深埋隧洞开敞式TBM通过软岩破碎带施工方法研究

与传统钻爆法施工隧洞相比，采用TBM施工具有快速、安全、经济和施工环境相对较好等优点，开敞式TBM自1997年西康铁路秦岭隧道引进国内以来，已先后在磨沟岭隧道、吐库二线工程中天山隧道、兰渝铁路西秦岭隧道、辽宁大伙房输水隧洞、辽西北供水隧洞等工程中得到广泛应用，它是国内长大隧道（洞）施工的技术的又一次巨大革新，大大提升了隧道（洞）施工的机械化水平。然而，多数开敞式TBM开挖隧洞项目都会遇到软岩破碎带，有的通过短暂的处理即安全通过，有的被迫停机处理长达数月，有的甚至带来灭顶之灾，影响工期数年，最终更改设计路线或改为钻爆施工方式才能完成。

鉴于软岩破碎带对开敞式TBM隧洞施工的工期、设备、成本等多方面的影响，国内外逐渐开展了许多针对开敞式TBM施工隧洞软岩破碎带施工工法的研究，给TBM通过软岩破碎带提供了许多行之有效的施工方法。但如何根据工程特点，有针对性地进行方案比选，挑选合适的施工方法，保证开敞式TBM安全顺利通过软岩破碎带，成为本文研究的焦点。

工程简介

工程概况

该工程位于喜马拉雅山脉西北部，地貌上属中高山山地。工程属于水电站引水隧洞，其中TBM施工段为两条平行引水隧洞，单条TBM开挖隧洞长约11.5km。隧洞设计中心间距33m，开挖断面为圆形，直径8.53m。工程采用开敞式TBM，配置支护锚杆钻机、超前钻机、伞状钻机、喷混设备和灌浆设备等。TBM及后配套总长度约190m，每循环掘进长度1.8m。隧洞支护设计采用锚杆+网片+TH梁，同时全断面喷射混凝土，为永久设计，不进行二次衬砌。喷混设计厚度达150mm-300mm，喷混量大。TBM施工隧洞地质条件复杂多变，平均埋深约1000m，最大埋深约1900m。

工程地质条件

该地区地质构造复杂，主要表现为断层带及褶皱多，位于地震多发带且地质灾害多发。TBM施工隧洞地层由砂岩和页岩（泥岩）组成，呈互层状，沿开挖洞轴线变化频繁，且常出现隧洞两侧岩性不一致、软硬不均的情况。砂岩主要分为两类（I类和II类），I类砂岩坚硬、新鲜、胶结良好；II类砂岩属于I类砂岩和软弱页岩（泥岩）之间的过渡岩类，II类砂岩中等坚硬～硬，大多与页岩（泥岩）混杂，页岩（泥岩）为隧洞沿线软弱的岩石，并易遭受冲蚀。I类砂岩、II类砂岩的单轴抗压强度各为150MPa和70MPa，而页岩（泥岩）小于15MPa。隧洞洞线软岩段破碎带和断层很发育，一些顺层发育的剪切带厚度相当大，约2m-20m。剪切带或软弱带一般发育于页岩（泥岩）所占比例较多的地段。因此，该地地质条件恶劣，严重影响TBM隧洞的顺利开挖。

软岩破碎带的危害及TBM通过软岩破碎带的施工方法

软岩破碎带的危害

（1）软岩收敛变形

软岩本身强度较低，开挖后容易发生挤压收敛变形且围岩收敛变形快，顶护盾约90°区域是变形最大的部位。如收敛变形过快，超过顶护盾可承受的范围将会导致护盾被卡住；而变形量过大，将导致TBM成洞洞径过小， TBM后配套部分局部卡住无法通过。仰拱部位收敛变形可能造成已完成的仰拱喷混开裂。（图1）

（2）大面积坍塌

粗选磁场强度110.00 kA/m，精选磁场强度95.54kA/m，扫选磁场强度110.00kA/m；磨矿细度41.41%-0.074mm，给矿浓度35.00%。试验结果见表8，试验流程图及数质量流程分别见图1、图2。

