敞開式TBM掘進過節理密集帶施工技術

鄧青力

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450000)

0 引言

隨著我國國民經濟的發展，隧道及地下工程施工技術也日新月異，特長隧道采用TBM施工也越來越普遍。長大隧道往往難以避免要通過圍巖破碎帶或軟弱圍巖段，而TBM受制于自身設計，不適宜在這種圍巖段內施工［1］。為此，TBM掘進必須克服因軟弱破碎圍巖帶來的掌子面圍巖坍塌、圍巖松動變形卡死刀盤或擠壓拱架、侵入二次襯砌凈空等問題。在以往已采用敞開式TBM掘進施工的磨溝嶺、桃花鋪隧道中，提出或采用了TBM超前鉆機施作鉆孔，進行超前小導管(管棚)注漿加固圍巖等方式確保TBM通過軟弱破碎帶［2－3］。但由于TBM超前鉆機鉆孔及注漿效率太低，并且存在漏漿卡刀盤等問題，因而不易全面推廣采用。隨著新材料的研發及推廣應用，圍巖注漿加固材料也在不斷增加，其中有機化學注漿材料已成功地應用于煤礦、水利等工程中［4－6］。目前正在施工的中天山隧道，通過多種圍巖地質段，其中花崗巖地質段內包含多條節理密集帶，其圍巖破碎，易坍塌，TBM掘進必須提前對其進行加固處理，否則極易出現圍巖坍塌、掩埋刀盤，造成TBM無法掘進，施工進度就此擱淺的后果。針對以節理密集帶為主的軟弱破碎帶，借助化學注漿材料的優越性能，在刀盤內施作超前自進式錨桿，注新型聚氨酯化學漿液，實現了簡易注漿、快速固結圍巖、TBM隨即掘進的施工模式，有效地防止了圍巖坍塌，提高了TBM利用率;而后隨TBM掘進，圍巖出護盾后，再進一步對破碎段圍巖進行徑向注漿加固，有效地控制圍巖收斂變形，確保TBM安全、高效地通過花崗巖節理密集帶。

1 概況

1.1 工程概況

中天山特長隧道為南疆線吐庫段增建二線鐵路第二標段(SK2)重點工程，位于吐魯番地區的托克遜縣與巴音郭楞蒙古自治洲境內——托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區，長22.467km，為全線控制性工程。隧道穿越地區總體地勢中部高，北東和南西低，海拔1 100～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m，地形切割較為劇烈，溝壑縱橫，植被稀疏，相對高差800～1 200 m;隧道最大埋深超過1 700m，設計坡度為11‰的上坡。中天山隧道進口采用從德國Wirth公司引進的φ8.8 m開敞式880E型TBM施工，計劃掘進長度為13 792 m。

中天山隧道通過的地層巖性主要為泥盆系礫巖夾砂巖、泥盆系片巖夾大理巖、志留系變質砂巖夾片巖、志留系角斑巖、中元古界片巖夾大理巖、中元古界混合巖夾片麻巖、華里西期花崗巖、加里東期閃長巖等。

1.2 施工情況

原設計隧道縱斷面圖顯示在隧道穿越的華里西期花崗巖地質段有3條節理密集帶，而TBM實際掘進出的地質展示圖顯示有4條共計長達600多m的節理密集帶及其影響帶。巖體受構造影響強烈、風化嚴重，巖體節理裂隙發育—很發育，多呈寬張，部分微張，節理面呈灰白色及灰綠色，有高嶺土、綠泥石填充物，其上分布有擦痕，巖體破碎，呈碎石角礫狀及塊石狀結構，大小混雜，拱部裂隙水呈線狀滲流，現場圍巖如圖1所示。整個花崗巖節理密集帶段隧道埋深均大于1 500 m，有高－極高地應力分布，TBM掘進中極易出現坍塌，為Ⅳ～Ⅴ級圍巖。

圖1 花崗巖節理密集帶段圍巖Fig.1 Granite rock mass with densely developed joints

前期剛進入第1段節理密集帶時，由于未及時采取相應的加固措施，掌子面出現坍塌，現場處理近2個月。按照相應的圍巖級別進行支護后，圍巖出現較大變形，最大變形量達35cm，支撐鋼拱架出現扭曲變形，嚴重影響TBM的掘進。

