软弱千枚岩地段TBM掘进施工技术

张学军，胡必飞

(中铁隧道集团二处有限公司，河北三河 065201)

0 引言

西秦岭隧道全长28 236 m，采用钻爆法与TBM法相结合的施工方式，TBM掘进出碴方式采用连续皮带机出碴，衬砌采用同步衬砌技术［1－3］。TBM掘进12 934m，分为2个阶段，其中第1阶段5594m，第2阶段7 340 m。在已掘进的第1掘进段中Ⅳ级软弱千枚岩段约2 400 m，TBM在第1掘进段的软弱围岩段施工速度慢，其掘进速度无法得到充分体现，且施工效率低、刀具磨损大。TBM掘进遇到软弱围岩时，如何让TBM安全快速通过，对保证TBM施工进度，提高施工效益有积极的意义。我国在秦岭隧道、磨沟岭隧道和大伙房输水工程对敞开式TBM使用的基础上，积累了TBM安全通过不良地质地段的方法及辅助措施［4－6］;但TBM在软弱千枚岩地层中施工经验较少，本文结合西秦岭隧道敞开式TBM在软弱千枚岩地层中掘进的施工经验，介绍了软弱千枚岩地质条件下的TBM掘进施工技术。

1 概述

兰渝铁路西秦岭隧道XQLS2标位于新建铁路兰渝线中段，地处甘肃省陇南市武都区境内，为左右线分设的2条单线隧道，XQLS2标负责左线隧道的施工，全线处于直线上。用于西秦岭隧道施工的TBM采用美国罗宾斯公司生产的φ10.2 m开敞式全断面隧道硬岩掘进机。隧道地层主要为第四系全新统松散层，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、砂质千枚岩夹变砂岩、变砂岩、砂质千枚岩，断层角砾岩和断层泥砾［4］，TBM掘进段地层主要为千枚岩和砂质千枚岩。

2 软弱千枚岩特征

西秦岭隧道软弱围岩地段出露的千枚岩为浅灰色至深灰色，主要为砂质千枚岩和千枚状夹变砂岩。千枚岩节理发育，受构造影响，层间揉皱强烈，岩石较破碎，零星夹有灰岩薄层。当TBM进入软弱千枚岩地段进行掘进施工时，由于千枚岩节理发育或存在断层破碎带，层间结合差，岩体本身碎块状结构，加之刀盘切削作用和护盾的震动影响，致使千枚岩沿节理面、断层面或岩层松动、错落，出现大面积失稳、坍滑和坍塌。

3 软弱千枚岩地段影响TBM掘进的主要因素

2010年12月26日—2011年3月3日，TBM在连续647 m的Ⅳ级软弱围岩地段掘进施工，该段掘进日平均进尺9.6 m，远低于Ⅲ级围岩地段日平均进尺21.5 m的掘进速度。通过对掘进报告的整理分析(见表1)，在软弱千枚岩地段掘进时，刀具检查时间、更换频率以及由于石碴较大引起的皮带机故障频率明显高于Ⅲ级围岩地段，从而减少了TBM的有效掘进时间。

表1 不同围岩段各工序及停机时间百分比对比表Table 1 Percentage of time consumed by different construction procedures and downtime in different rock mass %

影响TBM掘进的主要因素大致可以归纳为以下4个方面:

1)因撑靴位置围岩破碎或滑塌，无法提供撑靴支撑所需要的反力，需要对撑靴背后围岩进行加固;

2)围岩坍塌、掉块等情况，停机进行初期支护施工以及处理围岩坍塌;

3)因软弱围岩段TBM掘进施工时，碴体中块状岩碴含量达到60%～90%，粒径3～10 cm，有时会出现30 cm以上的大石块，容易划伤、划破皮带，有时掌子面破碎围岩坍塌体会堵塞皮带机接料口，造成连续皮带故障，停机修复甚至更换皮带;

4)因软弱围岩段碴体中大块岩块较多，刀盘侧边铲斗的刀牙磨损严重，导致刀盘检查、刀具和刀牙的更换。

4 软弱千枚岩地段TBM掘进施工技术

4.1 加强超前地质预报工作

超前地质预报工作可以提前预测前期没有探明的、隐伏的地质问题，做好围岩判别，降低隧道地质灾害发生的概率及危害程度，做好施工对策及处理措施，保证隧道施工正常进行;特别是软弱围岩段，加强超前地质预报工作对保证机器设备的安全和施工的连续性、安全性有重大意义。西秦岭隧道工程成立专门的超前地质预报组，并将其纳入全工序管理，采用多种地质预报手段与现场经验实践相结合的方式加强超前地质预报工作。

