TBM在吉林中部城市引松供水施工中的应用

翟梁皓，吴景华

(长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021)



TBM在吉林中部城市引松供水施工中的应用

翟梁皓，吴景华

(长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021)

摘要：以敞开式TBM为主介绍了常见的TBM类型及发展现状,结合吉林中部城市引松供水项目论述了不良地质因素，如软弱围岩变形、隧洞突涌水、岩爆、塌方对敞开式TBM掘进的影响,重点论述了针对不同因素采取的处理措施和操作方法。

关键词：敞开式TBM；软弱围岩变形；隧洞突涌水；岩爆；塌方

19世纪末到20世纪初，随着硝化甘油、炸药和风动凿岩机的相继问世，钻爆法成为隧道施工唯一的施工方法。但是在施工时钻爆法存在工人劳动强度大、作业条件差、生产效率低、施工安全难以保证等弱点。

1956年，世界第一台硬岩TBM(Tunnel Boring machine)在美国Robbins公司问世。该台TBM进行了加拿大多伦多Humber River下水道隧洞的施工，并最终成功贯通，累计掘进4 510 m。至此TBM工法逐渐被人们所认识[1]。

1概述

1.1TBM简介

TBM是一种新型的综合隧道施工设备，主要由主机和后配套两部分组成。主机主要由刀盘、主驱动系统、护盾、推进及支撑系统、后支撑系统、主机皮带机等组成；后配套包括混凝土喷射系统、操作室、电气系统、通信系统、润滑系统、液压系统、后配套皮带机、有害气体检测系统等。作为TBM核心的主机系统用于破岩掘进和出渣；后配套系统主要起辅助功能。

随着隧道施工的多样化，TBM制造商们不断完善TBM的结构和功能，目前主要有：敞开式TBM、(单、双)护盾式TBM、扩孔式TBM、摇臂式TBM等机型[1]。

1.2TBM在国内外的发展现状与趋势

半个世纪以来，TBM的设计、制造、施工技术已趋于成熟，被广泛应用于各国的能源、交通、水利等部门的地下工程建设中。20世纪90年代，我国水利系统的“引大入秦”工程、“引黄入晋”工程，相继引进国外双护盾TBM，以国外承包商为主导，进行水利工程建设，取得了引人瞩目的成绩，对国内水利工程建设产生了广泛、深远的影响。

“引大入秦”和“引黄入晋”工程的成功贯通是我国正式引入TBM进行隧道施工的标志。初期引进的TBM多为双护盾小直径TBM，21世纪初，我国引入了国外大直径敞开式TBM，随着秦岭隧洞、大伙房隧洞的成功贯通，完善了国内引进TBM机械的主要类型，成功进行了8 m以上大直径TBM的施工[2]。

2TBM在吉林中部城市供水隧道施工中的应用技术研究

2.1工程概况

吉林省中部城市引松供水工程总干线施工四标段(TBM3标)位于吉林市岔路河至饮马河之间，如图1所示。起讫桩号为48+900 m～71+855 m，总长度22 955 m。工程主要包括主体引水隧洞、3#通风竖井(桩号56+147 m)、饮马河调压井(桩号71+752.33 m)、7#、8#施工支洞和小河沿施工竖井及其他临时工程。隧洞洞底坡度1/4300。隧洞施工采用以掘进机为主钻爆法为辅的施工方法，中间设辅助施工支洞。桩号71+855 m～71+501 m段为主洞钻爆段，TBM步进通过后始发；桩号61+052.5 m处设置8#施工支洞，为TBM设备检修间及中间转场的辅助施工支洞；桩号50+379 m处设置7#施工支洞，为TBM设备出洞及过岔路河钻爆段辅助施工支洞。

图1　工程地理位置平面图

2.2区域地质条件

2.2.1工程地质

工程区域地貌主要为丘陵及沟谷，表层被第四系坡洪积物和冲洪积物所覆盖，山势较陡，山脊岩石裸露，植被不发育。岩性主要是石炭系中下统磨盘山组灰岩及泥盆系中下统碱草甸子—常家街组灰岩。前期勘测资料表明本段有10条断层、2条低阻异常带，除F38-1与洞线交角29°外，其余断层均与线路大角度相交。灰岩岩溶较发育，垂直分带性不明显，溶洞多沿沟谷、断层呈北东或南北向分布，洞径大小不一且多充填，岩石见有较多裂隙和微裂隙，一般宽0.1～0.2 mm，在碱草甸、常家街等地均有其分布。岔路河—饮马河分水口段内主要岩性为：砂岩、花岗岩、凝灰岩、灰岩等，施工区围岩主要岩性及分布见表1。

