翟梁皓，吳景華

(長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，長(zhǎng)春130021)

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TBM在吉林中部城市引松供水施工中的應(yīng)用

翟梁皓，吳景華

(長(zhǎng)春工程學(xué)院勘查與測(cè)繪工程學(xué)院，長(zhǎng)春130021)

摘要：以敞開式TBM為主介紹了常見的TBM類型及發(fā)展現(xiàn)狀,結(jié)合吉林中部城市引松供水項(xiàng)目論述了不良地質(zhì)因素，如軟弱圍巖變形、隧洞突涌水、巖爆、塌方對(duì)敞開式TBM掘進(jìn)的影響,重點(diǎn)論述了針對(duì)不同因素采取的處理措施和操作方法。

關(guān)鍵詞：敞開式TBM；軟弱圍巖變形；隧洞突涌水；巖爆；塌方

19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，隨著硝化甘油、炸藥和風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的相繼問(wèn)世，鉆爆法成為隧道施工唯一的施工方法。但是在施工時(shí)鉆爆法存在工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)條件差、生產(chǎn)效率低、施工安全難以保證等弱點(diǎn)。

1956年，世界第一臺(tái)硬巖TBM(Tunnel Boring machine)在美國(guó)Robbins公司問(wèn)世。該臺(tái)TBM進(jìn)行了加拿大多倫多Humber River下水道隧洞的施工，并最終成功貫通，累計(jì)掘進(jìn)4 510 m。至此TBM工法逐漸被人們所認(rèn)識(shí)[1]。

1概述

1.1TBM簡(jiǎn)介

TBM是一種新型的綜合隧道施工設(shè)備，主要由主機(jī)和后配套兩部分組成。主機(jī)主要由刀盤、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、護(hù)盾、推進(jìn)及支撐系統(tǒng)、后支撐系統(tǒng)、主機(jī)皮帶機(jī)等組成；后配套包括混凝土噴射系統(tǒng)、操作室、電氣系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、后配套皮帶機(jī)、有害氣體檢測(cè)系統(tǒng)等。作為TBM核心的主機(jī)系統(tǒng)用于破巖掘進(jìn)和出渣；后配套系統(tǒng)主要起輔助功能。

隨著隧道施工的多樣化，TBM制造商們不斷完善TBM的結(jié)構(gòu)和功能，目前主要有：敞開式TBM、(單、雙)護(hù)盾式TBM、擴(kuò)孔式TBM、搖臂式TBM等機(jī)型[1]。

1.2TBM在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，TBM的設(shè)計(jì)、制造、施工技術(shù)已趨于成熟，被廣泛應(yīng)用于各國(guó)的能源、交通、水利等部門的地下工程建設(shè)中。20世紀(jì)90年代，我國(guó)水利系統(tǒng)的“引大入秦”工程、“引黃入晉”工程，相繼引進(jìn)國(guó)外雙護(hù)盾TBM，以國(guó)外承包商為主導(dǎo)，進(jìn)行水利工程建設(shè)，取得了引人矚目的成績(jī)，對(duì)國(guó)內(nèi)水利工程建設(shè)產(chǎn)生了廣泛、深遠(yuǎn)的影響。

“引大入秦”和“引黃入晉”工程的成功貫通是我國(guó)正式引入TBM進(jìn)行隧道施工的標(biāo)志。初期引進(jìn)的TBM多為雙護(hù)盾小直徑TBM，21世紀(jì)初，我國(guó)引入了國(guó)外大直徑敞開式TBM，隨著秦嶺隧洞、大伙房隧洞的成功貫通，完善了國(guó)內(nèi)引進(jìn)TBM機(jī)械的主要類型，成功進(jìn)行了8 m以上大直徑TBM的施工[2]。

2TBM在吉林中部城市供水隧道施工中的應(yīng)用技術(shù)研究

2.1工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標(biāo)段(TBM3標(biāo))位于吉林市岔路河至飲馬河之間，如圖1所示。起訖樁號(hào)為48+900 m～71+855 m，總長(zhǎng)度22 955 m。工程主要包括主體引水隧洞、3#通風(fēng)豎井(樁號(hào)56+147 m)、飲馬河調(diào)壓井(樁號(hào)71+752.33 m)、7#、8#施工支洞和小河沿施工豎井及其他臨時(shí)工程。隧洞洞底坡度1/4300。隧洞施工采用以掘進(jìn)機(jī)為主鉆爆法為輔的施工方法，中間設(shè)輔助施工支洞。樁號(hào)71+855 m～71+501 m段為主洞鉆爆段，TBM步進(jìn)通過(guò)后始發(fā)；樁號(hào)61+052.5 m處設(shè)置8#施工支洞，為TBM設(shè)備檢修間及中間轉(zhuǎn)場(chǎng)的輔助施工支洞；樁號(hào)50+379 m處設(shè)置7#施工支洞，為TBM設(shè)備出洞及過(guò)岔路河鉆爆段輔助施工支洞。

