丁傳全

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司 天津 300300）

1 引言

TBM施工技術(shù)因其具有掘進速度快、環(huán)保、人工投入少等優(yōu)點在我國長大隧洞施工中得到廣泛應(yīng)用[1-4]。然而，隨著我國交通、水利系統(tǒng)的不斷完善，巖爆[5-7]、軟弱破碎帶[8-9]、喀斯特巖層[10]等不良地質(zhì)對TBM施工形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，施工過程中極易發(fā)生塌方、卡機等停機事故[11-12]。因此，依托新疆某引水隧洞工程，深入分析規(guī)模失穩(wěn)、塌方形成成因，結(jié)合塌方空腔結(jié)構(gòu)特點，提出快速、靈活的TBM塌方處置技術(shù)具有重要的研究價值和指導(dǎo)意義。

2 隧道地質(zhì)環(huán)境及塌方情況

2.1 工程概況

新疆某引水隧洞總長度26 817 m，線路樁號K2+370～K29+187 m；其中，TBM段全長23.737 km，走向由西北向東南，開挖直徑為7 830 mm?？偟貏輺|、北較高，西、南較低，地貌為低山丘陵，海拔高程在730～1 400 m之間，相對高差670 m，地形起伏較大，沿線沖溝較發(fā)育，洞室最大埋深為668 m，見圖1。TBM掘進至K6+837，護盾頂部一條裂隙向掌子面延伸，破碎明顯。掘進至K6+843時，隧道發(fā)生大規(guī)模塌方，塌方體積達到1 246 m3。

圖1 工程平面示意

2.2 工程地質(zhì)條件

圖2 給出塌方段的地質(zhì)縱斷面圖，從圖2可以看出，隧道K4+740～K7+932 m段基巖為奧陶系黑云母石英片巖，顏色呈淺灰色至深灰色，呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，層面中等發(fā)育，裂隙面起伏，絹云母化強烈，巖石中石英含量一般50%，基巖弱風(fēng)化層厚度在8～12 m之間，強風(fēng)化層厚度在3～5 m之間，巖層產(chǎn)狀295°～300°NE∠50°～60°，與洞室軸線夾角在15°～20°之間。

圖2 隧道地質(zhì)縱斷面圖

2.3 TBM掌子面塌方情況

由TBM護盾頂部出現(xiàn)一條裂隙，到隧道發(fā)生塌方。過程中TBM掘進伴有一系列異?，F(xiàn)象，具體演化過程如下:

TBM掘進至K6+837，在施工檢查時發(fā)現(xiàn)，護盾頂部一條裂隙向掌子面延伸，破碎明顯，采用鋼筋排加強支護，將HW125型鋼拱架更換為HW150型鋼拱架。

當(dāng)日23時05分，掘進至K6+840.7，推力6 230 kN，發(fā)現(xiàn)出渣異常，大塊石渣較多，一條巖石裂隙沿護盾向掌子面延伸，但未見護盾頂部塌腔。

次日4時30分，掘進至K6+842.3處時，發(fā)現(xiàn)TBM護盾上方10～2點鐘方向出現(xiàn)塌腔，護盾尾端塌腔高度為0.7 m，向掌子面擴大延伸，塌方縱向長度約9 m，掌子面部位塌方高度約8 m，伴有碎塊掉落。為了防止碎塊繼續(xù)塌落，盡快對塌腔部位噴射混凝土，決定繼續(xù)向前掘進一個行程，支護型式變?yōu)镮V類圍巖。

次日11時26分，掘進至K6+843，拱頂巖石塌落加劇，立即停止掘進，進行加固拱架。此時刀盤轉(zhuǎn)動正常，TBM掘進時對圍巖產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致巖塊不斷脫落，塌腔最終規(guī)模如圖3所示。

圖3 塌腔規(guī)模示意

3 塌方段地質(zhì)及塌方原因分析

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果分析

掘進至K6+843斷面突遇塌方后，對掌子面前方進行TSP地震波檢測，并得到K6+843～K6+923范圍內(nèi)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)偏移。圖4給出了塌方段超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，從圖4可以看出[13]，在K6+843～K6+875之間的圍巖為節(jié)理裂隙或褶皺發(fā)育帶，巖體破碎，強度較低。其中K6+843～K6+855為塌方段，K6+855～K6+865之間隧洞開挖范圍內(nèi)圍巖較完整，但隧洞左邊墻外側(cè)巖體強度低完整性差；K6+889～K6+901以及K6+918～K6+923之間，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，為軟弱夾層，巖體破碎，強度較低。

