施春生，伊長(zhǎng)友，黃 兵

（1.遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 100166；2.哈爾濱建成集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱150030）

1 工程概述

遼寧省大伙房水庫輸水工程設(shè)計(jì)輸水流量70 m3/s，多年平均輸水量18億m3。工程主體建筑物為一長(zhǎng)85.32 km的輸水隧洞，隧洞底坡為1/2 380，埋深大多在100～300 m之間。工程在總體布置上充分利用天然地形，布設(shè)施工輔助支洞14條。隧洞施工采用以掘進(jìn)機(jī)為主、鉆爆法為輔的聯(lián)合作業(yè)方法。3臺(tái)開敞式TBM（全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)）分三個(gè)掘進(jìn)段進(jìn)行施工，每臺(tái)TBM的掘進(jìn)長(zhǎng)度控制在18～20 km。掘進(jìn)機(jī)開挖洞徑8 m，成洞直徑7.16 m，各類圍巖一次支護(hù)均采用錨噴支護(hù)，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖在一次支護(hù)的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)澆混凝土襯砌作為永久支護(hù)。

2 TBM掘進(jìn)過程中坍塌形成的原因

2.1 拱頂松動(dòng)坍塌

采用開敞式TBM開挖的隧洞，巖體中開挖洞室后出現(xiàn)了臨空面，巖體有了變形的空間，由于應(yīng)力局部釋放，使巖體發(fā)生卸載而向隧洞內(nèi)變形，原來平衡的三維初始應(yīng)力狀態(tài)必然要引起應(yīng)力的重新分布。一般隧洞的初始應(yīng)力主要為自重應(yīng)力場(chǎng)，此時(shí)垂直應(yīng)力分量是最大主應(yīng)力，水平應(yīng)力很小，開挖隧洞所形成的二次應(yīng)力場(chǎng)為：洞頂、洞底出現(xiàn)拉應(yīng)力，邊墻部分有很大的切向壓應(yīng)力。TBM在這種初始應(yīng)力主要為自重應(yīng)力場(chǎng)的隧洞施工過程中，若巖體較破碎，出護(hù)盾后隧洞頂部的松動(dòng)區(qū)由于應(yīng)力和強(qiáng)度明顯下降，裂隙擴(kuò)張?jiān)龆啵w積擴(kuò)大，出現(xiàn)了明顯的塑性位移，這時(shí)若沒有足夠的支護(hù)抗力就不能使圍巖維持平衡狀態(tài)，則形成頂部大范圍的坍塌。示意圖1如下：

圖1 坍塌示意圖

這種形式的坍塌一般出現(xiàn)在刀盤前方上部和刀盤頂護(hù)盾上方，呈倒鍋底狀，伴有落石現(xiàn)象。通常破碎圍巖在出護(hù)盾后由于有了更大的變形空間，坍塌常擴(kuò)展到護(hù)盾后方，此時(shí)若不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)或者支護(hù)抗力不足，則極易形成拱頂大范圍坍塌。

2.2 不利結(jié)構(gòu)面組合引起的坍塌

在普通自重應(yīng)力場(chǎng)為主要初始應(yīng)力的隧洞開挖過程中，由于巖體被各種不同產(chǎn)狀的結(jié)構(gòu)面切割組，形成許多大小、形狀不一的巖塊。當(dāng)隧洞開挖形成臨空面后，各巖塊之間在自身重力的作用下，形成小范圍的掉塊，這種形式的坍塌一般發(fā)生在隧洞的頂部。示意圖如圖2。

圖2 掉塊示意圖

當(dāng)存在不利結(jié)構(gòu)面組合且沿結(jié)構(gòu)面出水時(shí)，更易形成此類坍塌。此類坍塌一般發(fā)生在頂護(hù)盾上部及護(hù)盾后方1～2 m內(nèi)。

2.3 節(jié)理密集帶及擠壓軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生的坍方

節(jié)理密集帶由于節(jié)理間距較小，巖石的抗壓強(qiáng)度受節(jié)理面的影響較大。節(jié)理面間的充填物質(zhì)大大降低了圍巖的整體穩(wěn)定性，隧洞開挖后，原始應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，應(yīng)力二次重分布，圍巖承載能力降低，易造成沿結(jié)構(gòu)面的掉塊坍方；而且節(jié)理發(fā)育，多在2～3組，或3組以上，呈X型或米字型交叉布置，更易造成受力不平衡，造成坍方。