2 施工對策及方案設計

由于施工工期緊，且TBM配套的超前鉆機需重新維修安裝，耗時較多;而刀盤前掌子面無法施作止漿墻，水泥漿由于凝結時間長會通過貫通面裂隙進入碴倉凝固，導致刀盤、護盾被卡死。為確保TBM掘進順利通過節理密集帶，經過方案比較，決定在刀盤內施作超前自進式錨桿，注漿材料采用新型聚氨酯化學漿液，圍巖固結后TBM方可掘進，支護形式參照V級圍巖設計支護參數，I16全圓拱架間距0.9 m，必要時可加密至0.45 m，拱架連接局部增加I12型鋼。為控制圍巖變形，待掘進斷面完成初期支護后，進行徑向注漿加固。

2.1 新型聚氨酯化學漿液特點

新型聚氨酯化學漿液(以下簡稱化學漿液)分為A，B 2組，由體積不大的塑料桶裝，搬運較為方便。注漿材料主要有以下幾方面特點:

1)黏度低、可注性好，能注入巖土層中的細小裂隙或孔隙并形成良好的擴散充填。

2)黏合性好，可與松散巖體形成很好黏合。

3)材料固結時間可調(20 s～5 min)，強度增長快，0.5～1 h即可達到非常高的強度(20 MPa左右)。

4)具有良好的塑性，能承受隨后TBM掘進擾動的影響。

5)遇水反應快速膨脹，有效封堵水流通道。

6)滲透性強，滲透范圍可達1.5～3 m。

7)配套設備簡便，操作安全，工藝簡單。

8)材料不含有毒物質，符合環保要求。

2.2 超前注漿參數設計

由于圍巖破碎鉆孔成孔較差，選用φ25自進式錨桿，一方面作為鉆桿使用，另一方面作為注漿管使用。其布設在拱部150°范圍內，長3 m，環向間距1 m，外插角20°。超前自進式錨桿布設示意圖見圖2。

圖2 超前自進式錨桿布設示意圖(單位:cm)Fig.2 Pattern of advance self-drilling bolts(cm)

2.3 徑向注漿小導管參數設計

為控制圍巖變形，待掘進斷面完成支護后，在拱墻范圍內采用φ42小導管徑向注漿補強加固，小導管長4 m，縱環向間距為1 m，梅花型布置，注漿材料采用單液水泥漿。徑向注漿小導管布設示意圖見圖3。

3 施工工藝及方法

3.1 超前自進式錨桿注化學漿液加固圍巖

3.1.1 施工工藝流程

超前自進式錨桿注化學漿液見圖4。

3.1.2 施工方法

3.1.2.1 鉆孔

在TBM刀盤隔倉內搭設簡易作業架，利用刮碴孔空間，對掌子面前方圍巖進行鉆孔。鉆孔采用風動鑿巖機施鉆，外插角為20°，偏差不超過3°，鉆孔深度為3 m。其斷面布置如圖5所示。

鉆桿采用φ25 mm自進式注漿錨桿，同時作為注漿管，由于刀盤內作業空間狹小，鉆桿長度不易過長，因而選用單節長1 m的注漿錨桿，采用聯結套連接套打。即第1節前端套上鉆頭，當一節錨桿鉆進后，在其尾部套上聯結套連接后一節錨桿，直到每根錨桿鉆到需要長度。注漿錨桿樣式見圖6。

3.1.2.2 注漿

通過快速注漿接頭將錨桿尾端與注漿泵相連，采用配套的氣動注漿泵，漿液按照質量配合比要求(A，B 2類材料1∶1配合)現場進行配制，注漿壓力根據TBM刀盤前方掌子面漿液滲透情況確定，一般為2～4 MPa。化學注漿如圖7和圖8所示。

3.2 TBM 掘進

在完成1組超前注漿加固后，TBM開始掘進，采用緩慢低速推進，時刻觀察皮帶出碴情況以及TBM電機電流值、推力等，一旦有異常，立即停機進入檢查，以防止出現大面積坍塌情況。每掘進完成3 m注漿加固段后，停機進行下1組超前注漿加固，完成后，再掘進，以保證TBM安全、順利通過節理密集帶。

3.3 圍巖支護

TBM往前推進，圍巖出露護盾后，應及時進行支護。

1)初噴混凝土。每掘進1個立拱間距段后，對出露護盾的圍巖及時進行人工噴混凝土封閉，減少圍巖掉塊，同時確保立拱作業人員安全。

2)架設鋼拱架。采用I16工字鋼，架設全環鋼拱架，拱架間距90 cm，局部破碎段可加密拱架，間距45 cm;縱向連接筋采用φ22螺紋鋼，環向間距1 m，縱向交錯布置;在巖石開裂有脫落跡象處，增加I12工字鋼連接，以保證拱架整體受力。

