張 兵， 楊延棟， 孫振川， 馬 亮

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機(簡稱TBM)作為山嶺隧道施工設備，與鉆爆法相比，具有快速、高效、勞動強度低的優(yōu)勢，已成為長大山嶺隧道施工的發(fā)展趨勢[1-3]。但當TBM在破碎地層等不良地質條件下施工時，如處理不當，往往導致TBM被困而無法掘進，嚴重制約TBM施工進度，影響工期。因此，有必要針對破碎地層TBM施工技術與應對方法進行研究。

目前，很多學者針對TBM在破碎地層的施工技術開展了大量的研究。文獻[4-5]針對云南那邦水電站、遼西北供水等工程，介紹了利用鋼筋排支護技術成功穿越斷層破碎帶的案例；文獻[6-7]針對引松供水工程破碎及巖溶地層，采取TBM超前地質預報、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時支護等措施，確保TBM連續(xù)施工；文獻[8-12]針對新疆某引水工程，采用超前地質預報和化學灌漿相結合的方法，在較短時間內實現(xiàn)TBM在斷層破碎帶的脫困；文獻[13-14]針對引漢濟渭工程，采用小導洞結合反向大管棚的施工技術，幫助TBM完成破碎地層的脫困；文獻[15-16]研究了電液混合驅動技術在破碎地層TBM施工中的應用。上述研究針對典型隧道工程提出了針對性的破碎地層TBM施工技術，但對TBM穿越不同程度長距離的破碎地層未能形成系統(tǒng)性的應對方法。高黎貢山隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比超過50%，且需要穿越多段斷層破碎帶，僅靠支護或者加固等單一的處理方法，無法有效解決TBM連續(xù)快速穿越多段破碎地層的難題。

本文針對高黎貢山隧道掌子面前方圍巖破碎的問題，提出掌子面前方化學灌漿加固應對方法、小導洞開挖及超前管棚聯(lián)合TBM脫困應對方法，同時提出護盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM設備改進應對方法；針對破碎圍巖露出護盾后易塌落的問題，提出隧道頂部加強初期支護和化學灌漿、隧道腰部立模灌漿、底部機械化清渣的應對方法。

1 工程概況與問題分析

高黎貢山隧道地質條件極為復雜，具有“三高”(高地熱、高地應力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構造運動、活躍的地熱水環(huán)境、活躍的外動力地質條件、活躍的岸坡淺表改造過程)的地質特征。高黎貢山隧道全長34.5 km，出口段正洞大TBM開挖直徑為9.03 m，計劃掘進長度12.5 km；平導洞小TBM開挖直徑為6.39 m，計劃掘進長度10.6 km。隧道巖性以花崗巖為主，其他巖性包括白云巖、灰?guī)r夾石英砂巖，灰?guī)r、白云巖夾砂巖，變質巖、千枚巖、片巖等；Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比超過50%。巖石設計抗壓強度為5～65 MPa，現(xiàn)場取芯測試抗壓強度最高為86 MPa；地下水以基巖裂隙水為主，全隧預測最大涌水量為41 500 m3/d。目前，破碎地層已嚴重影響了TBM施工進度，Ⅱ、Ⅲ級圍巖TBM掘進速度為45～50 mm/min，Ⅳ、Ⅴ級圍巖TBM掘進速度為20～30 mm/min；破碎程度嚴重的掘進段，刀盤容易被卡、圍巖支護量大、底部清渣比較耗時。

掌子面前方圍巖破碎、垮塌的大塊巖石堆積在刀盤前方，當堆積巖石對刀盤的阻力矩大于刀盤的驅動轉矩時，刀盤被卡死；若破碎地層坍塌的巖石塊徑較小，從刀盤刮渣口涌入刀盤內部，刀盤進渣量急劇增加，堆積在刀盤內，當阻力矩大于刀盤驅動轉矩時，刀盤被卡死；巖渣堆積在主機皮帶機上，當堆積巖渣對皮帶的阻力大于皮帶機的驅動能力時，皮帶被卡死。破碎圍巖出護盾后，若頂部圍巖破碎，當頂部破碎圍巖的重力大于初期支護的支撐力時，導致初期支護下沉或被損壞；若兩側圍巖破碎，TBM撐靴無法支撐，影響TBM正常通過；若支護不及時，破碎巖塊滑落到隧道底部，清渣影響TBM掘進效率。