擠壓軟弱結(jié)構(gòu)面在斷層附近較發(fā)育，主要由碎裂巖、構(gòu)造擠壓巖或糜棱巖組成，巖面滲水～滴水，這類巖石TBM掘進(jìn)開挖時(shí)不會(huì)立即產(chǎn)生很大坍塌，但由于水的破壞作用及時(shí)間推移，圍巖變形將逐漸增大，易產(chǎn)生坍方。

3 TBM掘進(jìn)中防止圍巖坍塌措施

3.1 預(yù)測(cè)圍巖狀況

1）根據(jù)地質(zhì)編錄進(jìn)行預(yù)報(bào)。由長(zhǎng)期從事地質(zhì)工作的地質(zhì)工程師，對(duì)護(hù)盾后圍巖做地質(zhì)素描，地質(zhì)素描的內(nèi)容主要包括地下水狀態(tài)，地層巖性，巖石特征，地質(zhì)結(jié)構(gòu)面，軟弱夾層，貫穿性的大節(jié)理、斷層等，根據(jù)地質(zhì)素描圖的內(nèi)容，繪制地質(zhì)素描圖，并做出開挖面前方較短距離內(nèi)的巖體穩(wěn)定性分析，據(jù)此編制隧洞地質(zhì)編錄，根據(jù)地質(zhì)編錄分析和預(yù)測(cè)圍巖的穩(wěn)定情況，判斷圍巖是否穩(wěn)定，不穩(wěn)定時(shí)是否進(jìn)行超前支護(hù)，如需進(jìn)行超前支護(hù),即立刻采取超前支護(hù)措施，以防止圍巖坍塌。

2）通過掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行預(yù)報(bào)。開敞式TBM在掘進(jìn)過程中，圍巖狀況時(shí)刻影響TBM的掘進(jìn)參數(shù)，通過分析TBM的掘進(jìn)參數(shù)來判斷圍巖好壞，以此指導(dǎo)施工防止圍巖坍塌。開敞式TBM的各種掘進(jìn)參數(shù)可以在主控室的主控電腦上讀取。TBM掘進(jìn)各種參數(shù)中，掘進(jìn)推力及推進(jìn)速度最能反映掌子面圍巖的狀況，一般情況下，三者間關(guān)系如表1所示：

表1 掘進(jìn)推力、推進(jìn)速度與圍巖狀況關(guān)系表

實(shí)際施工過程中，若掘進(jìn)推力低于100bar（相當(dāng)于6.43 MN），而推進(jìn)速度大于額定值的40%，則可大致推斷前方圍巖較差，需注意防止發(fā)生坍塌。

3.2 預(yù)防坍塌措施

1）超前支護(hù)加固。綜合預(yù)測(cè)前方圍巖狀況極不穩(wěn)定，需采取超前支護(hù)對(duì)前方圍巖進(jìn)行預(yù)加固時(shí)，在TBM掘進(jìn)之前，進(jìn)行超前小鋼管注漿或施工超前錨桿對(duì)前方圍巖加固。超前小鋼管及超前錨桿均可利用TBM上的超前鉆機(jī)進(jìn)行施工。超前小鋼管規(guī)格為φ42 mm，管長(zhǎng)5 m，頂拱120度范圍內(nèi)施工。超前錨桿規(guī)格為5 m長(zhǎng)φ22 mm砂漿錨桿，施工范圍仍是頂拱120度范圍內(nèi)。

2）及時(shí)采用錨網(wǎng)及全圓型鋼拱架支護(hù)。超前支護(hù)施工完后，在出護(hù)盾位置掛上加密鋼筋網(wǎng)或雙層鋼筋網(wǎng)，結(jié)合系統(tǒng)錨桿及全圓型鋼拱架，以加強(qiáng)支護(hù)抗力。系統(tǒng)錨桿及全圓型鋼拱架分別采用TBM自帶的錨桿鉆機(jī)及型鋼拱架安裝器進(jìn)行施工，錨桿規(guī)格為2.5 m長(zhǎng)φ22 mm砂漿錨桿，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為φ8 mm，間距200 mm×200 mm，型鋼拱架為I160型全圓拱架。施工中應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)交底進(jìn)行，大體遵循以下原則：