圖1　工程地理位置平面圖

2.2區(qū)域地質(zhì)條件

2.2.1工程地質(zhì)

工程區(qū)域地貌主要為丘陵及溝谷，表層被第四系坡洪積物和沖洪積物所覆蓋，山勢(shì)較陡，山脊巖石裸露，植被不發(fā)育。巖性主要是石炭系中下統(tǒng)磨盤山組灰?guī)r及泥盆系中下統(tǒng)堿草甸子—常家街組灰?guī)r。前期勘測(cè)資料表明本段有10條斷層、2條低阻異常帶，除F38-1與洞線交角29°外，其余斷層均與線路大角度相交?；?guī)r巖溶較發(fā)育，垂直分帶性不明顯，溶洞多沿溝谷、斷層呈北東或南北向分布，洞徑大小不一且多充填，巖石見有較多裂隙和微裂隙，一般寬0.1～0.2 mm，在堿草甸、常家街等地均有其分布。岔路河—飲馬河分水口段內(nèi)主要巖性為：砂巖、花崗巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r等，施工區(qū)圍巖主要巖性及分布見表1。

表1　岔路河—飲馬河分水口段主要溝谷及巖性表

2.2.2水文地質(zhì)條件

豐滿水庫(kù)—飲馬河分水口段主要為第二松花江流域與飲馬河流域。第二松花江是松花江南源，地理位置介于東徑124°35′～128°50′，北緯41°43′～45°23′之間，流域面積為73 834 km2，河道長(zhǎng)度為825.4 km，河道平均比降為0.4‰，流域平均寬度為97.8 km。飲馬河為第二松花江豐滿下游左岸一大支流，發(fā)源于伊通縣地局子鄉(xiāng)老爺嶺東南側(cè)，全長(zhǎng)387.5 km，至農(nóng)安縣靠山鎮(zhèn)北1.5 km處與伊通河匯合后匯入第二松花江，流域面積為18 247 km2，河道比降為0.3‰，整個(gè)流域略呈一斜長(zhǎng)方形，主要支流為伊通河、霧開河、岔路河、雙陽(yáng)河。地下水位平均距地表20 m。

2.3施工中存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題及解決措施

施工中存在的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有：軟弱圍巖變形、隧洞突涌水、巖爆、塌方等[3]。

2.3.1軟弱圍巖變形

在軟弱圍巖洞段掘進(jìn)時(shí)，借助于護(hù)盾的支撐，可暫時(shí)維持圍巖的穩(wěn)定，但此時(shí)圍巖已被擾動(dòng)，圍巖變形可能在開挖過(guò)后立即發(fā)生并在短期結(jié)束，也可能滯后于正常施工，至二次襯砌之前持續(xù)發(fā)生變形。對(duì)于立即發(fā)生的變形，會(huì)造成TBM護(hù)盾被圍巖抱死；對(duì)于滯后的變形，會(huì)造成起初期支護(hù)的混凝土發(fā)生變形和開裂，成為了潛在的安全隱患[4-5]。

施工中對(duì)軟弱圍巖的防治措施：1)調(diào)整TBM刀盤邊刀，適當(dāng)增加超挖量，并向護(hù)盾與巖壁接觸部位注入潤(rùn)滑油。2)在掘進(jìn)時(shí)，采取“勤換步，短進(jìn)尺，強(qiáng)支護(hù)”的施工原則，圍巖變形會(huì)引起拱架變形、拱頂下沉，須加密拱架并加強(qiáng)縱向連接，必要時(shí)對(duì)已開挖圍巖進(jìn)行灌漿，進(jìn)一步加固圍巖。3)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)論，如果掌子面前方圍巖條件繼續(xù)惡化，須采用超前管棚等超前加固措施，增強(qiáng)支護(hù)體系的整體性，改善受力條件。4)當(dāng)TBM通過(guò)膨脹性圍巖地段時(shí)，要避免膨脹巖石與水接觸，積極做好防滲止水工作，必要時(shí)用人工噴射混凝土以封閉仰拱處圍巖。