表1　岔路河—饮马河分水口段主要沟谷及岩性表

2.2.2水文地质条件

丰满水库—饮马河分水口段主要为第二松花江流域与饮马河流域。第二松花江是松花江南源，地理位置介于东径124°35′～128°50′，北纬41°43′～45°23′之间，流域面积为73 834 km2，河道长度为825.4 km，河道平均比降为0.4‰，流域平均宽度为97.8 km。饮马河为第二松花江丰满下游左岸一大支流，发源于伊通县地局子乡老爷岭东南侧，全长387.5 km，至农安县靠山镇北1.5 km处与伊通河汇合后汇入第二松花江，流域面积为18 247 km2，河道比降为0.3‰，整个流域略呈一斜长方形，主要支流为伊通河、雾开河、岔路河、双阳河。地下水位平均距地表20 m。

2.3施工中存在的主要工程地质问题及解决措施

施工中存在的主要工程地质问题有：软弱围岩变形、隧洞突涌水、岩爆、塌方等[3]。

2.3.1软弱围岩变形

在软弱围岩洞段掘进时，借助于护盾的支撑，可暂时维持围岩的稳定，但此时围岩已被扰动，围岩变形可能在开挖过后立即发生并在短期结束，也可能滞后于正常施工，至二次衬砌之前持续发生变形。对于立即发生的变形，会造成TBM护盾被围岩抱死；对于滞后的变形，会造成起初期支护的混凝土发生变形和开裂，成为了潜在的安全隐患[4-5]。

施工中对软弱围岩的防治措施：1)调整TBM刀盘边刀，适当增加超挖量，并向护盾与岩壁接触部位注入润滑油。2)在掘进时，采取“勤换步，短进尺，强支护”的施工原则，围岩变形会引起拱架变形、拱顶下沉，须加密拱架并加强纵向连接，必要时对已开挖围岩进行灌浆，进一步加固围岩。3)根据超前地质预报的结论，如果掌子面前方围岩条件继续恶化，须采用超前管棚等超前加固措施，增强支护体系的整体性，改善受力条件。4)当TBM通过膨胀性围岩地段时，要避免膨胀岩石与水接触，积极做好防渗止水工作，必要时用人工喷射混凝土以封闭仰拱处围岩。

软弱围岩变形对本工程的影响：1)根据工程前期的勘测资料，设计洞线走向上主要为凝灰岩、灰岩和花岗岩，在岩性方面不存在蒙脱石等矿物组成的膨胀性围岩洞段。2)本工程的洞段最大埋深为536m，不具备高地应力条件，且洞室埋深最深处的岩石多为砾岩和花岗岩，也不具备塑性膨胀的条件。3)TBM掘进至桩号71+374 m时遇到炭质板岩，遇水快速崩解，围岩等级恶化，发育2条呈X型的断层破碎带，贯穿顶拱和两壁，右侧拱顶岩体破碎严重，断层走向与洞轴线交角较小，岩体破碎，无自稳性且产生掉块和塌腔，塌腔体深0.5～2 m。借助于近距离超前地质预报判断刀盘前方裂隙水不发育，对围岩进行了及时加固并停止刀盘喷水。由于炭质板岩抗压强度低且较破碎，造成掘进参数发生明显变化，及时加强支护，每榀钢拱架间距0.9 m，各榀钢拱架之间采用Ф22@1000钢筋纵向连接并加设钢筋排。将撑靴部位进行初喷混凝土，封闭岩面。在炭质板岩的影响下，施工进度缓慢，日进尺仅5～12 m。

2.3.2隧洞突涌水

TBM在穿越含水层时，必然会揭露部分围岩中的导水通道，围岩周围的地下水以及与其有水力联系的其他水体会因此在隧洞汇集形成突涌水。

隧洞发生突涌水事故与围岩岩性和地质构造发育情况有关，如可溶性岩层、向斜构造的核部与背斜构造的两翼，特别是向斜构造盆地、断层破碎带等处。

突涌水的防治措施1)积极进行超前地质预报工作，可根据超前地质预报结论采取相应措施，水量小，可利用TBM自身携带的排水设备进行排水；水量较大，则需要进行超前注浆堵水等处理后再掘进。2)若掘进至岩溶和断层破碎带发育洞段，岩石的导水性和富水性较好，采用排、堵相结合的措施。3)针对TBM掘进过程中的突涌水，要对出水点进行封堵，保证混凝土和其他支护的正常施做。