①首先對(duì)主要結(jié)構(gòu)面的出水進(jìn)行引排處理，避免因地下水引起節(jié)理裂隙擴(kuò)張。

①鋼筋網(wǎng)貼緊巖面，并切實(shí)起到對(duì)頂部圍巖的加固作用。

②錨桿施工應(yīng)垂直節(jié)理裂隙進(jìn)行打孔，須穿過節(jié)理裂隙鎖住節(jié)理兩端巖石，阻止裂隙擴(kuò)張。

③全圓型鋼拱架應(yīng)保證與洞室軸線垂直，鎖腳錨桿焊接牢固，拱架間連接筋布置合理。

3）護(hù)盾后手噴混凝土。當(dāng)圍巖較差需及時(shí)封閉時(shí)，可在刀盤護(hù)盾后部進(jìn)行人工濕噴混凝土作業(yè)，盡快封閉圍巖，使圍巖盡快穩(wěn)定。噴射混凝土主要原材料選用：水泥為425號(hào)普通硅酸鹽水泥；砂子為細(xì)度模數(shù)3.2～3.3；粗骨料粒徑為5～10 mm。

4）監(jiān)控量測(cè)。為防止初期支護(hù)后圍巖變形過大造成洞室失穩(wěn)，由測(cè)量人員按照統(tǒng)一規(guī)定布置監(jiān)控量測(cè)斷面，及時(shí)監(jiān)控洞室周邊收斂及拱頂下沉，以獲取隧洞位移信息和支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，預(yù)防因此引起的圍巖坍塌。

4 TBM施工對(duì)不良地質(zhì)段的處理措施

TBM穿越不良地質(zhì)段遇到的主要問題是洞室不同部位的坍塌和圍巖滲水。通常情況下隧洞坍塌的部位主要是：刀盤前方頂部滑坍或坍塌；刀盤頂護(hù)盾上方洞頂坍塌；刀盤護(hù)盾兩側(cè)上拱腰處滑坍；TBM主機(jī)撐靴部位洞壁滑坍塌。TBM在通過斷層曾發(fā)生多處規(guī)模不等的坍方，最大規(guī)模的一次坍方為刀盤前方頂部坍塌，坍腔長(zhǎng)度為9 m，斷面寬約4 m，最大坍腔深度達(dá)3 m，坍塌量近60 m3。

4.1 隧洞頂拱坍塌處理措施

在TBM掘進(jìn)過程中，以頂拱坍塌發(fā)生最為頻繁。在坍塌量較?。?0 m3以下）時(shí)，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行初期支護(hù)，并在護(hù)盾后初噴混凝土封閉圍巖。具體為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系統(tǒng)錨桿拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm鋼筋網(wǎng)拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1200 mm，拱架間采用φ22 mm螺紋鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護(hù)盾后初噴厚度8 cm，在L2區(qū)復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度）；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護(hù)盾后采用C25混凝土回填密實(shí)。如圖3所示。

在坍腔深度大于2 m的較大范圍坍塌，尤其是針對(duì)類似最大規(guī)模的一次坍方，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。具體為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm系統(tǒng)錨桿拱部240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm 鋼筋網(wǎng)拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1 000 mm，拱架間采用I12型鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護(hù)盾后初噴厚度8 cm，在L2區(qū)復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度）；坍腔內(nèi)采用I12型鋼支撐加固；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護(hù)盾后采用C25混凝土回填密實(shí)。如圖4所示。

圖3 隧洞頂拱坍塌示意圖

4.2 隧洞拱腰及撐靴部位坍塌處理措施

用于該標(biāo)段施工的開敞式TBM是“X”型撐靴，發(fā)生在拱腰部位的坍塌后也將直接影響撐靴撐緊巖面。若不及時(shí)采取有效措施，TBM不但無法撐緊巖面，還有可能因?yàn)閾窝毫υ斐商倪M(jìn)一步擴(kuò)大。對(duì)于此類坍塌，其初期支護(hù)處理措施為：φ22 mm，L=2 500 mm，@1 000×1 000 mm 系統(tǒng)錨桿拱部 240°，梅花形布置；φ8 mm@150×150 mm鋼筋網(wǎng)拱部240°布置；I16型全圓鋼拱架，間距1 200 mm，拱架間采用φ22 mm螺紋鋼連接；C25噴射混凝土，厚16 cm（護(hù)盾后初噴厚度8 cm，在L2區(qū)復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度）；沿洞室開挖輪廓采用2 mm厚鋼板封閉坍腔，在護(hù)盾后采用C25混凝土回填密實(shí)，并增設(shè)墊板加大支撐面積，確保混凝土強(qiáng)度可承受撐靴壓力后方可掘進(jìn)。

