趙海雷， 陳 饋， 周建軍， 張 兵， 陽(yáng) 斌， 王振飛

(1. 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； 2. 中國(guó)中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

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引松供水4標(biāo)TBM連續(xù)穿越灰?guī)r的施工技術(shù)研究

趙海雷1， 陳 饋1， 周建軍1， 張 兵1， 陽(yáng) 斌2， 王振飛2

(1. 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； 2. 中國(guó)中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

為應(yīng)對(duì)吉林引松供水4標(biāo)7 km灰?guī)r隧洞段的特殊地質(zhì)條件，引松開敞式TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)和克服不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的施工技術(shù)研究顯得尤為重要。首先，針對(duì)引松4標(biāo)長(zhǎng)距離掘進(jìn)、大斷面施工、快速掘進(jìn)及強(qiáng)支護(hù)量等工程特點(diǎn)，對(duì)TBM進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)等方面的針對(duì)性設(shè)計(jì)制造。其次，對(duì)于通過灰?guī)r地段各種不良的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，分別制定相應(yīng)的施工和處理措施。通過對(duì)TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)以及不良地質(zhì)地段恰當(dāng)?shù)氖┕ぬ幚泶胧?，使TBM順利地通過了7 km灰?guī)r地段，既節(jié)省了開支，又縮短了工期。

引松供水工程； 隧洞； 開敞式TBM； 灰?guī)r地段

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備，在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，能同時(shí)完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè)，其掘進(jìn)速度一般為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于深埋長(zhǎng)隧道的施工[2-4]。然而，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，導(dǎo)致TBM施工設(shè)備通用性差，針對(duì)不同的隧道工程，TBM幾乎都需要“量體裁衣”地進(jìn)行設(shè)計(jì)，若TBM的選型以及采用的施工技術(shù)不能適應(yīng)所建工程的地質(zhì)特征，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的施工風(fēng)險(xiǎn)、工程進(jìn)度嚴(yán)重滯后，并造成重大經(jīng)濟(jì)損失[5-9]。例如，印度克什米爾、中國(guó)云南和臺(tái)灣省3臺(tái)TBM由于選型和施工措施不恰當(dāng)，最終在施工中遇險(xiǎn)，并最終被鉆爆法所取代[10]。文獻(xiàn)[11-12]分別介紹引漢濟(jì)渭工程TBM掘進(jìn)機(jī)通過富水帶和突水涌泥段的施工技術(shù)，并取得了一些經(jīng)驗(yàn)。但是由于引漢濟(jì)渭工程地質(zhì)和引松供水7 km灰?guī)r段地質(zhì)相差極大，導(dǎo)致可供借鑒的施工方法相對(duì)較少。另外，TBM穿越灰?guī)r段施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外范疇經(jīng)驗(yàn)尚屬缺乏，沒有TBM通過長(zhǎng)距離灰?guī)r段的施工案例可供借鑒。

根據(jù)地質(zhì)資料，引松供水4標(biāo)段63+964～70+823近7 km洞段為灰?guī)r段，穿越地層巖性主要為泥盆系、石炭系泥晶灰?guī)r[13]，灰?guī)r段多斷層破碎帶、低阻異常帶及溶洞，局部穿越淺埋溝谷段，存在突泥、涌水風(fēng)險(xiǎn)[14]。因此，采取有效措施確保TBM安全、順利穿越灰?guī)r段是本工程的重點(diǎn)也是難點(diǎn)，可為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

引松供水工程主要是為了解決關(guān)系民生的吉林省中部城市生活及生產(chǎn)用水問題，工程輸水干線全長(zhǎng)263.02 km，輸水總干線采用自流輸水。吉林省中部城市引松供水工程總干線施工4標(biāo)段位于吉林市岔路河至飲馬河之間，線路樁號(hào)48+900～71+855，總長(zhǎng)度為22 955 m，由中鐵隧道集團(tuán)有限公司施工。施工平面布置圖如圖1所示。

