歐陽艷

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西渭南 714000)

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于新建鐵路蘭渝線中段,地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。西秦嶺特長隧道全長28.236 km,為左右線分設(shè)的兩條單線隧道,隧道最大埋深約1 400 m。西秦嶺隧道采用TBM掘進與鉆爆法混合施工,TBM掘進集中在出口，分為左、右線各2段。第一段7 680 m(DIK421+115～DIK413+435),第二段7 840 m(DIK411+430～DIK403+590)。

2 主要工程地質(zhì)問題

秦嶺特長隧道地層穩(wěn)定,主要為石炭系下統(tǒng)砂質(zhì)千枚巖、泥盆系下統(tǒng)灰?guī)r、千枚巖、下元古界灰?guī)r、變砂巖夾砂質(zhì)千枚巖、變砂巖、砂質(zhì)千枚巖、斷層角礫巖和斷層泥礫。地下水類型可分為巖溶裂隙潛水、承壓水及構(gòu)造基巖裂隙潛水、承壓水。在大地構(gòu)造單元上屬秦嶺褶皺系的南秦嶺冒地槽褶皺帶,褶皺、斷裂發(fā)育,多近乎東西向。TBM施工段中，DIK404+305～DIK404+790段地層巖性為下元古界千枚巖夾變砂巖,總體以變砂巖為主,夾有中薄層砂質(zhì)千枚巖。受構(gòu)造影響嚴重,屬Ⅳ級圍巖,為節(jié)理密集帶,巖體完整性較差。地下水以基巖裂隙水為主,屬構(gòu)造裂隙弱富水區(qū)(Ⅱ區(qū)),預(yù)測單位正常涌水量為430～733 m3/d·km,水質(zhì)良好,對圬工無侵蝕性。DIK410+995～DIK411+160段地層巖性為下元古界千枚巖夾變砂巖,為節(jié)理密集帶,巖體完整性較差,屬Ⅳ級圍巖。地下水以基巖裂隙水為主,屬構(gòu)造斷裂中等富水區(qū)(Ⅰ區(qū)),預(yù)測單位正常涌水量為2 700 m3/d·km,對圬工無侵蝕性。如何對不良地質(zhì)體進行預(yù)報,如何安全通過節(jié)理發(fā)育地帶及斷層破碎帶,遇地下滲水及涌水該如何處理,是本工程中面臨的主要地質(zhì)問題。

3 主要技術(shù)措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

為及時了解掌子面前方的地質(zhì)條件,需要進行超前地質(zhì)預(yù)報。超前地質(zhì)預(yù)報的內(nèi)容有：斷層，軟弱夾層，巖溶的位置、規(guī)模和性質(zhì)；不同巖類間接觸界面位置；工程地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的位置和規(guī)模等。通過超前預(yù)報可減少盲目性,便于采取正確的開挖方法和支護措施。尤其在軟弱破碎圍巖掘進過程中,超前地質(zhì)預(yù)報是決定TBM能否快速、順利通過軟巖地段的關(guān)鍵。西秦嶺隧道主要以TRT超前地質(zhì)預(yù)報儀、HP303紅外線探水儀預(yù)報為先導(dǎo),探明前方地質(zhì)情況。TRT技術(shù)利用彈性波反射原理發(fā)射信號,當(dāng)遇到聲學(xué)阻抗差異界面時,一部分信號被反射回來,一部分信號透射進入前方介質(zhì)。反射的地震信號被高靈敏地震信號傳感器接收,經(jīng)過分析來判斷隧道掌子面前方含水區(qū)域的位置與大小，以及掌子面前方的圍巖級別及其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征等。TRT法具有效率高,操作簡單,成圖直觀等優(yōu)點。紅外線探水儀的原理是巖體紅外輻射場強會隨著地下水的活動發(fā)生變化,因此通過探測掌子面或洞壁四周場強的變化,可以推測是否有隱伏的含水體。該方法準確性高,干擾小,測量快速,施工干擾小。

3.2 軟弱破碎圍巖地段掘進

TBM為敞開式硬巖掘進機提供了三種工作模式：自動扭矩控制、自動推力控制和手動控制模式。自動扭矩控制只適用于均質(zhì)軟巖,自動推力控制只適用于均質(zhì)硬巖,手動控制模式操作方便、反應(yīng)靈活,適用于各種地質(zhì),因此在掘進中通常采用手動控制模式進行掘進。

主要通過扭矩變化并結(jié)合推進力參數(shù)選擇掘進參數(shù),控制單機電流不超過額定值。以PPS自動導(dǎo)向系統(tǒng)控制TBM掘進姿態(tài)；其掘進動作流程為：撐緊撐靴,收起后支撐→刀盤旋轉(zhuǎn),開始掘進推進→掘進行程完成后,進行換步,放下后支撐→收回水平撐靴,前移撐靴,再撐緊水平撐靴→進行下一掘進循環(huán)。

3.3 軟弱破碎圍巖段處理

(1)超前小導(dǎo)管注漿加固

對軟弱、構(gòu)造影響破碎段等不良地質(zhì),采用TBM自帶鉆機鉆孔、清孔,設(shè)計安設(shè)φ42無縫鋼管,采用TBM自帶注漿機注水泥漿,注漿壓力一般為0.2～0.5 MPa。當(dāng)單孔注漿量達到設(shè)計注漿量時,或達到注漿壓力持荷10 min后,即可結(jié)束注漿。

