软弱地层敞开式TBM大规模塌方成因及处理措施研究

丁传全

（中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

1 引言

TBM施工技术因其具有掘进速度快、环保、人工投入少等优点在我国长大隧洞施工中得到广泛应用[1-4]。然而，随着我国交通、水利系统的不断完善，岩爆[5-7]、软弱破碎带[8-9]、喀斯特岩层[10]等不良地质对TBM施工形成严峻挑战，施工过程中极易发生塌方、卡机等停机事故[11-12]。因此，依托新疆某引水隧洞工程，深入分析规模失稳、塌方形成成因，结合塌方空腔结构特点，提出快速、灵活的TBM塌方处置技术具有重要的研究价值和指导意义。

2 隧道地质环境及塌方情况

2.1 工程概况

新疆某引水隧洞总长度26 817 m，线路桩号K2+370～K29+187 m；其中，TBM段全长23.737 km，走向由西北向东南，开挖直径为7 830 mm。总地势东、北较高，西、南较低，地貌为低山丘陵，海拔高程在730～1 400 m之间，相对高差670 m，地形起伏较大，沿线冲沟较发育，洞室最大埋深为668 m，见图1。TBM掘进至K6+837，护盾顶部一条裂隙向掌子面延伸，破碎明显。掘进至K6+843时，隧道发生大规模塌方，塌方体积达到1 246 m3。

图1 工程平面示意

2.2 工程地质条件

图2 给出塌方段的地质纵断面图，从图2可以看出，隧道K4+740～K7+932 m段基岩为奥陶系黑云母石英片岩，颜色呈浅灰色至深灰色，呈中厚层状结构，层面中等发育，裂隙面起伏，绢云母化强烈，岩石中石英含量一般50%，基岩弱风化层厚度在8～12 m之间，强风化层厚度在3～5 m之间，岩层产状295°～300°NE∠50°～60°，与洞室轴线夹角在15°～20°之间。

图2 隧道地质纵断面图

2.3 TBM掌子面塌方情况

由TBM护盾顶部出现一条裂隙，到隧道发生塌方。过程中TBM掘进伴有一系列异常现象，具体演化过程如下:

TBM掘进至K6+837，在施工检查时发现，护盾顶部一条裂隙向掌子面延伸，破碎明显，采用钢筋排加强支护，将HW125型钢拱架更换为HW150型钢拱架。

当日23时05分，掘进至K6+840.7，推力6 230 kN，发现出渣异常，大块石渣较多，一条岩石裂隙沿护盾向掌子面延伸，但未见护盾顶部塌腔。

次日4时30分，掘进至K6+842.3处时，发现TBM护盾上方10～2点钟方向出现塌腔，护盾尾端塌腔高度为0.7 m，向掌子面扩大延伸，塌方纵向长度约9 m，掌子面部位塌方高度约8 m，伴有碎块掉落。为了防止碎块继续塌落，尽快对塌腔部位喷射混凝土，决定继续向前掘进一个行程，支护型式变为IV类围岩。

次日11时26分，掘进至K6+843，拱顶岩石塌落加剧，立即停止掘进，进行加固拱架。此时刀盘转动正常，TBM掘进时对围岩产生扰动，导致岩块不断脱落，塌腔最终规模如图3所示。

图3 塌腔规模示意

3 塌方段地质及塌方原因分析

3.1 超前地质预报结果分析

掘进至K6+843断面突遇塌方后，对掌子面前方进行TSP地震波检测，并得到K6+843～K6+923范围内的地质结构偏移。图4给出了塌方段超前地质预报结果，从图4可以看出[13]，在K6+843～K6+875之间的围岩为节理裂隙或褶皱发育带，岩体破碎，强度较低。其中K6+843～K6+855为塌方段，K6+855～K6+865之间隧洞开挖范围内围岩较完整，但隧洞左边墙外侧岩体强度低完整性差；K6+889～K6+901以及K6+918～K6+923之间，岩体节理裂隙发育，为软弱夹层，岩体破碎，强度较低。