施工項(xiàng)目主要為隧洞主洞、支洞、調(diào)壓井和豎井的開挖、支護(hù)、襯砌、灌漿、封堵及排水等工作。隧洞主洞部分開挖采用全斷面TBM施工為主、鉆爆法為輔的施工方法。其中TBM施工段總長(zhǎng)為21 042 m，成洞斷面為圓形，洞徑為6.8 m。鉆爆法接應(yīng)洞段、組裝及檢修洞段總長(zhǎng)為2 273 m。區(qū)間共布置2個(gè)支洞、2個(gè)通風(fēng)豎井和1個(gè)調(diào)壓井，其中7#支洞長(zhǎng)518 m，8#支洞投影長(zhǎng)1 188 m。支洞均采用鉆爆法施工，成洞斷面均為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸均為7.2 m×6.8 m(寬×高)；豎井直徑為5.0 m和6.3 m；調(diào)壓井直徑為15 m。本段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。

圖1 引松供水4標(biāo)施工平面布置圖

2 TBM針對(duì)性設(shè)計(jì)方案

2.1 TBM設(shè)計(jì)原則

引松供水TBM的設(shè)計(jì)和制造由中鐵工程裝備有限公司完成，其設(shè)計(jì)原則主要有： 具備較強(qiáng)的破巖能力；較強(qiáng)的軟弱破碎圍巖通過能力，在不良圍巖地段能夠快速支護(hù)通過；具有較強(qiáng)的出渣能力；設(shè)備主要部件有較大的安全儲(chǔ)備，以及快速掘進(jìn)的能力；滿足長(zhǎng)距離掘進(jìn)要求和人性化設(shè)計(jì)。

2.2 激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)搭載設(shè)計(jì)

激發(fā)極化法[15](induced polarization，簡(jiǎn)稱IP)是電法勘探的一個(gè)重要分支，在進(jìn)行電阻率法勘探時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下現(xiàn)象： 在向地下供入穩(wěn)定電流的情況下測(cè)量電極之間的電位差并非瞬間達(dá)到飽和值，是隨時(shí)間而變化，經(jīng)過一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定的飽和值；而斷開供電電流后，電位差也并非瞬間衰減為零，而是在最初的一瞬間很快下降，而后隨時(shí)間延長(zhǎng)緩慢下降并趨于零。這種發(fā)生在地質(zhì)介質(zhì)中因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場(chǎng)的物理化學(xué)現(xiàn)象，稱為激發(fā)極化效應(yīng)。激發(fā)極化法正是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測(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。圖2為時(shí)間域激發(fā)極化現(xiàn)象的示意圖。

由山東大學(xué)自主研發(fā)的TBM搭載激發(fā)極化超前預(yù)報(bào)儀器[16]，將供電電極系集成到TBM的護(hù)盾上并沿環(huán)向布置，測(cè)量電極系集成在刀盤上，刀盤上通過開孔的方式安裝測(cè)量電極系，TBM施工時(shí)測(cè)量電極系收縮到刀盤的刀艙中。采用2條多芯電纜與供電及測(cè)量電極系連接，同時(shí)設(shè)計(jì)2根單芯電纜連接電極B與N，探測(cè)儀器安裝在TBM主控室，電纜連接到主控室的儀器。測(cè)量時(shí)，通過液壓系統(tǒng)推出電極伸縮到掌子面實(shí)現(xiàn)激發(fā)極化超前探測(cè)，如圖3所示。

圖2 時(shí)間域激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖

Fig. 2 Sketch diagram of time domain induced polarization phenomenon

(a) TBM刀盤搭載激發(fā)極化裝置的測(cè)量系統(tǒng)

(b) TBM主控室內(nèi)激發(fā)極化裝置專用主機(jī)

Fig. 3 Carrying mode of induced polarization detect devices in TBM

2.3 TBM支護(hù)能力設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)配置了L1區(qū)域、L2區(qū)域2套錨桿鉆機(jī)，增強(qiáng)錨桿作業(yè)；盾尾處增設(shè)了鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)和網(wǎng)片存儲(chǔ)裝置，L1區(qū)域增設(shè)了應(yīng)急噴混系統(tǒng)；噴混機(jī)械手采用雙噴護(hù)系統(tǒng)、懸臂伸縮式設(shè)計(jì)(伸縮臂可伸縮2 m)，有效解決了懸臂伸出長(zhǎng)度過大而導(dǎo)致的無法可靠伸縮問題；輸送泵選取20 m3/h 的瑞士Aliva輸送泵，噴混機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)有線和無線的雙面操作模式。TBM超強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)如圖4所示。