軟弱圍巖變形對(duì)本工程的影響：1)根據(jù)工程前期的勘測(cè)資料，設(shè)計(jì)洞線走向上主要為凝灰?guī)r、灰?guī)r和花崗巖，在巖性方面不存在蒙脫石等礦物組成的膨脹性圍巖洞段。2)本工程的洞段最大埋深為536m，不具備高地應(yīng)力條件，且洞室埋深最深處的巖石多為礫巖和花崗巖，也不具備塑性膨脹的條件。3)TBM掘進(jìn)至樁號(hào)71+374 m時(shí)遇到炭質(zhì)板巖，遇水快速崩解，圍巖等級(jí)惡化，發(fā)育2條呈X型的斷層破碎帶，貫穿頂拱和兩壁，右側(cè)拱頂巖體破碎嚴(yán)重，斷層走向與洞軸線交角較小，巖體破碎，無(wú)自穩(wěn)性且產(chǎn)生掉塊和塌腔，塌腔體深0.5～2 m。借助于近距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)判斷刀盤前方裂隙水不發(fā)育，對(duì)圍巖進(jìn)行了及時(shí)加固并停止刀盤噴水。由于炭質(zhì)板巖抗壓強(qiáng)度低且較破碎，造成掘進(jìn)參數(shù)發(fā)生明顯變化，及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，每榀鋼拱架間距0.9 m，各榀鋼拱架之間采用Ф22@1000鋼筋縱向連接并加設(shè)鋼筋排。將撐靴部位進(jìn)行初噴混凝土，封閉巖面。在炭質(zhì)板巖的影響下，施工進(jìn)度緩慢，日進(jìn)尺僅5～12 m。

2.3.2隧洞突涌水

TBM在穿越含水層時(shí)，必然會(huì)揭露部分圍巖中的導(dǎo)水通道，圍巖周圍的地下水以及與其有水力聯(lián)系的其他水體會(huì)因此在隧洞匯集形成突涌水。

隧洞發(fā)生突涌水事故與圍巖巖性和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況有關(guān)，如可溶性巖層、向斜構(gòu)造的核部與背斜構(gòu)造的兩翼，特別是向斜構(gòu)造盆地、斷層破碎帶等處。

突涌水的防治措施1)積極進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論采取相應(yīng)措施，水量小，可利用TBM自身攜帶的排水設(shè)備進(jìn)行排水；水量較大，則需要進(jìn)行超前注漿堵水等處理后再掘進(jìn)。2)若掘進(jìn)至巖溶和斷層破碎帶發(fā)育洞段，巖石的導(dǎo)水性和富水性較好，采用排、堵相結(jié)合的措施。3)針對(duì)TBM掘進(jìn)過(guò)程中的突涌水，要對(duì)出水點(diǎn)進(jìn)行封堵，保證混凝土和其他支護(hù)的正常施做。

隧洞突涌水對(duì)本工程的影響：1)根據(jù)勘察情況，工程區(qū)域內(nèi)F8、FW12、F17、F38等斷裂為導(dǎo)水?dāng)嗔?，地處溝谷，有匯水條件，或與地表水體可能形成聯(lián)系，施工過(guò)程中斷裂帶的突水、突泥是主要的工程地質(zhì)問(wèn)題。2)本工程洞線地下水埋深20 m左右，洞身均在水位以下，但洞身壓水試驗(yàn)多為弱透水，地下水以淺循環(huán)為主，外水壓力一般不大。3)在低洼河谷淺埋段，可能會(huì)有涌水問(wèn)題。TBM經(jīng)過(guò)堿草甸子和小河沿工區(qū)，估算最大涌水量為1 620～3 500 m3/d，地質(zhì)條件復(fù)雜，因此選擇在這兩個(gè)工區(qū)設(shè)置豎井，進(jìn)行鉆爆法開挖，TBM步進(jìn)通過(guò)。

2.3.3巖爆

施工中遇到巖爆時(shí)，主要措施是改善圍巖的物理性能。具體措施為：1)向干燥的圍巖表面灑水，或采用高壓水沖洗隧道拱頂和側(cè)壁，松弛巖體中積累的高構(gòu)造應(yīng)力。2)通過(guò)在可能發(fā)生巖爆掌子面上方打數(shù)個(gè)超前鉆孔，釋放巖體中的高構(gòu)造應(yīng)力。3)在通過(guò)可能發(fā)生巖爆的洞段時(shí)，盡量減少圍巖裸露時(shí)間，必要時(shí)先對(duì)圍巖進(jìn)行人工噴射混凝土，再進(jìn)行錨桿和鋼拱架等施工。

