西秦岭隧道不良地质段TBM施工技术

欧阳艳

(陕西铁路工程职业技术学院, 陕西渭南 714000)

1 工程概况

兰渝铁路西秦岭隧道位于新建铁路兰渝线中段,地处甘肃省陇南市武都区境内。西秦岭特长隧道全长28.236 km,为左右线分设的两条单线隧道,隧道最大埋深约1 400 m。西秦岭隧道采用TBM掘进与钻爆法混合施工,TBM掘进集中在出口，分为左、右线各2段。第一段7 680 m(DIK421+115～DIK413+435),第二段7 840 m(DIK411+430～DIK403+590)。

2 主要工程地质问题

秦岭特长隧道地层稳定,主要为石炭系下统砂质千枚岩、泥盆系下统灰岩、千枚岩、下元古界灰岩、变砂岩夹砂质千枚岩、变砂岩、砂质千枚岩、断层角砾岩和断层泥砾。地下水类型可分为岩溶裂隙潜水、承压水及构造基岩裂隙潜水、承压水。在大地构造单元上属秦岭褶皱系的南秦岭冒地槽褶皱带,褶皱、断裂发育,多近乎东西向。TBM施工段中，DIK404+305～DIK404+790段地层岩性为下元古界千枚岩夹变砂岩,总体以变砂岩为主,夹有中薄层砂质千枚岩。受构造影响严重,属Ⅳ级围岩,为节理密集带,岩体完整性较差。地下水以基岩裂隙水为主,属构造裂隙弱富水区(Ⅱ区),预测单位正常涌水量为430～733 m3/d·km,水质良好,对圬工无侵蚀性。DIK410+995～DIK411+160段地层岩性为下元古界千枚岩夹变砂岩,为节理密集带,岩体完整性较差,属Ⅳ级围岩。地下水以基岩裂隙水为主,属构造断裂中等富水区(Ⅰ区),预测单位正常涌水量为2 700 m3/d·km,对圬工无侵蚀性。如何对不良地质体进行预报,如何安全通过节理发育地带及断层破碎带,遇地下渗水及涌水该如何处理,是本工程中面临的主要地质问题。

3 主要技术措施

3.1 超前地质预报

为及时了解掌子面前方的地质条件,需要进行超前地质预报。超前地质预报的内容有：断层，软弱夹层，岩溶的位置、规模和性质；不同岩类间接触界面位置；工程地质灾害可能发生的位置和规模等。通过超前预报可减少盲目性,便于采取正确的开挖方法和支护措施。尤其在软弱破碎围岩掘进过程中,超前地质预报是决定TBM能否快速、顺利通过软岩地段的关键。西秦岭隧道主要以TRT超前地质预报仪、HP303红外线探水仪预报为先导,探明前方地质情况。TRT技术利用弹性波反射原理发射信号,当遇到声学阻抗差异界面时,一部分信号被反射回来,一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收,经过分析来判断隧道掌子面前方含水区域的位置与大小，以及掌子面前方的围岩级别及其他地质结构特征等。TRT法具有效率高,操作简单,成图直观等优点。红外线探水仪的原理是岩体红外辐射场强会随着地下水的活动发生变化,因此通过探测掌子面或洞壁四周场强的变化,可以推测是否有隐伏的含水体。该方法准确性高,干扰小,测量快速,施工干扰小。

3.2 软弱破碎围岩地段掘进

TBM为敞开式硬岩掘进机提供了三种工作模式：自动扭矩控制、自动推力控制和手动控制模式。自动扭矩控制只适用于均质软岩,自动推力控制只适用于均质硬岩,手动控制模式操作方便、反应灵活,适用于各种地质,因此在掘进中通常采用手动控制模式进行掘进。

主要通过扭矩变化并结合推进力参数选择掘进参数,控制单机电流不超过额定值。以PPS自动导向系统控制TBM掘进姿态；其掘进动作流程为：撑紧撑靴,收起后支撑→刀盘旋转,开始掘进推进→掘进行程完成后,进行换步,放下后支撑→收回水平撑靴,前移撑靴,再撑紧水平撑靴→进行下一掘进循环。

3.3 软弱破碎围岩段处理

(1)超前小导管注浆加固

对软弱、构造影响破碎段等不良地质,采用TBM自带钻机钻孔、清孔,设计安设φ42无缝钢管,采用TBM自带注浆机注水泥浆,注浆压力一般为0.2～0.5 MPa。当单孔注浆量达到设计注浆量时,或达到注浆压力持荷10 min后,即可结束注浆。

