劉國虎

（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）

1 工程概況

新疆某引水隧洞工程包括：18.2 km 長的主洞（其中TBM 開挖長15.632km 和鉆爆法開挖洞段2.568km），采用1 臺TBM 施工，TBM 整機長215 m，掘進成洞直徑7.0 m，截至2021年8月份TBM 掘進洞段已施工完成9 500 m，施工過程中遇到的不良地質(zhì)主要是斷層破碎帶塌腔及瓦斯洞段施工。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，TBM 施工期間共發(fā)生不同規(guī)模塌腔多達20 余處，其中最大塌腔深度約15 m，根據(jù)塌腔的不同程度，施工中采取相應處理措施，均已安全快速施工通過。另外，TBM 施工掘進至4 745 m 處時，掌子面出現(xiàn)垮塌，設(shè)備瓦斯監(jiān)測儀瞬時警報，報警值達到114%LEL。通過地表測繪和物探測試，報告TBM掘進進入具有高瓦斯含量的碳質(zhì)粉砂巖夾煤線地層，根據(jù)地質(zhì)分析含瓦斯地層長度約為50 m。

2 塌腔處理施工工藝措施

2.1 超前地質(zhì)預報

本工程采用激發(fā)極化超前地質(zhì)預報（CEI 綜合電法儀）探測范圍30 m、地震波超前地質(zhì)預報（SAP 地震超前探測設(shè)備）探測范圍100 m 與超前鉆孔探測相結(jié)合的超前地質(zhì)預報方式，探明掌子面前方具體的不良地質(zhì)情況，動態(tài)采取相應掘進支護措施。

2.2 調(diào)整TBM 掘進參數(shù)

TBM 在斷層破碎帶或軟弱圍巖中掘進時采用人工手動模式對掘進參數(shù)進行必要的調(diào)整。

1）刀盤轉(zhuǎn)速：在軟弱圍巖中，依據(jù)上一個掘進循環(huán)的掘進參數(shù)，若刀盤推進力較大時，而且皮帶上的巖碴均勻、大塊較少，可采用高速掘進。若上一個循環(huán)的刀盤推力較小，且?guī)r碴不均勻、大塊較多，宜采用低速掘進，降低其貫入度。

2）撐靴壓力：撐靴壓力的大小取決于洞壁巖石的完整性及飽和抗壓強度。撐靴壓力要滿足TBM 推進速度的要求。

3）刀盤扭矩：在軟弱圍巖時，刀盤扭矩過大，易產(chǎn)生機身滾動、撐靴打滑。扭矩一般控制在75%左右。

2.3 加強初期支護

根據(jù)實際施工情況，坍塌主要集中在圍巖出露護盾及前后各1 m 左右的位置，前段可一直延伸到掌子面，因此有效的安全的處理區(qū)段就在護盾后1～2 m 的范圍內(nèi)。根據(jù)敞開式TBM 結(jié)構(gòu)，圍巖出護盾后無法進行超前支護，只能進行初期支護及加強支護措施。如果坍塌不嚴重時，仍繼續(xù)推進直到能立拱的尺寸，停止掘進，進行支護。如果坍塌嚴重時，應立即停機進行支護，掘進一段支護一段，直至安全通過。

1）鋼拱架采用HW125 或HW150 型全環(huán)鋼拱架，拱架榀距根據(jù)實際揭露圍巖情況采用0.45～1.8 m 不等，鋼拱架底部設(shè)置伸縮調(diào)節(jié)板，待鋼拱架緊貼巖壁后將伸縮板固定牢靠。

2）當圍巖較破碎，安裝鋼筋網(wǎng)后仍有石塊掉落且圍巖仍不穩(wěn)定的情況下，可采用鋼筋排與鋼拱架、噴射混凝土聯(lián)合支護。根據(jù)塌腔規(guī)模及現(xiàn)場實際圍巖情況，在頂拱及邊墻部位設(shè)置Φ20～Φ25（HRB400）鋼筋排（每槽2～3 根）。將鋼筋排一端與鋼拱架焊接牢固，隨著TBM 向前掘進，鋼筋排逐步抽出，使圍巖一出護盾及時得到支護，并及時架設(shè)鋼拱架，噴射混凝土進行封閉，鋼筋排、鋼拱架聯(lián)合支護體系見圖1。

