高黎贡山隧道破碎地层TBM施工技术与应对方法研究

张 兵， 杨延栋， 孙振川， 马 亮

(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

全断面岩石隧道掘进机(简称TBM)作为山岭隧道施工设备，与钻爆法相比，具有快速、高效、劳动强度低的优势，已成为长大山岭隧道施工的发展趋势[1-3]。但当TBM在破碎地层等不良地质条件下施工时，如处理不当，往往导致TBM被困而无法掘进，严重制约TBM施工进度，影响工期。因此，有必要针对破碎地层TBM施工技术与应对方法进行研究。

目前，很多学者针对TBM在破碎地层的施工技术开展了大量的研究。文献[4-5]针对云南那邦水电站、辽西北供水等工程，介绍了利用钢筋排支护技术成功穿越断层破碎带的案例；文献[6-7]针对引松供水工程破碎及岩溶地层，采取TBM超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等措施，确保TBM连续施工；文献[8-12]针对新疆某引水工程，采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法，在较短时间内实现TBM在断层破碎带的脱困；文献[13-14]针对引汉济渭工程，采用小导洞结合反向大管棚的施工技术，帮助TBM完成破碎地层的脱困；文献[15-16]研究了电液混合驱动技术在破碎地层TBM施工中的应用。上述研究针对典型隧道工程提出了针对性的破碎地层TBM施工技术，但对TBM穿越不同程度长距离的破碎地层未能形成系统性的应对方法。高黎贡山隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占比超过50%，且需要穿越多段断层破碎带，仅靠支护或者加固等单一的处理方法，无法有效解决TBM连续快速穿越多段破碎地层的难题。

本文针对高黎贡山隧道掌子面前方围岩破碎的问题，提出掌子面前方化学灌浆加固应对方法、小导洞开挖及超前管棚联合TBM脱困应对方法，同时提出护盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM设备改进应对方法；针对破碎围岩露出护盾后易塌落的问题，提出隧道顶部加强初期支护和化学灌浆、隧道腰部立模灌浆、底部机械化清渣的应对方法。

1 工程概况与问题分析

高黎贡山隧道地质条件极为复杂，具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的地质特征。高黎贡山隧道全长34.5 km，出口段正洞大TBM开挖直径为9.03 m，计划掘进长度12.5 km；平导洞小TBM开挖直径为6.39 m，计划掘进长度10.6 km。隧道岩性以花岗岩为主，其他岩性包括白云岩、灰岩夹石英砂岩，灰岩、白云岩夹砂岩，变质岩、千枚岩、片岩等；Ⅳ、Ⅴ级围岩占比超过50%。岩石设计抗压强度为5～65 MPa，现场取芯测试抗压强度最高为86 MPa；地下水以基岩裂隙水为主，全隧预测最大涌水量为41 500 m3/d。目前，破碎地层已严重影响了TBM施工进度，Ⅱ、Ⅲ级围岩TBM掘进速度为45～50 mm/min，Ⅳ、Ⅴ级围岩TBM掘进速度为20～30 mm/min；破碎程度严重的掘进段，刀盘容易被卡、围岩支护量大、底部清渣比较耗时。

掌子面前方围岩破碎、垮塌的大块岩石堆积在刀盘前方，当堆积岩石对刀盘的阻力矩大于刀盘的驱动转矩时，刀盘被卡死；若破碎地层坍塌的岩石块径较小，从刀盘刮渣口涌入刀盘内部，刀盘进渣量急剧增加，堆积在刀盘内，当阻力矩大于刀盘驱动转矩时，刀盘被卡死；岩渣堆积在主机皮带机上，当堆积岩渣对皮带的阻力大于皮带机的驱动能力时，皮带被卡死。破碎围岩出护盾后，若顶部围岩破碎，当顶部破碎围岩的重力大于初期支护的支撑力时，导致初期支护下沉或被损坏；若两侧围岩破碎，TBM撑靴无法支撑，影响TBM正常通过；若支护不及时，破碎岩块滑落到隧道底部，清渣影响TBM掘进效率。

2 掌子面破碎地层防控方法

2.1 掌子面前方化学灌浆加固方法

2.1.1 化学灌浆管布置方法

对掌子面前方破碎围岩加固时，首先需要施作注浆管，掌子面前方及径向注浆是通过刀孔、刮渣口及观察孔施作。要求刀盘前方注浆管能对掌子面起到预锚固的作用，又能在刀盘开挖时易切割，而破碎地层钻孔成孔率低，因此采用自进式中空玻璃纤维锚杆。加固范围以刀盘前方轴向不小于4.0 m，周边径向不小于2.0 m为准。自进式中空玻璃纤维锚杆单节长度为1 m，套管连接，由于刀盘内部作业空间狭窄，采用手持式风钻或改造的气腿式风钻(气腿长1～1.5 m)将自进式中空玻璃纤维锚杆钻进至松散体内。

