敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术

邓青力

(中铁隧道股份有限公司，郑州 450000)

0 引言

随着我国国民经济的发展，隧道及地下工程施工技术也日新月异，特长隧道采用TBM施工也越来越普遍。长大隧道往往难以避免要通过围岩破碎带或软弱围岩段，而TBM受制于自身设计，不适宜在这种围岩段内施工［1］。为此，TBM掘进必须克服因软弱破碎围岩带来的掌子面围岩坍塌、围岩松动变形卡死刀盘或挤压拱架、侵入二次衬砌净空等问题。在以往已采用敞开式TBM掘进施工的磨沟岭、桃花铺隧道中，提出或采用了TBM超前钻机施作钻孔，进行超前小导管(管棚)注浆加固围岩等方式确保TBM通过软弱破碎带［2－3］。但由于TBM超前钻机钻孔及注浆效率太低，并且存在漏浆卡刀盘等问题，因而不易全面推广采用。随着新材料的研发及推广应用，围岩注浆加固材料也在不断增加，其中有机化学注浆材料已成功地应用于煤矿、水利等工程中［4－6］。目前正在施工的中天山隧道，通过多种围岩地质段，其中花岗岩地质段内包含多条节理密集带，其围岩破碎，易坍塌，TBM掘进必须提前对其进行加固处理，否则极易出现围岩坍塌、掩埋刀盘，造成TBM无法掘进，施工进度就此搁浅的后果。针对以节理密集带为主的软弱破碎带，借助化学注浆材料的优越性能，在刀盘内施作超前自进式锚杆，注新型聚氨酯化学浆液，实现了简易注浆、快速固结围岩、TBM随即掘进的施工模式，有效地防止了围岩坍塌，提高了TBM利用率;而后随TBM掘进，围岩出护盾后，再进一步对破碎段围岩进行径向注浆加固，有效地控制围岩收敛变形，确保TBM安全、高效地通过花岗岩节理密集带。

1 概况

1.1 工程概况

中天山特长隧道为南疆线吐库段增建二线铁路第二标段(SK2)重点工程，位于吐鲁番地区的托克逊县与巴音郭楞蒙古自治洲境内——托克逊、和硕间中天山东段的岭脊地区，长22.467km，为全线控制性工程。隧道穿越地区总体地势中部高，北东和南西低，海拔1 100～2 950 m，最高海拔为2 951.6 m，地形切割较为剧烈，沟壑纵横，植被稀疏，相对高差800～1 200 m;隧道最大埋深超过1 700m，设计坡度为11‰的上坡。中天山隧道进口采用从德国Wirth公司引进的φ8.8 m开敞式880E型TBM施工，计划掘进长度为13 792 m。

中天山隧道通过的地层岩性主要为泥盆系砾岩夹砂岩、泥盆系片岩夹大理岩、志留系变质砂岩夹片岩、志留系角斑岩、中元古界片岩夹大理岩、中元古界混合岩夹片麻岩、华里西期花岗岩、加里东期闪长岩等。

1.2 施工情况

原设计隧道纵断面图显示在隧道穿越的华里西期花岗岩地质段有3条节理密集带，而TBM实际掘进出的地质展示图显示有4条共计长达600多m的节理密集带及其影响带。岩体受构造影响强烈、风化严重，岩体节理裂隙发育—很发育，多呈宽张，部分微张，节理面呈灰白色及灰绿色，有高岭土、绿泥石填充物，其上分布有擦痕，岩体破碎，呈碎石角砾状及块石状结构，大小混杂，拱部裂隙水呈线状渗流，现场围岩如图1所示。整个花岗岩节理密集带段隧道埋深均大于1 500 m，有高－极高地应力分布，TBM掘进中极易出现坍塌，为Ⅳ～Ⅴ级围岩。

图1 花岗岩节理密集带段围岩Fig.1 Granite rock mass with densely developed joints

前期刚进入第1段节理密集带时，由于未及时采取相应的加固措施，掌子面出现坍塌，现场处理近2个月。按照相应的围岩级别进行支护后，围岩出现较大变形，最大变形量达35cm，支撑钢拱架出现扭曲变形，严重影响TBM的掘进。