(a) 鋼筋排支護(hù)系統(tǒng)

(b) 雙噴機(jī)械手

3 灰?guī)r段TBM掘進(jìn)問題及應(yīng)對(duì)措施

63+964～70+823近7 km為灰?guī)r段，TBM灰?guī)r段長(zhǎng)距離施工在世界范圍內(nèi)并無先例，灰?guī)r巖體風(fēng)化的不均勻度較為明顯，施工過程中易出現(xiàn)因掌子面不平整而引發(fā)刀具異常損壞或掌子面坍塌堵住刀盤進(jìn)渣口等情況。同時(shí)，通過灰?guī)r地段還伴隨著各種地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，例如溝谷富水及淺埋地段、全斷面炭質(zhì)板巖地段、斷層破碎帶地段、巖溶溶洞群發(fā)育段和突水涌泥段等。針對(duì)這些地段，TBM施工過程中采取了有效的應(yīng)對(duì)措施，順利地通過了高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

3.1 溝谷富水及淺埋地段TBM通過措施

7 km灰?guī)r段TBM需要5次穿越富水溝谷，累計(jì)770 m，其中最長(zhǎng)段溝谷為466 m的永盛興溝谷，地下水極其發(fā)育。小河沿溝谷和堿草甸子溝谷，最小埋深為28 m，并分別有一段全斷面土層侵入正洞洞身。該段可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害有涌水涌泥、溶蝕溶洞、斷層破碎帶、炭質(zhì)板巖等，會(huì)導(dǎo)致塌方掉塊、TBM栽頭、設(shè)備被淹、刀盤被卡、糊刀盤、設(shè)備被砸、人員受傷、掘進(jìn)姿態(tài)難以控制等潛在危害。因此TBM通過溝谷富水及淺埋地段是一件極其復(fù)雜的工作，項(xiàng)目部曾多次召開專題討論會(huì)及專家論證會(huì)，研究應(yīng)對(duì)措施，形成的主要應(yīng)對(duì)技術(shù)措施如下。

3.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

充分做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，利用物探及地表補(bǔ)勘相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確探明該段地質(zhì)構(gòu)造和TBM施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并做好相應(yīng)的應(yīng)急物資準(zhǔn)備。其中所使用的主要探測(cè)手段為激發(fā)極化探測(cè)法，利用其對(duì)水的敏感性，通過對(duì)探測(cè)結(jié)果的后期處理，可以直觀地反映在激發(fā)極化三維成像圖中，對(duì)其斷面區(qū)域成像顏色進(jìn)行分析，進(jìn)而推斷前方的地質(zhì)情況。具體以69+223.0～+203.0的探測(cè)結(jié)果作為說明，其測(cè)試數(shù)據(jù)如圖5所示，其測(cè)試結(jié)果結(jié)合三維成像圖和半衰時(shí)數(shù)據(jù)分析如下。

(a) 激發(fā)極化三維成像圖

(b) 激發(fā)極化成像X=0切片圖

(c) 激發(fā)極化半衰時(shí)數(shù)據(jù)

X方向表示豎直方向，Y方向表示掌子面寬度方向，Z方向表示開挖方向，坐標(biāo)原點(diǎn)為掌子面中心位置，反演區(qū)域?yàn)閅(-10 m,10 m)、X(-10 m，10 m)，掌子面坐標(biāo)為Y(-4 m，4 m)、X(-4 m，4 m)。

圖5 激發(fā)極化法三維成像圖和半衰時(shí)數(shù)據(jù)

Fig. 5 3D imaging and half-decay data of induced polarization

1)69+233.0～+226.0段落。三維反演圖像中掌子面范圍內(nèi)電阻率值變化不明顯，二電流半衰時(shí)之差正值幅度較小，推斷該段落圍巖完整性差，裂隙發(fā)育，可能出現(xiàn)滲水或滴水現(xiàn)象。