2.1.2 注浆材料及设备选择

由于采用水泥类浆液在刀盘前方加固地层容易固结刀盘，且水泥类浆液易被地下水冲刷流失，因此采用化学灌浆进行加固。常用的化学浆液主要有水玻璃类、丙烯酰胺类、丙烯酸盐类、聚氨酯类、环氧类、甲基丙烯酸酯类等。高黎贡山隧道化学注浆材料选用聚氨酯类化学浆液，该材料具有良好的亲水性，通过专用混料注浆设备将A、B料双组分按照体积比1∶1注入破碎地层，材料遇水膨胀，生成高强度、高韧性的凝胶状固结体，其低黏度的特性使其可以渗透进细小的缝隙，达到良好的加固效果。聚氨酯化学浆液包括加固型和堵水型，掌子面前方有水，一般采用堵水型化学浆液。

2.1.3 化学灌浆方法

1)现场安装好气动注浆泵，灌浆前进行试运行，检查各管路是否正常。

2)分别把A料桶和B料桶的进料管和出料管放置于各自的料桶内。

3)慢慢开启气动注浆泵进风控制阀，开始工作，此时A、B 2种液料(1∶1)分别在2个料桶中循环，尽量使A、B料进料管中的气泡排净，检查进料系统和进料配比，确保整个系统正常。

4)系统正常后停泵，安装灌浆变接头、连接可曲挠管、安装混合器、连接注浆管路，开始灌浆。通常情况下，开灌速度选择中低速，即灌浆泵活塞往复次数在60次/min左右，确认掌子面工作正常、无返浆现象时可适当提高灌浆速度，灌浆泵活塞往复次数可提高到80～100次/min，灌浆泵压力控制在0.5～1 MPa，当灌浆压力升高和有返浆现象时，根据施工情况逐步降低灌浆速度，直到最后达到闭浆条件，停止灌浆。

5)灌浆过程中，注浆司机与掌子面注浆操作手间建立实时通讯对讲系统，注浆司机要随时向注浆操作手报告灌浆速度和灌浆压力，注浆操作手根据掌子面的灌浆情况决定提高还是降低灌浆速度。

6)灌浆过程中出现异常情况时及时停止施工，灌浆结束的标准是在低速灌浆情况下(活塞往复次数约30次/min)，浆液从掌子面的裂隙和注浆管四周渗流返回时，停止灌浆(此时灌浆压力通常会急剧上升，也有部分灌浆压力无明显变化的情况)，该灌注孔灌浆完成。

7)灌浆结束后或因异常停止施工时，用A料冲洗混合器与出料口，约10 s。

8)用清质机油清洗气动注浆泵及其配件，检查清点附件数量及其功能。

2.2 破碎地层刀盘脱困方法

2.2.1 小导洞开挖及支护

小导洞布置位置为正拱顶，自盾尾后方2榀拱架之间向上开口进入，小导洞内净空高度为1.3 m，拱部宽1.2 m，长6.225 m，如图1所示。采用化学灌浆周边固结+方木临时支撑+HW150型钢支撑架+140 mm槽钢纵连+锁脚锚管+超前小导管+喷射混凝土(视围岩情况)联合支护。

图1 小导洞结构平面图(单位： mm)

2.2.1.1 小导洞开口

小导洞开口位置选择在正拱顶最后2榀拱架之间，开口前需对该处及周边径向进行化学灌浆加固，然后割除开口处TBM初期支护，人工自下而上开挖。开挖完成后进行初期支护。

为保证开挖过程中开口处上方及周边岩体稳定，对该处岩体进行注浆加固，同时周边设置1圈钢插管护壁。开口处正中位置打设1根φ42 mm、长度不小于3 m的注浆管，进行化学灌浆。周边间距0.45 m位置打设φ76 mm钢插管(间隔布孔，必要时注浆)，长度不小于3 m，形成1圈围护支撑体系。

钢插管及注浆加固后，割除该处TBM初期支护(2榀拱架之间的钢筋排)，人工采用风镐向上开挖，开挖分左右2部进行，错开0.5 m，开挖过程中利用木板及方木做好临时防护。开挖时如顶部不稳定，则对该处进行封堵，重新注浆加固后再开挖。