4.3 隧洞巖面滲水處理措施

巖面滲水不僅影響圍巖穩(wěn)定性，還直接影響噴射混凝土質(zhì)量。該標(biāo)段在施工中采取的主要措施是先排后堵，即在隧洞開挖后初期支護(hù)完成前，采用透水管和無紡布引排到隧底，掘進(jìn)通過后在二次襯砌施工前，集中對(duì)淋水段進(jìn)行堵水灌漿作業(yè)。初期支護(hù)前具體的引排措施為：在巖面滲（滴）水處（或線狀流水），先打排水孔將圍巖局部滲水集中引排至排水孔，在排水孔內(nèi)安裝塑料橡膠管，然后在洞壁沿隧底至排水孔順巖面滲流部位安裝軟式透水盲管，將地下水通過透水管引排至隧底，最后在軟式透水管上面鋪設(shè)一層無紡布，確保噴射混凝土?xí)r巖面無外露滲水情況，從而保證了噴射混凝土質(zhì)量。

5 不良地質(zhì)段TBM快速施工技術(shù)

開敞式TBM掘進(jìn)機(jī)比較適合硬巖的開挖掘進(jìn)，對(duì)不良地質(zhì)段的適應(yīng)性較差。在實(shí)際施工中，根據(jù)設(shè)備性能及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，該工程摸索出了幾條較為可行的辦法，使TBM安全、較為快速的通過了不良地質(zhì)段。

1）在TBM掘進(jìn)過程中做好掘進(jìn)參數(shù)的控制，掘進(jìn)以慢速掘進(jìn)為主，盡量減少對(duì)圍巖的撓動(dòng)。掘進(jìn)模式采用手動(dòng)控制模式，TBM操作主司機(jī)密切注視監(jiān)控視頻圖像上皮帶機(jī)的碴體情況，若皮帶上出現(xiàn)很多大塊巖碴，且皮帶機(jī)上的巖碴突增，皮帶機(jī)壓力指示明顯升高，刀盤扭矩增大，此時(shí)必須立即停止TBM推進(jìn)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤和皮帶機(jī)，防止皮帶機(jī)被卡或拉傷。如果碴量仍不能下降，應(yīng)立即后退刀盤3～5 cm，嚴(yán)重時(shí)繼續(xù)后退刀盤，直到TBM掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)正常。待掘進(jìn)參數(shù)恢復(fù)正常后，停機(jī)進(jìn)入刀盤內(nèi)部檢查塌體情況，若對(duì)正常掘進(jìn)不會(huì)產(chǎn)生大的影響方可繼續(xù)掘進(jìn)；若坍體較大，則需制定相應(yīng)的處理措施，以達(dá)到TBM安全順利掘進(jìn)通過。

2）采取針對(duì)措施，防止石碴大量掉落，減少清碴量。掘進(jìn)過程中坍塌較嚴(yán)重時(shí)，在每次停機(jī)立拱時(shí)，將下一循環(huán)的鋼筋網(wǎng)和連接筋預(yù)先伸入護(hù)盾內(nèi)，連接筋和鋼筋網(wǎng)處固定好后再立拱架，使伸入護(hù)盾的連接筋形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，將大量的落石兜在網(wǎng)片上，減少清碴量，確保人員安全。實(shí)際證明，這對(duì)控制落石量、減少清碴量、確保隧洞底部清碴人員的安全非常重要。

3）嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度，嚴(yán)禁盲目掘進(jìn)。TBM正常掘進(jìn)是1.8 m/循環(huán)，在不良地質(zhì)段調(diào)整為以全圓鋼拱架的架立間距為一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺的控制值，在護(hù)盾后及時(shí)架立全圓型鋼拱架，嚴(yán)禁掘進(jìn)完1.8 m后再停機(jī)立拱。

4）在軟弱條件下掘進(jìn)，有時(shí)撐靴部位出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，使撐靴無法撐住巖面或出現(xiàn)撐不緊現(xiàn)象，較大的塌方部位一般采用外封鋼板向內(nèi)灌注混凝土，恢復(fù)塌方部位到正常巖面尺寸。對(duì)于較小的塌體，為使快速通過，一般采用在這些部位墊方木、木板，使撐靴達(dá)到撐緊狀態(tài)。由于全圓鋼拱架影響撐靴撐緊時(shí)，可減少撐靴撐出的數(shù)量，掘進(jìn)過程中由巡檢員觀察撐靴工作狀態(tài)，以防止撐靴打滑擠壞拱架。

5）快速通過節(jié)理密集帶的主要技術(shù)措施。按設(shè)計(jì)采取系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土，另外采用格柵拱架加固；根據(jù)量測(cè)結(jié)果，對(duì)于變形速度超過要求的，人工架立I12全圓鋼拱架，加強(qiáng)剛性支護(hù)；嚴(yán)格按初噴、復(fù)噴要求在L1區(qū)和L2區(qū)噴射混凝土，確保噴射混凝土厚度達(dá)到設(shè)計(jì)厚度。