小導(dǎo)洞施工技術(shù)用于高黎貢山隧道平導(dǎo)TBM脫困

劉建平，趙海雷,2

（1.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000；2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

1 引 言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備，在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。

與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè)，具有較高的掘進(jìn)效率，其掘進(jìn)速度一般為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，特別適合深埋長(zhǎng)隧道的施工[2～5]。敞開式TBM主要是針對(duì)硬巖施工而設(shè)計(jì)制造的，一般適用于地質(zhì)條件相對(duì)單一的中硬巖長(zhǎng)大隧道，對(duì)斷層、構(gòu)造發(fā)育及節(jié)理密集帶等軟弱破碎地層適應(yīng)性較差，甚至需要停機(jī)處理，從而造成效率降低，成本攀升問題[6～9]。

高黎貢山隧道全長(zhǎng)34.538km，具有“三高四活躍”的地質(zhì)特點(diǎn)。采用鉆爆法結(jié)合正洞9.03mTBM與平導(dǎo)6.36mTBM的方法進(jìn)行施工，其中TBM通過斷層破碎帶洞段是本工程控制的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

2018年8月26日，彩云號(hào)TBM掘進(jìn)至D1K224+204處，掌子面揭示圍巖嚴(yán)重惡化，中下部刀孔均被泥漿狀渣體堵塞，拱部可見處為塊狀堆積體，同時(shí)存在股狀出水，導(dǎo)致卡機(jī)。通過資料調(diào)研與專家論證，施工現(xiàn)場(chǎng)決定采用頂部小導(dǎo)洞開挖的方法對(duì)護(hù)盾周邊及掌子面進(jìn)行加固的方法進(jìn)行處理。該方案的順利實(shí)施能夠很好地保證彩云號(hào)TBM成功脫困，為工程順利實(shí)施奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 工程意義

高黎貢山隧道所處地質(zhì)環(huán)境特殊，工程建設(shè)規(guī)模宏大，施工技術(shù)要求高，為大瑞鐵路的關(guān)鍵控制性工程。以高黎貢山隧道為代表的復(fù)雜地質(zhì)條件下的綜合隧道施工技術(shù)，將極大地促進(jìn)隧道和地下工程領(lǐng)域技術(shù)的新的進(jìn)步。

本項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)于完善云南邊境地區(qū)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，改善綜合交通運(yùn)輸體系，促進(jìn)沿線國(guó)土資源開發(fā)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)、文化、旅游事業(yè)的發(fā)展，提高人民生活水平具有重要意義，遠(yuǎn)期將連接緬甸、東盟，開辟我國(guó)通往印度洋的陸路能源戰(zhàn)略通道，對(duì)保證我國(guó)能源安全、政治安全、國(guó)防安全及促進(jìn)中國(guó)-東盟自由貿(mào)易區(qū)國(guó)際經(jīng)貿(mào)聯(lián)系和人文交流意義重大。

3 樁號(hào)D1K224+204處揭示風(fēng)險(xiǎn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)存在的問題

彩云號(hào)TBM掘進(jìn)至D1K224+204處，掌子面揭示圍巖進(jìn)一步惡化，中下部刀孔均被泥漿狀渣體堵塞，拱部可見處為塊狀堆積體，同時(shí)存在股狀出水，具體如圖1所示。

圖1 D1K224+204卡機(jī)處揭示風(fēng)險(xiǎn)

現(xiàn)場(chǎng)存在的主要問題如下。

1）TBM刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中前方渣體不斷涌入，致使扭矩及電流均超額定值，掘進(jìn)受阻。

2）盾尾已經(jīng)支護(hù)段拱架下沉侵限。

3）拱架下沉后，自盾尾向前方超前加固無法安裝鉆機(jī)，在拱架未下沉段施作，無法成孔，頻繁卡鉆。目前僅可采用風(fēng)鉆打設(shè)玻璃纖維管，孔深達(dá)不到超前加固的要求。

3.2 處理方案

針對(duì)目前掘進(jìn)過程中掌子面渣體呈松散泥沙狀從刀孔內(nèi)涌出，導(dǎo)致掘進(jìn)扭矩增大，推進(jìn)困難等問題，需要對(duì)刀盤及護(hù)盾周邊加固、掌子面前方不良地質(zhì)段長(zhǎng)距離加固以及刀盤周邊清渣。因此，本次卡機(jī)整體處理方案如下。

1）通過護(hù)盾尾部及刀盤內(nèi)徑向?qū)χ苓厙鷰r進(jìn)行加固后，在護(hù)盾上部擴(kuò)挖施作小導(dǎo)洞，在小導(dǎo)洞內(nèi)施工超前管棚對(duì)前方不良地質(zhì)進(jìn)行加固，同時(shí)對(duì)刀盤上方、前盾頂部的積渣進(jìn)行清理，減小刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，完成后TBM掘進(jìn)通過。