2)69+226.0～+203.0段落。三維反演圖像中掌子面范圍電阻率增大，二電流半衰時(shí)之差為負(fù)值，推斷該段落圍巖較完整，地下水不發(fā)育。

3.1.2 加強(qiáng)初期支護(hù)

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果及出露護(hù)盾圍巖的情況，及時(shí)采取加強(qiáng)支護(hù)措施，采用鋼拱架、鋼筋排、連接筋、噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，必要時(shí)，利用干噴系統(tǒng)提前封閉(如圖6所示)。

(a) (b)

圖6 溝谷富水及淺埋地段應(yīng)對(duì)措施

Fig. 6 Countermeasures for valleys with rich water and shallow-buried section

3.1.3 涌水處理

若出現(xiàn)涌水情況，啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)抽排水，并采取注漿堵水方案。

3.1.4 監(jiān)控量測(cè)

初期支護(hù)及前部加強(qiáng)支護(hù)完成后，及時(shí)布設(shè)量測(cè)點(diǎn)，并將變形收斂及速率變化數(shù)據(jù)反饋至工程部技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)決定是否采取二次加強(qiáng)支護(hù)措施。

3.2 全段面炭質(zhì)板巖地段TBM通過措施

在7 km灰?guī)r掘進(jìn)中TBM共穿越2處炭質(zhì)板巖段。全斷面發(fā)育的炭質(zhì)板巖，圍巖軟弱，基本無強(qiáng)度，遇水泥化容易糊刀盤，堵刀孔，且隧洞頂部伴有塌腔、掉塊嚴(yán)重，宜造成TBM扭矩過載而無法正常掘進(jìn)。此外，出渣在轉(zhuǎn)渣皮帶上造成溜滑，無法順利出渣，造成場(chǎng)地泥濘，給TBM順利施工帶來極大的挑戰(zhàn)，具體如圖7所示。

針對(duì)以上全斷面炭質(zhì)板巖地段所出現(xiàn)的問題，為使TBM能夠順利地通過，施工中采取的具體措施如圖8所示。

3.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

提前施作超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，在掘進(jìn)過程中增加超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的頻率(TRT、激發(fā)極化)，每30 m必須做一次激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)詳細(xì)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)和姿態(tài)，做好洞內(nèi)應(yīng)急物資的儲(chǔ)備。

3.2.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

降低掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)推力，在滿足圍巖掘進(jìn)的條件下，使用最小的撐靴壓力；并通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)的結(jié)果，提前調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)及趨勢(shì)，防止TBM栽頭或偏移。

(a)

(b)

(c)

(a)

(b)

(c)

(d)

圖8 TBM過炭質(zhì)板巖段處理措施施工圖

Fig. 8 Countermeasures for TBM boring through carbonaceous slate section

3.2.3 加強(qiáng)初期支護(hù)

圍巖出護(hù)盾后及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，堅(jiān)持“防止臨空面發(fā)展，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則。

3.2.3.1 拱頂位置

采取鋼拱架+鋼筋排+I16工字鋼縱連等聯(lián)合支護(hù)，必要時(shí)利用應(yīng)急噴混系統(tǒng)提前干噴封閉。

3.2.3.2 撐靴位置

提前將撐靴位置表面的泥渣及掉塊清理干凈，掛網(wǎng)噴混凝土處理，保證給撐靴提供反力。

3.2.3.3 隧底位置

隧道底部在軌線延伸前，鋪設(shè)干硬性混凝土，且所有軌排采用焊接縱向拉筋連成整體，并將拱架兩側(cè)連接筋更換為I16工字鋼縱連。

3.2.4 刀盤清渣

對(duì)于刀盤內(nèi)刀盤糊死，應(yīng)立即進(jìn)行刀盤清理工作；在立拱期間同時(shí)進(jìn)行刀盤清理工作；掘進(jìn)過程中扭矩急劇增大且貫入度極小時(shí)，需及時(shí)清理刀盤。

3.2.5 監(jiān)控量測(cè)

加強(qiáng)支護(hù)完成后，及時(shí)布設(shè)量測(cè)點(diǎn)，并將變形收斂及速率變化數(shù)據(jù)反饋至工程部技術(shù)人員，技術(shù)人員根據(jù)反饋的數(shù)據(jù)決定是否采取補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