圖1 鋼筋排、鋼拱架聯(lián)合支護體系

3）鋼拱架縱向采用Φ22 聯(lián)系鋼筋連接，連接筋環(huán)向間距1.0 m，在穩(wěn)定性較差洞段或局部塌腔嚴重部位采用［12 槽鋼替代聯(lián)系筋，增加拱架間連接強度，槽鋼環(huán)向間距0.5～1.0 m，布設(shè)范圍根據(jù)現(xiàn)場塌腔范圍確定。

2.4 塌腔處理及灌漿回填

1）塌腔內(nèi)采用人工排險方式盡可能清理塌腔內(nèi)部的掉塊，同時預埋Φ50 回填注漿管及排氣管（距離塌腔最深處5～10 cm），灌漿管和排氣管間排距一般為3.0 m，單段埋管數(shù)量不少于3 組，位置根據(jù)現(xiàn)場實際情況靈活調(diào)整，塌腔部位預埋注漿管回填灌漿見圖2。

圖2 塌腔部位預埋注漿管回填灌漿

2）注漿管外露段管口采用棉布綁扎封堵（噴錨時以防堵管），TBM 向前掘進至塌方段到達噴混橋位置時，先噴混凝土使塌腔面完全封閉，封閉后待混凝土凝固，及時進行回填注漿，對塌腔嚴重部位，出護盾后在安裝鋼拱架和鋼筋排完成后在TBM 機L1 區(qū)采用手持式應急噴混系統(tǒng)及時封閉巖面，并及時進行注漿回填混凝土，確保巖壁后部圍巖充填密實，處理后的頂部不允許有任何形式的空腔或松散塌方體存在。

3）待噴混凝土凝固后及時對巖體塌腔部位進行處理。先采用M25 水泥砂漿進行回填處理，厚度1.0 m左右，回填灌漿壓力不大于0.1 MPa，采用分層多次進行砂漿回填施工，每次回填厚度不大于0.5 m。

4）待砂漿回填施工完成后，重新進行清孔并采用輕質(zhì)混凝土進行回填。輕質(zhì)混凝土配合比見表1。

表1 輕質(zhì)混凝土配合比

5）在回填砂漿及輕質(zhì)混凝土時，加強對回填區(qū)域的變形監(jiān)測，每次監(jiān)測數(shù)據(jù)及時統(tǒng)計分析反饋，當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預警值或出現(xiàn)較大變形時，及時停止回填施工并采取相應加固。

3 瓦斯隧洞TBM施工技術(shù)

3.1 瓦斯隧洞TBM 施工程序

在含瓦斯隧洞施工中，首先安設(shè)一套瓦斯自動監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對瓦斯的實時監(jiān)控及隧洞內(nèi)風電聯(lián)鎖、瓦斯電閉鎖。其次，開展TBM 含瓦斯段隧洞鉆孔排放工作，同時進行瓦斯抽放系統(tǒng)的采購、安裝及調(diào)試，并進行瓦斯抽放，待瓦斯抽放后進行TBM 設(shè)備全面的檢查、維護，要求所有地點瓦斯?jié)舛鹊陀?.5%后恢復TBM 設(shè)備系統(tǒng)供電并啟動TBM 設(shè)備上的二次風機加強通風，最后進行TBM 掘進支護施工。瓦斯隧洞TBM施工程序見圖3。

圖3 瓦斯段施工程序圖

3.2 加強通風及預防循環(huán)風措施

根據(jù)總體施工方案安排，TBM 瓦斯段施工通風采用壓入式供風，要求施工期間必須不間斷通風，通風設(shè)備采用雙風機（同型號同功率備用）、雙電源[1]；在支洞口設(shè)置2×132 kW 風機用于TBM 瓦斯段供風，通過直徑2.2 m 的抗靜電、阻燃的風筒將將新鮮風壓入TBM 后配套11#臺車尾部，通過TBM 設(shè)備配置的2×45 kW 接力風機將新鮮風供到TBM 作業(yè)面，污風從支洞排出。重點保障根據(jù)現(xiàn)場施工以下三處通風：1）進人口刀箱內(nèi)、2）TBM 上部工作面、3）TBM 下部工作面，同時保持TBM 護盾后部的皮帶道上蓋口敞開，形成回風瓦斯通路，防止瓦斯聚集，此外在瓦斯易積聚部位（如安裝間頂部、錯車道、旁支洞等）增設(shè)射流風機或小功率風機，加強該部位的通風，防止瓦斯積聚。

