孫振川， 陳建立

(1. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471009； 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)

引松供水工程巖溶及軟弱破碎地層敞開(kāi)式TBM施工技術(shù)

孫振川1, 2， 陳建立1, 2

(1. 中鐵隧道集團(tuán)有限公司， 河南 洛陽(yáng) 471009； 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)

引松供水工程四標(biāo)段隧洞TBM法施工長(zhǎng)度約17 km，其中7 332 m主要穿越灰?guī)r(巖溶)、炭質(zhì)板巖、斷層等軟弱破碎地層。為解決TBM在該類(lèi)地層中掘進(jìn)時(shí)TBM偏機(jī)、栽頭、刀盤(pán)被糊、被卡、涌泥涌水、收斂變形引起設(shè)備被卡等難題，通過(guò)資料查閱、調(diào)研國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有TBM施工案例、專(zhuān)家咨詢(xún)研討等，對(duì)比研究多種方案；結(jié)合工程實(shí)踐，提出TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、鋼拱架、鋼筋排和噴射混凝土聯(lián)合及時(shí)支護(hù)等一系列確保TBM連續(xù)施工的方案與措施。經(jīng)工程驗(yàn)證，該方案與措施能夠很好地保證TBM在巖溶及軟弱破碎地層的連續(xù)掘進(jìn)，為工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文研究得出了一系列理論及參數(shù)，可為類(lèi)似工程提供借鑒和參考。

隧道； 巖溶； 軟弱破碎地層； 敞開(kāi)式TBM； 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 鋼筋排支護(hù)

0 引言

TBM是一種集機(jī)、電、液壓、傳感、信息技術(shù)于一體的隧道施工成套設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出渣、支護(hù)等作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)化施工，掘進(jìn)速度較快，在長(zhǎng)距離巖石隧道(洞)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。TBM分為敞開(kāi)式TBM、雙護(hù)盾TBM、單護(hù)盾TBM 3種類(lèi)型。它和盾構(gòu)的最大區(qū)別是其不具備平衡掌子面的密閉建壓功能。敞開(kāi)式TBM施工一般采用復(fù)合式襯砌，而護(hù)盾式TBM施工一般采用管片作為襯砌形式[2]。

敞開(kāi)式TBM 自1997年因修建西康鐵路秦嶺隧道而引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái)，已先后在磨溝嶺隧道、中天山隧道、西秦嶺隧道、大伙房輸水隧洞、遼西北供水隧洞等工程中得到應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)大隧道施工技術(shù)的一次巨大革新，大大提升了隧道(洞)施工機(jī)械化水平[3-4]。但敞開(kāi)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，從而造成工效降低，成本攀升[5-8]。眾所周知，隧道等地下工程地質(zhì)千變?nèi)f化，充滿(mǎn)變數(shù)且無(wú)法預(yù)先完全探明，經(jīng)常存在斷層破碎帶、侵入巖、蝕變巖、風(fēng)化槽等軟弱破碎地層[9]。如何保證TBM連續(xù)順利穿越此類(lèi)地層，往往決定一項(xiàng)工程的工期和造價(jià)，對(duì)工程建設(shè)意義重大。雖然采用敞開(kāi)式TBM已成功修建了很多隧道(洞)，如秦嶺隧道、磨溝嶺隧道、遼西北供水隧洞、中天山隧道等，也曾嘗試采用TBM處理軟弱破碎地層，并做了大量的研究，取得了一些成績(jī)；但受制于復(fù)雜多變且無(wú)法精準(zhǔn)探明的地下工程地質(zhì)，仍沒(méi)有很好地解決TBM對(duì)軟弱破碎地層的適應(yīng)性問(wèn)題。為不斷提高TBM的適應(yīng)性，創(chuàng)新TBM施工技術(shù)水平，進(jìn)一步研究并探索TBM對(duì)軟弱破碎地層的適應(yīng)性和施工技術(shù)顯得尤為重要和必要。