2 掌子面破碎地層防控方法

2.1 掌子面前方化學灌漿加固方法

2.1.1 化學灌漿管布置方法

對掌子面前方破碎圍巖加固時，首先需要施作注漿管，掌子面前方及徑向注漿是通過刀孔、刮渣口及觀察孔施作。要求刀盤前方注漿管能對掌子面起到預錨固的作用，又能在刀盤開挖時易切割，而破碎地層鉆孔成孔率低，因此采用自進式中空玻璃纖維錨桿。加固范圍以刀盤前方軸向不小于4.0 m，周邊徑向不小于2.0 m為準。自進式中空玻璃纖維錨桿單節(jié)長度為1 m，套管連接，由于刀盤內部作業(yè)空間狹窄，采用手持式風鉆或改造的氣腿式風鉆(氣腿長1～1.5 m)將自進式中空玻璃纖維錨桿鉆進至松散體內。

2.1.2 注漿材料及設備選擇

由于采用水泥類漿液在刀盤前方加固地層容易固結刀盤，且水泥類漿液易被地下水沖刷流失，因此采用化學灌漿進行加固。常用的化學漿液主要有水玻璃類、丙烯酰胺類、丙烯酸鹽類、聚氨酯類、環(huán)氧類、甲基丙烯酸酯類等。高黎貢山隧道化學注漿材料選用聚氨酯類化學漿液，該材料具有良好的親水性，通過專用混料注漿設備將A、B料雙組分按照體積比1∶1注入破碎地層，材料遇水膨脹，生成高強度、高韌性的凝膠狀固結體，其低黏度的特性使其可以滲透進細小的縫隙，達到良好的加固效果。聚氨酯化學漿液包括加固型和堵水型，掌子面前方有水，一般采用堵水型化學漿液。

2.1.3 化學灌漿方法

1)現(xiàn)場安裝好氣動注漿泵，灌漿前進行試運行，檢查各管路是否正常。

2)分別把A料桶和B料桶的進料管和出料管放置于各自的料桶內。

3)慢慢開啟氣動注漿泵進風控制閥，開始工作，此時A、B 2種液料(1∶1)分別在2個料桶中循環(huán)，盡量使A、B料進料管中的氣泡排凈，檢查進料系統(tǒng)和進料配比，確保整個系統(tǒng)正常。

4)系統(tǒng)正常后停泵，安裝灌漿變接頭、連接可曲撓管、安裝混合器、連接注漿管路，開始灌漿。通常情況下，開灌速度選擇中低速，即灌漿泵活塞往復次數(shù)在60次/min左右，確認掌子面工作正常、無返漿現(xiàn)象時可適當提高灌漿速度，灌漿泵活塞往復次數(shù)可提高到80～100次/min，灌漿泵壓力控制在0.5～1 MPa，當灌漿壓力升高和有返漿現(xiàn)象時，根據(jù)施工情況逐步降低灌漿速度，直到最后達到閉漿條件，停止灌漿。

5)灌漿過程中，注漿司機與掌子面注漿操作手間建立實時通訊對講系統(tǒng)，注漿司機要隨時向注漿操作手報告灌漿速度和灌漿壓力，注漿操作手根據(jù)掌子面的灌漿情況決定提高還是降低灌漿速度。

6)灌漿過程中出現(xiàn)異常情況時及時停止施工，灌漿結束的標準是在低速灌漿情況下(活塞往復次數(shù)約30次/min)，漿液從掌子面的裂隙和注漿管四周滲流返回時，停止灌漿(此時灌漿壓力通常會急劇上升，也有部分灌漿壓力無明顯變化的情況)，該灌注孔灌漿完成。