隧洞突涌水对本工程的影响：1)根据勘察情况，工程区域内F8、FW12、F17、F38等断裂为导水断裂，地处沟谷，有汇水条件，或与地表水体可能形成联系，施工过程中断裂带的突水、突泥是主要的工程地质问题。2)本工程洞线地下水埋深20 m左右，洞身均在水位以下，但洞身压水试验多为弱透水，地下水以浅循环为主，外水压力一般不大。3)在低洼河谷浅埋段，可能会有涌水问题。TBM经过碱草甸子和小河沿工区，估算最大涌水量为1 620～3 500 m3/d，地质条件复杂，因此选择在这两个工区设置竖井，进行钻爆法开挖，TBM步进通过。

2.3.3岩爆

施工中遇到岩爆时，主要措施是改善围岩的物理性能。具体措施为：1)向干燥的围岩表面洒水，或采用高压水冲洗隧道拱顶和侧壁，松弛岩体中积累的高构造应力。2)通过在可能发生岩爆掌子面上方打数个超前钻孔，释放岩体中的高构造应力。3)在通过可能发生岩爆的洞段时，尽量减少围岩裸露时间，必要时先对围岩进行人工喷射混凝土，再进行锚杆和钢拱架等施工。

岩爆对本工程的影响：1)根据水压致裂法地应力测试成果进行分析，本区最大水平主应力方向为NE49°～82°，与主洞线夹角14°～33°，对洞室稳定有利。洞室最大埋深部位540 m，最大水平主应力值约为20MPa，属于中等应力水平，对洞室稳定有一定影响。2)在岩性及强度指标方面，总干线三段中埋深(>300 m)隧洞岩石如砾岩、花岗岩等，这类岩石饱和单轴抗压强度(Rb>60 MPa),均有可能发生岩爆，在个别埋深(>500 m)的洞段可能会发生轻微岩爆。3)相比较钻爆法，掘进机施工的洞室平整度较好，不易于造成局部应力集中，可减轻岩爆程度或避免岩爆发生。

2.3.4坍方

2.3.4.1TBM穿越围岩整体性差洞段引起的塌方

TBM在整体性差的围岩中掘进时，难免会遇到由于节理、裂隙过于发育，围岩较破碎的情况。此种围岩条件下，对提高掘进的效率有利，但是在TBM高产的同时，开挖过后，后期支护会大量占用直线工期。

TBM进行施工时，塌方发生的部位：一种情况发生在刀盘前方的掌子面；另一种情况在围岩刚露出护盾尾部时，由于支护得不及时，会发生在拱顶和拱腰处[6]。

TBM施工中对塌方的防治措施：1)根据前期勘查资料，定期进行超前地质预报，提前采取措施，防范于未然。2)TBM刀盘前方的塌方会导致主机皮带机出渣量增多或贯入度突然增大，刀盘此时要后退2～3 cm，根据超前地质预报，若前方不是断层破碎带，保持刀盘的转动和出渣系统的正常运转，将堆积在TBM刀盘前方的坍塌物运出洞外。3)掘进中遇到塌方，应明确塌方范围、形状、地质构造、地下水活动情况等，一般选择先加固未塌方洞段，防止塌方进一步扩大，若塌方洞段赋存地下水，还需加强排水工作并适当增加顶护盾的油缸压力。4)如果围岩有一定自稳性，可采用短进尺、勤换步，开挖后及时做好支护措施，减小对围岩的扰动；如果围岩没有自稳能力，可采取超前锚杆，管棚灌浆等措施，提高刀盘前方围岩的整体性，再正常钻进通过，此过程中要避免TBM长时间停机。

2.3.4.2TBM穿越断层破碎带而引起的塌方

在穿越破碎带时，由于断层破碎带内的岩石破碎且已风化，如果盲目掘进会造成TBM被埋、主机下沉等严重事故，使工期拖延，威胁洞内施工人员的安全。

TBM施工中对断层破碎带引起塌方的防治措施：1)进行超前地质预报，通过超前地质预报来提前获取掌子面前方断层的性质、特征、规模等情况，特别是洞内水与地表水的连通性等。2)掌子面包括拱顶在内的围岩破碎、松散，继续掘进时，TBM的顶护盾压力会显著增加，此时TBM的刀盘应顶在掌子面上，暂不后退。与前述处理坍塌和掉块的处理方式不同，如果在断层破碎带继续保持刀盘的转动，将会对本身已经破碎的围岩造成更大范围的扰动，使断层破碎带的影响范围增加，造成更大范围的塌方，并在刀盘的上方形成空穴。3)采用人工喷射混凝土，及时将暴露出护盾的围岩进行封闭，再进行锚杆和钢拱架等施工。4)钢拱架的安装要确保竖直，在满足撑靴通过的基础上加密钢拱架，并加强施工现场的监测。