圖4 地質(zhì)結(jié)構(gòu)偏移圖像

對掌子面前方進行CFC超前探水檢測，并得到K6+843～K6+943范圍內(nèi)的地下水分布情況。圖5給出了CFC超前探水結(jié)果，圖5表明，在K6+843～K6+943范圍內(nèi)，圍巖平均介電常數(shù)2.841，水量較少。推斷該段圍巖在K6+846～K6+848、K6+910～K6+926之間存在少量含水裂隙[14]，水量較少。但在地下水地表補給增大時，水量會相應(yīng)增大。

圖5 CFC合成孔徑圖像

3.2 室內(nèi)試驗結(jié)果分析

圖6 測線與試件取樣位置

為了進一步探明塌方段圍巖的力學(xué)性能，在K6+831～K6+840段每間隔1 m設(shè)置一個檢測斷面，在每個檢測斷面選取隧道拱頂三條測線，見圖6，鉆取圍巖試件進行巖石點荷載試驗[15]，共制備30個試件。

圖7給出了K6+831～K6+840段三條測線位置處的巖石單軸抗壓強度分布。從圖中可以看出，除部分巖石試件強度出現(xiàn)離散外，隨著取件位置逐漸靠近的塌方區(qū)域，巖石的單軸抗壓強度呈對數(shù)形式逐漸減低。巖石的平均飽和抗壓強度24.8 MPa，按照巖石堅硬程度劃分，15≤fr≤30屬較軟巖。

圖7 測線位置巖石單軸抗壓強度

3.3 現(xiàn)場勘查結(jié)果分析

圖8 塌方區(qū)域圍巖揭露情況

根據(jù)現(xiàn)場勘查結(jié)果，塌方部位揭露的圍巖巖性為奧陶系哈巴河組絹云母石英片巖夾黑云母石英片巖，呈灰褐色、黃綠色等雜色，深度變質(zhì)。塌方區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石受構(gòu)造擠壓，巖層間揉皺強烈，裂隙面見大量水銹及綠泥石化現(xiàn)象，層面附著泥膜，見圖8。巖石破碎，層間結(jié)合差。巖體本身呈碎塊結(jié)構(gòu)，加之刀盤切削作用和震動影響，致使絹云母片巖和黑云母石英片巖沿節(jié)理面和裂隙面巖層松動、錯落，最終導(dǎo)致大面積失穩(wěn)和坍塌。

4 塌方段處置方案

通過對塌腔內(nèi)塌渣進行清理發(fā)現(xiàn)，塌腔內(nèi)部輪廓由圍巖節(jié)理面控制，在塌腔邊界后方圍巖較為穩(wěn)定、完整。構(gòu)成塌腔結(jié)構(gòu)的主要節(jié)理面分布為:122°∠71.2°，108°∠81.2°，117°∠42.5°，見圖9。因此，將塌渣清理后，能夠形成較大且穩(wěn)定的腔內(nèi)空間。

圖9 塌方區(qū)節(jié)理 極射赤平投影圖

根據(jù)該特點，采用在護盾頂部滿鋪方木→墊16工字鋼→12槽鋼連接→鋪0.5 mm鋼板→增加腹拱支撐，在塌方空腔內(nèi)建立噴射混凝土施工平臺，通過腔內(nèi)噴射混凝土，從而建立拱頂保護殼。此后，采用輕型混凝土回填塌腔，調(diào)整TBM掘進參數(shù)，優(yōu)化支護體系等一系列措施，見圖10，實現(xiàn)TBM安全掘進通過。

圖10 TBM大規(guī)模塌方段處置方案

4.1 松散巖體初步加固

由于拱頂塌方部位不斷擴大，TBM向前掘進勢必擾動圍巖，導(dǎo)致坍塌速度加塊。為了保證人員及設(shè)備安全，防止塌方進一步擴大，TBM暫不具備掘進條件，待松散巖體加固后再向前掘進，首先對K6+838～K6+840.4段塌方高度小于2 m范圍立即進行噴射混凝土施工，對松散巖體進行加固。

4.2 強化初期支護體系

該段采用在Ⅲb類圍巖支護的基礎(chǔ)上進行補強后的一次支護，護盾后方6 m范圍加密HW150型鋼拱架，中心間距控制在45 cm（設(shè)計間距為1.8 m），拱架間采用12槽鋼焊接，環(huán)向360°布設(shè)，間距1 m，與H型鋼連接為滿焊，見圖11；超出拱架安裝器使用范圍，采用人工架立拱架，成環(huán)后立即噴射C30混凝土，厚度為20 cm。在不造成塌滑的情況下及時施作下部系統(tǒng)錨桿。