3.3 斷層破碎帶地段TBM通過措施

TBM在灰?guī)r中掘進(jìn)，已揭露需穿越斷層破碎帶32處，其中2處影響最大，最大影響范圍為200 m，且還有1處斷層與炭質(zhì)板巖疊加，該段頂部坍塌嚴(yán)重，塌腔最深約6.5 m，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)困難，清渣量大，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)遇到的難點(diǎn)如圖9所示。

(a)

(b)

圖9 TBM過斷層破碎帶施工難點(diǎn)圖

Fig. 9 Construction difficulties and keys of fault fracture zone

為了使TBM順利通過斷層破碎帶地段，經(jīng)討論采用以下措施。

3.3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

提前做好超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)，并在掘進(jìn)期間提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的頻率，以確定破碎帶邊緣、長(zhǎng)度、破碎程度以及含水情況等，并根據(jù)超前預(yù)報(bào)結(jié)果，提前調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、姿態(tài)及洞內(nèi)應(yīng)急物資儲(chǔ)備。該掘進(jìn)段主要采用TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[17]，對(duì)其采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、解譯，進(jìn)而形成地質(zhì)剖面主觀圖、圍巖完整程度推斷圖以及波速分布圖(如圖10所示)，采集的數(shù)據(jù)和得到的圖像對(duì)圍巖的破碎程度及完整性(里程、樁號(hào)可以推斷出來)都有很直觀的反映。

3.3.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

TBM通過斷層破碎帶時(shí)，適當(dāng)減小TBM的掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)推力、撐靴壓力等掘進(jìn)參數(shù)，這樣能有效減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，從而減小或避免發(fā)生塌方。

(a) 地質(zhì)剖面主觀圖

(b) 圍巖完整程度推斷圖

(c) 波速分布圖

3.3.3 加強(qiáng)支護(hù)

圍巖出護(hù)盾后及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，堅(jiān)持“防止臨空面發(fā)展，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)”的原則(如圖11所示)。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖11 TBM過斷層破碎帶處理措施施工圖

Fig. 11 Countermeasures for TBM boring through fault fracture zone

3.3.3.1 拱頂位置

對(duì)于一般破碎地段，采用鋼筋排、鋼拱架、連接筋、噴射混凝土等聯(lián)合支護(hù)；對(duì)于嚴(yán)重破碎地段，采用鋼筋排、加密鋼拱架或改為型鋼拱架、工字鋼代替連接筋、拱架背部加焊支撐等聯(lián)合支護(hù)措施，必要時(shí)，利用應(yīng)急噴護(hù)系統(tǒng)對(duì)該段進(jìn)行干噴封閉；對(duì)于塌腔范圍較大的位置采用灌注或噴射混凝土的方式進(jìn)行填充，并確保注漿密實(shí)。

3.3.3.2 撐靴位置

對(duì)于存在掉塊或塌腔，無法提供撐靴反力的位置，采取以下3種方法通過： 在撐靴位置加墊方木；在撐靴位置掛網(wǎng)干噴混凝土封閉；灌注混凝土充填密實(shí)。

3.4 巖溶溶洞群發(fā)育段TBM通過措施

TBM掘進(jìn)近7 km灰?guī)r洞段，局部洞段為巖溶區(qū)，已探明12處溶洞，其中3處為疑似溶洞。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。該段TBM掘進(jìn)時(shí)容易偏機(jī)、栽頭、刀盤被卡、涌泥掩埋盾體、涌水引起電器故障、收斂變形引起整機(jī)被卡等施工風(fēng)險(xiǎn)。采取強(qiáng)有力的TBM通過措施，至關(guān)重要,具體如圖12所示。

(a) 隧洞頂部溶洞、溶腔

(b) 撐靴位置溶洞、溶腔

Fig. 12 Construction difficulties and keys of karst cave developed section

針對(duì)通過巖溶溶洞群發(fā)育地段，項(xiàng)目部曾多次召開專題討論會(huì)及專家會(huì)，研究應(yīng)對(duì)措施，形成的主要應(yīng)對(duì)技術(shù)措施如圖13所示。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖13 TBM過巖溶溶洞群發(fā)育段處理措施施工圖

