張俊卿

中鐵隧道股份有限公司 河南鄭州 450001

全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）作為巖石隧道最先進的開挖裝備，在我國已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM的優(yōu)點是可實現(xiàn)連續(xù)掘進，能同時完成破巖、出渣和支護等作業(yè)，具有較高的掘進效率，其掘進速度一般為常規(guī)鉆爆法的3-10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動力等優(yōu)點，特別適合于深埋長隧道的施工[2-4]。但是，TBM施工是一個相對復(fù)雜的系統(tǒng)工程，受眾多不確定因素的影響和制約。目前國內(nèi)外采用TBM施工的很多項目中，其中不少工程項目受復(fù)雜地質(zhì)條件的影響而導(dǎo)致施工受阻，TBM法快速高效的優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮[5-7]。另外，TBM穿越長大灰?guī)r巖溶地層中的施工技術(shù)在國內(nèi)外范疇尚屬缺乏，沒有可借鑒的施工經(jīng)驗。根據(jù)引松供水四標(biāo)段地質(zhì)資料顯示，TBM掘進需穿越7km長的灰?guī)r巖溶段，掘進過程中存在溶蝕溶洞、塌方、突泥涌水等施工風(fēng)險；因此，采取有效的處理措施，保證TBM安全、順利的穿越灰?guī)r巖溶段是該項目工程的重難點，并為今后類似的工程項目提供可借鑒的經(jīng)驗。

1 工程概況

引松供水工程主要是為了解決關(guān)系民生的吉林省中部城市生活及生產(chǎn)用水問題，工程輸水干線全長263.02km，輸水總干線采用自流輸水。吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標(biāo)段位于吉林市岔路河至飲馬河之間，線路樁號48+900m-71+900m，總長度23000m，由中鐵隧道集團有限公司施工。施工平面布置圖如圖1所示。

施工項目主要為隧洞主洞、支洞、調(diào)壓井和豎井的開挖、支護、襯砌、灌漿、封堵及排水等工作。隧洞主洞部分開挖采用全斷面TBM施工為主、鉆爆法為輔的施工方法。其中TBM施工段長為17488m，開挖成洞7.93m，襯砌后平均洞徑為6.8m。鉆爆法接應(yīng)洞段、組裝及檢修洞段總長為5512m。區(qū)間共布置2個支洞、2個通風(fēng)豎井和1個調(diào)壓井，支洞即7#、8#支洞，其中7#支洞長518m；8#支洞投影長1188m。支洞均采用鉆爆法施工，成洞斷面均為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸均為7.2m×6.8m（寬×高）；豎井直徑5.0、6.3m；調(diào)壓井直徑18m。

2 工程與水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

本標(biāo)段斷裂構(gòu)造方向以NE和NW為主，與洞身相交斷層及低阻異常帶39(包括確定斷層17條、物探異常帶19條、遙感解譯斷層3條)處，其中TBM掘進段有32處，按傾向北東向為13條，北西向為7條，南東向7條，南西向12條。分析認(rèn)為Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等斷裂斷層，為阻水或?qū)當(dāng)嗔?，且地處溝谷，有匯水條件，與地表水可能形成聯(lián)系，可能存在斷裂帶的突水、突泥問題。根據(jù)設(shè)計地質(zhì)總剖面圖顯示，灰?guī)r地層巖溶較發(fā)育，存在溶隙、溶槽、溶洞。已探明的溶洞有12處，其中有3處為疑似溶洞。最大溶洞高38.52m，距洞頂5.7m；最小溶洞高6.3m，距洞頂32.5m處。TBM自掘進開始7km為灰?guī)r，巖溶較發(fā)育，實際揭露形式、規(guī)模、大小不一的溶蝕溶洞共計45處；溶洞內(nèi)有的含有充填物，有的無充填物形成空腔，充填物較軟弱，遇水垮塌，且在撐靴部位時，撐靴無法受力；整個灰?guī)r巖溶地層施工中TBM極其容易載頭、盾體被淹埋、無法調(diào)向、撐靴脫空打滑等風(fēng)險，施工難度極大。

2.2 水文地質(zhì)條件

線路區(qū)地表水由松花江水系控制，地表水總體由東南向西北、南向北流。較大河谷有岔路河及其支流石門子河，河水流量受季節(jié)影響較大，其余小河溝、支岔均為季節(jié)性河流。且隧洞在樁號62+273-62+413m從黃榆水庫下穿過，自掘進施工以來，依次經(jīng)歷“2.19涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量達(dá)1200m3/h。