根據(jù)通風施工布置規(guī)劃，通過TBM 后配套11#臺車配置的2×45 kW 接力風機將新鮮風供到TBM 作業(yè)面，容易在接力風機部位形成循環(huán)風，具體預防措施如下：

1）根據(jù)壓入式供風出風口及接力風機進風口的尺寸，加工連接風筒，并檢查其透氣性。

2）將加工好的風筒運輸至TBM 后配套11#臺車尾部，將風筒對應壓入式供風出風口及接力風機進風口進行安裝、固定，以保證壓入式供風與接力風機進風口相連接，防止接力風機吸入污風，并將污風再次供至工作面。

3）安排人員重點檢查該部位的連接，確保連接固定有效可靠。

3.3 掘進措施

在瓦斯段TBM 掘進施工按照軟巖不良地質(zhì)段掘進進行施工，主要采用以下措施：

1）在TBM 設(shè)備工作面所有部位回風中瓦斯?jié)舛确€(wěn)定在0.3%以下的環(huán)境中，完成已施工洞段的瓦斯自動監(jiān)測、風電連鎖、瓦斯電閉鎖系統(tǒng)，以及必要照明的防爆電氣更換改造。

2）掘進遵循“短進尺，勤換步、早封閉、強支護、初期支護務必一次到位”的原則施工，TBM 在不良地質(zhì)段掘進過程中盡量減少對圍巖的擾動，支護及時跟進，快速形成封閉結(jié)構(gòu)。

3）TBM 掘進期間及時矯正姿態(tài)，并采取針對性的調(diào)向、混凝土換填軟弱巖體等措施，避免TBM 在軟弱不均地層中姿態(tài)偏離超限。

4）隧洞洞壁承載力低，無法提供撐靴反力時，可在撐靴處采用噴錨網(wǎng)+鋼拱+立模灌注混凝土的聯(lián)合支護方式對撐靴部位洞壁處理后再掘進通過。

3.4 支護施工

1）漿錨桿施工

瓦斯隧洞段巖性主要為碳質(zhì)頁巖（煤矸石），極度破碎，呈碎塊狀、粉末狀，局部系統(tǒng)錨桿無法施做，因此將系統(tǒng)砂漿錨桿調(diào)整為隨機，錨桿規(guī)格型號按照設(shè)計圖紙不變。

原設(shè)計鎖腳（鎖定）錨桿型式為“L”型，錨桿施工之后彎鉤段與鋼支撐進行焊接，在瓦斯洞段不允許動火作業(yè)，因此改變鎖腳（鎖定）錨桿與鋼支撐的連接型式，采用裝配式連接，具體見圖4。

圖4 鎖腳（鎖定）錨桿與鋼支撐裝配式連接

2）噴混凝土及掛鋼筋網(wǎng)施工

噴混凝土支護由TBM 自帶的噴射系統(tǒng)完成，噴混凝土采用濕式噴射方法?；炷敛扇∮熊壔炷吝\輸罐車進行運送。在噴混凝土中摻加氣密劑，提高混凝土的抗透氣性能。

3）鋼支撐施工

鋼支撐采用HW150 全環(huán)型鋼支撐，榀距45～180 cm，將原設(shè)計聯(lián)系鋼筋調(diào)整為HW125 聯(lián)系型鋼，環(huán)向間距為1 m，連接形式為裝配式，使用M20×80（8.8 級）高強螺栓進行連接，在加工廠按照設(shè)計圖紙要求進行加工制作，平板車由洞外綜合加工廠運至洞內(nèi)安裝洞，采用橋機吊裝至內(nèi)燃機車物料運輸車上，通過有軌運輸運至工作面。

鋼拱架采用TBM 自帶的鋼拱架安裝器進行安裝。施工時，加工好的鋼拱架通過內(nèi)燃機車平板車運送到TBM 吊機附近，由吊機運送到拱架安裝器下方，分段連接鋼架并旋轉(zhuǎn)安裝器，直至下一段拱架可以用螺栓固定在前一段的尾端，重復這個過程直至整環(huán)完成。當一環(huán)完成后由拱架安裝器上的張緊機構(gòu)將鋼架向外擴張，并與巖面楔緊。