2 施工对策及方案设计

由于施工工期紧，且TBM配套的超前钻机需重新维修安装，耗时较多;而刀盘前掌子面无法施作止浆墙，水泥浆由于凝结时间长会通过贯通面裂隙进入碴仓凝固，导致刀盘、护盾被卡死。为确保TBM掘进顺利通过节理密集带，经过方案比较，决定在刀盘内施作超前自进式锚杆，注浆材料采用新型聚氨酯化学浆液，围岩固结后TBM方可掘进，支护形式参照V级围岩设计支护参数，I16全圆拱架间距0.9 m，必要时可加密至0.45 m，拱架连接局部增加I12型钢。为控制围岩变形，待掘进断面完成初期支护后，进行径向注浆加固。

2.1 新型聚氨酯化学浆液特点

新型聚氨酯化学浆液(以下简称化学浆液)分为A，B 2组，由体积不大的塑料桶装，搬运较为方便。注浆材料主要有以下几方面特点:

1)黏度低、可注性好，能注入岩土层中的细小裂隙或孔隙并形成良好的扩散充填。

2)黏合性好，可与松散岩体形成很好黏合。

3)材料固结时间可调(20 s～5 min)，强度增长快，0.5～1 h即可达到非常高的强度(20 MPa左右)。

4)具有良好的塑性，能承受随后TBM掘进扰动的影响。

5)遇水反应快速膨胀，有效封堵水流通道。

6)渗透性强，渗透范围可达1.5～3 m。

7)配套设备简便，操作安全，工艺简单。

8)材料不含有毒物质，符合环保要求。

2.2 超前注浆参数设计

由于围岩破碎钻孔成孔较差，选用φ25自进式锚杆，一方面作为钻杆使用，另一方面作为注浆管使用。其布设在拱部150°范围内，长3 m，环向间距1 m，外插角20°。超前自进式锚杆布设示意图见图2。

图2 超前自进式锚杆布设示意图(单位:cm)Fig.2 Pattern of advance self-drilling bolts(cm)

2.3 径向注浆小导管参数设计

为控制围岩变形，待掘进断面完成支护后，在拱墙范围内采用φ42小导管径向注浆补强加固，小导管长4 m，纵环向间距为1 m，梅花型布置，注浆材料采用单液水泥浆。径向注浆小导管布设示意图见图3。

3 施工工艺及方法

3.1 超前自进式锚杆注化学浆液加固围岩

3.1.1 施工工艺流程

超前自进式锚杆注化学浆液见图4。

3.1.2 施工方法

3.1.2.1 钻孔

在TBM刀盘隔仓内搭设简易作业架，利用刮碴孔空间，对掌子面前方围岩进行钻孔。钻孔采用风动凿岩机施钻，外插角为20°，偏差不超过3°，钻孔深度为3 m。其断面布置如图5所示。

钻杆采用φ25 mm自进式注浆锚杆，同时作为注浆管，由于刀盘内作业空间狭小，钻杆长度不易过长，因而选用单节长1 m的注浆锚杆，采用联结套连接套打。即第1节前端套上钻头，当一节锚杆钻进后，在其尾部套上联结套连接后一节锚杆，直到每根锚杆钻到需要长度。注浆锚杆样式见图6。

3.1.2.2 注浆

通过快速注浆接头将锚杆尾端与注浆泵相连，采用配套的气动注浆泵，浆液按照质量配合比要求(A，B 2类材料1∶1配合)现场进行配制，注浆压力根据TBM刀盘前方掌子面浆液渗透情况确定，一般为2～4 MPa。化学注浆如图7和图8所示。

3.2 TBM 掘进

在完成1组超前注浆加固后，TBM开始掘进，采用缓慢低速推进，时刻观察皮带出碴情况以及TBM电机电流值、推力等，一旦有异常，立即停机进入检查，以防止出现大面积坍塌情况。每掘进完成3 m注浆加固段后，停机进行下1组超前注浆加固，完成后，再掘进，以保证TBM安全、顺利通过节理密集带。

3.3 围岩支护

TBM往前推进，围岩出露护盾后，应及时进行支护。

1)初喷混凝土。每掘进1个立拱间距段后，对出露护盾的围岩及时进行人工喷混凝土封闭，减少围岩掉块，同时确保立拱作业人员安全。

2)架设钢拱架。采用I16工字钢，架设全环钢拱架，拱架间距90 cm，局部破碎段可加密拱架，间距45 cm;纵向连接筋采用φ22螺纹钢，环向间距1 m，纵向交错布置;在岩石开裂有脱落迹象处，增加I12工字钢连接，以保证拱架整体受力。