吉林省中部城市引松供水工程四標(biāo)段23 km的引水隧洞采用敞開(kāi)式TBM輔以鉆爆法施工，TBM穿越的不良地質(zhì)構(gòu)造主要有斷層破碎帶、灰?guī)r段巖溶溶洞區(qū)和富水炭質(zhì)板巖等軟弱破碎地層，在該類(lèi)地層中掘進(jìn)時(shí)TBM存在偏機(jī)、裁頭、刀盤(pán)被糊、被卡、涌泥掩埋盾體、涌水引起電氣故障、收斂變形引起設(shè)備被卡等施工風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約著TBM 的施工質(zhì)量和掘進(jìn)進(jìn)度。為解決該問(wèn)題，通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、合理掘進(jìn)參數(shù)的選擇、圍巖及時(shí)支護(hù)與封閉、加強(qiáng)支護(hù)措施的應(yīng)用、無(wú)尺量測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用等一系列措施，順利通過(guò)了掘進(jìn)過(guò)程中遇到的斷層、溶洞、涌水段及涌泥段，較好地解決了TBM對(duì)軟弱破碎地層的適應(yīng)性問(wèn)題。

1 工程概況

吉林省中部城市引松供水工程是從第二松花江豐滿(mǎn)水庫(kù)庫(kù)區(qū)引水，以解決吉林省中部地區(qū)城市供水問(wèn)題的大型調(diào)水工程，是松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程之一。引松供水工程四標(biāo)段設(shè)計(jì)為23 km的引水隧洞，起止樁號(hào)為48+900～71+900(見(jiàn)圖1)，采用1臺(tái)φ7.93 m的敞開(kāi)式TBM輔以鉆爆法施工，其中TBM法施工長(zhǎng)度17 km。

圖1 引松供水工程四標(biāo)平面布置示意圖(單位： m)

2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

2.1 工程地質(zhì)巖性

工程涉及地層巖性主要有： 三疊系上統(tǒng)小蜂蜜頂子組凝灰?guī)r，三疊系上統(tǒng)大醬缸組砂礫巖，石炭系中下統(tǒng)磨盤(pán)山組灰?guī)r，石炭系下統(tǒng)余富屯組凝灰?guī)r，石炭系下統(tǒng)鹿圈屯組凝灰質(zhì)砂巖，泥盆系中下統(tǒng)堿草甸-常家街組灰?guī)r、砂巖；侵入巖為燕山期花崗巖、鈉長(zhǎng)斑巖、石英閃長(zhǎng)巖，華力西晚期閃長(zhǎng)巖。其中K63+884～K71+216洞段共計(jì)7 332 m以灰?guī)r、炭質(zhì)板巖為主。

2.2 不良地質(zhì)構(gòu)造

TBM穿越的不良地質(zhì)構(gòu)造主要有斷層破碎帶、灰?guī)r段巖溶溶洞區(qū)、富水炭質(zhì)板巖3種。與洞身相交斷層及低阻異常帶39處， Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等斷裂為阻水或?qū)當(dāng)嗔?，且地處溝谷，有匯水條件，與地表水可能形成聯(lián)系，可能存在斷裂帶的突水、突泥問(wèn)題。其中灰?guī)r段巖溶溶洞區(qū)已探明12處溶洞。最大溶洞高38.52 m，距洞頂5.7 m；最小溶洞高6.3 m，距洞頂32.5 m。

在該類(lèi)地層中掘進(jìn)時(shí)，TBM存在偏機(jī)、栽頭、刀盤(pán)被糊(見(jiàn)圖2)、被卡、涌泥掩埋盾體、涌水引起電氣故障、收斂變形引起設(shè)備被卡等施工風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

3 主要技術(shù)方案與措施

3.1 掘進(jìn)原則

1)超前探、少擾動(dòng)、短進(jìn)尺、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)； 2)避免在不良地質(zhì)段長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，勻速通過(guò)。

圖2 炭質(zhì)板巖刀盤(pán)被糊

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是決定TBM能否安全、順利通過(guò)軟巖地段的關(guān)鍵，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可減少盲目性，便于采取正確的開(kāi)挖方法和支護(hù)措施，尤其是在軟巖或斷層破碎帶掘進(jìn)過(guò)程中。引松供水工程四標(biāo)段地質(zhì)預(yù)報(bào)的主要內(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(lèi)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。預(yù)報(bào)方法主要采用長(zhǎng)短結(jié)合、物探+鉆探+地質(zhì)素描相結(jié)合的綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)手段[12]，以探明掌子面前方地質(zhì)情況。

