工而成，長3.5 m，小導管前端加工成錐形，以便插打，并防止注漿時漿液前沖。管壁每隔（10～20）cm交錯鉆溢漿孔（梅花形布置），以防止出現(xiàn)死角，孔眼直徑為（6～8）mm，尾部1.0 m范圍內(nèi)不鉆孔以防止漏漿。鋼管外徑42 mm，壁厚5 mm，接頭采用厚壁管箍，絲扣長度100 mm。小導管末端焊Φ6環(huán)形箍筋，以防止打設時開裂，影響注漿管聯(lián)接。

②小導管的孔位布設。

超前注漿小導管布置在拱部120°范圍內(nèi)，必要時可加大布置范圍，沿指型護盾間鉆孔。沿隧洞縱向周邊線向外以10°外插角鉆孔打入圍巖，環(huán)向間距控制在（300～400）mm，縱向兩排小導管水平搭接長度不小于1.0 m。

③鉆孔。

測量放點后，采用TBM上配備的錨桿鉆機鉆孔，鉆頭直徑不小于42 mm，鉆孔深一般15 m左右。鉆孔結束后，用氣動錘將制作好的小導管頂入圍巖，縱向兩排小導管間水平搭接長度大于100 cm。

④注漿。

注漿前，用高壓風將小導管內(nèi)的積物進行清理。注漿設備采用SGB6-10灌漿泵，可采用水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿灌注。

水泥漿單液注漿：

采用灌漿泵灌注水泥漿，自下而上按孔進行，采用單孔注漿或加工一個分漿器進行多管并聯(lián)注漿，注漿時漿液水灰比選1.5∶1、1∶1、0.8∶1三個等級由稀到濃逐級變換，注漿壓力控制在（0.5～1.0）MPa，根據(jù)需要可在孔口設置止?jié){塞，注漿完后，立即堵塞孔口，防止?jié){液外流。注漿中若發(fā)生與其他孔串漿現(xiàn)象時，將串漿孔堵住，輪到該孔注漿時，拔出堵塞物，若此時該孔仍有漿液外流，則直接接管注漿，否則用高壓風或水沖洗后再接管注漿。

水泥-水玻璃雙液注漿：

水泥漿液和水玻璃漿液分別在兩個容器內(nèi)，按一定配比配制好待用。擬定配比為水泥：水玻璃=1∶1～1∶0.8（水玻璃濃度為30Be～35Be），并根據(jù)實驗確定施工配比和凝結時間，注漿壓力在（0.5～1.0）MPa之間，初擬為0.6 MPa。

小導管注漿后至開挖前的時間間隔，視漿液種類為（4～8）h。水泥-水玻璃雙液漿為4 h，水泥凈漿為8 h。

（4）管棚的施工。

管棚是利用鋼拱架與沿開挖輪廓線向TBM前方打入鋼管構成的棚架，主要用于軟弱破碎巖體、大范圍密集節(jié)理區(qū)、斷層破碎帶等部位，開挖后拱部僅能在很短時間內(nèi)自穩(wěn)的情況下，一般在開挖作業(yè)面頂拱布置，沿指型護盾間鉆孔.在管棚及其承載殼的共同棚架作用下，進行安全施工作業(yè)，能有效地控制拱頂坍塌的發(fā)生。

①管棚布置。

管棚長（15～20）m，沿隧洞斷面環(huán)向布設間距（鋼管中心間距）為30 cm，沿隧洞縱向布設時，縱向兩組管棚的搭接長度控制在（6～8）m。管棚的鋼管分節(jié)組成，每節(jié)長4 m和6 m二種，鋼管內(nèi)徑75 mm，壁厚5 mm，接頭采用厚壁管箍，絲扣長度150 mm，并錯開布置，同一橫斷面接頭數(shù)量不超過50%，相鄰鋼管的接頭相錯量不小于1 m，鉆孔應分為奇數(shù)和偶數(shù)，編號為奇數(shù)的孔第一節(jié)管采用6 m鋼管，編號為偶數(shù)的孔第一節(jié)管采用4 m鋼管。鋼管上間隔25 cm按梅花形鉆Φ8 mm的小孔。

