賀杰

（遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局，遼寧沈陽 110003）

1 概述

遼寧省大伙房輸水工程全長近600 km，設計引水流量75 m3/s，多年平均調水量18.63億m3。工程主體由隧洞和管線段組成，其中隧洞全長超過300 km，2兩條連續(xù)的長大輸水隧洞分別為100 km的有壓洞和130 km的無壓洞，開挖洞徑均為8.5 m，采用TBM為主、鉆爆法輔助的方法進行隧洞開挖施工，共采用9臺TBM同時施工。TBM是一種靠推進并旋轉刀盤,通過盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的現(xiàn)代化的大型隧洞施工設備，集掘進、出渣、初期支護、通風、除塵為一體。該工程洞線長、地質條件復雜多變、TBM施工支護作業(yè)量非常大，針對常規(guī)支護存在的不足，研究采用新型軟弱圍巖支護系統(tǒng)，及時、快速地完成不良地質洞段支護作業(yè)，節(jié)省了人力、物力，有效縮短了支護作業(yè)時間，提高了設備支護作業(yè)效率和設備掘進效率。

2 斷層破碎帶的TBM常規(guī)支護

破碎斷層的處理方法在隧洞施工中占有突出重要的地位?，F(xiàn)有國內TBM設備采用支護方式多為超前注漿鉆機、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)與支設錨桿等，該辦法雖可人為提供一部分外力支撐，但無法保證巖石自穩(wěn)，支設錨桿后出現(xiàn)巖石掉落情況時有發(fā)生；鋼拱架及鋼筋網(wǎng)的配合使用，對頂拱、邊拱區(qū)域圍巖支護可以起到一定作用，但由于支護作業(yè)相對滯后，軟弱圍巖坍塌、收斂變形的情況還是經(jīng)常會發(fā)生。

為控制軟弱圍巖地段巖石坍塌、圍巖收斂變形等地質災害情況的發(fā)生，結合敞開式TBM的特點，在施工中常采用如下支護措施[1，2]。

1）對圍巖超前預加固。針對軟弱圍巖的特點，利用TBM安裝的超前注漿鉆機，對圍巖采用超前管棚注漿或導管注漿，加固刀盤前部和護盾上部的巖石，提高圍巖自穩(wěn)能力，有效控制圍巖初露護盾后的變形，防止圍巖初露護盾后發(fā)生坍塌，保證二次襯砌厚度和施工安全。超前管棚加固一般每段長12 m，在開挖8～10 m后，施做下次管棚。

2）加強初期支護。為有效控制軟弱圍巖的收斂變形，采用錨桿、鋼拱架配合鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉巖石的支護方式，保證頂拱及邊拱區(qū)域巖石穩(wěn)定。局部區(qū)域巖石異常破碎的情況下，可以考慮縮短鋼拱架間距，以加密鋼拱架的方式保證支護穩(wěn)定性。對于噴射混凝土施工，考慮到TBM配備的噴射混凝土系統(tǒng)因設備結構原因距離掌子面較遠，一般在60～70 m，不能隨開挖及時進行混凝土噴射支護，可能造成圍巖變形加大而發(fā)生更大坍塌，一般在主梁附近增加1套手動噴射裝置，在圍巖初露護盾后及時噴射混凝土，封閉圍巖。之后利用TBM配備的噴射系統(tǒng)進行補噴，將圍巖的收斂變形降低到最小。

3）采用邁式錨桿并注漿加固巖石。對圍巖破碎區(qū)、坍塌區(qū)和滲水區(qū)，由于TBM施工時震動較大，造成圍巖松動范圍加大，降低了圍巖穩(wěn)定性，危及設備及人員安全。可采用邁式錨桿并注漿的方式加固圍巖。

4）剝落、坍塌圍巖的處理。由于圍巖軟弱、TBM撐靴部位支撐力不足，或撐靴支撐時打滑，對圍巖造成二次擾動，出現(xiàn)更大面積塌方。一般處理的方案是：當剝落較小時，采用噴射混凝土封閉并噴平，以便提供TBM撐靴足夠反撐力，保證設備正常掘進通過；如塌腔較深，處理時一般先手動噴射混凝土封閉巖石，然后利用已經(jīng)安裝的鋼拱架做為支撐，支立模板灌注混凝土，填平塌腔，避免塌腔繼續(xù)向前方延伸，有效控制臨空面的繼續(xù)擴大，防止造成更大范圍的坍塌，同時也可以保證TBM撐靴順利通過而不會擠壓鋼拱架。

另外通過局部區(qū)域鋪墊薄鋼板并灌注混凝土、水漲錨桿等處理方式，保證圍巖穩(wěn)定。但上述處理方法，大部分需要停機進行，而且施做時間長，對施工影響非常大。且所有處理方式均是在圍巖出現(xiàn)變形后才進行處理，不能有效控制圍巖的變形和變形的進一步發(fā)展。