Fig. 13 Countermeasures for TBM boring through karst cave group developed section

3.4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

針對(duì)該段提前施作超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確探測(cè)出掌子面前方溶洞的空間位置、大小以及是否有充填等，并根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)的結(jié)果，提前做出應(yīng)對(duì)措施及應(yīng)急物資儲(chǔ)備。

3.4.2 溶洞處理

1)開挖輪廓線3 m以外的溶洞不做處理，開挖輪廓線3 m以內(nèi)的，探明溶洞規(guī)模不大，TBM直接掘進(jìn)通過，并加強(qiáng)初期支護(hù)。

拱頂位置： 溶洞溶腔出護(hù)盾瞬間，及時(shí)采用鋼筋排、鋼拱架、工字鋼縱連、拱架背部加焊支撐等聯(lián)合支護(hù)措施，必要時(shí)，利用干噴系統(tǒng)對(duì)該段進(jìn)行封閉。若存在塌腔或溶腔，則回填混凝土，最后回填注漿確保密實(shí)。

撐靴位置： 采取鋼拱架、掛網(wǎng)干噴混凝土或灌注混凝土等聯(lián)合支護(hù)提前處理。

隧底位置： 隧底溶洞按開挖輪廓線外5 m控制，大于5 m的不做處理，小于5 m的采取提前回填砂漿固結(jié)或換填混凝土處理。

2)在開挖輪廓線3 m以內(nèi)，如探明有大規(guī)模溶洞，則需提前采取鉆爆法進(jìn)行處理，然后TBM步進(jìn)通過。

3)根據(jù)溶洞發(fā)育特征，對(duì)半填充和全填充溶洞采用靜壓灌漿法注入純水泥漿進(jìn)行處理。

3.5 突泥涌水段TBM通過措施

根據(jù)開敞式TBM的施工原理，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外開敞式TBM施工案例和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于開敞式TBM遇突泥涌水地段大多無法掘進(jìn)通過，因此必須提前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確定長(zhǎng)度范圍，準(zhǔn)確判定發(fā)生部位，采取有效措施，減小TBM停機(jī)等待或者長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。引松4標(biāo)2016年2月29日掘進(jìn)時(shí)掌子面前方發(fā)生涌水及3月24日發(fā)生突泥，致使支護(hù)工人在底部安裝拱架困難、刀盤前方石渣隨水流出、連續(xù)皮帶系統(tǒng)打滑、TBM行走及運(yùn)輸軌線淹沒無法延伸，TBM被迫停止掘進(jìn)，整個(gè)3月和4月施工比較艱難(如圖14所示)。

(b)

(b)

(c)

(d)

圖14 突泥涌水段施工現(xiàn)場(chǎng)圖

Fig. 14 Construction site photos of water and mud burst section

引松4標(biāo)項(xiàng)目部針對(duì)以上出現(xiàn)的險(xiǎn)情，采取了果斷和有效的處理措施，并將TBM停機(jī)等待時(shí)間降到最短，取得了重大突破。采取的主要措施如圖15所示。

3.5.1 掘進(jìn)前

3.5.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在進(jìn)行日常的物探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，連續(xù)在掌子面施作鉆孔預(yù)報(bào)及地表跨孔CT等聯(lián)合預(yù)報(bào)的方式。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方一定范圍內(nèi)有無突水、塌方等施工風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)反饋信息，做好施工風(fēng)險(xiǎn)源的辨別并及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以指導(dǎo)后續(xù)工作。

3.5.1.2 刀盤清理或固結(jié)

對(duì)刀盤人孔及刮渣孔焊接鋼板局部封堵，以減少出渣量，且每次掘進(jìn)前空轉(zhuǎn)刀盤，將刀盤泥漿清理干凈。若刀盤前方突泥量增大，采取化學(xué)灌漿固結(jié)突泥及破碎巖體。