巖爆對(duì)本工程的影響：1)根據(jù)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試成果進(jìn)行分析，本區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E49°～82°，與主洞線夾角14°～33°，對(duì)洞室穩(wěn)定有利。洞室最大埋深部位540 m，最大水平主應(yīng)力值約為20MPa，屬于中等應(yīng)力水平，對(duì)洞室穩(wěn)定有一定影響。2)在巖性及強(qiáng)度指標(biāo)方面，總干線三段中埋深(>300 m)隧洞巖石如礫巖、花崗巖等，這類巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rb>60 MPa),均有可能發(fā)生巖爆，在個(gè)別埋深(>500 m)的洞段可能會(huì)發(fā)生輕微巖爆。3)相比較鉆爆法，掘進(jìn)機(jī)施工的洞室平整度較好，不易于造成局部應(yīng)力集中，可減輕巖爆程度或避免巖爆發(fā)生。

2.3.4坍方

2.3.4.1TBM穿越圍巖整體性差洞段引起的塌方

TBM在整體性差的圍巖中掘進(jìn)時(shí)，難免會(huì)遇到由于節(jié)理、裂隙過(guò)于發(fā)育，圍巖較破碎的情況。此種圍巖條件下，對(duì)提高掘進(jìn)的效率有利，但是在TBM高產(chǎn)的同時(shí)，開挖過(guò)后，后期支護(hù)會(huì)大量占用直線工期。

TBM進(jìn)行施工時(shí)，塌方發(fā)生的部位：一種情況發(fā)生在刀盤前方的掌子面；另一種情況在圍巖剛露出護(hù)盾尾部時(shí)，由于支護(hù)得不及時(shí)，會(huì)發(fā)生在拱頂和拱腰處[6]。

TBM施工中對(duì)塌方的防治措施：1)根據(jù)前期勘查資料，定期進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前采取措施，防范于未然。2)TBM刀盤前方的塌方會(huì)導(dǎo)致主機(jī)皮帶機(jī)出渣量增多或貫入度突然增大，刀盤此時(shí)要后退2～3 cm，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，若前方不是斷層破碎帶，保持刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)和出渣系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，將堆積在TBM刀盤前方的坍塌物運(yùn)出洞外。3)掘進(jìn)中遇到塌方，應(yīng)明確塌方范圍、形狀、地質(zhì)構(gòu)造、地下水活動(dòng)情況等，一般選擇先加固未塌方洞段，防止塌方進(jìn)一步擴(kuò)大，若塌方洞段賦存地下水，還需加強(qiáng)排水工作并適當(dāng)增加頂護(hù)盾的油缸壓力。4)如果圍巖有一定自穩(wěn)性，可采用短進(jìn)尺、勤換步，開挖后及時(shí)做好支護(hù)措施，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)；如果圍巖沒(méi)有自穩(wěn)能力，可采取超前錨桿，管棚灌漿等措施，提高刀盤前方圍巖的整體性，再正常鉆進(jìn)通過(guò)，此過(guò)程中要避免TBM長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。

2.3.4.2TBM穿越斷層破碎帶而引起的塌方

在穿越破碎帶時(shí)，由于斷層破碎帶內(nèi)的巖石破碎且已風(fēng)化，如果盲目掘進(jìn)會(huì)造成TBM被埋、主機(jī)下沉等嚴(yán)重事故，使工期拖延，威脅洞內(nèi)施工人員的安全。

TBM施工中對(duì)斷層破碎帶引起塌方的防治措施：1)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)來(lái)提前獲取掌子面前方斷層的性質(zhì)、特征、規(guī)模等情況，特別是洞內(nèi)水與地表水的連通性等。2)掌子面包括拱頂在內(nèi)的圍巖破碎、松散，繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，TBM的頂護(hù)盾壓力會(huì)顯著增加，此時(shí)TBM的刀盤應(yīng)頂在掌子面上，暫不后退。與前述處理坍塌和掉塊的處理方式不同，如果在斷層破碎帶繼續(xù)保持刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，將會(huì)對(duì)本身已經(jīng)破碎的圍巖造成更大范圍的擾動(dòng)，使斷層破碎帶的影響范圍增加，造成更大范圍的塌方，并在刀盤的上方形成空穴。3)采用人工噴射混凝土，及時(shí)將暴露出護(hù)盾的圍巖進(jìn)行封閉，再進(jìn)行錨桿和鋼拱架等施工。4)鋼拱架的安裝要確保豎直，在滿足撐靴通過(guò)的基礎(chǔ)上加密鋼拱架，并加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)。