开口处采用HW150型钢门架支撑作为支护体系，开挖完成后安装型钢支架下部落脚在TBM初期支护拱架外弧面上(将正洞初期支护钢架间距加密至0.65 m，与小导洞钢架相匹配)，两者焊接牢固。支架之间采用140 mm槽钢连接加固，间距40 cm。同时拱部施作4根φ42 mm锁脚锚管，长4 m，斜向洞外方向，注化学浆液加固；面向掌子面一侧拱部施作4根φ42 mm超前小导管，环向间距0.4 m，长4 m，外插脚30°(根据现场空间可适当调整)，注加固型化学浆液。支架加固完成后喷射C25混凝土封闭(视围岩情况)，喷混凝土与支架内弧面平齐(进导洞处不喷)。

2.2.1.2 小导洞开挖支护

小导洞开挖之前必须先施作超前探孔，单次探孔深度为3 m。小导洞开口处施作完成后，开始向前开挖，单循环进尺1榀支架0.65 m，导洞开挖采用人工手持风钻开挖，渣土用小桶倒运至导洞开口处下部放置的手推车内，由人工配合铲运至材料存放平台处皮带机上，定期转动皮带输渣至矿车内运出洞外。导洞开挖过程中采用方木及木板临时防护，同时上一循环钢架支护后，通过钢架外弧面向开挖方向打设钢插板(16 mm厚钢板)，起到超前支护作用。

导洞支护主要为HW150型钢支撑架，间距为0.65 m，支撑架落脚在护盾上，与护盾焊接牢固。支撑架之间采用140 mm槽钢连接加固，间距40 cm。拱部施作4根φ42超前小导管，环向间距0.4 m，长4 m，外插脚为30°，注加固型化学浆液，小导管纵向间距1.5 m。导洞拱部喷射C25混凝土封闭(视围岩情况)，厚15 cm。

小导洞开挖长度为6.225 m，其中靠近掌子面3.25 m范围内向两侧扩挖，最后1.328 m拱部外延施作成帽檐形式，利用斜撑固定在后部门架上。扩挖段可以消除管棚外插角，施作水平超前管棚，管棚有效长度及加固范围增加；利用该空间可以进行刀盘周边积渣清理，减小刀盘转动阻力。小导洞开挖完成后如图2所示。

图2 小导洞开挖完成后照片

2.2.2 超前管棚

利用导洞扩挖空间，施作φ76 mm超前中管棚对前方围岩进行加固。管棚施作长度根据前方不良地质段长度确定，一般单排长度为25～30 m。如在正洞卡机位置，根据平导破碎段揭示长度及超前地质预报情况初步判断前方不良地质段长度为12～18 m，超前管棚施作长度为25 m，施作范围为拱部76°，间距40 cm，共计16根。管棚打设在扩大洞室内，依据平导不良地质段管棚施作经验，管棚可在TBM开挖外轮廓面以下30 cm处打设(主要考虑钻机及人员操作高度)，考虑管棚打设过程中前部出现下沉的情况，管棚打设角度取为1°～3°，管棚分节长度为1.5 m，管节间采用套管连接接长，相邻管棚接口位置错开，错开长度不小于1.0 m，管棚尾端设置3 m止浆段，其余部位梅花形布孔。管棚注浆先试注双液浆及水泥浆，若漏浆严重时换用化学浆液。由于受作业空间限制，管棚钻机选择SKQ100型气动潜孔钻。

2.2.3 TBM设备改进

TBM在破碎地层施工时，若护盾与刀盘背面的间隙过大，破碎的岩块易掉入刀盘背面与护盾之间的间隙而卡死刀盘，如图3(a)所示。另外，若刀盘刮渣口开口太大，大量破碎岩渣易进入刀盘压死皮带机，如图3(b)所示。为了降低刀盘和皮带机被卡死的风险，将护盾向前延伸，减小刀盘背面与护盾的间隙，如图3(c)所示；加密刮渣口限粒板，减少大尺寸岩渣直接进入刀盘，如图3(d)所示。

(a) 刀盘背面与护盾间隙过大

(b) 大量岩渣涌入刀盘压死皮带

(c) 护盾延伸方案(单位： mm)

(d) 刮渣口限粒板加密

3 出护盾破碎防控方法

3.1 破碎地层隧道顶部支护方法

破碎程度低的围岩出护盾后一般采用TBM配置的钢拱架、钢筋排、钢筋网、锚杆进行初期组合支护，钢拱架采用HW100型钢，钢筋排采用φ14 mm、φ16 mm、φ18 mm和φ20 mm几种钢筋，钢筋网采用φ6 mm和φ8 mm的钢筋焊接而成，锚杆有φ25 mm中空锚杆和φ22 mm砂浆锚杆，长3 m、间距1 m。拱架与锚杆焊接，钢筋排两端与拱架焊接，形成初期支护系统，支护效果如图4(a)所示。破碎程度高的围岩支护需要进行加强，钢拱架采用HW150型钢，2榀拱架之间的间距由1.5 m减小为0.75 m，加密拱架，甚至更小；2榀拱架间的连接件由钢筋更换为焊接型钢，如图4(b)所示。