4.1.1 一般地段

以地质分析为基础，充分利用前期勘察资料、钻爆法施工段开挖揭露的地质资料及施工积累的经验，通过地质符合性评判，经地表调查、地质素描、地质分析作图，综合分析后得出超前地质预报结论，遇有异常时采取TSP、红外探测等进行验证预报。

4.1.2 重点地段

对可能存在构造破碎带(断层破碎带、褶皱带)、软硬岩分界面及其他软弱夹层或节理裂隙发育带的隧道段、物探异常区、可能存在涌水突水的隧道段，以地质分析为基础，在地表调查、地质素描、地质分析作图的基础上，采用TSP、红外探测对发现的地质异常地段进行核实与验证。

4.1.3 现场经验实践手段

西秦岭隧道软弱千枚岩受结构面影响较严重，围岩情况指标很大程度上受岩体结构的控制。因此，对该类围岩的情况进行估计时，应重点考察其岩体结构和不连续面情况等。TBM开挖的碴料由片状或块状岩碴、岩粉及构造充填物等构成，TBM滚刀将岩体挤压破碎时，破裂面优先沿着岩体节理面、层理面等软弱结构面形成。因此，当围岩类别不同时，其碴料成分和粒径也不相同［5－6］。

根据西秦岭隧道第1掘进段碴料特征:Ⅲ级围岩段，因千枚岩完整性较好，碴体中片状岩碴含量为90%～100%，块状岩碴含量为0%～5%，粒径为3～10cm，岩粉主要由刀具切割岩石形成，岩碴中一般少见或无节理面;Ⅳ级围岩段，小粒径岩碴含量较少，块状岩碴含量较大，粒径为3～20cm，超过20 cm的大块岩碴出现较多，常见棱角状未切割岩块，不同围岩段碴体特征见图1和图2。实际施工中，可根据碴体情况判断掌子面围岩情况，提前做好围岩处理措施及工序转换。

4.1.4 物探重点手段

1)TSP203+超前地质预报。TSP203+每次可探测100～350 m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，每开挖120～200 m预报一次，并对重叠部分(不小于20 m)进行对比分析，所有探测孔布置在盾尾和2#拖车之间，见图3。

图1 Ⅲ级围岩段碴料Fig.1 Mucks produced in GradeⅢrock mass

2)红外探测。红外探测每循环可探测30 m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，2次探测应重叠5 m，红外探测作业见图4。

图4 隧洞红外探测作业Fig.4 Infrared detection in tunnel

4.1.5 TBM施工段地质超前预报方案及手段

根据设计图纸中的围岩情况，确定TBM施工的以下里程段应加强地质超前预报工作，采取地表调查、地质素描、TSP、红外探测仪、地质综合判析等手段对隧道地质进行超前探测，见表2。

4.2 TBM掘进机参数调整

TBM在软弱千枚岩中施工时，如果仍按在Ⅲ级硬岩下的掘进参数进行施工，会对周边围岩扰动较大，容易造成围岩剥落，增加支护工作量，甚至会卡住刀盘或护盾，造成掘进方向出现过大偏差;若TBM撑靴位置出现坍腔，会造成撑靴支撑不到位或打滑，这些问题会严重制约TBM的施工进度。为了避免上述问题的发生，在软弱围岩段施工时，必须对TBM施工中的掘进参数进行必要的调整。

1)刀盘转速。在软弱围岩中，依据上一掘进循环的掘进参数和岩碴的形态，调整刀盘转速和刀盘推力。在千枚岩隧道Ⅲ级围岩施工中，推进油缸推力一般维持在16～19 MPa，刀盘转速为6 r/min左右;Ⅳ级围岩推进油缸推力维持在16 MPa以下，刀盘转速控制在4 r/min以下。

表2 TBM施工段地质超前预报方案及手段Table 2 Advance geology prediction methods for TBM-bored tunnel sections

2)撑靴压力。遇到软弱围岩时，撑靴压力不宜太高，否则可能压碎洞壁岩石，造成坍塌，撑靴部位的围岩抗压强度不能抵抗撑靴的反力，易造成撑靴打滑，导致撑靴部位遭受扰动，变形过大。

