靳黨鵬，肖 軍，王 濤，張文強(qiáng)

（中交天和機(jī)械設(shè)備制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

自1851年美國(guó)人Chrles Wilson發(fā)明了第一臺(tái)全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)以來，經(jīng)歷了170多年的發(fā)展，功能與種類也越來越全面［1，2］。TBM在針對(duì)高強(qiáng)度巖土地層時(shí)，不僅掘進(jìn)速度快，而且施工安全可靠，其在硬巖隧道的成功案例在全世界得到了廣泛的認(rèn)同。本項(xiàng)目采用敞開式TBM掘進(jìn)機(jī)，在施工對(duì)應(yīng)較完整、有一定自穩(wěn)性的圍巖時(shí)，能充分發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)，特別是在硬巖、中硬巖掘進(jìn)中，強(qiáng)大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力。因?yàn)楫?dāng)?shù)厣絽^(qū)的高海拔和斷裂帶的分布，掘進(jìn)機(jī)主機(jī)同時(shí)配置臨時(shí)支護(hù)設(shè)備如鋼架安裝器、錨桿鉆機(jī)、鋼筋網(wǎng)安裝機(jī)、超前鉆、管棚鉆機(jī)、噴混凝土機(jī)及注漿機(jī)等，如遇有局部破碎帶及松軟夾層巖石，則掘進(jìn)機(jī)可由所附帶的超前鉆及注漿設(shè)備預(yù)先固結(jié)周邊巖石，然后再開挖，提高了施工的多樣性與應(yīng)對(duì)機(jī)制。

1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本次工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，隧址區(qū)地層主要為第四系沖洪積卵石、崩坡積碎石、冰水堆積碎石、泥盆系上統(tǒng)天格爾組凝灰質(zhì)砂巖、志留系阿河布拉克組石英片巖及華力西早期侵入花崗巖。巖石最大抗壓強(qiáng)度90MPa。

根據(jù)地質(zhì)資料顯示，Ⅴ級(jí)圍巖全長(zhǎng)2205m，占全長(zhǎng)的10.6%，Ⅳ級(jí)圍巖全長(zhǎng)11872m，占全長(zhǎng)的56.7%，Ⅲ級(jí)圍巖全長(zhǎng)5619m，占全長(zhǎng)的26.8%，Ⅱ級(jí)圍巖全長(zhǎng)1254m，占全長(zhǎng)的5.9%。其中，F(xiàn)6、F7斷層破碎帶及巖性接觸帶等圍巖段屬中等富水區(qū)，涌水量大，開挖可能導(dǎo)致涌突水現(xiàn)象。

綜上所述，巖體較易破碎、崩塌，圍巖穩(wěn)定性差，危巖體等不良地質(zhì)巖性為風(fēng)化凝灰質(zhì)砂巖、石英片巖、中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖、花崗巖。

2 工程重難點(diǎn)

TBM掘進(jìn)一般要求進(jìn)度快，工期緊，而且掘進(jìn)的工況與地質(zhì)條件比較惡劣，會(huì)引起施工時(shí)一系列的問題與難點(diǎn)，現(xiàn)總結(jié)主要問題如下［3］：

（1）通過斷層破碎帶問題。

隧道存在2條構(gòu)造斷裂帶F6、F7，圍巖構(gòu)成主要為風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖和石英片巖接觸段，斷裂帶處圍巖變形大，易造成塌方，支護(hù)工作量大，掘進(jìn)方向難以控制，TBM撐靴落空無法推進(jìn)等問題。

（2）高地應(yīng)力條件下存在巖爆問題。

隧道最大埋深約1200m，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)較為活躍，局部圍巖主要以花崗巖等硬質(zhì)巖石為主，隧道開挖后可能會(huì)產(chǎn)生巖爆風(fēng)險(xiǎn)。

（3）涌水、突泥問題。

在Ⅴ級(jí)圍巖及斷層破碎帶，局部富含裂隙與地下水，會(huì)產(chǎn)生較大涌水，尤其是下坡掘進(jìn)，洞內(nèi)積水可能會(huì)迅速增多，導(dǎo)致停機(jī)，甚至危及人員和設(shè)備安全。