TBM进入破碎带，刀盘前方的围岩出现大面积的垮塌，进而出渣量增大，产生较大的塌腔。如支护不及时，塌腔逐步扩大，出现持续塌方，后果将极为严重；如塌方压住护盾和刀盘，使TBM刀盘无法转动，将造成TBM卡机事故。大面积的岩石坍塌会砸坏油管，使钢结构变形，对钻机系统、拱架安装系统等造成严重的破坏，给作业人员安全带来威胁。（图2）

（3）软岩遇水泥化

软岩具有遇水泥化的特性，在刀盘部位，软岩泥化会糊住刀具和刀盘，导致出渣口堵塞、无法出渣、刀盘空转，加剧围岩塌方，造成恶性循环。软岩破碎带出现渗漏水时，围岩自稳能力更差，经过渗水浸润，形成流态泥，进而加剧塌腔的扩大。隧洞腰线部位出现软弱围岩和渗漏水，在吸水泥化后会造成撑靴支撑力不够，或是撑靴无法就位的情况，从而无法掘进。（图3）

图1 软岩挤压变形

图2 刀盘前塌腔

图3 导洞开挖时流出泥化石渣

TBM通过软岩破碎带施工方法

针对软岩破碎带对TBM掘进带来的重大危害，通过对各种施工方法的摸索和尝试，经过长距离的实践，总结出了在既有条件下快速有效地通过软岩破碎带的施工方法，从而保障TBM掘进的顺利进行。

（1）应对围岩收敛，最重要的是争取时间，快速通过

可改为三班制作业，让维保班也参与掘进，实现TBM连续作业不停机，防止出现围岩收敛抱住刀盘形成卡机。选择低转速、低贯入度的掘进参数，减小对围岩的扰动。及时支护，压缩每一步支护的时间，对露出的围岩可先进行喷混封闭，减少其暴露的时间，再进行支护，形成“喷射混凝土＋锚杆＋钢拱架”的联合支护体系。TBM配备可扩挖10cm的扩挖刀具，能增大开挖洞径，解决TBM后配套部分无法通过收敛段的情形。

（2）及时支护，防止大面积塌方

利用手喷系统及时封闭破碎围岩，减少塌方；对于已形成的较大塌腔，应分多次喷混填充覆盖，再进行其他支护。如遭遇大量石渣不断坍塌的情况，则需要使用钢插板，加密钢拱架，将钢插板焊接固定在钢拱架上，然后喷射混凝土，继续掘进。（图4）

（3）为减小软岩遇水泥化的危害，减少刀盘喷水，防止泥岩软化崩解

在塌方较严重掘进段尽量减少或避免超前钻探，及时进行喷混封闭围岩。渗水量较大时进行化学灌浆阻隔渗水，并固结松散岩石。对隧洞腰线撑靴部位出现的渗水软岩，需要及时喷混硬化，增加岩面强度，或局部垫方木增大撑靴受力面积，保证撑靴支撑力，使TBM能正常掘进。

（4）超前预报和超前处理

采用TST超前预报、超前探孔、微震监测技术及出渣特征统计等多维信息结合，预判前方开挖岩体性质，提前针对性做好相关准备工作，并动态调整支护措施和掘进参数。根据TST探明围岩波速和完整性、结合超前钻孔的钻进速率和返渣返水情况、微震监测区域性结果以及皮带即时出渣比对，探明TBM刀盘前方围岩基本性质，如软岩（泥岩）的位置、长度、分布特征、含水情况和岩体稳定性等，从而有针对性地采取措施和施工策略。

在掘进过程中出现软岩非常破碎、自稳能力较差的情况，可采用钢插板抵挡住松散掉落的岩石，然后及时支护。如有需要，可使用小导管进行固结灌浆（包括化学灌浆和水泥灌浆），或利用伞状钻机进行大管棚施工，进行超前处理使掌子面上方围岩达到一定强度后再行掘进。

（5）导洞处理措施

当实际情况超出控制，仍无可避免地发生卡机事故时，则需根据具体卡机情况寻求脱困的方法。通过化学灌浆固结围岩，然后开挖侧导洞或上导洞给刀盘卸荷脱困。如果具备条件，也可在TBM掌子面前方开挖前导洞接应，将软岩破碎带利用人工钻爆开挖，TBM再步进通过。