3)铺设网片。拱架背后，沿上半圆岩面铺设φ8钢筋网片，网格为15 cm×15 cm，网片间搭接1～2个网格。

4)施作锚杆。采用φ22螺纹钢加工生产出的“L”型砂浆锚杆，左右向交错锁定钢拱架，锚杆长3 m/根，环向间距1 m布设。

5)复喷混凝土。全断面喷混凝土覆盖锚杆、网片，并全包裹拱架，形成刚柔并济的整体支护体系。

3.4 径向注浆加固围岩

为防止深层围岩松动变形对支护结构的破坏，造成围岩二次坍塌，在TBM掘进完成支护后，利用TBM设备平台对节理密集带及影响带围岩实施径向注浆加固。注浆孔采用风动凿岩机钻孔，注浆管采用φ42小导管，作业方式、方法与常见钻爆隧道相同。注浆采用水泥单液浆，水灰质量比1∶1，注浆压力0.8～1.5 MPa。

4 方案实施效果

作业人员在刀盘内进行超前注浆锚杆施作，减少了超前钻机等设备的投入，且操作上更具有灵活性，虽然一组加固的长度较短，但通过化学浆液特有的性质，可以快速有效地固结刀盘前方的破碎围岩，形成较为完整的综合体，其单轴抗压强度能达到40 MPa以上，保证了TBM能够及时跟进掘进。在后续的节理密集带等软弱破碎带施工中，未曾再有刀盘前方大面积坍塌的事故发生，TBM掘进过程中围岩掉块量明显减少，以致围岩支护及仰拱块铺设清碴等作业工程量随之减少，TBM作业效率有了明显提高;再加上径向注浆对围岩的二次加固，围岩收敛变形得到了有效地控制，各工序可正常开展，TBM掘进进度有了大幅提高。花岗岩节理密集带月进度指标由原来15～60 m提高到120 m以上，这在一定程度上缓解了中天山隧道右线施工工期的压力。

5 结论与讨论

经过中天山隧道TBM掘进过花岗岩节理密集带施工实践证明，通过利用刀盘内部作业空间，对敞开式TBM刀盘前方及上部围岩进行灌注新型聚氨酯化学浆液，可简单、有效地实施围岩加固，改善地质条件，确保TBM能安全、顺利地通过类似的软弱破碎围岩。此方案适用于刀盘直径较大的TBM，对于刀盘直径较小、内部作业空间有限的TBM，超前自进式锚杆施作较为困难，不过可以考虑将自进式锚杆更换为玻璃钢中空注浆锚杆，通过刀盘刀孔对掌子面围岩进行钻孔、注浆，其实用性及有效性方面，还有待进一步验证。另外，对于聚氨酯化学浆液，由于材料价格昂贵，在没有明确给予施工补偿的情况下，施工方不愿大量使用。为此，施工单位还需借助市场上新材料的研发，选择既能较好适用于TBM施工围岩加固又价格低廉的产品，在确保施工进度的同时，又不过多地增加施工成本。

［1］ 中国铁路总公司.铁建设(2007)106号 铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南［M］.北京:中国铁道出版社，2007.

［2］ 韩亚丽，崔原.超前支护技术在敞开式全断面掘进机施工中的应用［J］.现代隧道技术，2003，40(3):55－58.(HAN Yali，CUI Yuan.Application of advance support technique to tunnelling with an open-type full face TBM［J］.Modern Tunnelling Technology，2003，40(3):55 － 58.(in Chinese))

［3］ 沙明元，王在仁.敞开式全断面掘进机通过软弱破碎围岩的施工方法［J］.现代隧道技术，2003，40(6):50－57.(SHA Mingyuan，WANG Zairen.Excavation with open fullface tunnel boring machine in soft and fractured surrounding rock［J］.Modern Tunnelling Technology，2003，40(6):50 －57.(in Chinese))

［4］ 程家骥，沈威.新型化学灌浆材料概述［J］.技术与市场，2011，18(5):3 －4.

［5］ 高勤生，赵鹏涛，崔团峰.新型化学灌浆技术在TBM围岩加固中的应用［J］.人民黄河，2010，32(6):137 －138.

［6］ 杨建明.新疆达坂城隧洞不良地质洞段TBM施工新型化学灌浆技术应用［J］.水利规划与设计，2009(1):57－60.