(2)钢支撑施工

通过材料运输车将钢拱架运送到TBM吊机附近,由吊机运送到拱架安装器的上方或下方,钢架安装器夹住钢架后,导向轨旋转安装器,直至下一段拱架可以用螺栓固定在前一段的尾端,重复这个过程直至整环完成。当一环完成后由拱架安装器上的张紧机构将钢拱架向外扩张,并与岩面楔紧。钢架的经扩张与岩面楔紧后利用锚杆钻机钻孔施做锁脚锚杆,按设计要求进行锁定,然后通过φ22的螺纹钢筋与上一榀钢架纵向焊接相连,环向间距应符合设计要求。安装过程中钢拱架须与岩面之间楔紧,相邻钢拱架之间的纵向连接筋必须焊接牢靠连接成整体,安装完毕后用喷射混凝土将其覆盖；钢支撑与岩面之间的空隙须用喷混凝土充填密实。

(3)初喷射混凝土施工

在软弱破碎围岩地段,需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩,此时将TBM后配套上喷混凝土区域的混凝土输送管路接长,延伸至护盾后(混凝土输送泵具备相应能力),采用人工喷射混凝土方式进行初喷作业,其施工工艺与方法与钻爆段相同。待该段进入机械喷混凝土区域后,采用机械喷射方式复喷至设计厚度。

软弱破碎围岩掘进工序流程见图1。

图1 软弱破碎围岩掘进施工工序流程

3.4 软弱破碎围岩段坍塌处理

(1)坍塌原因及影响分析

围岩的坍塌和破坏是造成TBM掘进停工的主要原因,岩体产生坍塌的原因及影响主要有：

①受断层影响带及其次生小断层的影响,软弱结构面、宽大节理及节理密集带发育的影响,以及在TBM施工时连续震动、地下水、应力释放、重力等综合作用下开挖后易发生坍塌,造成底部清碴时间过长。

②岩体的自稳能力很差,在TBM掘进时,常在护盾上方或刀盘前方发生大规模的坍塌。塌方深度高、塌方量大。因混凝土回填引起支护作业时间加长。

③隧道开挖前,岩体初始应力处于相对平衡状态,开挖隧道后,改变围岩的受力状态。应力重分布引起围岩收敛变形。围岩收敛、拱顶下沉造成洞室断面净空大为缩小,不能满足二次衬砌净空,影响到隧道的二次衬砌。

④TBM依靠撑靴对隧道的反力而获得向前的推力,在软弱结构面、节理发育地带,岩体破碎,受撑靴挤压而发生滑塌。

(2)坍塌处理措施

在护盾及前方采用超前小导管或超前锚杆支护,通过采取超前小导管加强支护,提高围岩自稳能力,能有效控制围岩出护盾前的变形,保证二次衬砌净空。在护盾后部紧跟掘进施作锚、网、钢拱架、喷混凝土及时封闭围岩；在局部围岩破碎地段,为保证结构安全,在护盾后平台采用自钻式锚杆加固围岩；TBM通过后,后配套上的喷混凝土及复喷至设计厚度,保证支护强度。

充分利用掘进机的湿喷设备,在围岩出护盾后及时初喷混凝土,封闭围岩,将围岩的收敛变形减少到最低限度。由于围岩松动范围的扩大,而使围岩的稳定性降低,为了保证施工及投入使用后的结构安全,衬砌后需及时进行固结注浆。

对剥落和坍腔的处理：由于围岩软弱,造成掘进机在行进时撑靴部位打滑,围岩二次扰动,出现更大的坍塌,为此采取的措施是：当剥落在15 cm以内时,采取喷射混凝土封闭并喷平,以便于掘进机撑靴通过；坍腔在15 cm以上时,首先采用湿喷系统封闭围岩,然后利用已经架立的钢拱架立模灌注C30细石混凝土,填平坍腔,可以避免坍腔继续向前方延伸而产生过大变形,有效控制临空面的继续扩大而造成更大范围的坍塌,同时也可保证掘进机的撑靴顺利通过而不挤压拱架。

对撑靴部位由于围岩抗压强度不能提供足够的撑靴反力,而易造成撑靴打滑,撑靴部位二次扰动,变形过大,针对此现象拟采取的对策如下：①此部位出护盾后立即对此部位进行铺设钢筋网、喷射混凝土施工支护作业,增加此部位的抗压强度,提高承载力；②调整撑靴压力来减少对围岩的扰动。

因围岩坍塌而产生的岩碴无法通过正常的出碴系统排出,可在护盾后增设的一套机械清碴系统,缩短清碴工序时间、提高特殊地段的掘进速度。

4 结束语

西秦岭施工过程中,通过超前地质预报的准确预测、根据不同的地质条件合理选用TBM掘进参数、超前加固、及时封闭围岩以控制变形、控制坍塌扩延采用合理的支护措施、提高通过不良地质洞段时的支护速度等一系列措施,使得TBM掘进机最终顺利通过了断层破碎带。

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