3.5.2 掘進(jìn)中

掘進(jìn)參數(shù)： 采取手動(dòng)模式，同時(shí)降低掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)推力，以減少出渣量，避免出渣量較大造成皮帶堵死或急停；并在過程中對(duì)出水點(diǎn)采取引、排、封堵和排堵結(jié)合的方式，做到不出現(xiàn)突水和大的涌水。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖15 突泥涌水段施工應(yīng)對(duì)措施圖片

Fig. 15 Countermeasures for TBM boring through water and mud burst section

3.5.3 掘進(jìn)后

3.5.3.1 引排

對(duì)工作面的涌水或注漿后的剩余水量及時(shí)排離工作面。對(duì)側(cè)壁的漏水采用遮擋、引排措施，保證噴射混凝土質(zhì)量。噴射混凝土后，由于水壓升高有可能使一次支護(hù)破壞，則采用引排方法或壁后注漿法封堵。

3.5.3.2 加強(qiáng)支護(hù)

及時(shí)進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，采取加密鋼拱架(即45 cm/榀)、鋼筋排、工字鋼縱連、噴射混凝土封閉等聯(lián)合支護(hù)措施。

4 施工效果

項(xiàng)目開工至今，成功攻克 “2·29”、“3·4”、“5·30”特大涌水涌泥，穿越近7 km淺埋灰?guī)r巖溶區(qū)，有效掘進(jìn)時(shí)間為13個(gè)月，累計(jì)進(jìn)尺8 581 m，平均月進(jìn)尺613 m；其中日最高進(jìn)尺70.4 m，單班最高進(jìn)尺37.1 m，單周最高進(jìn)尺365 m，并于2016年5月創(chuàng)造了開敞式TBM月進(jìn)尺1 226 m的全國(guó)紀(jì)錄。不僅保質(zhì)保量超額完成業(yè)主及公司下達(dá)的年度任務(wù)，而且在施工生產(chǎn)過程中未發(fā)生一起安全質(zhì)量事故。

5 結(jié)論與建議

通過對(duì)TBM的針對(duì)性設(shè)計(jì)以及7 km灰?guī)r段施工技術(shù)的正確運(yùn)用，確保了TBM順利通過引松供水4標(biāo)7 km灰?guī)r段的復(fù)雜地質(zhì)地段，既節(jié)省了財(cái)力，又縮短了工期，且期間沒有重大事故發(fā)生。作為國(guó)際范圍內(nèi)TBM首次通過長(zhǎng)距離灰?guī)r地段的實(shí)例，將為今后同類別的TBM施工提供寶貴經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。雖然開敞式TBM在通過長(zhǎng)距離灰?guī)r地段取得了一定的施工經(jīng)驗(yàn)，但還有很多方面值得我們?nèi)ヌ剿鳌＠?，在施工過程中要加大環(huán)境的保護(hù)力度，將節(jié)能減排放在重要的位置；另外，還要進(jìn)行刀盤刀具磨損方面的研究，以便提升TBM的掘進(jìn)性能和使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益。

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Research on Construction Technologies for TBM ContinuousBoring through Limestone Section of Bid Section No.4 of SonghuaRiver Water Conveyance Project

ZHAO Hailei1, CHEN Kui1, ZHOU Jianjun1, ZHANG Bing1, YANG Bin2, WANG Zhenfei2

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

The open TBM bores through limestone section of 7 km long of Bid Section No. 4 of Songhua River Water Conveyance Project. The advanced geological prediction system and lining system of TBM are designed based on characteristics, i.e. long distance, large cross-section, rapid boring and strengthened support of the project. And then, corresponding construction technologies and countermeasures are decided for bad geological conditions. The TBM has successfully bored through the limestone section; the construction cost has been reduced and the construction schedule has been shortened by relevant design, construction technologies and countermeasures adopted.

Songhua River Water Conveyance Project; tunnel; open TBM; limestone section

2016-11-25;

2017-01-25

國(guó)家“973”計(jì)劃(2014CB046906)； 中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2016G004-A)； 中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃(隧研合2016-03)

趙海雷(1987—)，男，河南開封人，2016年畢業(yè)于東華大學(xué)，材料加工工程專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)研究工作。 E-mail： 478339242@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.015

U 455

B

1672-741X(2017)03-0354-09