1)物探主要采用2種手段： ①搭載在TBM設(shè)備上的激發(fā)極化法; ②TRT法[13]。激發(fā)極化法是電法勘探的一個(gè)重要分支，是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀(guān)測(cè)和研究被測(cè)對(duì)象的激電效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探查的一種電法，能實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)掌子面前方30 m的地質(zhì)情況(見(jiàn)圖3)。TRT法的基本原理是當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅铰晫W(xué)阻抗差異(密度和波速的乘積)界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，另一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)(見(jiàn)圖4)。該方法被用來(lái)了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層、含水等)、位置及規(guī)模，操作簡(jiǎn)單、快捷，預(yù)測(cè)距離為100～120 m。

2)鉆探。因該工程埋深為26～260 m，地表具備鉆探條件。通過(guò)對(duì)物探低阻帶及斷層破碎帶的針對(duì)性鉆孔取芯，分析洞頂巖石覆蓋層厚度、巖溶發(fā)育程度、地下水發(fā)育情況等。

3)地質(zhì)素描。通過(guò)對(duì)出露護(hù)盾的圍巖以及不良地質(zhì)段在刀艙內(nèi)通過(guò)刀孔、刮渣孔、人孔等位置對(duì)掌子面圍巖情況進(jìn)行觀(guān)察，繪制地質(zhì)素描圖，對(duì)物探和鉆探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證校核。

圖3 激發(fā)極化三維圖像

圖4 TRT三維圖像

通過(guò)以上綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，相互驗(yàn)證糾偏，能比較準(zhǔn)確地探明前方地質(zhì)情況。

3.3 TBM掘進(jìn)和出渣控制

3.3.1 掘進(jìn)參數(shù)的選擇

選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)至關(guān)重要[14]。根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果結(jié)合實(shí)際揭露圍巖，尤其是軟弱破碎地層易產(chǎn)生坍塌，溶洞發(fā)育易造成掌子面不平而損壞刀具，在選擇掘進(jìn)參數(shù)時(shí)應(yīng)遵循“低轉(zhuǎn)速、小推力”的原則，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，同時(shí)降低刀具異常損傷的概率。引松供水工程四標(biāo)段掘進(jìn)參數(shù)選擇范圍見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的有效控制，減小了對(duì)不良地質(zhì)段圍巖的擾動(dòng)，限制了塌方、掉塊的發(fā)展；同時(shí),減小了刀具的異常損壞，降低了不良地質(zhì)段頻繁換刀的概率。

3.3.2 循環(huán)進(jìn)尺的控制

引松供水工程四標(biāo)段采用的敞開(kāi)式TBM推進(jìn)油缸行程為1.8 m，即正常單循環(huán)進(jìn)尺為1.8 m。在不良地質(zhì)段控制掘進(jìn)進(jìn)尺的目的在于對(duì)出露護(hù)盾的圍巖盡早封閉并加強(qiáng)支護(hù)，減少因風(fēng)化造成的進(jìn)一步剝落或坍塌，以限制臨空面的發(fā)展，確保圍巖出護(hù)盾后的施工安全和施工的連續(xù)性。

表1 不同圍巖類(lèi)別、不同巖性掘進(jìn)參數(shù)選擇范圍

對(duì)于圍巖完整性差、破碎洞段，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.9 m，即鋼拱架支護(hù)間距為0.9 m，結(jié)合TBM水平撐靴的特殊設(shè)計(jì)，該工況可正常換步；對(duì)于溶蝕發(fā)育、洞頂脫空在4 m以上、涌泥洞段，循環(huán)進(jìn)尺控制在0.45 m，即鋼拱架支護(hù)間距為0.45 m，該工況需將撐靴受力范圍的鋼拱架間采用噴射混凝土回填密實(shí)，等強(qiáng)后撐靴直接在噴射混凝土表面受力提供反力換步。

