安 倉(cāng)

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，新疆833300）

0 引言

目前已有多種樣式的TBM應(yīng)用于地下工程的各種領(lǐng)域，TBM施工具有速度快、安全、可靠和對(duì)環(huán)境影響小等多種優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為長(zhǎng)大隧道快速施工的趨勢(shì)。采用TBM施工的長(zhǎng)大隧道在施工中一般會(huì)穿越斷層破碎帶、強(qiáng)蝕變等不良地質(zhì)段，極易遇到破碎巖層坍塌，嚴(yán)重影響TBM施工進(jìn)度。以往施工項(xiàng)目大多采用側(cè)面導(dǎo)坑法進(jìn)人TBM刀盤(pán)前方清理塌方松散體，或者從護(hù)盾上方通過(guò)導(dǎo)坑清理刀盤(pán)前方松散體，然后TBM步進(jìn)通過(guò)[1]。施工過(guò)程中在破碎帶內(nèi)施做新的導(dǎo)坑，安全風(fēng)險(xiǎn)大，并且因作業(yè)空間限制，大型設(shè)備不能用于施工作業(yè)，多數(shù)情況下采用人工操作，施工進(jìn)度較慢。某引水工程隧洞采用敞開(kāi)式TBM施工穿越斷層破碎帶時(shí)，通過(guò)化學(xué)注漿固結(jié)刀盤(pán)輪廓線和護(hù)盾上方坍塌松散體施做止?jié){墻和護(hù)盾上部180°范圍內(nèi)施作管棚超前預(yù)支護(hù)承住護(hù)盾上部及兩側(cè)洞壁松散體，然后TBM掘進(jìn)通過(guò)的方法，加快了TBM施工進(jìn)度，同時(shí)也保障了施工安全和施工質(zhì)量[2]。

1 TBM施工概況

1.1 斷層破碎帶地質(zhì)概況

圍巖巖性為花崗巖,灰白色，巖體整體破碎，掘進(jìn)完成后露出護(hù)盾?chē)鷰r肉眼無(wú)法判斷裂隙情況，巖體極不穩(wěn)定，露出護(hù)盾?chē)鷰r存在大量松散體，松散體以細(xì)顆粒為主，局部夾雜較大石塊，兩側(cè)及頂拱存在大范圍塌方，部分段落圍巖全斷面破碎。掘進(jìn)過(guò)程中從主梁人孔有大量砂礫和碎石隨著滲水流出。掌子面圍巖松散，停機(jī)后泥沙不再涌出刀盤(pán)，圍巖在刀盤(pán)、護(hù)盾的聯(lián)合作用下自穩(wěn)。施工中對(duì)隧洞內(nèi)涌出砂狀物的物理性能進(jìn)行了篩分試驗(yàn)檢測(cè)：隨著時(shí)間增加涌出物粒徑不斷變大，細(xì)顆粒不斷減少。

不良地質(zhì)洞段圍巖整體出水嚴(yán)重，出水以線流、股狀為主，隧洞出水主要分布于頂拱及右側(cè)，最大出水量達(dá)141.3m3/h，2018年1月28日開(kāi)始逐步穩(wěn)定至50m3/h。

1.2 TBM掘進(jìn)施工簡(jiǎn)述

自2017年10月7日TBM施工進(jìn)入斷層破碎帶后，右側(cè)0點(diǎn)-3點(diǎn)方向一直出現(xiàn)小規(guī)模掉塊塌方。通過(guò)刀盤(pán)掌子面、刀盤(pán)輪廓線、護(hù)盾上方鉆孔化學(xué)注漿加固及初期支護(hù)，TBM仍然可以穩(wěn)步前行。2018年2月27日掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)刀腔內(nèi)大量石渣與水混合物沿主梁進(jìn)人口涌出。涌渣中直徑3cm以下的小顆粒石渣（含細(xì)砂）含量占50%左右，較之前TBM施工進(jìn)入不良地段時(shí)情況類(lèi)似，但細(xì)砂直徑較之前有所增大。3月24日刀盤(pán)每啟動(dòng)15s左右皮帶壓力迅速升高，皮帶壓力達(dá)120bar時(shí)停轉(zhuǎn)刀盤(pán)無(wú)法降低皮帶壓力，皮帶壓力持續(xù)上升直至皮帶壓停，期間主梁人孔處流出的混凝土狀石渣較多，TBM掘進(jìn)被迫停止[3]。停機(jī)后對(duì)刀盤(pán)掌子面、刀盤(pán)輪廓線、護(hù)盾上方鉆孔化學(xué)注漿加固，效果不佳，掘進(jìn)不能正常進(jìn)行。

