陳 誠

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

塌方是地下工程施工過程中由不良地質(zhì)導(dǎo)致的最為常見的工程災(zāi)害，經(jīng)常造成工期延誤、設(shè)備損壞，施工費用增加，嚴重時甚至導(dǎo)致人員傷亡[1]。如京珠高速靠椅山隧道發(fā)生塌方，塌方量達20000m3，形成188m的塌體，導(dǎo)致隧道被迫停工[2]。因此，建立一套高效便捷的TBM塌方段控制技術(shù)對保證隧道穩(wěn)定有序施工具有重要意義。

中外學(xué)者對隧道塌方段控制技術(shù)進行了許多研究。陳秋南等[3]對比分析了超前小導(dǎo)管和長大管棚處理方案的優(yōu)缺點，采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿輔以工字鋼處理塌方區(qū)。王正哲和趙云[4]分析了某水電站泄洪隧洞的塌方原因與教訓(xùn)，指出支護措施是巖體穩(wěn)定性的最后一道屏障。黃友富[5]針對金盆水庫溢洪洞塌方，總結(jié)出一套應(yīng)對"倒漏斗"形塌方的襯砌成洞施工方法。丁傳全[6]針對敞開式TBM穿越軟弱圍巖大塌方，提出松散巖體初步加固，強化初期支護體系，建立噴射混凝土作業(yè)平臺，建立刀盤覆蓋層，塌方空腔回填的完整綜合處理措施。呂斌[7]根據(jù)XSDY二期工程TBM隧洞施工實例，論述了TBM通過塌方段的施工方案。受限于TBM結(jié)構(gòu)，一旦不能及時進行拱架支護，待塌方區(qū)完全揭露后，再進行拱架支護，塌方區(qū)穩(wěn)定性勢必受到嚴重影響，因此，準確預(yù)測隧道塌方風(fēng)險進而進行提前拱架支護，對于保證隧洞塌方段穩(wěn)定性有重要意義。

本文依托新疆某引水隧洞，該隧洞通過某不良地質(zhì)段時，發(fā)生塌方。根據(jù)現(xiàn)場通過塌方段的施工過程，總結(jié)TBM隧洞通過塌方段的控制技術(shù)，為相同或相近條件下的施工提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

新疆某引水工程全長540km，這里主要介紹其中一個標段。該標段主洞長度41.0km，采用2臺TBM施工(TBM9、TBM10)[8]。TBM10掘進洞段為主洞段樁號225+518—245+153，長度19.635km，開挖洞徑7.0m。洞段埋深為632～740m。根據(jù)地面地質(zhì)測繪及沿線鉆孔資料分析，該洞段通過的地層巖性主要為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖。該段發(fā)育1條次級斷層(f71- 1)，斷裂產(chǎn)狀306°SW∠70°，斷層走向與洞線方向夾角44°，破碎帶寬度30m，斷層帶內(nèi)以碎裂巖為主，巖體穩(wěn)定性差，為Ⅳ～Ⅴ類圍巖；據(jù)鉆孔揭露，該段發(fā)育數(shù)條小斷層，寬度一般0.6～5.5m，帶內(nèi)以糜棱巖、碎裂巖為主，其規(guī)模小。

總體來說，該洞段圍巖整體穩(wěn)定性好，以Ⅱ類圍巖為主，斷層帶及影響帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅱ類圍巖長16.373km，占該段總長的89.17%；Ⅳ類圍巖長1.941km，占該段總長的10.57%；Ⅴ類圍巖長0.048km，占該段總長0.26%。

1.2 現(xiàn)場塌方情況

隧道開挖過程中，KS228+940—K228+992段發(fā)生多次結(jié)構(gòu)型塌方，以KS228+949—950為例，如圖1(a)所示，左側(cè)位置發(fā)生結(jié)構(gòu)型塌方，最大可見塌腔深度為0.34m，塌腔處發(fā)育一條結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面老舊，產(chǎn)狀為300°∠40°，結(jié)構(gòu)面控制塌腔邊界，塌腔附近出現(xiàn)滲水，呈淋浴狀，巖體完整性較差。該段區(qū)域破壞分布情況如圖1(b)所示，由圖可知，此60m范圍內(nèi)發(fā)生多次塌方及掉塊。