3)鋪設網片。拱架背后，沿上半圓巖面鋪設φ8鋼筋網片，網格為15 cm×15 cm，網片間搭接1～2個網格。

4)施作錨桿。采用φ22螺紋鋼加工生產出的“L”型砂漿錨桿，左右向交錯鎖定鋼拱架，錨桿長3 m/根，環向間距1 m布設。

5)復噴混凝土。全斷面噴混凝土覆蓋錨桿、網片，并全包裹拱架，形成剛柔并濟的整體支護體系。

3.4 徑向注漿加固圍巖

為防止深層圍巖松動變形對支護結構的破壞，造成圍巖二次坍塌，在TBM掘進完成支護后，利用TBM設備平臺對節理密集帶及影響帶圍巖實施徑向注漿加固。注漿孔采用風動鑿巖機鉆孔，注漿管采用φ42小導管，作業方式、方法與常見鉆爆隧道相同。注漿采用水泥單液漿，水灰質量比1∶1，注漿壓力0.8～1.5 MPa。

4 方案實施效果

作業人員在刀盤內進行超前注漿錨桿施作，減少了超前鉆機等設備的投入，且操作上更具有靈活性，雖然一組加固的長度較短，但通過化學漿液特有的性質，可以快速有效地固結刀盤前方的破碎圍巖，形成較為完整的綜合體，其單軸抗壓強度能達到40 MPa以上，保證了TBM能夠及時跟進掘進。在后續的節理密集帶等軟弱破碎帶施工中，未曾再有刀盤前方大面積坍塌的事故發生，TBM掘進過程中圍巖掉塊量明顯減少，以致圍巖支護及仰拱塊鋪設清碴等作業工程量隨之減少，TBM作業效率有了明顯提高;再加上徑向注漿對圍巖的二次加固，圍巖收斂變形得到了有效地控制，各工序可正常開展，TBM掘進進度有了大幅提高?；◢弾r節理密集帶月進度指標由原來15～60 m提高到120 m以上，這在一定程度上緩解了中天山隧道右線施工工期的壓力。

5 結論與討論

經過中天山隧道TBM掘進過花崗巖節理密集帶施工實踐證明，通過利用刀盤內部作業空間，對敞開式TBM刀盤前方及上部圍巖進行灌注新型聚氨酯化學漿液，可簡單、有效地實施圍巖加固，改善地質條件，確保TBM能安全、順利地通過類似的軟弱破碎圍巖。此方案適用于刀盤直徑較大的TBM，對于刀盤直徑較小、內部作業空間有限的TBM，超前自進式錨桿施作較為困難，不過可以考慮將自進式錨桿更換為玻璃鋼中空注漿錨桿，通過刀盤刀孔對掌子面圍巖進行鉆孔、注漿，其實用性及有效性方面，還有待進一步驗證。另外，對于聚氨酯化學漿液，由于材料價格昂貴，在沒有明確給予施工補償的情況下，施工方不愿大量使用。為此，施工單位還需借助市場上新材料的研發，選擇既能較好適用于TBM施工圍巖加固又價格低廉的產品，在確保施工進度的同時，又不過多地增加施工成本。

［1］ 中國鐵路總公司.鐵建設(2007)106號 鐵路隧道全斷面巖石掘進機法技術指南［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［2］ 韓亞麗，崔原.超前支護技術在敞開式全斷面掘進機施工中的應用［J］.現代隧道技術，2003，40(3):55－58.(HAN Yali，CUI Yuan.Application of advance support technique to tunnelling with an open-type full face TBM［J］.Modern Tunnelling Technology，2003，40(3):55 － 58.(in Chinese))

［3］ 沙明元，王在仁.敞開式全斷面掘進機通過軟弱破碎圍巖的施工方法［J］.現代隧道技術，2003，40(6):50－57.(SHA Mingyuan，WANG Zairen.Excavation with open fullface tunnel boring machine in soft and fractured surrounding rock［J］.Modern Tunnelling Technology，2003，40(6):50 －57.(in Chinese))

［4］ 程家驥，沈威.新型化學灌漿材料概述［J］.技術與市場，2011，18(5):3 －4.

［5］ 高勤生，趙鵬濤，崔團峰.新型化學灌漿技術在TBM圍巖加固中的應用［J］.人民黃河，2010，32(6):137 －138.

［6］ 楊建明.新疆達坂城隧洞不良地質洞段TBM施工新型化學灌漿技術應用［J］.水利規劃與設計，2009(1):57－60.