塌方对本工程的影响：根据勘察本工程线路遥感解译等结果，断裂构造方向以NE和NW为主，共有与洞身相交断层和低阻带105条，断层及异常带宽度以10～20 m为主，最大宽度大于100 m，并且均位于河谷部位，较宽的断裂及低阻区也同样位于沟谷部位，和地下水、地表水很容易形成密切的联系。调研期间，TBM受F25断层破碎带影响发生大规模塌方。刀盘退后17 m，已经无法接触掌子面，塌方发生在刀盘前方，断层破碎带充填物力学指标低且已经被扰动，极有可能在掌子面上部形成塌方空腔，采用超前管棚注浆对掌子面前方软弱岩层进行加固。

重点难点：1)发生塌方洞段位于刀盘前方，施工空间有限，只能利用TBM护盾后方平台进行施工。2)根据勘察资料，该断层影响带宽度为50～350 m，影响范围不确定，难以预估处理周期。3)断层带破碎，充填物力学指标低，且已被扰动，极可能已在掌子面前方上部形成坍方空腔，后续超前支护及灌浆加固难度大。如处理不及时，在雨季可能造成掌子面大量突涌泥石流等问题。

结合超前地质预报，对前方异常洞段提前做好超前处理，固结破碎围岩及堵水。重视第一循环管棚施工，由于第一循环管棚施工开孔位置位于完整基岩，前方隧洞内已完全为松散的断层堆积物，并连续出渣超出正常范围800 m3以上，极可能在掌子面上部已形成坍空区。第一循环管棚施工的成功与否直接关系到能否在掌子面形成止浆墙，继而影响后续管棚施工。

截止目前为止，该项目仍然在进行后续的回填灌浆等固结上部岩体的工作，已经推迟工期6个月。因此，TBM在通过可能发生塌方或掉块的洞段时，要时刻注意掘进参数的变化，并根据超前地质预报的结论选择处理和支护方式，保证TBM安全穿越断层破碎带。

3结语

由于TBM为全断面开挖，掌子面围岩基本被护盾挡住，仅靠刀盘面板上的观察窗口进行掌子面处理，会降低TBM对不良地质因素的适应性。不良地质因素如软岩变形、突涌水、岩爆、塌方等都会给TBM造成严重影响。因此，在项目可研阶段需充分考虑TBM选型与工程地质条件的适应性，选型不当会在施工中造成巨大的经济损失和工期延误；综合分析前期工程地质勘察资料和超前地质预报结论，指导TBM施工；TBM在可能发生较大塑性变形和大规模突涌水等地层中掘进时，一般选择在地表人工开挖支洞，采用钻爆法处理相应地层，TBM步进通过；在掘进中遇到塌方时，不论何种形式塌方，TBM尽量不要后退超过5 m，刀盘可以暂时保证掌子面的稳定；若整条工程路线或大部分洞段地质条件很差或者情况未探明，则需慎重考虑采用TBM工法可能面临的风险及是否使用TBM工法进行施工等，在此基础上做出科学决策。

参考文献

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The Application of TBM to Introduction of the Songhua River Water Supply Project in Jilin Central Cities

ZHAI Liang-hao, etc.

(SchoolofProspecting&SurveyingEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,Changchun130021,China)

Abstract：The article gives priority to indicate the open type TBM through the introduction of usual types of TBM and their developing status. Combined with the introduction of the Songhua River water supply project in central Jilin cities it discusses the effects to the tunneling to open type TBM with badness geological factors such as weak surrounding rock deformation、tunnel water gushing, rock burst, and hole collapse, and focuses on the treatment measures and operating methods according to different factors.

Key words：open type TBM; weak surrounding rock deformation; tunnel water gushing; rock burst; hole collapse.

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2016)01-0071-04

中图分类号：TV554.2

作者简介：翟梁皓(1990-)，男(满)，黑龙江七台河，硕士

收稿日期：2016-01-30

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2016.01.017

主要研究岩土工程。