(a) 正常支护

(b) 加强支护

对于更破碎的地层，顶部破碎围岩的重力大，导致隧道拱顶下沉超限，采用在顶护盾下方焊接型钢竖撑，对护盾回收量进行限位；配置辅助千斤顶，安装拱架时辅助顶撑，拱架尽可能安装到位，如图5所示；初期支护背后空腔及松散围岩及时灌喷回填和注浆加固。

对于特别破碎的地层，隧道顶部需要采用化学注浆加固，护盾及掌子面松散围岩注浆加固通过护盾尾部按照1.0 m环向间距斜向前方打设注浆管，打设范围为主作业平台范围，前段可呈放射型向两端扩散，用以增大注浆加固范围，加固范围以包含TBM开挖范围为宜。

盾体上方存在大量积渣，注浆导管需有一定的刚度，适合用于穿过松散体注浆，因此采用钢注浆管。注浆管可采用自加工的φ42 mm注浆导管，因护盾前方为松散体不能成孔，利用T-28钻机将前端带有尖锥的小导管顶入，直至顶不动为止，当导管顶入困难时可将玻璃纤维管作注浆管使用。

(a) 顶护盾增加竖向支撑

(b) 辅助千斤顶撑紧拱架

在盾尾作业平台可操作拱范围内拱部间隔1.0 m打设φ42 mm注浆管。通过护盾后方斜向上前方安装，风钻逐节顶入，2节之间采用焊接连接，安装长度直至顶不动为止，且不宜小于4 m。

灌浆顺序为由下而上、由深至浅、由一侧至另一侧。为确保裂缝被完全灌满，需时刻观察注浆压力和进浆量，当注浆压力趋于稳定、进浆量趋于0并能保持5 min及以上时停止注浆，或当裂缝中浆液互窜并从裂缝或者相邻孔溢出也可认为裂缝被灌满，停止注浆。待浆液凝固后，将注浆嘴取下，用砂浆封闭注浆孔。注浆结束后，彻底清洗注浆泵体、注浆头及注浆管路等，以保证下次灌浆工作安全顺利进行。隧道顶部化学灌浆效果如图6所示。

图6 隧道顶部化学灌浆

3.2 破碎地层隧道腰部支护方法

隧道腰部存在破碎围岩时，TBM撑靴撑不住洞壁，无法为TBM提供前进推力，为了保证安全通过，对撑靴及周边0.5 m范围进行立模灌注混凝土。腰部出露护盾后将木板用铁丝固定于钢架上做支撑模板，采用型钢背档等辅助固定。混凝土浇筑采用C25混凝土、分段立模分段浇筑的方式，每层浇筑高度不大于2.0 m，上层浇筑在下层混凝土初凝前进行。撑靴以外部位采用应急喷混凝土对围岩进行封闭，喷混凝土采用C25混凝土，厚度为20 cm。混凝土强度达到撑靴接地比压后，TBM可顺利通过。 隧道腰部立模灌浆如图7所示。

(a) 立木模

(b) 灌注混凝土后

3.3 破碎地层隧道底部清渣方法

破碎地层隧道底部堆积较多的碎石，如果不能及时清理，会影响顶部仰拱块及轨道铺设，影响TBM施工效率。采用机械设备辅助清渣，采用滑移装载机清渣、反铲挖掘机清渣；采用底部传输机(皮带机或者螺旋机)将底部岩渣转入中心皮带机或者刀盘内。目前高黎贡山隧道正洞大TBM采用履带式反铲挖掘机进行底部清渣，效率有所提高。

4 结论与讨论

1)针对高黎贡山隧道TBM掌子面前方围岩破碎的问题，提出了掌子面前方化学加固方法、小导洞开挖及超前管棚联合脱困方法，同时提出了护盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM设备改进方法。通过采用上述方法，降低了TBM在破碎地层掘进刀盘被卡的风险；即使刀盘被卡，也能在可控的时间内及时脱困。

2)针对高黎贡山隧道围岩露出护盾后破碎的问题，提出了隧道顶部加强初期支护和化学灌浆、隧道腰部立模灌浆、隧道底部机械化清渣的应对方法。通过上述方法的实施，有效提高了TBM通过破碎地层的施工速度。

3)上述方法的实施对TBM施工应对高黎贡山破碎地层起到了重要作用，但部分技术还不够成熟，如底部清渣技术。目前，多个工程尝试了多种清渣方法，但清渣效果均不理想，还需要进一步研究机械化清渣代替人工清渣的方法。