4）鋼筋排

當圍巖較破碎，石塊掉落且圍巖不穩(wěn)定的情況下，可采用鋼筋排與鋼拱架、噴射混凝土聯(lián)合支護，支護范圍為頂拱270°以內(nèi)；鋼筋排提前在洞外加工，采用C16 或C20 鋼筋，長度4 m。對于普通掉塊；采用C16@120（每槽單根）或C16@100（每槽雙根），對于小規(guī)模塌方；采用C20@50（每槽三根）進行支護，確保安全。

在瓦斯段施工時，鋼筋排之間采用扎絲進行綁扎搭接；鋼支撐在洞外加工時，按照護盾上鋼筋排預裝孔間距在鋼支撐兩個翼邊等間距的焊接C16 的短鋼筋（總長10 cm，外露5 cm），在鋼支撐安裝到位后，采用扎絲將鋼筋排與鋼支撐固定，瓦斯段施工不允許進行焊接作業(yè)。

鋼筋排、型鋼拱架聯(lián)合裝配式支撐體系見圖5。

圖5 鋼筋排、型鋼拱架聯(lián)合裝配式支撐體系

5）塌腔處理及瓦斯封堵

瓦斯洞段長時間停機，護盾尾部揭露較大規(guī)模塌腔。經(jīng)現(xiàn)場查看，護盾周邊空腔較大，尤其是頂部及前方，采用常規(guī)材料超前固結(jié)灌漿的反應固結(jié)時間長，灌入后漿液被地下水帶出，極易出現(xiàn)漿液固結(jié)刀盤的情況[2]，為了防止再次塌方造成TBM 刀盤及護盾被卡，同時達到封堵瓦斯的效果，經(jīng)現(xiàn)場踏勘及專家咨詢后，采取了以下處理措施：第一步：先使用化學灌漿（充填發(fā)泡固結(jié)型），對TBM 護盾與塌腔之間進行固結(jié)包裹，保護護盾；第二步：采用輕質(zhì)混凝土對頂部大塌腔區(qū)進行分層充填封閉；第三步：最后采用化學灌漿（固結(jié)型），對刀盤周邊松散體進行分段分次固結(jié)施工，以達到回填塌腔及封堵瓦斯的效果。

6）瓦斯洞段施工安全防護措施

（1）加強對人員教育培訓，對全體員工進行安全教育，普及瓦斯知識。

（2）建立進洞登記及門崗檢查制度，凡進洞的人員必須在洞口值班室登記并接受檢查后方可進洞，嚴禁攜帶火種及可能產(chǎn)生火花的物品入內(nèi)。

（3）加強瓦斯監(jiān)測，做好人工監(jiān)測和自動監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯思皶r撤人、斷電等。

（4）加強通風，必須保證通風24 h 正常工作，做好應急備用電源等。

（5）為保證人員安全，進洞人員必須佩戴氧氣自救器、防毒面罩等防護用品，穿好防靜電服，使用煤礦防爆礦燈，嚴禁穿戴易產(chǎn)生靜電（如化纖）等。

（6）鉆爆段與TBM 瓦斯段為同一隧洞，屬于同一工區(qū)。受上游瓦斯段影響，相應施工組織對應調(diào)整，執(zhí)行瓦斯段施工相關(guān)要求。

3.5 TBM 通過瓦斯段后正常段隧洞掘進支護施工

TBM 掘進整機后配套通過瓦斯段大于50 m 為TBM 通過瓦斯段后正常段，該段施工仍然全程執(zhí)行對瓦斯及風電的監(jiān)測，視監(jiān)測結(jié)果調(diào)整施工，若瓦斯監(jiān)測隧洞內(nèi)任意一處瓦斯含量長期正常（通風正常，3 d以上），則TBM 施工調(diào)整為正常非瓦斯段施工實施。但通風、通電及瓦斯監(jiān)測一直持續(xù)到TBM 整段掘進貫通為止。

4 結(jié)論

由于敞開式TBM 掘進機為全斷面、機械化施工，開挖、支護方式單一，需要準確研究破碎帶、軟巖段及有毒有害氣體等的特點，合理選擇和配置刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度等掘進參數(shù)，提前制定相應的處理措施，避免TBM 在沒有任何保護措施的情況下進入不良地質(zhì)段。從工程的施工效果可以看出，不良地質(zhì)段處理及瓦斯隧洞施工技術(shù)達到了在特殊地段及復雜地層中TBM安全快速施工的目標。在實際工程應用中，要結(jié)合實際工程情況合理的選擇掘進參數(shù)、支護體系。希望能給同類敞開式TBM 通過不良地質(zhì)段施工提供借鑒和參考。