圖1 K228+940—K228+992圍巖破壞情況

2 塌方段控制技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

受限于TBM結(jié)構(gòu)限制，往往難以直接觀察隧道掌子面圍巖地質(zhì)情況。在此情況下，開展超前地質(zhì)預(yù)報有助于獲得掌子面前方大致地質(zhì)情況，一定程度上預(yù)測圍巖塌方風(fēng)險。綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)即采用宏觀地質(zhì)分析法、TSP地震波法、電磁波法及超前鉆探等方法進行綜合超前預(yù)報，多角度、多參數(shù)地對掌子面前方地質(zhì)情況進行預(yù)報[9]。

地震波是利用地震波遇到波阻抗差異界面時，一部分信號被反射，一部分信號透射進入前方的區(qū)別，而波阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。如此，可以利用反射波的特征了解隧洞工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)。

山東大學(xué)2021年1月20日對KS228+954—KS229+054進行了地震波法探測，獲得結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：

(1)KS228+954—KS228+984段落： 在反射圖像上出現(xiàn)明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊和塌腔。

(2) KS228+984—KS229+034 段落： 在反射圖像上出現(xiàn)較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較前一段有變好的趨勢，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部易發(fā)生掉塊，可能發(fā)生塌方。

(3) KS229+034—KS229+054 段落： 在反射圖像上未出現(xiàn)較明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較前一段有變好的趨勢，圍巖較完整，局部節(jié)理裂隙較發(fā)育。

圖2 地震波法探測結(jié)果

2.2 基于FPI的圍巖塌方風(fēng)險評估

TBM與鉆爆法所不同的是，TBM法開挖后采用護盾對圍巖進行臨時支護，圍巖出護盾后才需要進行系統(tǒng)支護。TBM護盾長度一般為5.6m，分析此5.6m范圍的TBM掘進參數(shù)，評估圍巖條件是否有塌方風(fēng)險，由此可以確定圍巖出護盾后所需的支護措施及參數(shù)。

研究表明，巖體完整性或節(jié)理裂隙對一定推進力條件下的TBM貫入度和掘進速度有很大影響，一般情況下，巖體越完整，為獲得較大貫入度，TBM操作司機會選擇較大推力[10]。同樣，在推進力一定的情況下，巖體越完整，貫入度越低。所以，可以采用推進力與貫入度的比值(貫入度指數(shù)，F(xiàn)PI)來反映圍巖完整性或節(jié)理裂隙發(fā)育程度。而圍巖完整性越差，節(jié)理裂隙越發(fā)育，塌方風(fēng)險越高。因此，采用FPI可以評估圍巖塌方風(fēng)險。

采用FPI評估圍巖塌方風(fēng)險，是對超前地質(zhì)預(yù)報的補充。FPI與隧道樁號一一對應(yīng)，可以獲得較為精確的塌方風(fēng)險段樁號，由此提前及時進行支護，即解決了塌腔揭露后進行支護的支護體不穩(wěn)定問題，又不會由于過早支護導(dǎo)致的不經(jīng)濟問題。

隧道K228+760—228+850段貫入度指數(shù)與隧道圍巖破壞分布的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，隧道塌方及掉塊破壞普遍分布于FPI較低的段落，如K228+792發(fā)生塌方破壞，其貫入度指數(shù)低至2103，K228+810—840連續(xù)發(fā)生多次塌方及掉塊，相對應(yīng)的，該段貫入度指數(shù)普遍較低。K228+845—850段無破壞，該段貫入度指數(shù)普遍大于4000。由此可確定該隧道TBM貫入度指數(shù)與巖體破壞及結(jié)構(gòu)面分布的關(guān)系：當(dāng)FPI<2500時，圍巖易發(fā)生塌方；當(dāng)2500≤FPI<4000時，圍巖易發(fā)生掉塊；FPI≥4000時，圍巖基本不發(fā)生塌方或掉塊。