3.3.3 掘進(jìn)姿態(tài)預(yù)調(diào)整

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)確認(rèn)圍巖軟弱、破碎后，立即對(duì)掘進(jìn)姿態(tài)進(jìn)行預(yù)調(diào)整，水平姿態(tài)向0調(diào)整，水平趨勢(shì)趨近于0，垂直姿態(tài)控制在+10～+20 mm，垂直趨勢(shì)控制在+10 mm/m。提前將TBM水平姿態(tài)調(diào)正，垂直姿態(tài)呈“抬頭”形式，以便在軟弱圍巖中處于主動(dòng)態(tài)勢(shì)。

3.3.4 刀盤(pán)清理

針對(duì)炭質(zhì)板巖遇水泥化的特性，關(guān)閉刀盤(pán)噴水，減少人為原因造成的泥化問(wèn)題。對(duì)于糊刀盤(pán)、糊刀孔問(wèn)題，加強(qiáng)人工清理刀盤(pán)工作，在立拱架及常規(guī)保養(yǎng)時(shí)間內(nèi)必須進(jìn)行刀盤(pán)清理，清理刀孔及刮渣孔，至少保證對(duì)角2個(gè)刮渣孔清理徹底，以確保泥渣的外排；除立拱架及保養(yǎng)時(shí)間外，在掘進(jìn)過(guò)程中扭矩急劇增大且進(jìn)尺極小時(shí)，需要及時(shí)停機(jī)清理刀盤(pán)。

3.4 出露護(hù)盾?chē)鷰r的及時(shí)支護(hù)封閉

引松供水工程四標(biāo)段采用的敞開(kāi)式TBM在充分研究工程地質(zhì)的基礎(chǔ)上配備了鋼筋排支護(hù)和應(yīng)急濕噴系統(tǒng)，2種系統(tǒng)的配置可及時(shí)有效完成出露護(hù)盾后圍巖的及時(shí)支護(hù)封閉。

3.4.1 鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)

橫向采用盤(pán)條將3根鋼筋連接成一體，形成鋼筋排。鋼筋排構(gòu)成見(jiàn)圖5。

圖5 鋼筋排構(gòu)成(單位： mm)

在護(hù)盾尾部設(shè)置鋼筋排安裝卡槽，布設(shè)范圍為拱頂120°，將鋼筋排的一端提前插入卡槽內(nèi)(卡槽寬137 mm、高50 mm)，另一端與鋼拱架背部焊接牢固。隨著TBM的掘進(jìn)，鋼筋排逐漸被拖出，形成相對(duì)封閉的棚護(hù)體系(見(jiàn)圖6)，防止拱頂塌方體的墜落。鋼筋排支護(hù)一方面保證了設(shè)備和支護(hù)人員的安全；另一方面大大減少了清渣工作量，減少了停機(jī)時(shí)間，有效降低了在不良地質(zhì)段長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)和刀盤(pán)護(hù)盾被卡的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)為T(mén)BM在不良地質(zhì)條件下連續(xù)掘進(jìn)創(chuàng)造了條件。

(a) (b)

圖6 鋼筋排支護(hù)

Fig. 6 Rebar row support

3.4.2 應(yīng)急濕噴系統(tǒng)

由于TBM設(shè)備噴混凝土系統(tǒng)位于掌子面后方約55 m，無(wú)法對(duì)出護(hù)盾后的圍巖進(jìn)行及時(shí)支護(hù)封閉，因此，增設(shè)濕噴機(jī)及時(shí)對(duì)圍巖封閉至關(guān)重要。濕噴機(jī)的操作與鉆爆法施工相同，在噴射之前須對(duì)設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，防止噴射混凝土對(duì)設(shè)備造成損壞。采用應(yīng)急噴射混凝土一方面可以對(duì)圍巖及時(shí)封閉，防止塌方的進(jìn)一步發(fā)展；另一方面對(duì)于撐靴受力部位的塌腔或小型溶洞可及時(shí)回填加固，以滿(mǎn)足撐靴的受力要求(見(jiàn)圖7)。

圖7 圍巖噴混凝土加固

3.4.3 聯(lián)合加強(qiáng)支護(hù)