3)刀盘扭矩。在软弱围岩段施工时，刀盘扭矩过大，易产生机身滚动、撑靴打滑，为此扭矩应控制在正常值的70%。

4)推进速度。推进速度是TBM掘进最重要的可控参数。在一般Ⅲ级围岩中TBM掘进速度为2.5～3.5 m/h，在软弱围岩段施工时，推进速度必须依据撑靴数量和撑靴压力的大小来调整，一般控制在2.5 m/h以下。推进速度的变化可导致刀盘推力、扭矩、皮带机压力的变化;反之，刀盘推力、扭矩、皮带机压力的变化也制约推进速度的调整。

5)换步行程。在软弱千枚岩施工中，换步与调向是TBM操作的重要一环。选择坚硬的洞壁且错开钢拱架及洞壁的破碎部位作为撑靴的支撑位置是比较困难的;因此，换步行程不一定是设计行程，但应尽可能接近设计行程，保证钢拱架安设间距在0.9m或1.8m。

4.3 围岩支护参数调整

根据前方掌子面围岩情况及时调整TBM支护参数，做好工序转换，提前做好物资准备，减少因调整支护参数引起施工材料未跟上而造成停机待料的现象，造成不必要的时间浪费。西秦岭隧道Ⅳ级和Ⅴ级围岩初期支护采用钢拱架支护，钢拱架采用H150型钢加工，按0.9m或1.8m间距架立。环向连接钢筋为φ22螺纹钢，挂设单层钢筋网，半圆以上布设φ25中空注浆锚杆，半圆以下布设φ22全螺纹砂浆锚杆。实际施工中，若遇到围岩破碎、拱部掉块严重的位置，应挂设双层钢筋网加强支护，防止掉块打伤护盾后作业人员。

4.4 软弱千枚岩坍塌处理

TBM在软弱千枚岩施工中，造成的坍塌位置主要有拱顶坍塌、刀盘护盾两侧拱腰坍塌、掌子面坍塌3种［7－8］。

1)拱顶坍塌处理。开挖后围岩在刀盘或刀盘护盾处出现较大坍塌时，处理方法和步骤为:先处理拱部危石，后初喷5 cm厚混凝土，封闭岩面;再架立H150型钢拱架，在钢拱架与岩面之间，根据坍腔深度在拱架上用H150型钢按50 cm间距焊接扇形支撑，在环向拱架之间铺设焊接3mm厚钢板封闭塌腔，坍腔用同标号混凝土回填。

2)TBM刀盘护盾两侧拱腰岩石坍塌、掉落处理。根据围岩的不同，其形状各异。一般小面积的软弱结构，通过调整掘进参数，TBM就可顺利通过;如果岩石特别破碎时，应视情况采取打锚杆、挂网、喷射混凝土支护，确保撑靴支撑稳固，顺利掘进。当两侧发生较大坍塌，造成TBM撑靴无法支撑时，必须停机处理。先清理危石，喷5 cm厚混凝上，然后架立环形钢拱架，用编织袋装填洞碴填塞在拱架与坍腔中，保证撑靴有足够反力，使TBM在短时间内恢复施工。待TBM撑靴通过坍腔位置后，移除填塞碴体，在坍腔位置挂设钢筋网，采用同标号混凝土回填封闭坍腔。

3)掌子面坍塌处理。在TBM刀盘的正前方，开挖断面以内出现的围岩沿节理面大面积坍滑、坍塌，大块岩体较多。这种情况一般不影响正常掘进施工，但应及时停止TBM推进，保持刀盘空转，通过刀盘铲斗自动将坍落碴体清理完毕后，再继续掘进，防止因碴体过多堵塞主机皮带机接料口，造成皮带刮破及停机。这种情况下坍滑、坍塌容易扩展，围岩从护盾尾部出露后应立即架立钢拱架，按照Ⅳ级围岩支护参数进行施工，保证后续施工的安全。

4)围岩在远离护盾后、进入喷浆区前出现开裂掉块现象处理。遇到这种情况应立即组织人员在该位置架立钢拱架，加设锚杆、钢筋网，防止裂缝及掉块继续发展，保证人员和设备的安全。

4.5 TBM设备改造

TBM通过软弱千枚岩地层，遇有节理裂隙发育情况，掌子面坍塌严重，滚刀接触不到岩面，坍塌体中含有大量较大岩块直接经铲斗进入主机皮带中。由于原刀盘铲斗刀牙为梳形，整体强度不高，遇有大块碴体时易损坏(见图5)，导致刀盘铲斗刀牙及螺栓更换频繁;并且大块岩石的出现砸坏主机皮带，使TBM不能正常连续生产，严重影响施工进度。