圖11 加密拱架支護

4.3 建立噴射混凝土作業(yè)平臺

護盾頂部滿鋪20 cm×20 cm×300 cm方木，方木上墊16工字鋼，環(huán)向間距30 cm，采用12槽鋼連接，再鋪0.5 mm鋼板。在塌腔高度2 m范圍內(nèi)（K6+838～K6+840），增加腹拱支撐，腹拱貼緊巖面，底端與16工字鋼焊接牢固，形成穩(wěn)定支撐結(jié)構(gòu)，防止塌方繼續(xù)擴大。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，該區(qū)域作為噴射混凝土施工的作業(yè)平臺。

4.4 建立刀盤覆蓋層

為了防止細砂或水泥漿流入刀盤，首先對刀盤進行覆蓋，采用應(yīng)急噴混設(shè)備向刀盤前方1 m范圍噴射細砂，其余部位采用C30噴射混凝土填充，直至細砂覆蓋刀盤頂部10～20 cm，形成緩沖層。

4.5 形成拱架上方“保護殼”

K6+840.4～K6+850.4段巖體噴射C30混凝土，有效噴射范圍內(nèi)厚度控制在10 cm以上；填充細砂和方木上方噴射厚度200 cm的C30混凝土，每噴射20 cm厚度，鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片（φ8@200×200 mm）；混凝土厚度達到50 cm時，橫向設(shè)置16工字鋼，縱向間距50 cm，兩端選擇圍巖較好位置打設(shè)φ25 mm，L＝2.5 m錨桿與工字鋼焊接，在拱架上方形成“保護殼”，見圖12。

圖12 塌腔部位處理示意

掌子面處“保護殼”上方4 m至刀盤方向7 m范圍噴射混凝土，對掌子面上方松散巖體形成穩(wěn)定支撐。在推進過程中，減小設(shè)備對掌子面軟弱圍巖的擾動，保證施工安全。噴射混凝土?xí)r，拱頂預(yù)留人孔（K6+841，55 cm×80 cm），便于后期空腔部位回填灌漿施作。

4.6 塌方空腔回填

用混凝土輸送泵從預(yù)留的人孔泵管送向塌腔體回填C30混凝土，回填高度在拱頂以上，一次不超過1 m，直至填滿空腔。為了減少初支及二次支護的荷載?；靥畹? m以上后，改用輕型材料（容重小于1.5 t/m3）從預(yù)留泵送管吹入，待填充完成，再灌注水泥砂漿填充縫隙，以確保充填密實。

4.7 調(diào)整掘進、支護參數(shù)

完成TBM上部噴射混凝土支護后，TBM正常向前掘進6 m。首先采用較低轉(zhuǎn)速，小推力、大貫入度掘進。鋼筋排采用φ20 mm單槽4根進行支護（頂拱120°～140°范圍安裝），HW150型鋼拱架間距按45 cm安裝，并施作灌漿管。立即進行拱架間混凝土噴射作業(yè)，隨掘進隨支護，直至向前推進6 m。對于撐靴部位的塌腔，出露護盾后及時噴射C30混凝土或拱架內(nèi)側(cè)焊接薄鋼板，拱架間灌注混凝土，提前加固，防止塌腔變大，影響撐靴撐緊。

5 結(jié)論

借助TSP地震波檢測、CFC超前探水檢測和巖石點荷載試驗等多種手段，針對新疆某引水隧洞TBM施工過程中產(chǎn)生大規(guī)模塌方的成因進行深入分析。在此基礎(chǔ)上，針對大規(guī)模塌方空腔特點，提出由空腔內(nèi)部施作拱頂“保護殼”的TBM塌方處置技術(shù)，得到以下結(jié)論:

（1）TSP地震波檢測結(jié)果表明，塌方段附近區(qū)域，圍巖為節(jié)理裂隙和褶皺發(fā)育帶，巖體破碎，強度較低。CFC超前探水結(jié)果表明，塌方段附近區(qū)域圍巖平均介電常數(shù)為2.841，巖體內(nèi)存在少量含水裂隙，水量較少。

（2）巖石點荷載試驗結(jié)果表明，隨著取件位置逐漸靠近塌方區(qū)域，巖石的單軸抗壓強度呈對數(shù)形式逐漸減低。巖石的平均飽和抗壓強度24.8 MPa。塌方區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石破碎，層間結(jié)合差，加之刀盤切削作用和震動影響，是導(dǎo)致大面積失穩(wěn)和坍塌根本原因。

（3）結(jié)合大規(guī)模塌方空腔特點，通過建立噴射混凝土施工平臺、刀盤細砂覆蓋層，從塌腔內(nèi)部建立拱頂保護殼。在此基礎(chǔ)上，對塌腔回填處理可以減少初期支護及二次支護結(jié)構(gòu)所承受荷載。該方案在確保了TBM施工安全的同時，充分利用腔體內(nèi)部空間，提高了拱頂保護殼的施工效率。該方案在處理大規(guī)模塌方時具有更強的適用性。