1) 圍巖出護(hù)盾后，拱頂大范圍掉塊，存在塌方風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，采用鋼拱架、錨網(wǎng)、鋼筋排進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，在掉塊及鋼筋排受力擠壓變形處使用I16工字鋼縱向連接拱架進(jìn)行加固(見(jiàn)圖8)；TBM通過(guò)后，及時(shí)對(duì)支護(hù)背后塌腔進(jìn)行回填注漿。

圖8 I16工字鋼縱向連接拱架

2) 圍巖出護(hù)盾后，撐靴位置較大范圍掉塊，此類(lèi)情況撐靴無(wú)法撐緊巖面或出現(xiàn)撐靴打滑，宜采用以下3種處理方法掘進(jìn)通過(guò)。

①處理方法1： 減小撐靴壓力，控制TBM推進(jìn)力，慢速掘進(jìn)通過(guò)；

②處理方法2： 撐靴(外弧長(zhǎng)4.74 m、寬1.55 m)處加墊方木(15 cm×15 cm)，方木的長(zhǎng)度視現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況決定(見(jiàn)圖9)，然后慢速掘進(jìn)通過(guò)；

③處理方法3： 將該部位掉塊及渣土清除，然后掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片并與鋼拱架焊接牢固，進(jìn)行濕噴混凝土處理， 待混凝土強(qiáng)度達(dá)到5 MPa后慢速掘進(jìn)通過(guò)。

3)圍巖出護(hù)盾后，在撐靴部位存在炭質(zhì)板巖、黏土或塌腔時(shí)，圍巖強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足撐靴壓力或撐靴打滑，需濕噴混凝土進(jìn)行處理。濕噴前應(yīng)在撐靴部位掛設(shè)網(wǎng)片，使其與鋼拱架相連，在塌腔處將鋼筋網(wǎng)片(φ8 mm@150 mm×150 mm)卷疊后塞入(見(jiàn)圖10)，濕噴厚度與鋼拱架內(nèi)弧面齊平(見(jiàn)圖11)。

圖9 撐靴位置加墊方木

圖10 脫空處填塞鋼筋網(wǎng)及型鋼

圖11 撐靴受力范圍內(nèi)濕噴混凝土

4)隧道底部為炭質(zhì)板巖或黏土?xí)r，極易造成整機(jī)下沉、掘進(jìn)偏差超限。此種情況下應(yīng)加強(qiáng)排水，底部應(yīng)鋪設(shè)干硬性混凝土，并將底部拱架用工字鋼縱向連接(見(jiàn)圖12)。

圖12 軟巖隧底處理

隧底軌排采用針對(duì)性設(shè)計(jì)，增大腳板以擴(kuò)大受力面積(見(jiàn)圖13)。

圖13 軌枕增設(shè)支腿及加大鋼板

3.5 坍塌處理

清理塌落體后，及時(shí)安裝鋼拱架，拱架間采用I16工字鋼連接，并加密拱腳處鎖腳錨桿；在拱部120°塌落處塞填卷疊鋼筋網(wǎng)(φ8 mm@150 mm×150 mm)；為防止塌腔內(nèi)的圍巖進(jìn)一步垮塌，采用I16工字鋼支撐圍巖，I16工字鋼落腳于鋼拱架上(見(jiàn)圖14)；同時(shí)利用應(yīng)急濕噴機(jī)對(duì)坍塌處進(jìn)行噴射混凝土封閉處理，減少?lài)鷰r暴露時(shí)間，以及時(shí)形成支護(hù)體系[15]。

圖14 塌腔I16工字鋼支撐圍巖

為保證對(duì)塌腔內(nèi)的混凝土回填密實(shí)，根據(jù)塌腔深度從淺到深埋設(shè)φ80 mm、φ42 mm注漿管以及排氣管并編號(hào)記錄，注漿管及排氣管孔口采用廢布封堵。應(yīng)急噴混凝土封閉后，采用濕噴混凝土泵送回填，回填順序由淺入深，待排氣孔漏漿時(shí)判定回填密實(shí)。隧道坍塌回填處理見(jiàn)圖15。