2 斷層破碎帶管棚施工

加固護(hù)盾后方圍巖，隨著TBM設(shè)備的掘進(jìn)完成鉆機(jī)工作室的擴(kuò)挖，將鉆機(jī)安裝至護(hù)盾后方，采用阿特拉斯1838鉆機(jī)鉆孔對(duì)護(hù)盾上方與刀盤(pán)部位采用化學(xué)灌漿進(jìn)行固結(jié)，采用ZM-90管棚鉆機(jī)施工管棚，管棚安設(shè)完成后進(jìn)行大循環(huán)注漿施工，施工完成后對(duì)擴(kuò)挖段進(jìn)行回填，TBM設(shè)備掘進(jìn)通過(guò)，根據(jù)圍巖破碎情況重復(fù)進(jìn)行此項(xiàng)施工，不良地質(zhì)洞段TBM設(shè)備管棚施工流程詳見(jiàn)圖1。

圖1 不良地質(zhì)洞段TBM設(shè)備管棚施工流程圖

2.1 護(hù)盾后已支護(hù)段加固

2.1.1 護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍圍巖加固

利用L1區(qū)錨桿鉆機(jī)在護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍內(nèi)施作φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿對(duì)護(hù)盾尾部圍巖進(jìn)行加固，錨桿梅花形布設(shè)，采用隔孔鉆孔和間隔注漿，錨桿采用HC材料或水泥漿（無(wú)水段為水泥漿、滲水與線狀出水段為HC材料）進(jìn)行灌注，所有錨桿尾端與拱架焊接牢固[4]。

表1 護(hù)盾尾部2m（縱向）范圍加固具體技術(shù)要求

2.1.2 護(hù)盾頂部圍巖加固

采用YT-28風(fēng)槍對(duì)護(hù)盾頂部施作φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿進(jìn)行灌注，注漿為隔孔灌注。

表2 護(hù)盾頂部加固具體技術(shù)要求

2.2 管棚工作空間施做

根據(jù)管棚鉆機(jī)工作空間需求，對(duì)護(hù)盾尾部3.5m范圍內(nèi)的隧洞上半斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，工作間擴(kuò)挖具體施工順序?yàn)椋壕蜻M(jìn)→擴(kuò)挖→擴(kuò)挖段支護(hù)→掘進(jìn)。

1）掘進(jìn)。護(hù)盾尾部與頂部加固完成后開(kāi)始進(jìn)行掘進(jìn)，掘進(jìn)中需安排專(zhuān)人在主梁上部與下部進(jìn)行看護(hù)，如掉塊塌方嚴(yán)重應(yīng)立即停止掘進(jìn)，對(duì)圍巖進(jìn)行加固后再進(jìn)行掘進(jìn)，每循環(huán)掘進(jìn)長(zhǎng)度不得大于50cm。

2）露出護(hù)盾?chē)鷰r擴(kuò)挖。擴(kuò)挖施工采用人工配合錨桿鉆機(jī)進(jìn)行施工，擴(kuò)挖范圍為拱頂200°，擴(kuò)挖按照“掘進(jìn)1段擴(kuò)挖1段”進(jìn)行，擴(kuò)挖半徑為3.99m，一次支護(hù)厚度為24cm，支護(hù)完成后內(nèi)輪廓半徑為3.75m，擴(kuò)挖長(zhǎng)度為3.5m，具體尺寸如圖2。

3）擴(kuò)挖段支護(hù)。擴(kuò)挖段支護(hù)主要包括：鋼拱架、錨桿、鋼筋排（鋼筋網(wǎng)）、噴射混凝土，具體施工如圖2所示的擴(kuò)挖段斷面與支護(hù)圖[5]。

鋼拱架安裝。擴(kuò)挖完成后人工配合拱架安裝器安裝鋼拱架，鋼拱架為HW200型鋼拱架，間距不得大于50cm，根據(jù)圍巖情況間距可適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整，鋼拱架全環(huán)采用10#槽鋼進(jìn)行連接，槽鋼環(huán)向間距為50cm。上、下部分鋼拱架需位于同一斷面，采用HW200型鋼連接后施作50cm厚C30混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)，上部拱架伸入混凝土內(nèi)30cm。鋼拱架拱頂180°適當(dāng)安裝鋼筋排，未安裝鋼筋排位置安裝15cm*15cm鋼筋網(wǎng)。

錨桿。系統(tǒng)錨桿：系統(tǒng)錨桿為φ25自進(jìn)式錨桿，布設(shè)范圍為拱頂180°，間距為1m，排距為1.5m，梅花形布置，錨桿長(zhǎng)度為6～7.5m，入巖1m。鎖腳錨桿：鎖腳錨桿上半部分采用φ42自進(jìn)式錨桿，下半部分采用φ25自進(jìn)式錨桿，布設(shè)于上、下部分拱腳位置，每環(huán)拱架共計(jì)布設(shè)8根，錨桿與鋼拱架呈“L”形連接，錨桿長(zhǎng)度為6～9m。錨桿注漿：錨桿注漿類(lèi)別、壓力、配合比與護(hù)盾后部圍巖加固相同。

