某TBM引水隧洞塌方段控制技术研究

陈 诚

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

塌方是地下工程施工过程中由不良地质导致的最为常见的工程灾害，经常造成工期延误、设备损坏，施工费用增加，严重时甚至导致人员伤亡[1]。如京珠高速靠椅山隧道发生塌方，塌方量达20000m3，形成188m的塌体，导致隧道被迫停工[2]。因此，建立一套高效便捷的TBM塌方段控制技术对保证隧道稳定有序施工具有重要意义。

中外学者对隧道塌方段控制技术进行了许多研究。陈秋南等[3]对比分析了超前小导管和长大管棚处理方案的优缺点，采用超前小导管预注浆辅以工字钢处理塌方区。王正哲和赵云[4]分析了某水电站泄洪隧洞的塌方原因与教训，指出支护措施是岩体稳定性的最后一道屏障。黄友富[5]针对金盆水库溢洪洞塌方，总结出一套应对"倒漏斗"形塌方的衬砌成洞施工方法。丁传全[6]针对敞开式TBM穿越软弱围岩大塌方，提出松散岩体初步加固，强化初期支护体系，建立喷射混凝土作业平台，建立刀盘覆盖层，塌方空腔回填的完整综合处理措施。吕斌[7]根据XSDY二期工程TBM隧洞施工实例，论述了TBM通过塌方段的施工方案。受限于TBM结构，一旦不能及时进行拱架支护，待塌方区完全揭露后，再进行拱架支护，塌方区稳定性势必受到严重影响，因此，准确预测隧道塌方风险进而进行提前拱架支护，对于保证隧洞塌方段稳定性有重要意义。

本文依托新疆某引水隧洞，该隧洞通过某不良地质段时，发生塌方。根据现场通过塌方段的施工过程，总结TBM隧洞通过塌方段的控制技术，为相同或相近条件下的施工提供依据。

1 工程概况

1.1 工程背景

新疆某引水工程全长540km，这里主要介绍其中一个标段。该标段主洞长度41.0km，采用2台TBM施工(TBM9、TBM10)[8]。TBM10掘进洞段为主洞段桩号225+518—245+153，长度19.635km，开挖洞径7.0m。洞段埋深为632～740m。根据地面地质测绘及沿线钻孔资料分析，该洞段通过的地层岩性主要为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩。该段发育1条次级断层(f71- 1)，断裂产状306°SW∠70°，断层走向与洞线方向夹角44°，破碎带宽度30m，断层带内以碎裂岩为主，岩体稳定性差，为Ⅳ～Ⅴ类围岩；据钻孔揭露，该段发育数条小断层，宽度一般0.6～5.5m，带内以糜棱岩、碎裂岩为主，其规模小。

总体来说，该洞段围岩整体稳定性好，以Ⅱ类围岩为主，断层带及影响带为Ⅳ、Ⅴ类围岩，其中Ⅱ类围岩长16.373km，占该段总长的89.17%；Ⅳ类围岩长1.941km，占该段总长的10.57%；Ⅴ类围岩长0.048km，占该段总长0.26%。

1.2 现场塌方情况

隧道开挖过程中，KS228+940—K228+992段发生多次结构型塌方，以KS228+949—950为例，如图1(a)所示，左侧位置发生结构型塌方，最大可见塌腔深度为0.34m，塌腔处发育一条结构面，结构面老旧，产状为300°∠40°，结构面控制塌腔边界，塌腔附近出现渗水，呈淋浴状，岩体完整性较差。该段区域破坏分布情况如图1(b)所示，由图可知，此60m范围内发生多次塌方及掉块。

图1 K228+940—K228+992围岩破坏情况

2 塌方段控制技术

2.1 超前地质预报技术

受限于TBM结构限制，往往难以直接观察隧道掌子面围岩地质情况。在此情况下，开展超前地质预报有助于获得掌子面前方大致地质情况，一定程度上预测围岩塌方风险。综合超前地质预报技术即采用宏观地质分析法、TSP地震波法、电磁波法及超前钻探等方法进行综合超前预报，多角度、多参数地对掌子面前方地质情况进行预报[9]。

地震波是利用地震波遇到波阻抗差异界面时，一部分信号被反射，一部分信号透射进入前方的区别，而波阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。如此，可以利用反射波的特征了解隧洞工作面前方地质体的性质。

山东大学2021年1月20日对KS228+954—KS229+054进行了地震波法探测，获得结果如图2所示。由图2可知：

(1)KS228+954—KS228+984段落： 在反射图像上出现明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，节理裂隙发育，易发生掉块和塌腔。

(2) KS228+984—KS229+034 段落： 在反射图像上出现较明显的正负反射，推断该段落围岩较前一段有变好的趋势，围岩完整性差，节理裂隙较发育，局部易发生掉块，可能发生塌方。