3.6 溶洞處理

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，探明溶洞的性質(zhì)、規(guī)模，與掌子面的空間位置，以采取有針對(duì)性的措施。由于東北吉林地區(qū)溶洞的規(guī)模一般不大，多為半填充型溶洞，處理的原則是隧洞開(kāi)挖輪廓線(xiàn)3 m以外的溶洞對(duì)隧洞穩(wěn)定性無(wú)影響，不予處理；開(kāi)挖輪廓線(xiàn)3 m以?xún)?nèi)的溶洞，根據(jù)溶洞具體位置按以下措施進(jìn)行處理：

1)位于拱頂?shù)娜芏矗幚矸椒?lèi)似于大規(guī)模巖石塌落處理方法，主要是加強(qiáng)支護(hù)及回填；

2)位于撐靴受力位置的溶洞，類(lèi)似于較大規(guī)模巖石掉塊處理方法中撐靴位置掉塊的處理，主要以回填加固為主；但為及早發(fā)現(xiàn)開(kāi)挖輪廓線(xiàn)3 m以?xún)?nèi)的溶洞，待圍巖出露護(hù)盾后要及時(shí)采用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，發(fā)現(xiàn)溶洞后及時(shí)進(jìn)行噴灌混凝土回填密實(shí)，防止到達(dá)撐靴位置時(shí)撐靴脫空無(wú)法撐緊或出現(xiàn)撐靴打滑；

(a)

(b)

3)位于隧洞底部的溶洞，主要采取泵送細(xì)石混凝土的方式進(jìn)行回填，等強(qiáng)后恢復(fù)掘進(jìn)。

3.7 涌水處理

灰?guī)r地層地下水活動(dòng)多以溶蝕裂隙水為主，導(dǎo)水通道發(fā)育，因此涌水處理原則為“以排為主，適時(shí)封堵”，防止盲目堵水致導(dǎo)水通道堵塞從而造成突水。

提前制定應(yīng)急預(yù)案，儲(chǔ)備應(yīng)急物資，按設(shè)計(jì)最大涌水量的2倍配備抽水機(jī)、水管、應(yīng)急發(fā)電機(jī)等，并保證涌水發(fā)生時(shí)能及時(shí)啟動(dòng)；在涌水發(fā)生后及時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流量，確認(rèn)實(shí)際涌水量，并及時(shí)對(duì)預(yù)案進(jìn)行修正；對(duì)集中出水點(diǎn)采用管道進(jìn)行引排，排至后配套尾部再經(jīng)水泵外排。待巖性發(fā)生變化后啟動(dòng)封堵措施，將出水點(diǎn)集中封堵。

3.8 涌泥處理

灰?guī)r洞段涌泥夾砂及碎塊石黏性較差，導(dǎo)致大量泥渣自刀艙涌出，增加了底護(hù)盾后方清渣的工作量，進(jìn)而制約了拱架安裝的效率和連續(xù)性。針對(duì)此問(wèn)題，一是對(duì)刀盤(pán)人孔及刮渣孔焊接鋼板局部封堵，減小刀盤(pán)開(kāi)口率，以減少出渣量，且每次掘進(jìn)前空轉(zhuǎn)刀盤(pán)，將刀盤(pán)泥漿清理干凈；二是在刀艙通道內(nèi)堆碼沙袋形成封堵壩(見(jiàn)圖16)，防止泥渣的大量涌出，而是經(jīng)皮帶輸出；三是增加清渣人員和泥渣收集斗，泥渣涌出時(shí)及時(shí)進(jìn)行清理，并采用折臂吊機(jī)運(yùn)至連續(xù)皮帶機(jī)上外運(yùn)。

圖16 皮帶艙堆碼沙袋墻

3.9 敞開(kāi)式TBM的監(jiān)控量測(cè)

不同于常規(guī)鉆爆法施工，敞開(kāi)式TBM由于設(shè)備的設(shè)計(jì)及其與開(kāi)挖斷面的相對(duì)位置關(guān)系，無(wú)法采用銦鋼尺及收斂?jī)x進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，而以往TBM項(xiàng)目對(duì)于監(jiān)控量測(cè)的實(shí)施系統(tǒng)總結(jié)較少。該工程采用無(wú)尺量測(cè)，即監(jiān)測(cè)樁末端用反光片固定，采用全站儀通過(guò)坐標(biāo)法計(jì)算相鄰點(diǎn)的距離變化，反映監(jiān)測(cè)位置的位移情況，以反饋指導(dǎo)施工。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖17和圖18。