7)灌漿結束后或因異常停止施工時，用A料沖洗混合器與出料口，約10 s。

8)用清質機油清洗氣動注漿泵及其配件，檢查清點附件數(shù)量及其功能。

2.2 破碎地層刀盤脫困方法

2.2.1 小導洞開挖及支護

小導洞布置位置為正拱頂，自盾尾后方2榀拱架之間向上開口進入，小導洞內凈空高度為1.3 m，拱部寬1.2 m，長6.225 m，如圖1所示。采用化學灌漿周邊固結+方木臨時支撐+HW150型鋼支撐架+140 mm槽鋼縱連+鎖腳錨管+超前小導管+噴射混凝土(視圍巖情況)聯(lián)合支護。

圖1 小導洞結構平面圖(單位： mm)

2.2.1.1 小導洞開口

小導洞開口位置選擇在正拱頂最后2榀拱架之間，開口前需對該處及周邊徑向進行化學灌漿加固，然后割除開口處TBM初期支護，人工自下而上開挖。開挖完成后進行初期支護。

為保證開挖過程中開口處上方及周邊巖體穩(wěn)定，對該處巖體進行注漿加固，同時周邊設置1圈鋼插管護壁。開口處正中位置打設1根φ42 mm、長度不小于3 m的注漿管，進行化學灌漿。周邊間距0.45 m位置打設φ76 mm鋼插管(間隔布孔，必要時注漿)，長度不小于3 m，形成1圈圍護支撐體系。

鋼插管及注漿加固后，割除該處TBM初期支護(2榀拱架之間的鋼筋排)，人工采用風鎬向上開挖，開挖分左右2部進行，錯開0.5 m，開挖過程中利用木板及方木做好臨時防護。開挖時如頂部不穩(wěn)定，則對該處進行封堵，重新注漿加固后再開挖。

開口處采用HW150型鋼門架支撐作為支護體系，開挖完成后安裝型鋼支架下部落腳在TBM初期支護拱架外弧面上(將正洞初期支護鋼架間距加密至0.65 m，與小導洞鋼架相匹配)，兩者焊接牢固。支架之間采用140 mm槽鋼連接加固，間距40 cm。同時拱部施作4根φ42 mm鎖腳錨管，長4 m，斜向洞外方向，注化學漿液加固；面向掌子面一側拱部施作4根φ42 mm超前小導管，環(huán)向間距0.4 m，長4 m，外插腳30°(根據(jù)現(xiàn)場空間可適當調整)，注加固型化學漿液。支架加固完成后噴射C25混凝土封閉(視圍巖情況)，噴混凝土與支架內弧面平齊(進導洞處不噴)。

2.2.1.2 小導洞開挖支護

小導洞開挖之前必須先施作超前探孔，單次探孔深度為3 m。小導洞開口處施作完成后，開始向前開挖，單循環(huán)進尺1榀支架0.65 m，導洞開挖采用人工手持風鉆開挖，渣土用小桶倒運至導洞開口處下部放置的手推車內，由人工配合鏟運至材料存放平臺處皮帶機上，定期轉動皮帶輸渣至礦車內運出洞外。導洞開挖過程中采用方木及木板臨時防護，同時上一循環(huán)鋼架支護后，通過鋼架外弧面向開挖方向打設鋼插板(16 mm厚鋼板)，起到超前支護作用。

導洞支護主要為HW150型鋼支撐架，間距為0.65 m，支撐架落腳在護盾上，與護盾焊接牢固。支撐架之間采用140 mm槽鋼連接加固，間距40 cm。拱部施作4根φ42超前小導管，環(huán)向間距0.4 m，長4 m，外插腳為30°，注加固型化學漿液，小導管縱向間距1.5 m。導洞拱部噴射C25混凝土封閉(視圍巖情況)，厚15 cm。

小導洞開挖長度為6.225 m，其中靠近掌子面3.25 m范圍內向兩側擴挖，最后1.328 m拱部外延施作成帽檐形式，利用斜撐固定在后部門架上。擴挖段可以消除管棚外插角，施作水平超前管棚，管棚有效長度及加固范圍增加；利用該空間可以進行刀盤周邊積渣清理，減小刀盤轉動阻力。小導洞開挖完成后如圖2所示。