（4）軟巖大變形問題。

F7斷層破碎帶主要為灰綠色薄層狀、千枚狀絹云母石英片巖為主，夾少量灰?guī)r、鈣質(zhì)片巖，遇水易泥化、軟化，有漲縮性，工程地質(zhì)性質(zhì)不好。受地應(yīng)力影響，圍巖可能會(huì)出現(xiàn)局部或者較長(zhǎng)區(qū)域的收斂，大變形帶來的主要問題是支護(hù)變形甚至失效，對(duì)配套設(shè)備通過造成影響。

3 應(yīng)對(duì)措施

3.1 破碎帶針對(duì)性措施

TBM設(shè)計(jì)時(shí)考慮配置相應(yīng)的輔助工法［4］，在L1區(qū)配置鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)、鋼網(wǎng)片存儲(chǔ)系統(tǒng)、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、L1區(qū)混噴等系統(tǒng)，在L2區(qū)配置錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)、混凝土噴射系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 TBM三維模型

保證在破碎地層掘進(jìn)時(shí)鋼筋排同步支護(hù)隧道（見圖2），再配合鋼拱架、錨桿等支護(hù)手段，有效提高支護(hù)的及時(shí)性和安全性，減少石渣掉落和塌方，并有效應(yīng)對(duì)破碎圍巖、塌方及中等強(qiáng)度的巖爆。

圖2 拱架安裝器

在主機(jī)L1區(qū)配置新型混噴系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī)型具有回彈量小、凝固時(shí)間短、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，即使在地質(zhì)松散段和富水洞段，也可以在很短的時(shí)間內(nèi)給撐靴提供足夠的支撐反力，讓撐靴能夠快速順利無害通過環(huán)形梁?；靽娤到y(tǒng)通過后，配套混凝土輸送泵將噴射料輸送至設(shè)備橋處混凝土輸送泵，再由設(shè)備橋混凝土輸送泵將混噴料送至前置混噴機(jī)械手，對(duì)隧道巖壁進(jìn)行混噴加固。若遇大的坍塌，可在洞壁坍塌處立模，將L1區(qū)噴嘴處管路斷開，灌注混凝土。

嚴(yán)重?cái)鄬悠扑閹?，?yōu)先考慮采取加密的拱架鋼筋排支護(hù)和L1區(qū)應(yīng)急噴混支護(hù)進(jìn)行穿越，同時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)；萬一無法穿越，刀盤出現(xiàn)卡頓，扭矩異常時(shí)，再考慮利用設(shè)備上的超前鉆機(jī)及注漿系統(tǒng)進(jìn)行超前加固。由于隧道地處高海拔，隧道埋深較大，并存在常年積雪，預(yù)估存在較大的水壓，注砂漿效果差，可考慮注入化合物或者雙液漿進(jìn)行超前加固。

3.2 高地應(yīng)力針對(duì)性措施

TBM工法本身是防治巖爆非常有效的手段。由于采用機(jī)械掘進(jìn)開挖，對(duì)圍巖的擾動(dòng)非常小，同時(shí)開挖面為圓形，而且開挖輪廓非常圓順，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，這兩方面因素本身對(duì)減少巖爆的發(fā)生和降低巖爆的發(fā)生等級(jí)都非常有效。

在大埋深、高地應(yīng)力段施工，根據(jù)地質(zhì)資料及探測(cè)手段對(duì)不同級(jí)別的巖爆采取不同的施工方法和應(yīng)對(duì)措施，主要應(yīng)對(duì)措施有：

（1）加強(qiáng)地質(zhì)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，及早采取措施，防止巖爆發(fā)生或降低巖爆發(fā)生的等級(jí)，以使損失降到最小，確保施工安全；

（2）采取向巖面噴水、噴霧或深孔注水等辦法降低表面脆性或降低巖石硬度；

（3）視情況報(bào)請(qǐng)監(jiān)理審批同意后采用水脹式錨桿、漲殼式預(yù)應(yīng)力錨桿、鋼纖維混凝土、納米仿鋼纖維混凝土等新材料、新工藝試驗(yàn)，防止或者減弱巖爆發(fā)生及其造成的影響；

（4）對(duì)于中等-較弱的巖爆，及時(shí)噴錨網(wǎng)支護(hù)，減少圍巖暴露時(shí)間，減少巖片剝落造成的安全隱患，且初期支護(hù)做到寧強(qiáng)勿弱，務(wù)必一次到位；在強(qiáng)烈—極強(qiáng)巖爆段，除以上措施外，必要時(shí)報(bào)請(qǐng)監(jiān)理審批同意后采用鋼架結(jié)合雙層鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)支護(hù)；最嚴(yán)重情況下，為釋放較高的地應(yīng)力，減輕巖爆強(qiáng)度，采用先開挖導(dǎo)洞方式，以釋放部分地應(yīng)力，然后進(jìn)行二次擴(kuò)挖；對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，確保施工安全；