圖17 無(wú)尺量測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置

通過(guò)無(wú)尺量測(cè)在不良地質(zhì)段的應(yīng)用，及時(shí)地掌握了圍巖的變形情況，根據(jù)量測(cè)結(jié)果及時(shí)加固，避免了變形的進(jìn)一步加劇，規(guī)避了安全風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)了信息化施工的理念。

圖18 監(jiān)測(cè)樁布置

4 結(jié)論與建議

引松供水工程四標(biāo)段通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、合理掘進(jìn)參數(shù)的選擇、圍巖及時(shí)支護(hù)與封閉、針對(duì)性加強(qiáng)支護(hù)措施的應(yīng)用、無(wú)尺量測(cè)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用等一系列措施，通過(guò)了32處斷層(其中最大影響寬度200 m)、36處溶洞(其中洞頂最大規(guī)模溶洞弧長(zhǎng)6 m、縱向長(zhǎng)度9 m、深度6 m)、2段涌水段(其中最大涌水量1 000 m3/h)、1段涌泥段，目前已順利完成灰?guī)r等軟弱地層掘進(jìn)6 km，平均月掘進(jìn)進(jìn)度512 m。

1)目前TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段多為定性物探，在定量的鉆探方面，由于設(shè)備問(wèn)題不能有效實(shí)施。建議在刀盤(pán)和盾體位置預(yù)留一些孔洞，盾尾安裝超前地質(zhì)鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)水平鉆孔勘探，以便在物探的基礎(chǔ)上采用鉆探驗(yàn)證，提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精準(zhǔn)度。需要進(jìn)一步研究選用或者研發(fā)適用的鉆孔設(shè)備、鉆頭與鉆桿等工具與材料。

2)TBM濕噴系統(tǒng)離護(hù)盾太遠(yuǎn)不利于前方不良地質(zhì)出露護(hù)盾后的及時(shí)噴護(hù)封閉，建議在護(hù)盾后合適位置布置應(yīng)急噴護(hù)系統(tǒng)及注漿回填系統(tǒng)，滿(mǎn)足拱頂塌腔或大溶洞條件下的應(yīng)急處置；同時(shí)，應(yīng)急材料能直接從設(shè)備橋運(yùn)送到護(hù)盾尾端。

3)鋼筋排安裝槽布置建議增大到270°范圍，以便有效防止邊墻圍巖垮落造成撐靴支撐困難和清渣工作量增加，進(jìn)而影響設(shè)備的連續(xù)掘進(jìn)。

4)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整或補(bǔ)強(qiáng)初期支護(hù)，防止過(guò)大變形造成后配套、主機(jī)室不能正常通過(guò)而停機(jī)處理。

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Construction Technologies for Open TBM Used in Karst Areas and Soft-weak and Broken Grounds: Case Study of Songhua River Water Diversion Project

SUN Zhenchuan1, 2, CHEN Jianli1, 2

(1.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China;2.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

The tunnel of No. 4 Bid Section of Songhua River Water Diversion Project bored by TBM is about 17 km; and there are total 7 332 m crosses soft-weak and broken areas; i.e. limestone (karst), carbonaceous slate and fracture. The TBM often deviates, pitches and jammed when boring in the above-mentioned areas. In this paper, the TBM construction cases, related expert consultations and construction schemes are analyzed and studied; and then a series of countermeasures for TBM continuous construction, i.e. advanced geological prediction and support scheme of steel arch frame + rebar row + shotcreting, are proposed. The practice shows that the above-mentioned technologies are feasible and rational and can guarantee the TBM continuous construction in karst areas and soft-weak and broken grounds.

tunnel; karst; soft-weak and broken ground; open TBM; advanced geological prediction; rebar row support structure

2016-08-04；

2016-11-11

孫振川(1972—)，男，陜西韓城人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，土木與建筑專(zhuān)業(yè)，碩士,教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程技術(shù)與管理工作。E-mail: szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.02.014

U 455

B

1672-741X(2017)02-0215-08