圖2 小導洞開挖完成后照片

2.2.2 超前管棚

利用導洞擴挖空間，施作φ76 mm超前中管棚對前方圍巖進行加固。管棚施作長度根據(jù)前方不良地質段長度確定，一般單排長度為25～30 m。如在正洞卡機位置，根據(jù)平導破碎段揭示長度及超前地質預報情況初步判斷前方不良地質段長度為12～18 m，超前管棚施作長度為25 m，施作范圍為拱部76°，間距40 cm，共計16根。管棚打設在擴大洞室內，依據(jù)平導不良地質段管棚施作經(jīng)驗，管棚可在TBM開挖外輪廓面以下30 cm處打設(主要考慮鉆機及人員操作高度)，考慮管棚打設過程中前部出現(xiàn)下沉的情況，管棚打設角度取為1°～3°，管棚分節(jié)長度為1.5 m，管節(jié)間采用套管連接接長，相鄰管棚接口位置錯開，錯開長度不小于1.0 m，管棚尾端設置3 m止?jié){段，其余部位梅花形布孔。管棚注漿先試注雙液漿及水泥漿，若漏漿嚴重時換用化學漿液。由于受作業(yè)空間限制，管棚鉆機選擇SKQ100型氣動潛孔鉆。

2.2.3 TBM設備改進

TBM在破碎地層施工時，若護盾與刀盤背面的間隙過大，破碎的巖塊易掉入刀盤背面與護盾之間的間隙而卡死刀盤，如圖3(a)所示。另外，若刀盤刮渣口開口太大，大量破碎巖渣易進入刀盤壓死皮帶機，如圖3(b)所示。為了降低刀盤和皮帶機被卡死的風險，將護盾向前延伸，減小刀盤背面與護盾的間隙，如圖3(c)所示；加密刮渣口限粒板，減少大尺寸巖渣直接進入刀盤，如圖3(d)所示。

(a) 刀盤背面與護盾間隙過大

(b) 大量巖渣涌入刀盤壓死皮帶

(c) 護盾延伸方案(單位： mm)

(d) 刮渣口限粒板加密

3 出護盾破碎防控方法

3.1 破碎地層隧道頂部支護方法

破碎程度低的圍巖出護盾后一般采用TBM配置的鋼拱架、鋼筋排、鋼筋網(wǎng)、錨桿進行初期組合支護，鋼拱架采用HW100型鋼，鋼筋排采用φ14 mm、φ16 mm、φ18 mm和φ20 mm幾種鋼筋，鋼筋網(wǎng)采用φ6 mm和φ8 mm的鋼筋焊接而成，錨桿有φ25 mm中空錨桿和φ22 mm砂漿錨桿，長3 m、間距1 m。拱架與錨桿焊接，鋼筋排兩端與拱架焊接，形成初期支護系統(tǒng)，支護效果如圖4(a)所示。破碎程度高的圍巖支護需要進行加強，鋼拱架采用HW150型鋼，2榀拱架之間的間距由1.5 m減小為0.75 m，加密拱架，甚至更??；2榀拱架間的連接件由鋼筋更換為焊接型鋼，如圖4(b)所示。

(a) 正常支護

(b) 加強支護

對于更破碎的地層，頂部破碎圍巖的重力大，導致隧道拱頂下沉超限，采用在頂護盾下方焊接型鋼豎撐，對護盾回收量進行限位；配置輔助千斤頂，安裝拱架時輔助頂撐，拱架盡可能安裝到位，如圖5所示；初期支護背后空腔及松散圍巖及時灌噴回填和注漿加固。

對于特別破碎的地層，隧道頂部需要采用化學注漿加固，護盾及掌子面松散圍巖注漿加固通過護盾尾部按照1.0 m環(huán)向間距斜向前方打設注漿管，打設范圍為主作業(yè)平臺范圍，前段可呈放射型向兩端擴散，用以增大注漿加固范圍，加固范圍以包含TBM開挖范圍為宜。