(3) KS229+034—KS229+054 段落： 在反射图像上未出现较明显的正负反射，推断该段落围岩较前一段有变好的趋势，围岩较完整，局部节理裂隙较发育。

图2 地震波法探测结果

2.2 基于FPI的围岩塌方风险评估

TBM与钻爆法所不同的是，TBM法开挖后采用护盾对围岩进行临时支护，围岩出护盾后才需要进行系统支护。TBM护盾长度一般为5.6m，分析此5.6m范围的TBM掘进参数，评估围岩条件是否有塌方风险，由此可以确定围岩出护盾后所需的支护措施及参数。

研究表明，岩体完整性或节理裂隙对一定推进力条件下的TBM贯入度和掘进速度有很大影响，一般情况下，岩体越完整，为获得较大贯入度，TBM操作司机会选择较大推力[10]。同样，在推进力一定的情况下，岩体越完整，贯入度越低。所以，可以采用推进力与贯入度的比值(贯入度指数，FPI)来反映围岩完整性或节理裂隙发育程度。而围岩完整性越差，节理裂隙越发育，塌方风险越高。因此，采用FPI可以评估围岩塌方风险。

采用FPI评估围岩塌方风险，是对超前地质预报的补充。FPI与隧道桩号一一对应，可以获得较为精确的塌方风险段桩号，由此提前及时进行支护，即解决了塌腔揭露后进行支护的支护体不稳定问题，又不会由于过早支护导致的不经济问题。

隧道K228+760—228+850段贯入度指数与隧道围岩破坏分布的对应关系如图3所示。由图3可知，隧道塌方及掉块破坏普遍分布于FPI较低的段落，如K228+792发生塌方破坏，其贯入度指数低至2103，K228+810—840连续发生多次塌方及掉块，相对应的，该段贯入度指数普遍较低。K228+845—850段无破坏，该段贯入度指数普遍大于4000。由此可确定该隧道TBM贯入度指数与岩体破坏及结构面分布的关系：当FPI<2500时，围岩易发生塌方；当2500≤FPI<4000时，围岩易发生掉块；FPI≥4000时，围岩基本不发生塌方或掉块。

图3 贯入度指数FPI与围岩破坏的关系

根据上述分析，可以采用贯入度指数对围岩破坏进行预测。K228+940—K229+060段FPI的监测结果如图4所示。由图4可知，K228+940后，FPI急剧下降，至228+985，FPI开始上升。在228+993—996，FPI出现短暂下降。229+015段，FPI再次出现下降，并始终保持低位。根据上述分析可知，K228+940—985段有塌方风险，228+985—993，228+996—015段无塌方风险，228+993—996段易于掉块，228+015—055段有塌方风险。该预测结果与图1(b)结果照应，且与地震波法探测结果大致相同，但结果显然更为精确，可作为隧道支护的重要依据。

2.3 拱架+钢筋排超前支护

基于隧道开挖过程中FPI评估获得准确的塌方段起始桩号后，采用拱架+钢筋排进行支护。需要注意的是，为保证支护体稳定性，第一排拱架需超前塌腔0.5m。拱架间距为1～1.2m，拱架间铺设钢筋排，钢筋排间距根据塌落块体破碎程度确定。

施工过程中，每个施工班监测贯入度指数，至K229+012发现贯入度指数趋于下降，至K229+015贯入度指数低于2500。于是，预测K229+015有塌方风险。待K229+014.5出护盾，开始立拱架支护，以保证隧道围岩稳定性。K229+015—055段支护图如图5所示。

图5 塌方段拱架+钢筋排支护

需要注意的是，拱架+钢筋排的支护方式是一种被动支护方式，并不能抑制塌方的发生，但该方式在保证围岩稳定性的同时，可以保证TBM稳定有序通过塌方段，使其施工速率不致过低。统计TBM通过K228+940—229+060段施工速率可知，在塌方频发的情况下，仍能达到平均每日12.5m的掘进速率，最大掘进速率22m。

2.4 注浆+喷混封闭围岩

钢拱架支护后，在拱架内侧焊接钢板，对120°以下塌腔区域灌注C30混凝土，以保证撑靴的顺利通过。塌方段达到喷混平台后，还要对其顶部的塌腔进行注浆，以保证围岩的密实。然后对表层喷射5cm的C30混凝土，及时封闭围岩。

3 结语

针对某TBM隧道通过不良地质段出现的塌方问题，采用超前地质预报获取掌子面前方大致地质情况，然后采用贯入度指数评估塌方风险，获得精确的塌方段起始桩号。贯入度指数与围岩破坏有着较好的对应，遵循以下关系：当FPI<2500时，围岩易发生塌方；当2500≤FPI<4000时，围岩易发生掉块；FPI≥4000时，围岩基本不发生塌方或掉块。采用贯入度指数获得塌方风险区域后，采用拱架+钢筋排超前半米进行支护，保证围岩稳定性。最后采用C30混凝土进行注浆+喷混封闭围岩。应用效果表明，综合使用超前地质预报及贯入度指数可以准确评估隧道塌方风险，为隧道支护措施及参数的设计提供依据。采用刚拱架+钢筋排+喷混的支护措施在保证隧道围岩稳定性的同时，使得TBM快速稳定通过塌方段。