地下水主要靠大氣降水補給，枯水期地表徑流接受地下水補給，豐水期河水短時補給地下水。地下水以淺循環(huán)為主，在可溶巖及斷層部位存在深循環(huán)。線路前半部分山勢較高，地下水多以短徑流，常以下降泉的形式在溝谷低處排出地表。

3 灰?guī)r段巖溶及炭質(zhì)板巖段對TBM施工的影響

3.1 灰?guī)r段巖溶對TBM施工的影響

結(jié)合本段水文地質(zhì)情況分析，總結(jié)本段可能出現(xiàn)的巖溶構(gòu)造和對TBM施工的影響如下：

①小型溶洞群：TBM掘進可能揭露圍巖連續(xù)出現(xiàn)的小規(guī)模溶洞。小規(guī)模溶洞對TBM掘進通過不會造成本質(zhì)影響，但可能出現(xiàn)局部小規(guī)模塌腔、掉塊，造成人員和機械損傷，影響施工。

②大型空洞溶洞：大型空洞溶洞會對TBM掘進造成極大威脅，TBM貿(mào)然掘進揭露這一類型巖溶構(gòu)造容易發(fā)生塌方、卡機事故，造成TBM難以掘進。尤其在隧道下部揭露時，可能產(chǎn)生TBM低頭，甚至掉機的事故。

③大型充填溶洞：由于該段落地下水補給充沛，溶洞充填的可能性很大。TBM揭露大型充填溶洞往往難以避免突水涌泥災(zāi)害，輕者淹沒掘進工作區(qū)域，延誤TBM施工，重者或?qū)е抡谱用婊蚋浇鼑鷰r坍塌等嚴(yán)重后果。

④巖溶管道：本段落沿線斷層破碎帶發(fā)育且地下水豐富，灰?guī)r地層中的巖溶管道很容易聯(lián)通富水?dāng)鄬?。TBM揭露小規(guī)模巖溶管道可能出現(xiàn)洞壁涌水，延誤施工。如果揭露溝通大規(guī)模含水構(gòu)造的巖溶管道甚至地下暗河，人員財產(chǎn)損失將難以估計。

3.2 炭質(zhì)板巖地層對TBM施工的影響

炭質(zhì)板巖，成黝黑色，圍巖軟弱，基本無強度，受力成粉末，遇水泥化容易糊刀盤，堵刀孔，且頂部伴有塌腔、掉塊嚴(yán)重，出渣困難，造成刀盤扭矩過載無法掘進；在轉(zhuǎn)接皮帶處打滑，無法順利出渣，造成場地泥濘；隧洞底部軟化，刀盤載頭等問題。

4 灰?guī)r段巖溶及炭質(zhì)板巖段不良地質(zhì)段處理措施

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報是決定TBM能否安全、順利通過灰?guī)r巖溶地層的關(guān)鍵，可減少TBM在不良地質(zhì)洞段掘進過程中的盲目性，及時采取正確的掘進參數(shù)和支護措施；TBM掘進超前地質(zhì)預(yù)報方法主要采用長短距離相結(jié)合、地質(zhì)素描等多種地質(zhì)預(yù)報相結(jié)合的形式進行探測，通過對探測的結(jié)果對比更能準(zhǔn)確的判斷出掌子面前方的圍巖情況，采取相對應(yīng)的措施使之TBM安全快速的通過。

（1）激發(fā)極化法（短距離預(yù)測）。激發(fā)極化法是電法勘探的一個重要分支，發(fā)生在地質(zhì)介質(zhì)中因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場的物理化學(xué)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測和研究被測對象的激電效應(yīng)進行地質(zhì)探查的一種電法；能探測掌子面前方30m的地質(zhì)情況，對水體比較敏感。（見圖2）

（2）三維地震波發(fā)超前地質(zhì)預(yù)報（即TRT，長、中距離預(yù)測）。TRT的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質(zhì)；可以在破碎巖層內(nèi)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測定位，探測距離為100m。（見圖3）

圖2 激發(fā)極化三維圖像Fig.2 3d imaging of induced polarization

圖3 TRT三維圖像FlG.3 TRT 3d image

（3）地質(zhì)素描。通過對出露護盾的圍巖以及在巖溶地層中通過刀艙內(nèi)的刀孔、人孔對掌子面圍巖進行觀察，繪制地質(zhì)素描圖，與物探的結(jié)果進行對比驗證。