图5 损坏的刀牙Fig.5 Damaged cutter teeth

1)刀牙改造。采用新制作的刀牙更换刀盘上部刀牙，增加刀牙强度。新制作的刀牙采用和原刀牙一样的16 Mn钢材料，不同的是新制作的刀牙将若干刀牙作为一个整体，如图6所示。刀牙改造后，其损坏率明显降低，大大减少了更换刀牙的频率。

图6 新制刀牙Fig.6 New cutter tooth

2)挡碴板改造。为减少大块石碴从挡碴板空隙中漏入刀盘内部，砸坏划伤皮带，在挡碴板后部增焊640 mm×100 mm×50 mm(长×宽×高)的16 Mn钢板，中心块刀牙位置有4处，每个位置处有2块挡碴板，选用640 mm×100 mm×50 mm的Mn钢板，1块钢板焊接于2块挡碴板之间。刀盘边块分为12区，根据每区长度焊接1～2块挡碴板，焊接位置在刀盘中心往刀盘边缘方向的首个刀牙位置向下400 mm处，如图7所示。

图7 中心块刀牙处焊接的Mn钢板Fig.7 Mn steel plate welded at cutter teeth of center block

3)皮带机接料装置改造。由于原设备皮带机接料口位置与设备支撑件为硬连接，没有缓冲装置，大块碴体从刀盘出料口出来后直接掉落在皮带上，容易砸伤甚至划破皮带，需要停机修补皮带。改造方式为在皮带机与其支撑件之间设置缓冲弹簧，同时减小出料口与皮带之间的垂直距离，减少大块碴体对皮带的冲击。

4.6 围岩监控量测

西秦岭隧道采用无尺量测技术可有效减少因量测工作导致的停机时间，在软弱围岩段应加强监控量测的频率，加密量测桩点。对初期变形较大的地段及时加强支护措施，尽量规避因支护滞后导致的停机处理时间。

5 其他辅助保证措施

5.1 加强维修保养

要牢固树立掘进施工与维修保养并重的观念，实行TBM保养机电总工程师负责制，确保每天4 h强制停机保养，实行定时停机保养与运行中重点检查维护相结合的措施，坚决杜绝TBM设备带病作业，减少设备故障率，提高有效掘进时间。TBM日常检查、维修保养应做到以下几点:

1)选定有丰富施工经验的技术管理人员和技术工人组成专职维护保养班，包括工班长、机械师、液压师、电气师和各工位操作及配属人员，规定所辖设备的职责范围。

2)确保TBM主机液压系统、内外机架润滑、主轴承润滑、主电机、变速箱及各液压系统独立泵站等重点部位的维修保养，切实做好清洁、点检、润滑、保养工作。

3)对每一点的每一项操作内容，制订相应的目标状态或需达到的标准，规范保养程序。

4)根据需要，做好设备安装、拆卸、作业、工班交接、例会、备忘录、检测、故障、维修保养、油品和材料消耗等多项记录，重要记录一律存档备案。

5.2 加强施工组织管理

在软弱围岩段，TBM掘进施工的工序数量与工作量都较在Ⅲ级围岩段施工中大，因此在软弱围岩段施工时，施工组织的管理力度更要加强。

1)加强各工序的衔接工作。在TBM 7#拖车后应备有一定数量的钢拱架、锚杆和钢筋网片，保证TBM由Ⅲ级围岩进入Ⅳ级围岩时工序转换的连续性，减少停机待料时间。

2)加强有轨运输管理。西秦岭隧道材料供给采用25 t内燃机车牵引编组成列的材料车运输［9－10］，四轨双线有轨运输模式，轨距900 mm;轨道选用43 kg/m标准钢轨并直接铺设在仰拱预制块上，通过仰拱预制块顶部预埋的道钉螺栓进行固定连接。西秦岭隧道施工材料第1阶段运距平均为5 km，第2阶段平均为16 km。通过有效的有轨运输组织管理，可以保证TBM掘进和同步衬砌的施工材料供应，减少TBM停机待料时间。为保证洞内TBM掘进、同步衬砌所需材料供应的连续性，专门设立机车调度控制中心，负责机车的调配、装卸、编组、日常保养等工作，每列机车设置专职调车员1名，指挥机车行走。

6 结论与讨论

文章总结了TBM通过软弱千枚岩地层的施工措施及技术，通过调整施工参数，减少了TBM的非正常停机时间，使刀盘运转时间提高30%以上，提高了施工效率，取得了在Ⅳ级围岩中月掘进510 m的好成绩，为TBM第2阶段掘进积累了施工经验。但在施工中，采用何种超前地质预报手段对前方地质情况作出准确的判断以及在软弱围岩中采用合适的掘进参数进行掘进施工，是以后研究和实践的重点。

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