（5）針對(duì)強(qiáng)巖爆地段，采用TBM自帶的超前鉆機(jī)鉆孔，對(duì)開挖面周邊進(jìn)行弱爆破以超前釋放部分地應(yīng)力，然后TBM掘進(jìn)通過；在TBM頂側(cè)護(hù)盾增加了鋼筋排存儲(chǔ)空間，擴(kuò)大了鋼筋排的支護(hù)范圍，實(shí)現(xiàn)在盾體尾部周向250°鋼筋排支護(hù)，加密與擴(kuò)大鋼筋排支護(hù)范圍可有效減少巖爆對(duì)人員及設(shè)備的損傷。

3.3 突涌水、突泥針對(duì)性措施

斷層破碎帶及巖性接觸帶等圍巖段屬中等富水區(qū)，涌水量大，開挖可能導(dǎo)致突泥、涌水現(xiàn)象，此隧道勘探正常涌水量約為1180m3/d，最大涌水量預(yù)估算為12000m3/d，此隧道TBM掘進(jìn)有超過400m的下坡掘進(jìn)，隧洞內(nèi)積水可能會(huì)迅速增多，導(dǎo)致停機(jī)，甚至危及人員和設(shè)備安全，分別制定措施如下：

（1）突涌水措施。

在地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)探明前方有突涌水時(shí)，在掘進(jìn)之前進(jìn)行超前預(yù)注漿、超前支護(hù)等手段進(jìn)行處理。超前注漿材料以速凝、早強(qiáng)為原則，以化學(xué)漿材為主，具體應(yīng)對(duì)對(duì)策根據(jù)實(shí)際施工情況報(bào)監(jiān)理審批后組織實(shí)施；必要時(shí)采取超前泄水孔限量排放等措施，保障先行開挖通過，然后再進(jìn)行堵水灌漿處理或高壓固結(jié)灌漿堵水和加固。加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警、超前探水工作，結(jié)合已揭露的隧洞地質(zhì)情況，選擇相應(yīng)的施工方法。

對(duì)于富水?dāng)鄬悠扑閹У囟尾捎贸邦A(yù)灌漿、超前支護(hù)進(jìn)行加固，改良地層，封堵地下水，開挖后及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，并進(jìn)行堵水灌漿和襯砌后固結(jié)灌漿加固；對(duì)于一般的出水點(diǎn)，當(dāng)?shù)貙臃€(wěn)定時(shí)，先掘進(jìn)通過，開挖后封堵出水點(diǎn)；當(dāng)?shù)貙硬环€(wěn)定時(shí)，灌漿堵水，并加固圍巖，開挖后及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)；對(duì)于較大的出水點(diǎn)，視情況采取灌漿全封堵和部分封堵措施；為避免直射的涌噴水影響正常作業(yè)和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，TBM施工段采用鋼瓦片進(jìn)行擋護(hù)、引排至隧底并通過洞內(nèi)排水系統(tǒng)排出；必要時(shí)及時(shí)啟用應(yīng)急排水系統(tǒng)，確保涌水及時(shí)排出，避免積水劣化圍巖和其他惡性事件發(fā)生；下坡掘進(jìn)時(shí)，視相鄰隧洞掘進(jìn)情況，考慮與相鄰隧洞打孔貫通，通過相鄰隧洞進(jìn)行排水；TBM主機(jī)段配置超前鉆機(jī)系統(tǒng)，可進(jìn)行超前鉆孔及注漿堵水。錨桿鉆機(jī)與超前支護(hù)鉆機(jī)共用，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可將錨桿鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)90°向掌子面方向進(jìn)行鉆孔，示意圖如圖3所示。

圖3 超前預(yù)警鉆機(jī)