4.2 巖溶地層不良地質(zhì)處理措施

4.2.1 溶蝕及小溶洞群處理措施

2倍洞徑外的溶洞不處理。對TBM掘進過程中揭露出的溶洞和探測出的2倍洞徑內(nèi)未揭露出的溶洞，根據(jù)巖溶型態(tài)大小、充填特征、充填物性質(zhì)、巖溶水量及巖溶與隧洞的位置關(guān)系等采用不同的處理措施。

4.2.1.1 溶蝕及溶洞在拱頂位置

圖4 拱頂溶洞處理措施FlG.4 treatment measures of the arch top solution

溶洞出現(xiàn)在拱頂位置，在溶洞出露護盾前先安裝Φ12或Φ16鋼筋排及I16鋼拱架（間距可選擇45cm、90cm、180cm）進行支護。若溶洞內(nèi)有充填物并伴有掉塊，為防止鋼筋排變形和鋼拱架收斂，將Φ22連接筋改為I16工字鋼與鋼拱架進行縱向連接，必要時減小鋼拱架間距；若溶洞內(nèi)無充填物，待溶洞出露護盾后，采用I16工字鋼支撐一端與鋼拱架焊接，一端頂緊巖面，待I16工字鋼焊接牢固后將φ8鋼筋網(wǎng)片填塞至空腔內(nèi)，采用鐵皮等對溶洞進行封閉并安裝φ42注漿管與排氣管，采用C20細(xì)石混凝土對溶洞溶腔進行回填，并在后配套進行回填灌漿作業(yè)。(見圖4)

4.2.1.2 溶蝕及溶洞在撐靴位置

溶洞出現(xiàn)在撐靴位置時，分兩種情況進行處理：

（1）溶洞內(nèi)含有充填物且較破碎，在TBM撐靴位置安放H150型鋼或I16工字鋼，為TBM撐靴提供足夠支撐力，并提前進行網(wǎng)片掛設(shè)或鋼筋排安裝，采用應(yīng)急噴射混凝土對溶洞位置進行噴射混凝土處理，噴射混凝土厚度與鋼拱架內(nèi)弧面齊平，待混凝土強度達(dá)到要求后TBM慢速掘進通過。

（2）溶洞內(nèi)無充填物，在拱架背部安放H150型鋼或I16工字鋼并焊接，或塞填折疊的φ8鋼筋網(wǎng)片和Φ22鋼筋，并在該處掛網(wǎng)噴射混凝土，噴射混凝土厚度與鋼拱架齊平，待混凝土強度達(dá)到要求時，TBM慢速掘進通過。

4.2.1.3溶蝕及溶洞在隧洞底部

TBM掘進過程中加強對掌子面圍巖的預(yù)判，結(jié)合物探地質(zhì)預(yù)報推斷隧洞底部溶洞存在的可能性及規(guī)模，然后啟用應(yīng)急泵站及管路深入刀盤前方對隧洞底部溶洞進行回填，實現(xiàn)邊回填邊緩慢推進的技術(shù)處理措施。溶洞在隧洞底部時，鋼拱架底部采用I16工字鋼進行縱向連接，防止鋼拱架和軌排發(fā)生不均勻沉降，確保支護和機車運行安全。

4.2.2 溶蝕及溶洞突泥涌水處理措施

施工前編制突泥涌水應(yīng)急預(yù)案，施工過程中結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報判斷突泥涌水的可能性及規(guī)模。發(fā)生突泥涌水后立即啟動應(yīng)急搶險預(yù)案，并及時組織參建各方召開專家會，針對具體情況采取相應(yīng)的處理措施。

突泥涌水處理措施：

（1）進入刀盤探明掌子面圍巖地質(zhì)情況，通過刀孔、人孔及刮渣孔判定涌泥的大小、位置及規(guī)模形態(tài)，TBM每推進0.5m至少觀察1次，同時施做長距離TRT和地表鉆孔。

（2）判定刀盤是否能夠啟動，對刀盤人孔及刮渣孔焊接鋼板局部封堵，減小刀盤開口率以減少出渣量，每次掘進前空轉(zhuǎn)刀盤，將刀盤泥漿清理干凈。

（3）在皮帶倉位置堆碼沙袋墻，防止刀倉里面的泥漿從皮帶倉口涌出，刀倉內(nèi)泥渣從皮帶系統(tǒng)輸送出去，避免影響底部支護結(jié)構(gòu)施工。

（4）調(diào)整掘進參數(shù)：降低掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進推力，避免出渣量大造成皮帶堵死或急停。