TBM通过软岩破碎带实例分析

软岩破碎带危害情况描述

TBM在掘进过程中接近A2支洞区域的软岩破碎带时，护盾顶部出现了约3m×3m×2m的塌腔，因设备故障TBM停机一天，延误了最佳处理时机。在掘进过程中塌腔逐渐出露，塌腔顶部出现渗漏水，塌腔进一步扩大，后来，掉落大块体堵住了塌腔口，有小块石渣不断的从缝隙里落下。为保证安全，在塌腔口喷射混凝土进行了封闭。随着塌腔内部不断的发展，TBM刀盘被卡住，无法转动。（图5）

图4 拱架背后插板施工方式

图5 塌腔内渗水导致塌方加剧

处理措施

经过不断的方案比选和现场的大量尝试，摸索出了合适的施工方法，主要采取了以下几种处理措施。

（1）导洞开挖，刀盘卸荷

TBM卡机后，及时在护盾上方约80°范围内进行上导洞开挖，利用人工挖除护盾顶部的石渣，减小护盾顶部和刀盘压力，为刀盘脱困做好准备。在开挖过程中，对导洞内发生的持续流渣及时喷混封闭，进行固结处理后再继续开挖。（图6）

图6 开始开挖导洞

（2）固结灌浆，加固松散岩体

导洞开挖至刀盘位置后，对刀盘上前方的破碎围岩进行固结灌浆。先进行化学灌浆，再钻较深孔进行水泥灌浆，利用化灌层阻隔，防止水泥浆液进入刀盘，凝固刀盘。在刀盘前方和上方形成一层壳，并在其保护下，清理刀盘周围的松散石渣，然后试转刀盘，解放刀盘，使TBM脱困。

（3）脱困后方案比选-采用自制超前小导管

TBM脱困后，经过从TST超前地质预报和从A2支洞（图7）向TBM进行101m岩石取芯结果来看，TBM前方约100m围岩非常破碎，这意味着TBM仍存在着较大的卡机风险。通过总结TBM脱困的方法和脱困后的尝试，提出了几种处理方案，各方案特点及可行性分析详见表1。

由表1可知，方案一、三、四都有无法克服的困难，只能选用方案二。通过一系列的改进，将自进式锚杆套用钢管，在掘进时，从顶护盾位置打入2排-3排钢管或钢筋加密，将钢拱架的间距调整至50cm-60cm，在拱架上连续布置钢插板挡住松散碎石，形成有效防护，及时喷射混凝土封闭，形成完整的支护系统，使TBM得以安全稳定的掘进。（图8）

（4）其他掘进措施

主要是降低刀盘转速、贯入度，调整施工班组，保持TBM连续掘进；将刀盘部分出渣铲斗封闭，减少出渣量，避免大量出渣形成大空腔；防止设备故障在软岩段停机。

在后续的掘进过程中，通过综合采用以上通过软岩破碎带的施工方法，TBM克服了多段软岩破碎带的困难，安全顺利地掘进通过，没有发生大的软岩事故，有效节省了工期，保证了TBM顺利贯通。

图7 A2支洞软岩破碎带分布示意图

图8 顶部施工的管棚

表1 各方案特点及可行性分析对比表

结论

以某深埋软岩地质条件水工隧洞为背景，针对开敞式TBM在软岩破碎带施工过程中的各种施工危害，经过长达数公里掘进全过程总结研究，得出以下结论：

（1）在软岩地质条件下，软岩具有挤压收敛变形速度快、收敛量大、容易卡住护盾和TBM后配套的特点，大面积塌方易形成较大塌坑，并可能持续垮塌流渣破坏设备、威胁作业人员安全，支护难度大，可能压住刀盘形成卡机，软岩遇水软化，进一步恶化围岩，糊住刀盘，影响出渣，带来一系列的施工危害，对掘进造成严重的影响。

（2）针对实际开挖过程中软岩带来的问题，采用一系列有效的施工方法，包括选择低转速、低贯入度的掘进参数，减小对围岩的扰动，及时封闭破碎围岩，加密钢拱架支护，使用超前小导管、插钢管（钢筋）和钢插板形成保护壳，防止大面积塌方，减少刀盘喷水及导洞脱困处理等。

工程实践表明，所形成的施工方法保障了深埋隧洞软岩破碎带地质条件下TBM的安全顺利开挖，对施工过程中的软岩地质灾害起到了较好的减缓和防治作用，对施工人员和设备起到了较好的防护作用，在安全施工的前提下提高了掘进效率，可为国内外类似工程提供借鉴。