3 常規(guī)支護存在的問題

當掘進段遭遇不良地質時，圍巖在護盾內易發(fā)生大塊巖石或小塊大量巖石的坍塌，塌落體出露護盾后有直接掉落的趨勢，常規(guī)的TBM護盾后面為了施工的安全加裝了指形護盾。指形護盾屬于懸臂梁結構，塌落體出護盾后直接掉落在指形護盾上造成指形護盾向下彎曲，并且鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片只能在出離了指形護盾才能安裝，這樣造成鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片安裝困難，甚至出現(xiàn)無法正常安裝的情況。由于受TBM的撐靴和推進油缸的影響，鋼拱架的間距控制在900 mm或900 mm的倍數(shù)，安裝鋼筋網(wǎng)片后由于間距過長、網(wǎng)片剛度不足容易導致鋼網(wǎng)片被擠壓下沉或破壞，制約TBM的掘進；另一方面網(wǎng)片下沉，即使后續(xù)施工錨桿或拱架也難以將塌方體支撐至原開挖面之外，導致支護后侵占隧洞凈空斷面，甚至造成襯砌厚度不足的嚴重情況。

圍巖出露護盾后呈大塊度塌方或碎裂化時，因網(wǎng)片剛度和整體性不足，往往在大塊巖碴的擠壓下，拱架或錨桿之間的網(wǎng)片變形或破壞，甚至直接導致網(wǎng)片松散、失去支撐作用，造成塌方體掉落砸損設備和人員。圍巖一旦失去支撐，巖體的破壞將持續(xù)向深層發(fā)展，再進行二次支護難度大、實施困難，嚴重制約TBM進度。

在圍巖破碎和圍巖塌方深度較大的部位施工預應力錨桿，塌方深度較大的部位，可能因為施鉆造成二次塌方或無法進行正常的錨桿安裝，圍巖破碎的地段因塌孔或卡鉆問題，錨桿成孔困難，難以實施預應力錨桿。

4 TBM新型支護系統(tǒng)的研制與應用

由于TBM常規(guī)支護存在諸多問題，因此研究、開發(fā)新型的TBM支護系統(tǒng)，保證在軟弱圍巖洞段支護作業(yè)的正常進行及有效性，是十分必要的。新型系統(tǒng)應能夠為破碎圍巖提供較為及時的支撐，并在此基礎上充分利用圍巖自穩(wěn)性，保證TBM高效、快速掘進。

4.1 新型支護系統(tǒng)組成

根據(jù)工程支護作業(yè)的需求，研究開發(fā)了新型的支護系統(tǒng)。新型支護系統(tǒng)由鋼筋排安裝系統(tǒng)（羅賓斯稱之為McNally系統(tǒng)[3]）、高效鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝機構、錨桿鉆機以及噴混系統(tǒng)組成。

4.2 鋼筋排架支護應對不良地質條件的優(yōu)點

羅賓斯最初設計McNally系統(tǒng)時，采用的頂拱支護材料是木板、木方等柔性材料，通過柔性的木板、木方同時配合鋼拱架，達到支撐開挖后的圍巖頂拱部位形成一個拱形的穩(wěn)定結構，以防止巖石的掉落、坍塌。

在進行新型支護系統(tǒng)方案論證過程中，認為柔性材料無法保證對極松散圍巖的有效支護，同時也不符合國家標準。經(jīng)過與設備制造商的多輪溝通、研究、論證，確定采用鋼筋排的結構作為支護材料。

在不良地質或由節(jié)理切割與構造共同作用產(chǎn)生的碎裂結構地層，可利用鋼筋排與鋼拱架構成鋼筋排架支撐結構，該結構較傳統(tǒng)支護形式鋼筋網(wǎng)與錨桿或鋼筋網(wǎng)、錨桿與拱架結構的剛度、承載力以及完整性等方面更強，并能在破碎巖石出露護盾后的第一時間對破碎巖石進行支護，有效地約束塌方體沿隧洞徑向方向的發(fā)展，抑制圍巖的進一步破壞。

鋼筋排架的剛度較鋼筋網(wǎng)片更強，在安裝過程中，能夠承載更多的塌落巖體，防止了塌落石碴和支護結構發(fā)生較大幅度下沉，保證后續(xù)拱架能夠貼近原開挖邊線進行支撐，從而確保了支撐結構的順利安裝。

鋼筋排架配合鋼拱架支撐結構較常規(guī)的網(wǎng)片與錨桿及拱架結構更加穩(wěn)定、牢固，一次安裝成功率高，大大提高了TBM在不良地質和碎裂結構地段掘進的安全性和掘進效率。