（5）加強支護強度：圍巖出露護盾后及時進行封閉并加強支護，采取加密鋼拱架、鋼筋排、工字鋼縱連、噴射混凝土封閉等聯(lián)合支護措施，溶腔內(nèi)灌填混凝土，確保支護強度不留安全隱患。

（6）加強監(jiān)控量測：加強支護完成后，及時布設(shè)監(jiān)控量測點，并加密量測頻率，將監(jiān)控量測數(shù)據(jù)及時反饋，以指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（7）配置應(yīng)急水泵及管路等抽排水設(shè)施，確保抽排水系統(tǒng)具備足夠的抽排水能力，避免TBM設(shè)備被淹風(fēng)險，應(yīng)急搶險期間加強與供電部門的溝通，同時配備足夠的備用電源，確保電力供應(yīng)。

4.2.3 巖溶地層塌方處理措施

遇此類情況，掘進機需停機處理；清理塌落體后，依據(jù)設(shè)計參數(shù)及時安裝鋼拱架（若塌方嚴(yán)重時，可采取拱架加密），拱架間采用I16工字鋼連接；在拱部塌落處鋪設(shè)鋼筋排；為防止坍腔內(nèi)的圍巖進一步垮塌，可采用型鋼支撐加固危巖，型鋼落腳于鋼拱架上；同時利用應(yīng)急干噴機對坍塌處進行噴射混凝土封閉處理，減少巖石暴露時間以及時形成支護體系。為減少后續(xù)變形，利用應(yīng)急干噴機對支護系統(tǒng)鋼支撐進行封閉回填處理。為保證對塌腔內(nèi)的回填密實，在封閉前安裝φ42注漿管與排氣管，采用C20細(xì)石混凝土對溶洞溶腔進行回填，到達(dá)噴漿橋后復(fù)噴砼至設(shè)計厚度，并在后配套進行回填灌漿作業(yè)。（見圖5）

對于撐靴處坍塌較嚴(yán)重部位，則在拱架背后利用上述同樣的方式澆灌混凝土，混凝土回填密實，待混凝土強度達(dá)到要求后方可進行撐靴作業(yè)，然后慢速掘進通過。

圖5 巖溶地層塌方處理措施FlG.5 disposal measures of karst formation collapse

4.3 炭質(zhì)板巖段不良地質(zhì)處理措施

掘進參數(shù)的選擇。在軟弱圍巖地段施工時根據(jù)圍巖特性、輸送皮帶上石碴塊度構(gòu)成情況，選擇合理的掘進參數(shù)，減少對圍巖的擾動。 掘進采用人工手動模式。

5 結(jié)果與討論

引松供水四標(biāo)段通過對超前地質(zhì)預(yù)報、不良地質(zhì)段處理措施的應(yīng)用，在施工中成功攻克了灰?guī)r段溶腔溶洞發(fā)育、圍巖變化頻繁、地層軟硬不均等不良地質(zhì)難題，使TBM成功穿越了7.9km長的灰?guī)r地層，實際揭露形式、規(guī)模、大小不一的溶蝕溶洞共計48處，穿越炭質(zhì)板巖等軟弱地質(zhì)層2處；其中，由于揭露巖溶構(gòu)造依次經(jīng)歷“2.29涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量達(dá)1800m3/h。應(yīng)用本文提出的快速掘進技術(shù)，在超前地質(zhì)預(yù)報工作及時準(zhǔn)確探查的基礎(chǔ)上，及時調(diào)整施工方案，將灰?guī)r段巖溶構(gòu)造和突涌水事故以及炭質(zhì)板巖軟弱段造成的工期延誤大幅降低。自2015年5月底始發(fā)掘進至今，有效掘進時間共計23.7個月，累計掘進17.488m，平均月進尺738m，最高單日進尺70.8m，最高單月進尺1318.7m的較好成績，創(chuàng)造了國內(nèi)首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的開敞式TBM掘進月施工全國紀(jì)錄，同時填補了開敞式TBM成功穿越灰?guī)r地層的國內(nèi)空白，為今后同類別的TBM施工提供了寶貴的經(jīng)驗。

雖然TBM在通過7.9km長的灰?guī)r巖溶洞段取得了一定的施工經(jīng)驗，但仍存在一定的不足。例如，濕噴系統(tǒng)離護盾太遠(yuǎn)不利于前方不良地質(zhì)出露護盾后的及時噴護封閉，建議在護盾后合適位置布置雙應(yīng)急噴護系統(tǒng)及注漿回填系統(tǒng)，滿足大溶洞條件下的應(yīng)急處置。同時應(yīng)急材料能直接從設(shè)備橋運送到護盾尾端。