混凝土。支護(hù)完成的鋼拱架全環(huán)采用混凝土封閉，混凝土厚24cm，為噴射C30一級(jí)配混凝土。混凝土施工為逐榀施工，拱架安裝完成后未完成混凝土施工前不得掘進(jìn)。

4）掘進(jìn)?；炷两K凝后開(kāi)始進(jìn)行下一循環(huán)的掘進(jìn)，以此循環(huán)進(jìn)行擴(kuò)挖段施工，直至擴(kuò)挖段3.5m施工完成。

5）盾尾一側(cè)擴(kuò)大洞室端頭噴射30cm厚混凝土，開(kāi)始擴(kuò)挖一側(cè)端頭噴射10cm厚混凝土。

2.2 刀盤(pán)輪廓線及護(hù)盾上方施做止?jié){墻

圖2 擴(kuò)挖段斷面與支護(hù)圖

護(hù)盾與刀盤(pán)上部圍巖固結(jié)錨桿為Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿，采用阿特拉斯1838鉆機(jī)進(jìn)行施工，施工中保持水路暢通，及時(shí)通過(guò)水流清理鉆孔內(nèi)巖渣。錨桿施工長(zhǎng)度為10m，錨桿間距為40cm，外傾角為3°。自進(jìn)式錨桿孔壁開(kāi)孔，開(kāi)孔縱向間距為25cm，每個(gè)截面錨桿開(kāi)孔1個(gè)，開(kāi)孔為梅花形布設(shè)，孔徑6～8mm，護(hù)盾尾部1m范圍內(nèi)不設(shè)孔。同時(shí)在刀盤(pán)內(nèi)采用YT-28風(fēng)槍通過(guò)刀孔與刮渣口對(duì)刀盤(pán)上部及掌子面圍巖采用鉆桿鉆孔后插入玻璃纖維錨桿進(jìn)行化學(xué)灌漿加固。錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿進(jìn)行灌注，灌漿壓力、配合比等與擴(kuò)挖施工前圍巖加固化學(xué)灌漿相同[6]。鉆孔完成后立即拆除阿特拉斯1838鉆機(jī)，安設(shè)ZM-90管棚鉆機(jī)。

2.3 超前施做管棚及注漿

在護(hù)盾與刀盤(pán)上方化灌施工完成后安設(shè)管棚鉆機(jī)，同時(shí)采用YT-28鉆機(jī)鉆進(jìn)1米，通過(guò)鉆頭反復(fù)沖擊巖體形成孔洞，安裝Φ146導(dǎo)向管，導(dǎo)向管長(zhǎng)度為1米，外傾角4°，環(huán)向間距為40cm，安裝完成后采用模具復(fù)核，無(wú)誤后采用錨固劑對(duì)孔壁與巖體周?chē)拈g隙進(jìn)行充填。導(dǎo)向管與巖壁間充填物終凝后采用ZM-90管棚鉆機(jī)進(jìn)行安設(shè)管棚施工，管棚布置范圍為頂拱150°～160°，材料為外徑Φ108的熱處理調(diào)質(zhì)管，單根長(zhǎng)度為30m，間距為40cm，每環(huán)共計(jì)23根，管棚布設(shè)于已化灌的Φ25自進(jìn)式中空注漿錨桿中間，鉆孔過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)卡鉆應(yīng)降低推力提高轉(zhuǎn)速[7]。具體施工如圖3所示的棚施工斷面圖。

圖3 管棚施工斷面圖

φ108管棚采用熱處理調(diào)質(zhì)管，護(hù)盾與刀盤(pán)上部的8m不設(shè)孔，8～30m段設(shè)溢漿孔，孔徑12mm，每環(huán)設(shè)2個(gè)孔，環(huán)間距25cm。施工中為增強(qiáng)管棚剛度，在φ108管棚內(nèi)插入三根φ16螺紋鋼，鋼筋預(yù)先在洞外加工為三角形腳架，在插入鋼筋的同時(shí)在鋼筋前端綁扎φ35耐高壓膠管，膠管隨鋼筋一同插入鋼管內(nèi)。采用高壓水通過(guò)膠管對(duì)鉆孔進(jìn)行洗孔，同時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行擾動(dòng)，以便增大圍巖孔隙率，提高持漿量，待管內(nèi)無(wú)石渣或污水流出時(shí)停止注水，采用錨固劑封堵φ108管棚與導(dǎo)向管及導(dǎo)向管與巖壁間的空隙，封堵長(zhǎng)度不得小于50cm。待封堵的錨固劑達(dá)到終凝后，連接注漿設(shè)備對(duì)施工完成的管棚進(jìn)行注漿，安設(shè)管棚施工采用隔孔施作。如圖4所示的管棚內(nèi)部截面圖[8]。