②鉆孔。

TBM施工時利用TBM主機上配置的錨桿鉆機在隧洞拱部進行鉆設超前孔，仰角為12°，孔徑為105 mm，鉆深孔需多次接管。鉆桿連接套與鉆桿同材質(zhì)，兩端加工成內(nèi)螺扣（配合鉆桿首尾端外螺扣），連接套的最小壁厚10 mm。

③頂管。

采用大孔引導和管棚鉆進相結合的工藝，即先鉆大于棚管直徑的引導孔，然后用鉆機的沖擊和推力（頂進棚管時鉆機不使用回轉壓力）將安有工作管頭的棚管沿引導孔低速推進，沖擊壓力控制在（1.8～2.2）MPa，推進壓力控制在（4～6）MPa。

接管后再頂管：第一根鋼管推進孔內(nèi)，孔外剩余（30～40）cm時，開動鉆機反轉，使頂進連接套與鋼管脫離，鉆機退回原位，大臂落下，人工裝上第二節(jié)鋼管，大臂重新對正，鉆機緩慢低速前進對準第一節(jié)鋼管端部，人工持管鉗進行鋼管聯(lián)接，使兩節(jié)鋼管在聯(lián)接套處聯(lián)成一體。鉆機再以沖擊壓力和推進壓力低速頂進鋼管。根據(jù)管棚設計長度，按同樣方法繼續(xù)接長鋼管。

④棚管注漿。

為加強管棚的剛度和強度，按設計將鋼管全部打好后，掏盡鋼管內(nèi)殘渣，進行棚管補強。一般在鋼管內(nèi)注入水泥漿，水灰比控制在3∶1～1∶1之間，注漿初壓（0.5～1.0）MPa，終壓為（1.0～2.0）MPa，注漿結束后用M10水泥砂漿填充，形成鋼管混凝土。

在管棚的支護作用下采用短行程進尺開挖，及時架設鋼拱架，并進行錨噴支護。

4 富水帶的施工技術措施

（1）高壓涌水洞段對TBM施工的影響有：

①由于水壓作用，工作面會坍塌，掩埋刀盤及機體，增大刀盤的扭矩。

②洞壁發(fā)生坍塌時，撐靴無支撐點，TBM不能推進。

（2）涌水處理措施：

處理涌水主要有引排和封堵兩種措施。

①在TBM掘進過程中出現(xiàn)涌水，如涌水量較小，采用TBM設備上的6”水泵進行抽排；當涌水量較大，超過TBM隨機配備6”水泵的抽排能力，啟動應急備用水泵（在TBM上備用了3臺WQ100-80-20-7.5污水泵）將水排至后備套以后，并全部啟動沿線水泵，將水排至洞外。

②如涌水量采用水泵抽排仍得不到控制，TBM停止掘進，采用超前小導管注漿，形成帷幕，加固圍巖。

③根據(jù)超前地質(zhì)預報，當TBM掘進至可能與河流相通的斷層或節(jié)理破碎帶時，施作超前鉆孔，探測鉆孔出水量、水壓、涌水里程等。如水量不大，利用TBM配備的鉆機打排水孔排水。如水量較大、巖石破碎，地質(zhì)條件不允許先排水時，應采用預注漿進行堵水，一次注漿長度（10～15）m，掘進長度為注漿長度的70%～80%，預留30%～20%作為下次注漿的止?jié){盤。

5 結語

采用TMB法施工的隧道，一般洞線較長，不可避免地在某些洞段出現(xiàn)不良地質(zhì)情況，本文總結了處理這些不良地質(zhì)情況的施工技術措施，在實踐中證明是行之有效的，可供類似工程參考。