(2)鋼支撐施工

通過材料運輸車將鋼拱架運送到TBM吊機附近,由吊機運送到拱架安裝器的上方或下方,鋼架安裝器夾住鋼架后,導(dǎo)向軌旋轉(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(fù)這個過程直至整環(huán)完成。當(dāng)一環(huán)完成后由拱架安裝器上的張緊機構(gòu)將鋼拱架向外擴張,并與巖面楔緊。鋼架的經(jīng)擴張與巖面楔緊后利用錨桿鉆機鉆孔施做鎖腳錨桿,按設(shè)計要求進行鎖定,然后通過φ22的螺紋鋼筋與上一榀鋼架縱向焊接相連,環(huán)向間距應(yīng)符合設(shè)計要求。安裝過程中鋼拱架須與巖面之間楔緊,相鄰鋼拱架之間的縱向連接筋必須焊接牢靠連接成整體,安裝完畢后用噴射混凝土將其覆蓋；鋼支撐與巖面之間的空隙須用噴混凝土充填密實。

(3)初噴射混凝土施工

在軟弱破碎圍巖地段,需要在護盾后初噴混凝土盡快封閉圍巖,此時將TBM后配套上噴混凝土區(qū)域的混凝土輸送管路接長,延伸至護盾后(混凝土輸送泵具備相應(yīng)能力),采用人工噴射混凝土方式進行初噴作業(yè),其施工工藝與方法與鉆爆段相同。待該段進入機械噴混凝土區(qū)域后,采用機械噴射方式復(fù)噴至設(shè)計厚度。

軟弱破碎圍巖掘進工序流程見圖1。

圖1 軟弱破碎圍巖掘進施工工序流程

3.4 軟弱破碎圍巖段坍塌處理

(1)坍塌原因及影響分析

圍巖的坍塌和破壞是造成TBM掘進停工的主要原因,巖體產(chǎn)生坍塌的原因及影響主要有：

①受斷層影響帶及其次生小斷層的影響,軟弱結(jié)構(gòu)面、寬大節(jié)理及節(jié)理密集帶發(fā)育的影響,以及在TBM施工時連續(xù)震動、地下水、應(yīng)力釋放、重力等綜合作用下開挖后易發(fā)生坍塌,造成底部清碴時間過長。

②巖體的自穩(wěn)能力很差,在TBM掘進時,常在護盾上方或刀盤前方發(fā)生大規(guī)模的坍塌。塌方深度高、塌方量大。因混凝土回填引起支護作業(yè)時間加長。

③隧道開挖前,巖體初始應(yīng)力處于相對平衡狀態(tài),開挖隧道后,改變圍巖的受力狀態(tài)。應(yīng)力重分布引起圍巖收斂變形。圍巖收斂、拱頂下沉造成洞室斷面凈空大為縮小,不能滿足二次襯砌凈空,影響到隧道的二次襯砌。

④TBM依靠撐靴對隧道的反力而獲得向前的推力,在軟弱結(jié)構(gòu)面、節(jié)理發(fā)育地帶,巖體破碎,受撐靴擠壓而發(fā)生滑塌。

(2)坍塌處理措施

在護盾及前方采用超前小導(dǎo)管或超前錨桿支護,通過采取超前小導(dǎo)管加強支護,提高圍巖自穩(wěn)能力,能有效控制圍巖出護盾前的變形,保證二次襯砌凈空。在護盾后部緊跟掘進施作錨、網(wǎng)、鋼拱架、噴混凝土及時封閉圍巖；在局部圍巖破碎地段,為保證結(jié)構(gòu)安全,在護盾后平臺采用自鉆式錨桿加固圍巖；TBM通過后,后配套上的噴混凝土及復(fù)噴至設(shè)計厚度,保證支護強度。

充分利用掘進機的濕噴設(shè)備,在圍巖出護盾后及時初噴混凝土,封閉圍巖,將圍巖的收斂變形減少到最低限度。由于圍巖松動范圍的擴大,而使圍巖的穩(wěn)定性降低,為了保證施工及投入使用后的結(jié)構(gòu)安全,襯砌后需及時進行固結(jié)注漿。

對剝落和坍腔的處理：由于圍巖軟弱,造成掘進機在行進時撐靴部位打滑,圍巖二次擾動,出現(xiàn)更大的坍塌,為此采取的措施是：當(dāng)剝落在15 cm以內(nèi)時,采取噴射混凝土封閉并噴平,以便于掘進機撐靴通過；坍腔在15 cm以上時,首先采用濕噴系統(tǒng)封閉圍巖,然后利用已經(jīng)架立的鋼拱架立模灌注C30細石混凝土,填平坍腔,可以避免坍腔繼續(xù)向前方延伸而產(chǎn)生過大變形,有效控制臨空面的繼續(xù)擴大而造成更大范圍的坍塌,同時也可保證掘進機的撐靴順利通過而不擠壓拱架。

對撐靴部位由于圍巖抗壓強度不能提供足夠的撐靴反力,而易造成撐靴打滑,撐靴部位二次擾動,變形過大,針對此現(xiàn)象擬采取的對策如下：①此部位出護盾后立即對此部位進行鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土施工支護作業(yè),增加此部位的抗壓強度,提高承載力；②調(diào)整撐靴壓力來減少對圍巖的擾動。

因圍巖坍塌而產(chǎn)生的巖碴無法通過正常的出碴系統(tǒng)排出,可在護盾后增設(shè)的一套機械清碴系統(tǒng),縮短清碴工序時間、提高特殊地段的掘進速度。

4 結(jié)束語

西秦嶺施工過程中,通過超前地質(zhì)預(yù)報的準確預(yù)測、根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選用TBM掘進參數(shù)、超前加固、及時封閉圍巖以控制變形、控制坍塌擴延采用合理的支護措施、提高通過不良地質(zhì)洞段時的支護速度等一系列措施,使得TBM掘進機最終順利通過了斷層破碎帶。

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