盾體上方存在大量積渣，注漿導管需有一定的剛度，適合用于穿過松散體注漿，因此采用鋼注漿管。注漿管可采用自加工的φ42 mm注漿導管，因護盾前方為松散體不能成孔，利用T-28鉆機將前端帶有尖錐的小導管頂入，直至頂不動為止，當導管頂入困難時可將玻璃纖維管作注漿管使用。

(a) 頂護盾增加豎向支撐

(b) 輔助千斤頂撐緊拱架

在盾尾作業(yè)平臺可操作拱范圍內拱部間隔1.0 m打設φ42 mm注漿管。通過護盾后方斜向上前方安裝，風鉆逐節(jié)頂入，2節(jié)之間采用焊接連接，安裝長度直至頂不動為止，且不宜小于4 m。

灌漿順序為由下而上、由深至淺、由一側至另一側。為確保裂縫被完全灌滿，需時刻觀察注漿壓力和進漿量，當注漿壓力趨于穩(wěn)定、進漿量趨于0并能保持5 min及以上時停止注漿，或當裂縫中漿液互竄并從裂縫或者相鄰孔溢出也可認為裂縫被灌滿，停止注漿。待漿液凝固后，將注漿嘴取下，用砂漿封閉注漿孔。注漿結束后，徹底清洗注漿泵體、注漿頭及注漿管路等，以保證下次灌漿工作安全順利進行。隧道頂部化學灌漿效果如圖6所示。

圖6 隧道頂部化學灌漿

3.2 破碎地層隧道腰部支護方法

隧道腰部存在破碎圍巖時，TBM撐靴撐不住洞壁，無法為TBM提供前進推力，為了保證安全通過，對撐靴及周邊0.5 m范圍進行立模灌注混凝土。腰部出露護盾后將木板用鐵絲固定于鋼架上做支撐模板，采用型鋼背檔等輔助固定。混凝土澆筑采用C25混凝土、分段立模分段澆筑的方式，每層澆筑高度不大于2.0 m，上層澆筑在下層混凝土初凝前進行。撐靴以外部位采用應急噴混凝土對圍巖進行封閉，噴混凝土采用C25混凝土，厚度為20 cm?；炷翉姸冗_到撐靴接地比壓后，TBM可順利通過。 隧道腰部立模灌漿如圖7所示。

(a) 立木模

(b) 灌注混凝土后

3.3 破碎地層隧道底部清渣方法

破碎地層隧道底部堆積較多的碎石，如果不能及時清理，會影響頂部仰拱塊及軌道鋪設，影響TBM施工效率。采用機械設備輔助清渣，采用滑移裝載機清渣、反鏟挖掘機清渣；采用底部傳輸機(皮帶機或者螺旋機)將底部巖渣轉入中心皮帶機或者刀盤內。目前高黎貢山隧道正洞大TBM采用履帶式反鏟挖掘機進行底部清渣，效率有所提高。

4 結論與討論

1)針對高黎貢山隧道TBM掌子面前方圍巖破碎的問題，提出了掌子面前方化學加固方法、小導洞開挖及超前管棚聯(lián)合脫困方法，同時提出了護盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM設備改進方法。通過采用上述方法，降低了TBM在破碎地層掘進刀盤被卡的風險；即使刀盤被卡，也能在可控的時間內及時脫困。

2)針對高黎貢山隧道圍巖露出護盾后破碎的問題，提出了隧道頂部加強初期支護和化學灌漿、隧道腰部立模灌漿、隧道底部機械化清渣的應對方法。通過上述方法的實施，有效提高了TBM通過破碎地層的施工速度。

3)上述方法的實施對TBM施工應對高黎貢山破碎地層起到了重要作用，但部分技術還不夠成熟，如底部清渣技術。目前，多個工程嘗試了多種清渣方法，但清渣效果均不理想，還需要進一步研究機械化清渣代替人工清渣的方法。