图4 地质结构偏移图像

对掌子面前方进行CFC超前探水检测，并得到K6+843～K6+943范围内的地下水分布情况。图5给出了CFC超前探水结果，图5表明，在K6+843～K6+943范围内，围岩平均介电常数2.841，水量较少。推断该段围岩在K6+846～K6+848、K6+910～K6+926之间存在少量含水裂隙[14]，水量较少。但在地下水地表补给增大时，水量会相应增大。

图5 CFC合成孔径图像

3.2 室内试验结果分析

图6 测线与试件取样位置

为了进一步探明塌方段围岩的力学性能，在K6+831～K6+840段每间隔1 m设置一个检测断面，在每个检测断面选取隧道拱顶三条测线，见图6，钻取围岩试件进行岩石点荷载试验[15]，共制备30个试件。

图7给出了K6+831～K6+840段三条测线位置处的岩石单轴抗压强度分布。从图中可以看出，除部分岩石试件强度出现离散外，随着取件位置逐渐靠近的塌方区域，岩石的单轴抗压强度呈对数形式逐渐减低。岩石的平均饱和抗压强度24.8 MPa，按照岩石坚硬程度划分，15≤fr≤30属较软岩。

图7 测线位置岩石单轴抗压强度

3.3 现场勘查结果分析

图8 塌方区域围岩揭露情况

根据现场勘查结果，塌方部位揭露的围岩岩性为奥陶系哈巴河组绢云母石英片岩夹黑云母石英片岩，呈灰褐色、黄绿色等杂色，深度变质。塌方区域节理裂隙发育，岩石受构造挤压，岩层间揉皱强烈，裂隙面见大量水锈及绿泥石化现象，层面附着泥膜，见图8。岩石破碎，层间结合差。岩体本身呈碎块结构，加之刀盘切削作用和震动影响，致使绢云母片岩和黑云母石英片岩沿节理面和裂隙面岩层松动、错落，最终导致大面积失稳和坍塌。

4 塌方段处置方案

通过对塌腔内塌渣进行清理发现，塌腔内部轮廓由围岩节理面控制，在塌腔边界后方围岩较为稳定、完整。构成塌腔结构的主要节理面分布为:122°∠71.2°，108°∠81.2°，117°∠42.5°，见图9。因此，将塌渣清理后，能够形成较大且稳定的腔内空间。

图9 塌方区节理 极射赤平投影图

根据该特点，采用在护盾顶部满铺方木→垫16工字钢→12槽钢连接→铺0.5 mm钢板→增加腹拱支撑，在塌方空腔内建立喷射混凝土施工平台，通过腔内喷射混凝土，从而建立拱顶保护壳。此后，采用轻型混凝土回填塌腔，调整TBM掘进参数，优化支护体系等一系列措施，见图10，实现TBM安全掘进通过。

图10 TBM大规模塌方段处置方案

4.1 松散岩体初步加固

由于拱顶塌方部位不断扩大，TBM向前掘进势必扰动围岩，导致坍塌速度加块。为了保证人员及设备安全，防止塌方进一步扩大，TBM暂不具备掘进条件，待松散岩体加固后再向前掘进，首先对K6+838～K6+840.4段塌方高度小于2 m范围立即进行喷射混凝土施工，对松散岩体进行加固。

4.2 强化初期支护体系

该段采用在Ⅲb类围岩支护的基础上进行补强后的一次支护，护盾后方6 m范围加密HW150型钢拱架，中心间距控制在45 cm（设计间距为1.8 m），拱架间采用12槽钢焊接，环向360°布设，间距1 m，与H型钢连接为满焊，见图11；超出拱架安装器使用范围，采用人工架立拱架，成环后立即喷射C30混凝土，厚度为20 cm。在不造成塌滑的情况下及时施作下部系统锚杆。

图11 加密拱架支护

4.3 建立喷射混凝土作业平台

护盾顶部满铺20 cm×20 cm×300 cm方木，方木上垫16工字钢，环向间距30 cm，采用12槽钢连接，再铺0.5 mm钢板。在塌腔高度2 m范围内（K6+838～K6+840），增加腹拱支撑，腹拱贴紧岩面，底端与16工字钢焊接牢固，形成稳定支撑结构，防止塌方继续扩大。结构稳定后，该区域作为喷射混凝土施工的作业平台。