圖4 管棚內(nèi)部截面圖

管棚注漿漿液為HC，孔口注漿終壓為4～6Mpa，注漿時(shí)遵循先稀后濃，先單液漿后雙液漿的原則進(jìn)行間隔、分次大循環(huán)注漿。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)為：孔口注漿壓力為4～6Mpa，且不再吸漿，持壓30min后完成注漿；注漿過(guò)程中安排專(zhuān)人對(duì)護(hù)盾尾部與刀盤(pán)內(nèi)漏漿情況進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)漏漿及時(shí)進(jìn)行封堵，注漿施工采用管內(nèi)大循環(huán)施工工藝，進(jìn)行孔口注漿，利用φ35耐高壓膠管進(jìn)行洗孔、排氣及回漿，具體注漿施工如下：

每根管棚施工完成后，在管內(nèi)插入φ35膠管，插入深度距管底0.5m，使用高壓水泵通過(guò)膠管向管內(nèi)灌水，徹底進(jìn)行洗孔，完成后采用板車(chē)運(yùn)輸HC注漿料至連接橋下方，人工投料，TTQ-200型高速制漿機(jī)制漿，3s-100/20三缸柱塞式變頻注漿機(jī)注HC單液漿，采用孔口壓入式注漿，φ35膠管進(jìn)行排氣，當(dāng)膠管內(nèi)有濃漿流出后，將回漿管插入儲(chǔ)漿罐，實(shí)現(xiàn)循環(huán)灌漿，通過(guò)調(diào)節(jié)注漿機(jī)頻率和止?jié){塞上的進(jìn)漿閥和回漿閥逐步提高注漿壓力，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓，最后關(guān)閉回漿閥進(jìn)行屏漿和閉漿，每次灌注完畢后30min，再次對(duì)該管進(jìn)行二次注漿，完成后注入雙液漿進(jìn)行封孔。當(dāng)需要封孔或堵漏時(shí)采用JD380/25型柱塞式計(jì)量泵注HC調(diào)節(jié)劑，在管通過(guò)三通與單液漿匯合。

2.4 擴(kuò)大洞室回填及TBM掘進(jìn)

管棚施工完成后，對(duì)擴(kuò)挖段按照設(shè)計(jì)尺寸恢復(fù)鋼拱架，上半斷面與下斷面鋼拱架焊接完成后采用14#槽鋼進(jìn)行滿(mǎn)焊加固，每端焊接長(zhǎng)度不得小于15cm。按照設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行鋼拱架表面噴射混凝土厚度控制，完成后TBM掘進(jìn)通過(guò)。

TBM設(shè)備向前掘進(jìn)19.2m后開(kāi)始對(duì)露出護(hù)盾尾部的隧洞斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖長(zhǎng)度為3.5m，擴(kuò)挖完成后一次支護(hù)內(nèi)側(cè)距護(hù)盾頂部距離為50cm，擴(kuò)挖段采用HW200型鋼拱架，間距為50cm～90cm，根據(jù)安全監(jiān)測(cè)與圍巖情況對(duì)拱架間距進(jìn)行調(diào)整，噴射混凝土厚度為24cm，擴(kuò)挖段施工完成后再次安裝管棚鉆機(jī)，施工超前管棚，管棚長(zhǎng)度為30m，外傾角為4°，施工完成后TBM掘進(jìn)通過(guò)，以此循環(huán)，通過(guò)斷層破碎帶。

3 結(jié)論

本次TBM在斷層破碎帶施工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際坍塌情況和圍巖情況，采用護(hù)盾上方和刀盤(pán)輪廓線化學(xué)注漿加固施做止?jié){墻、從護(hù)盾后方施作管棚注漿和護(hù)盾后已支護(hù)段加固等快速處理方法，以及護(hù)盾后方已支護(hù)段加固、護(hù)盾后方施作超前中管棚、護(hù)盾上方和刀盤(pán)輪廓線化學(xué)注漿平行作業(yè)方式，較以往處理方法及項(xiàng)目節(jié)約了時(shí)間、人工和設(shè)備成本;同時(shí)采取先加固的處理方式，保證了施工過(guò)程人員和設(shè)備的安全，極大地提高了TBM施工效率。本次敞開(kāi)式TBM在斷層破碎圍巖帶的快速施工，會(huì)給類(lèi)似圍巖段TBM快速施工提供借鑒和啟迪，建議在以后類(lèi)似工程采用及推廣。