4.3 鋼筋排架的安裝

在掘進過程中，作業(yè)人員提前將φ16 mm或φ22 mm鋼筋排架從護盾尾端插入鋼筋排儲存?zhèn)}內，當TBM掘進至不良地質或節(jié)理切割與構造共同作用產(chǎn)生的碎裂結構地層洞段時，人工將鋼筋排儲存?zhèn)}內的鋼筋排架一端抽出約200 mm，然后利用環(huán)形梁上的拱架安裝器拼裝鋼拱架。拼裝的鋼拱架將鋼筋排架被抽出的一端撐緊至洞壁并焊接在鋼拱架上，隨著TBM向前掘進，利用鋼筋排架與洞壁以及拱架之間的摩阻力使鋼筋排架端頭固定于洞壁，TBM鋼筋排架安裝系統(tǒng)（隨TBM掘進前移）與鋼筋排架被固定的一端發(fā)生相對運動，完成儲存?zhèn)}內的鋼筋排架被拉出并鋪設在巖面上，然后每間距900 mm安裝一榀鋼拱架，鋼筋排架與鋼拱架形成了一種強有力的圍巖支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)支護圍巖及塌方體的作用。采用φ22 mm的鋼筋替換φ16 mm的鋼筋排架，其承載力和剛度更大，可以根據(jù)圍巖塌方的具體情況，進行選用。

5 新型支護系統(tǒng)應用成果

根據(jù)前期地質勘察資料，ygf441斷層位于TBM2-1掘進段樁號40+860-41+060范圍，距6號主支洞交叉口6.5 km,斷層隧洞埋深700～730 m。

前期設計地勘采用地質鉆孔法和物探法進行地質勘探，地質探孔YFK57孔深710 m、YFK21孔深730 m，物探解譯中心破碎帶寬200 m左右，受其影響，次一級小型構造發(fā)育垂直寬316～590 m。其中心部位半泥化狀，碳化明顯，夾雜巖石碎塊，塊徑一般在1～6 cm，局部亦可見構造片巖，沿構造中心部位兩側依次分布斷層碎塊巖、斷層角礫及斷層碎裂巖，斷層碎塊巖及斷層角礫均為泥質膠結。兩側無規(guī)律分布多個節(jié)理密集帶或小型構造，影響范圍較大，對圍巖穩(wěn)定影響亦較大，受該斷層構造影響，巖體一般較破碎～完整性差，巖體多呈碎裂結構～鑲嵌結構。整體上圍巖穩(wěn)定性較差。推測洞室以滴水為主，局部線流。

TBM2從2014年12月15日在41+144正式進入ygf441斷層影響帶，到2015年1月22日（40+912）成功通過該斷層共處理斷層232 m，耗時38 d。掘進過程中，實際揭露的圍巖條件與前期地勘資料所述基本一致，但不穩(wěn)定圍巖在洞周分布范圍有限，而且沿洞軸線呈間斷分布。整個斷層帶揭露的圍巖最差洞段位于41+110-41+050段，尤其41+102處塌方較嚴重，洞室左側及拱頂塌腔深度可達4 m。其余洞段，僅局部出現(xiàn)受構造影響造成的小范圍圍巖破碎、掉塊現(xiàn)象，由掉塊形成的塌腔均在0.5 m以內。

另外，該工程TBM5-1段隧洞已完成7 412 m掘進，利用該系統(tǒng)進行了約970榀鋼拱架及鋼筋排、鋼筋的支護作業(yè)；破碎地層下，最快掘進速度可達每日36.5 m。其它幾臺TBM設備的新型支護系統(tǒng)也在斷層、破碎帶處理方面凸顯了優(yōu)勢。

6 結語

在該工程TBM2掘進通過ygf441斷層時，原計劃4個月通過斷層；在使用新型支護系統(tǒng)后，僅38 d即安全通過斷層，施工過程中無塌方，圍巖無大變形，TBM正常連續(xù)掘進，使用效果非常顯著。

通過工程實踐證明，基于國內外長期隧洞施工經(jīng)驗，研究、開發(fā)全新的新型圍巖支護系統(tǒng)作為TBM工法隧洞施工的新型施工工藝，依靠鋼拱架與鋼筋排、鋼筋網(wǎng)、錨桿等配合使用，有效地保證了開挖過程的支護質量與掘進速度，可以保證及時、快速進行頂拱部位支護。通過在遼寧省大伙房輸水工程上的實際應用，證明該系統(tǒng)可以高效、快速、可靠、安全地完成松散圍巖洞段的支護處理，有效約束塌方體的進一步發(fā)展，與原鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護方式相比支護更及時、支護速度更快、支護效果更穩(wěn)固、安全性更高，大幅度節(jié)省了人力物力、有效縮短了支護作業(yè)時間，為施工單位創(chuàng)造了極大經(jīng)濟價值，在本工程項目取得了非常成功的應用，值得其他工程借鑒。

［1］杜世斌，揣連成.開敞式TBM的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］張軍偉，等.大伙房輸水工程特長隧洞TBM選型及支護系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.鐵道工程學報，2010（03）：61—65.

［3］李曉晗，等.McNally系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應用［J］.水利技術監(jiān)督，2014，22（6）：70—73.