川藏铁路全断面掘进机穿越断层破碎带隧道施工研究

刘 卓

(中铁十八局集团有限公司 设备物资部,天津 300222)

根据目前的方案,为克服地形高差,绕避不良地质,还未开工建设的川藏铁路康定到林芝段,出现了众多埋深大于1 km、长度超过20 km的超深埋超长隧道,如康定—新都桥段折多山隧道(38.3 km),理塘—巴塘段海子山隧道(37 km),八宿—波密段伯舒拉岭隧道(53 km),然乌—通麦段易贡隧道(54 km),隧线占比高达84%,隧道总长843 km.川藏铁路特长隧道面临的工程难题主要有高烈度、高地应力岩爆、软岩大变形、活动断裂带等,为了“安全、环保、高效”施工,采用全断面掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工法成为首选[1].本文基于对引汉济渭工程秦岭隧洞岭北TBM穿越断层破碎带时的经验和研究成果,提出了TBM穿越断层破碎带的施工工法,为川藏铁路长大隧道的施工提供借鉴.

1 断裂破碎带的特质与TBM施工风险

TBM在断层破碎带及自稳能力差的软弱不良地质段中掘进时,适应性差,极易出现以下事故:刀盘无法转动,出现卡机事故,脱困处理困难;由于护盾及刀盘上方塌腔的发生引起地质应力分布变化,致使部分钢拱架及钢筋排因围岩收敛发生严重变形,护盾顶部压力已达到设备极限值[2];支护变形将进一步减少人工作业空间,限制卡机处理设备的使用,增加处理难度;断层破碎带大多富水,水和碴体、砂砾岩从掌子面和护盾外侧不断涌入洞内,给施工人员和设备造成安全威胁[3];容易造成隧洞塌方等事故,影响施工安全和工期.

2 TBM穿越断裂破碎带的施工工艺原理与工法

TBM穿越断层破碎带施工工艺流程如图1所示.

图1 TBM穿越断层破碎带施工工艺流程图Fig.1 Flow chart of TBM construction process

施工主要流程如下:① 从TBM护盾后方相对稳定的岩体中开挖纵向小导洞;② 纵向小导洞穿过破碎带进入围岩稳定洞段后,施作横向导洞并形成管棚工作间;③ 反向施作大管棚并注浆加固破碎围岩;④ 在大管棚的安全防护下,配合超前小导管和环形钢拱架,人工开挖通过断层破碎带,并清除护盾顶堆积的渣体,帮助TBM完成脱困;⑤ 在发现掌子面围岩不稳定时,通过刀孔超前预加固掌子面,有效抑制掌子面塌方的出现和坍塌规模,实现预防卡机的目的[4].

3 施工工法研究

3.1 护盾后方已施工段加固

在第一时间采用增设钢支撑和加强支护能力等方式,保证已支护段围岩稳定,减少已支护段变形.利用TBM主梁作为支撑,用H150型钢对已支护钢拱架增加竖向及斜向支撑,同时径向施作锚杆并注浆加固周边围岩,对变形段加密增设钢拱架,采用喷射混凝土配合锚杆、钢筋排和钢拱架形成联合支护结构,防止已支护段环形钢拱架及钢筋排变形继续加大.在施工期间,采用多点位移计、压力盒和应变计等设备对围岩及拱架受力变形情况进行实时监测,优化施工方案,保证施工安全.

3.2 超前地质预报

TBM卡机事件发生后,采用激发极化法与三维地震法对洞内前方围岩进行综合探测预报.配合超前钻孔,采用智能光学成像系统对前方围岩进行探测,验证和修正前期超前地质预报结果,指导施工.

3.3 施工纵向小导洞

(1) 现场选择在具有一定自稳能力的TBM右侧围岩设置爬坡孔,爬坡孔位于紧邻护盾尾部两榀钢拱架之间,开挖高度在满足施工作业空间的要求下尽可能减少开挖工程量,现场开挖高度选取1.7 m,周边采用H150型钢配合钢筋排喷锚支护[5].

(2) 爬坡孔开挖完成后,向前开挖纵向导洞,开挖原则为“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭”,开挖前优先施作超前支护,由于纵向导洞作业空间狭小,现场高温高湿、粉尘大、噪声大,纵向导洞与塌腔区预留一定安全距离,纵向导洞分左右两部分开挖,优先开挖右侧部分,再开挖左侧部分.纵向导洞断面布置如图2所示.

图2 纵向导洞断面布置示意图Fig.2 Schematic diagram of section layout of longitudinal guide tunnel

3.4 横向导洞(管棚工作间)施工

(1) 由于横向导洞段仍然处于断层影响带中,人工开挖还存在一定的安全隐患,故采用超前小导管注浆配合型钢门型钢架支护小断面逐步开挖.

(2) 纵向小导洞穿过塌腔影响区3～5 m后,进入稳定的原状岩层内,开始开挖横向导洞,横向导洞通过已开挖完成的纵向导洞开挖,横向导洞共3个,最终3个横向导洞合并成管棚工作间.横向导洞通过纵向导洞采取分区分台阶开挖、支护[6].两侧采用喷射混凝土封闭,保证洞室稳定.

横向导洞分区如图3所示.管棚工作间横断面如图4所示.

图3 横向导洞分区示意图Fig.3 Schematic diagram of transverse guide

3.5 反向施工大管棚

在管棚工作间刀盘端管棚导向管下方拼接两环钢拱架,支立模板,浇筑导向墙,混凝土导向墙强度满足要求后,向刀盘反向施做大管棚.由于管棚需要穿过断层破碎带,传统管棚施工方法先钻孔后安装钢管方法不能实现,加上管棚工作间作业空间狭小,只能采用分节跟进式根管施工,成孔的同时,管棚钢管同步接长打入钻孔内.