塌方對(duì)本工程的影響：根據(jù)勘察本工程線路遙感解譯等結(jié)果，斷裂構(gòu)造方向以NE和NW為主，共有與洞身相交斷層和低阻帶105條，斷層及異常帶寬度以10～20 m為主，最大寬度大于100 m，并且均位于河谷部位，較寬的斷裂及低阻區(qū)也同樣位于溝谷部位，和地下水、地表水很容易形成密切的聯(lián)系。調(diào)研期間，TBM受F25斷層破碎帶影響發(fā)生大規(guī)模塌方。刀盤退后17 m，已經(jīng)無(wú)法接觸掌子面，塌方發(fā)生在刀盤前方，斷層破碎帶充填物力學(xué)指標(biāo)低且已經(jīng)被擾動(dòng)，極有可能在掌子面上部形成塌方空腔，采用超前管棚注漿對(duì)掌子面前方軟弱巖層進(jìn)行加固。

重點(diǎn)難點(diǎn)：1)發(fā)生塌方洞段位于刀盤前方，施工空間有限，只能利用TBM護(hù)盾后方平臺(tái)進(jìn)行施工。2)根據(jù)勘察資料，該斷層影響帶寬度為50～350 m，影響范圍不確定，難以預(yù)估處理周期。3)斷層帶破碎，充填物力學(xué)指標(biāo)低，且已被擾動(dòng)，極可能已在掌子面前方上部形成坍方空腔，后續(xù)超前支護(hù)及灌漿加固難度大。如處理不及時(shí)，在雨季可能造成掌子面大量突涌泥石流等問(wèn)題。

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)前方異常洞段提前做好超前處理，固結(jié)破碎圍巖及堵水。重視第一循環(huán)管棚施工，由于第一循環(huán)管棚施工開孔位置位于完整基巖，前方隧洞內(nèi)已完全為松散的斷層堆積物，并連續(xù)出渣超出正常范圍800 m3以上，極可能在掌子面上部已形成坍空區(qū)。第一循環(huán)管棚施工的成功與否直接關(guān)系到能否在掌子面形成止?jié){墻，繼而影響后續(xù)管棚施工。

截止目前為止，該項(xiàng)目仍然在進(jìn)行后續(xù)的回填灌漿等固結(jié)上部巖體的工作，已經(jīng)推遲工期6個(gè)月。因此，TBM在通過(guò)可能發(fā)生塌方或掉塊的洞段時(shí)，要時(shí)刻注意掘進(jìn)參數(shù)的變化，并根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)論選擇處理和支護(hù)方式，保證TBM安全穿越斷層破碎帶。

3結(jié)語(yǔ)

由于TBM為全斷面開挖，掌子面圍巖基本被護(hù)盾擋住，僅靠刀盤面板上的觀察窗口進(jìn)行掌子面處理，會(huì)降低TBM對(duì)不良地質(zhì)因素的適應(yīng)性。不良地質(zhì)因素如軟巖變形、突涌水、巖爆、塌方等都會(huì)給TBM造成嚴(yán)重影響。因此，在項(xiàng)目可研階段需充分考慮TBM選型與工程地質(zhì)條件的適應(yīng)性，選型不當(dāng)會(huì)在施工中造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤；綜合分析前期工程地質(zhì)勘察資料和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論，指導(dǎo)TBM施工；TBM在可能發(fā)生較大塑性變形和大規(guī)模突涌水等地層中掘進(jìn)時(shí)，一般選擇在地表人工開挖支洞，采用鉆爆法處理相應(yīng)地層，TBM步進(jìn)通過(guò)；在掘進(jìn)中遇到塌方時(shí)，不論何種形式塌方，TBM盡量不要后退超過(guò)5 m，刀盤可以暫時(shí)保證掌子面的穩(wěn)定；若整條工程路線或大部分洞段地質(zhì)條件很差或者情況未探明，則需慎重考慮采用TBM工法可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)及是否使用TBM工法進(jìn)行施工等，在此基礎(chǔ)上做出科學(xué)決策。

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The Application of TBM to Introduction of the Songhua River Water Supply Project in Jilin Central Cities

ZHAI Liang-hao, etc.

(SchoolofProspecting&SurveyingEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China)

Abstract：The article gives priority to indicate the open type TBM through the introduction of usual types of TBM and their developing status. Combined with the introduction of the Songhua River water supply project in central Jilin cities it discusses the effects to the tunneling to open type TBM with badness geological factors such as weak surrounding rock deformation、tunnel water gushing, rock burst, and hole collapse, and focuses on the treatment measures and operating methods according to different factors.

Key words：open type TBM; weak surrounding rock deformation; tunnel water gushing; rock burst; hole collapse.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-8984(2016)01-0071-04

中圖分類號(hào)：TV554.2

作者簡(jiǎn)介：翟梁皓(1990-)，男(滿)，黑龍江七臺(tái)河，碩士

收稿日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.017

主要研究巖土工程。