（2）突泥措施。

突涌水突泥均將對(duì)TBM施工造成災(zāi)難性后果，通過施工過程中對(duì)工程地質(zhì)情況的深入了解和結(jié)合實(shí)際圍巖情況，制定防突泥專項(xiàng)方案，并加強(qiáng)在實(shí)施過程中的信息反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整，確保方案實(shí)施效果，嚴(yán)禁突泥情況的發(fā)生。主要應(yīng)對(duì)對(duì)策是：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探明前方有突泥情況后，為防止泥漿涌出給TBM設(shè)備造成嚴(yán)重影響，掌子面采用超前灌漿封堵、加固，然后采用超前管棚注漿預(yù)加固，經(jīng)評(píng)判具備TBM開挖條件后再開挖。當(dāng)突泥量大，采用上述措施處理時(shí)間很長(zhǎng)，影響總工期時(shí)，申請(qǐng)改變施工方案，從TBM護(hù)盾后部人工鉆爆施工繞洞到TBM前方提前進(jìn)行處理，然后TBM步進(jìn)通過。

3.4 穿越軟巖地層針對(duì)性措施

隧道項(xiàng)目地層存在軟巖地質(zhì)，地層易發(fā)生大變形，受地應(yīng)力影響，圍巖可能會(huì)出現(xiàn)局部或者較長(zhǎng)區(qū)域的收斂，大變形帶來的主要問題是支護(hù)強(qiáng)度不足引起支護(hù)變形甚至失效，占用隧道凈空，對(duì)后配套設(shè)備通過造成影響。針對(duì)軟質(zhì)地層加固的主要措施為錨、注、噴一體化（錨、注為核心）、圍巖加固-支護(hù)，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面：

（1）在物探結(jié)果預(yù)測(cè)前方為軟弱圍巖時(shí)，超前探孔配合予以驗(yàn)證，視探孔取芯分析情況決定掘進(jìn)措施。

（2）軟弱圍巖段按照“超前支護(hù)、短進(jìn)尺、勤換步、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、初期支護(hù)一次到位”的原則組織施工。掘進(jìn)措施、支護(hù)方法和手段視具體情況實(shí)施。主要體現(xiàn)在：利用超前鉆機(jī)，超前注漿加固、施作超前小導(dǎo)管或超前管棚預(yù)支護(hù)等手段后再掘進(jìn)通過；若圍巖收斂變形比較輕微，掘進(jìn)通過后進(jìn)行初期支護(hù)。根據(jù)具體情況，必要時(shí)采用超前混噴系統(tǒng)對(duì)護(hù)盾尾部即刻噴射混凝土覆蓋加固，若發(fā)現(xiàn)有圍巖塑性變形或膨脹現(xiàn)象，立即停止噴水，并加快速度盡快通過；若軟巖無法提供支撐反力時(shí)，可在洞壁撐靴處采用噴錨網(wǎng)+鋼拱+灌注混凝土的聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)撐靴部位洞壁處理后再掘進(jìn)，必要時(shí)打錨索加強(qiáng)初期支護(hù)后再掘進(jìn)通過。

若圍巖收斂變形較為嚴(yán)重，首先利用TBM的擴(kuò)挖功能，擴(kuò)挖時(shí)，結(jié)合驅(qū)動(dòng)抬升功能，采取邊刀加墊塊，將刀具外移，擴(kuò)挖頂部空間；圍巖出護(hù)盾后，及時(shí)施作初期支護(hù)，必要時(shí)采用短進(jìn)尺、加密拱架、加強(qiáng)配筋、噴射鋼纖維混凝土等措施加強(qiáng)支護(hù)。若TBM被卡，設(shè)備考慮驅(qū)動(dòng)大扭矩配置（額定扭矩8720kNm、脫困扭矩13079kNm）。同時(shí)加大掘進(jìn)推力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤(rùn)滑劑，減少護(hù)盾與圍巖間的摩擦，通過后立即施作初期支護(hù)系統(tǒng)；在變形量極大、速度快的極端情況下，TBM擴(kuò)挖不足以克服卡盾和掌子面自穩(wěn)定能力差，不具備全斷面TBM掘進(jìn)時(shí)，則從護(hù)盾后開繞洞至掌子面，采用鉆爆法施工處理后，TBM步進(jìn)通過的方法。

4 結(jié)論

本隧道地質(zhì)復(fù)雜，埋深大，斷裂帶較多，極大的影響施工進(jìn)度和施工安全。因此，針對(duì)本工程的重點(diǎn)、難點(diǎn)須做好處理預(yù)案及應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)施工管理，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，以保證整個(gè)隧道的順利貫通。