4.4 建立刀盘覆盖层

为了防止细砂或水泥浆流入刀盘，首先对刀盘进行覆盖，采用应急喷混设备向刀盘前方1 m范围喷射细砂，其余部位采用C30喷射混凝土填充，直至细砂覆盖刀盘顶部10～20 cm，形成缓冲层。

4.5 形成拱架上方“保护壳”

K6+840.4～K6+850.4段岩体喷射C30混凝土，有效喷射范围内厚度控制在10 cm以上；填充细砂和方木上方喷射厚度200 cm的C30混凝土，每喷射20 cm厚度，铺设钢筋网片（φ8@200×200 mm）；混凝土厚度达到50 cm时，横向设置16工字钢，纵向间距50 cm，两端选择围岩较好位置打设φ25 mm，L＝2.5 m锚杆与工字钢焊接，在拱架上方形成“保护壳”，见图12。

图12 塌腔部位处理示意

掌子面处“保护壳”上方4 m至刀盘方向7 m范围喷射混凝土，对掌子面上方松散岩体形成稳定支撑。在推进过程中，减小设备对掌子面软弱围岩的扰动，保证施工安全。喷射混凝土时，拱顶预留人孔（K6+841，55 cm×80 cm），便于后期空腔部位回填灌浆施作。

4.6 塌方空腔回填

用混凝土输送泵从预留的人孔泵管送向塌腔体回填C30混凝土，回填高度在拱顶以上，一次不超过1 m，直至填满空腔。为了减少初支及二次支护的荷载。回填到2 m以上后，改用轻型材料（容重小于1.5 t/m3）从预留泵送管吹入，待填充完成，再灌注水泥砂浆填充缝隙，以确保充填密实。

4.7 调整掘进、支护参数

完成TBM上部喷射混凝土支护后，TBM正常向前掘进6 m。首先采用较低转速，小推力、大贯入度掘进。钢筋排采用φ20 mm单槽4根进行支护（顶拱120°～140°范围安装），HW150型钢拱架间距按45 cm安装，并施作灌浆管。立即进行拱架间混凝土喷射作业，随掘进随支护，直至向前推进6 m。对于撑靴部位的塌腔，出露护盾后及时喷射C30混凝土或拱架内侧焊接薄钢板，拱架间灌注混凝土，提前加固，防止塌腔变大，影响撑靴撑紧。

5 结论

借助TSP地震波检测、CFC超前探水检测和岩石点荷载试验等多种手段，针对新疆某引水隧洞TBM施工过程中产生大规模塌方的成因进行深入分析。在此基础上，针对大规模塌方空腔特点，提出由空腔内部施作拱顶“保护壳”的TBM塌方处置技术，得到以下结论:

（1）TSP地震波检测结果表明，塌方段附近区域，围岩为节理裂隙和褶皱发育带，岩体破碎，强度较低。CFC超前探水结果表明，塌方段附近区域围岩平均介电常数为2.841，岩体内存在少量含水裂隙，水量较少。

（2）岩石点荷载试验结果表明，随着取件位置逐渐靠近塌方区域，岩石的单轴抗压强度呈对数形式逐渐减低。岩石的平均饱和抗压强度24.8 MPa。塌方区域节理裂隙发育，岩石破碎，层间结合差，加之刀盘切削作用和震动影响，是导致大面积失稳和坍塌根本原因。

（3）结合大规模塌方空腔特点，通过建立喷射混凝土施工平台、刀盘细砂覆盖层，从塌腔内部建立拱顶保护壳。在此基础上，对塌腔回填处理可以减少初期支护及二次支护结构所承受荷载。该方案在确保了TBM施工安全的同时，充分利用腔体内部空间，提高了拱顶保护壳的施工效率。该方案在处理大规模塌方时具有更强的适用性。