图4 管棚工作间横断面示意图Fig.4 Cross-sectional view of pipe shed workshop

3.6 刀盘至管棚工作间段处理

刀盘至管棚工作间段受断层影响严重,开挖过程中极易出现安全事故,开挖前,在相邻两根管棚之间施作双层自进式中空锚杆,必须高度重视管棚和超前小导管注浆效果,为人工开挖提供一个安全防护.完成大管棚施工后,采用左右导洞法由管棚工作间向刀盘方向开挖上导洞,上导洞开挖至刀盘后,由刀盘向管棚工作间方向采用左右台阶法开挖中导洞洞身段.刀盘至管棚工作间段人工开挖横断面如图5所示.图5中，1，3，8，10为小导管超前支护注浆,2，4，9，11为支立钢架,5，6，7为竖横立柱,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ为开挖导沿顺序.

3.7 管棚工作间前方掌子面和护盾段处理

利用已施工完成的上导洞和中导洞,向里施工Φ122超前钻孔,采用高清视频系统对钻孔内前方地质情况进行成像探测,评估前方围岩情况,确定是否需要人工处理.为了防止掌子面受临空面影响而收敛变形及风化,在掌子面施作中空玻璃纤维锚杆,并注浆加固岩体,喷射玻璃纤维混凝土封闭掌子面,同时注意保护刀盘.由于护盾段位于塌腔核心区,人工开挖前必须对前方围岩进行注浆加固,管棚工作间至刀盘段上导洞开挖至刀盘后,为避免护盾顶部开挖时继续发生坍塌,利用上导洞底部平台向护盾上方向塌腔内施作自进式中空注浆锚杆.在开挖过程中,通过超前锚杆施作探明塌腔位置,向塌腔内预留注浆管,拱架内侧回填混凝土强度达到要求后,通过预留注浆管向塌腔内注满混凝土或是其他回填材料,待回填材料强度达到要求后割除门型钢架立柱,完成护盾和刀盘脱困.护盾顶部开挖分区如图6所示.护盾顶部支护横断面如图7所示.

图5 刀盘至管棚工作间段开挖示意图Fig.5 Schematic diagram of excavation between

图6 护盾顶部开挖分区示意图Fig.6 Schematic diagram of shield top

图7 护盾顶部支护横断面示意图Fig.7 Schematic diagram of cross-section of

待护盾顶塌方段处理完毕后,对护盾尾部支护变形且侵入衬砌施工界限的围岩收敛区段进行全断面换拱处理,拱架内灌注C30混凝土.

3.8 TBM掘进通过断层带

待护盾尾部换拱施工、护盾顶及刀盘前方临时支撑等材料全部清理完毕,所有影响TBM掘进施工的因素消除后,开始启动TBM,缓慢向前推进,利用TBM开挖刀盘前方剩余石方.TBM恢复掘进后,必须高度重视TBM掘进姿态控制,防止出现掘进方向偏差,造成与已支护人工开挖段冲突.同时防止撑靴对已支护段拱架造成损坏,致使支护不稳定.

3.9 刀盘前超前预加固防卡

在不良地质段掘进过程中,为防止刀盘前方发生坍塌,每次掘进前,在刀盘内通过刀孔对前方掌子面及周边施作自进式玻璃纤维锚杆并注浆,进行超前预加固处理,抑制塌方的出现和坍塌规模,起到预防卡机的目的.

3.10 受力变形监测

为了顺利通过该断层带,准确掌握在断层破碎带内人工开挖洞室、换拱期间围岩、支护拱架受力及变形情况,现场先后设置多点位移计2套、锚杆应力计2套、光纤光栅应变计60支、振弦式应变计52支、压力盒10个,实时监测岩体及支护拱架受力变形情况,发现监测数据突变或是增长加速时,第一时间发出预警并将监测结果通报项目部,项目部针对性制定处理方案,防止事态扩大,确保施工安全.已开挖段原有钢拱架光纤光栅应变曲线如图8所示.护盾后方多点位移计监测曲线如图9所示.

该TBM施工工法成功应用于陕西省引汉济渭工程岭北TBM隧洞工程.岭北TBM施工段全长16.69 km,隧洞埋深545～1 570 m,使用一台Φ8.02 m开敞式硬岩掘进机施工,TBM施工区通过1条区域性大断层、3条分支断层和10条地区性一般性断层,宽30～190 m不等,软岩变形段预测占总长度的65%.

图8 已开挖段原有钢拱架光纤光栅应变曲线Fig.8 Original steel arch fiber grating strain curve

图9 护盾后方多点位移计监测曲线Fig.9 Monitoring curve of multi-point displacement

2016年5月31日,TBM掘进至K51+597.6处突遇长距离断层破碎带,护盾及刀盘被卡,被迫停机.项目部严格按照此施工方案执行,最终在2016年10月10日恢复TBM掘进,为TBM断层处理施工提供了有效保障,于2017年1月安全顺利通过此长距离断层破碎带,比预定工期提前了82 d,节约施工成本2 700万元,而且拓展了TBM应用范围.

4 结论

(1) 通过超前地质预报和地层加固、人工开挖导洞、大管棚、应力和变形监测等系列组合方法,很大程度上减少了TBM穿越大断层破碎带施工期间的风险,安全快速地通过断层破碎带.

(2) 成功创建了刀盘超前预加固防卡技术,有效抑制掌子面塌方的出现和坍塌规模,实现预防卡机的目的.

(3) 超前预支护技术的使用,为TBM断层处理施工提供了有效保障,从而减少了后期塌腔的注浆工程量,节约成本,有利环境保护,也杜绝了后期隧洞的二次污染.

(4) 提高了TBM施工技术水平,在地质情况更复杂的川藏铁路隧道施工,具有广阔的应用前景.