圖3 貫入度指數(shù)FPI與圍巖破壞的關(guān)系

根據(jù)上述分析，可以采用貫入度指數(shù)對圍巖破壞進行預(yù)測。K228+940—K229+060段FPI的監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，K228+940后，F(xiàn)PI急劇下降，至228+985，F(xiàn)PI開始上升。在228+993—996，F(xiàn)PI出現(xiàn)短暫下降。229+015段，F(xiàn)PI再次出現(xiàn)下降，并始終保持低位。根據(jù)上述分析可知，K228+940—985段有塌方風(fēng)險，228+985—993，228+996—015段無塌方風(fēng)險，228+993—996段易于掉塊，228+015—055段有塌方風(fēng)險。該預(yù)測結(jié)果與圖1(b)結(jié)果照應(yīng)，且與地震波法探測結(jié)果大致相同，但結(jié)果顯然更為精確，可作為隧道支護的重要依據(jù)。

2.3 拱架+鋼筋排超前支護

基于隧道開挖過程中FPI評估獲得準確的塌方段起始樁號后，采用拱架+鋼筋排進行支護。需要注意的是，為保證支護體穩(wěn)定性，第一排拱架需超前塌腔0.5m。拱架間距為1～1.2m，拱架間鋪設(shè)鋼筋排，鋼筋排間距根據(jù)塌落塊體破碎程度確定。

施工過程中，每個施工班監(jiān)測貫入度指數(shù)，至K229+012發(fā)現(xiàn)貫入度指數(shù)趨于下降，至K229+015貫入度指數(shù)低于2500。于是，預(yù)測K229+015有塌方風(fēng)險。待K229+014.5出護盾，開始立拱架支護，以保證隧道圍巖穩(wěn)定性。K229+015—055段支護圖如圖5所示。

圖5 塌方段拱架+鋼筋排支護

需要注意的是，拱架+鋼筋排的支護方式是一種被動支護方式，并不能抑制塌方的發(fā)生，但該方式在保證圍巖穩(wěn)定性的同時，可以保證TBM穩(wěn)定有序通過塌方段，使其施工速率不致過低。統(tǒng)計TBM通過K228+940—229+060段施工速率可知，在塌方頻發(fā)的情況下，仍能達到平均每日12.5m的掘進速率，最大掘進速率22m。

2.4 注漿+噴混封閉圍巖

鋼拱架支護后，在拱架內(nèi)側(cè)焊接鋼板，對120°以下塌腔區(qū)域灌注C30混凝土，以保證撐靴的順利通過。塌方段達到噴混平臺后，還要對其頂部的塌腔進行注漿，以保證圍巖的密實。然后對表層噴射5cm的C30混凝土，及時封閉圍巖。

3 結(jié)語

針對某TBM隧道通過不良地質(zhì)段出現(xiàn)的塌方問題，采用超前地質(zhì)預(yù)報獲取掌子面前方大致地質(zhì)情況，然后采用貫入度指數(shù)評估塌方風(fēng)險，獲得精確的塌方段起始樁號。貫入度指數(shù)與圍巖破壞有著較好的對應(yīng)，遵循以下關(guān)系：當(dāng)FPI<2500時，圍巖易發(fā)生塌方；當(dāng)2500≤FPI<4000時，圍巖易發(fā)生掉塊；FPI≥4000時，圍巖基本不發(fā)生塌方或掉塊。采用貫入度指數(shù)獲得塌方風(fēng)險區(qū)域后，采用拱架+鋼筋排超前半米進行支護，保證圍巖穩(wěn)定性。最后采用C30混凝土進行注漿+噴混封閉圍巖。應(yīng)用效果表明，綜合使用超前地質(zhì)預(yù)報及貫入度指數(shù)可以準確評估隧道塌方風(fēng)險，為隧道支護措施及參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。采用剛拱架+鋼筋排+噴混的支護措施在保證隧道圍巖穩(wěn)定性的同時，使得TBM快速穩(wěn)定通過塌方段。