2）對(duì)于出露護(hù)盾圍巖加強(qiáng)支護(hù)，保證施工安全。

3）初支背后空腔噴灌回填，松散圍巖注漿加固的原則，以保證初支背后密實(shí)。

4 小導(dǎo)洞施工技術(shù)研究

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采取在護(hù)盾頂部人工開挖小導(dǎo)洞，在靠近刀盤3.28m處向兩邊擴(kuò)挖，將刀盤上方、前盾頂部的積渣進(jìn)行清理，減少刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力至扭矩恢復(fù)正常（3000kNm以下）。同時(shí)利用小導(dǎo)洞，施作超前管棚對(duì)前方不良地質(zhì)圍巖進(jìn)行超前加固，完成后TBM掘進(jìn)通過。

4.1 小導(dǎo)洞施工

圖2 小導(dǎo)洞施工流程圖

圖3 小導(dǎo)洞施工側(cè)視圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，小導(dǎo)洞施工流程如圖2所示。小導(dǎo)洞布置位置為正拱頂，自盾尾后方兩榀拱架之間開口進(jìn)入，小導(dǎo)洞內(nèi)凈空高度1.5m，拱部寬度1.2m，長(zhǎng)度6.225m，采用化灌周邊固結(jié)+方木臨時(shí)支撐+HW150型鋼支撐架+140mm槽鋼縱連+鎖腳錨管+超前小導(dǎo)管+噴射砼（視圍巖情況）聯(lián)合支護(hù)，小導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 小導(dǎo)洞擴(kuò)挖段施工

結(jié)合護(hù)盾長(zhǎng)度，根據(jù)支撐架落腳點(diǎn)需求，小導(dǎo)洞開挖長(zhǎng)度6.225m。其中靠近掌子面3.28m范圍內(nèi)向兩側(cè)擴(kuò)挖，最后1.328m拱部外延施做成帽檐形式，利用斜撐固定在后部門架上。擴(kuò)挖段俯視圖如圖4所示。

圖4 小導(dǎo)洞擴(kuò)挖段施工俯視圖

4.3 超前管棚施工

利用導(dǎo)洞擴(kuò)挖空間，施作?76超前中管棚對(duì)前方圍巖進(jìn)行支護(hù)。根據(jù)平導(dǎo)實(shí)際揭示情況，平導(dǎo)PDZK224+227～PDZK224+215.4段揭示為全風(fēng)化花崗巖，PDZK224+215.4后圍巖相對(duì)好轉(zhuǎn)，為弱～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，具備一定的自穩(wěn)能力。平導(dǎo)與正洞破碎段里程不對(duì)應(yīng)，根據(jù)平導(dǎo)破碎段揭示長(zhǎng)度及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況初步判斷前方不良地質(zhì)段長(zhǎng)度為12～18m，考慮管棚鉆機(jī)能力設(shè)定，本次超前管棚施做長(zhǎng)度為25m。施作范圍為拱部76°，間距40cm，共計(jì)16根。管棚打設(shè)在擴(kuò)大洞室內(nèi)施做，依據(jù)平導(dǎo)不良地質(zhì)段管棚施做經(jīng)驗(yàn)，管棚打設(shè)可在TBM開挖外輪廓面以下30cm處打設(shè)（主要考慮鉆機(jī)及人員操作高度），考慮管棚打設(shè)過程中前部出現(xiàn)下沉影響，管棚打設(shè)角度取1°～3°，管棚分節(jié)長(zhǎng)度為1.5m,管節(jié)間采用套管連接接長(zhǎng)，相鄰管棚接口位置錯(cuò)開，錯(cuò)開長(zhǎng)度不小于1.0m,管棚尾端設(shè)置3m止?jié){段，其余部位梅花形布孔，注漿采用聚氨酯化學(xué)漿液。管棚布置分別如圖5、圖6所示。

圖5 超前管棚布置主視圖

5 小導(dǎo)洞施工效果

小導(dǎo)洞的成功開挖，給小導(dǎo)洞擴(kuò)挖斷施工和超前管棚施工帶來了很大的便利，在保證施工安全的同時(shí)，也大大節(jié)約了彩云號(hào)卡機(jī)處理時(shí)間。與以往的從側(cè)腰開挖小導(dǎo)洞相比，大大提高了開挖效率，最終，使彩云號(hào)TBM順利的脫困并成功地通過了斷層破碎帶地層。

圖6 超前管棚布置側(cè)視圖

6 結(jié)論與建議

護(hù)盾頂部小導(dǎo)洞施工的成功運(yùn)用，是彩云號(hào)TBM能夠順利脫困的重要保障，但是TBM在斷層破碎帶地層脫困初期，為了保證其能夠順利通過整個(gè)斷層破碎帶，掘進(jìn)過程中還應(yīng)該注意堅(jiān)持三低（低推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度）、一快（快速支護(hù)封閉）、一連續(xù)（連續(xù)施工）、寧慢勿停的掘進(jìn)原則掘進(jìn)，盡量減少刀盤對(duì)地層的振動(dòng)和擾動(dòng)，避免TBM再次掘進(jìn)受阻。