TBM安全快速通过不良地质段施工技术

刘国虎

（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）

1 工程概况

新疆某引水隧洞工程包括：18.2 km 长的主洞（其中TBM 开挖长15.632km 和钻爆法开挖洞段2.568km），采用1 台TBM 施工，TBM 整机长215 m，掘进成洞直径7.0 m，截至2021年8月份TBM 掘进洞段已施工完成9 500 m，施工过程中遇到的不良地质主要是断层破碎带塌腔及瓦斯洞段施工。

根据数据统计分析，TBM 施工期间共发生不同规模塌腔多达20 余处，其中最大塌腔深度约15 m，根据塌腔的不同程度，施工中采取相应处理措施，均已安全快速施工通过。另外，TBM 施工掘进至4 745 m 处时，掌子面出现垮塌，设备瓦斯监测仪瞬时警报，报警值达到114%LEL。通过地表测绘和物探测试，报告TBM掘进进入具有高瓦斯含量的碳质粉砂岩夹煤线地层，根据地质分析含瓦斯地层长度约为50 m。

2 塌腔处理施工工艺措施

2.1 超前地质预报

本工程采用激发极化超前地质预报（CEI 综合电法仪）探测范围30 m、地震波超前地质预报（SAP 地震超前探测设备）探测范围100 m 与超前钻孔探测相结合的超前地质预报方式，探明掌子面前方具体的不良地质情况，动态采取相应掘进支护措施。

2.2 调整TBM 掘进参数

TBM 在断层破碎带或软弱围岩中掘进时采用人工手动模式对掘进参数进行必要的调整。

1）刀盘转速：在软弱围岩中，依据上一个掘进循环的掘进参数，若刀盘推进力较大时，而且皮带上的岩碴均匀、大块较少，可采用高速掘进。若上一个循环的刀盘推力较小，且岩碴不均匀、大块较多，宜采用低速掘进，降低其贯入度。

2）撑靴压力：撑靴压力的大小取决于洞壁岩石的完整性及饱和抗压强度。撑靴压力要满足TBM 推进速度的要求。

3）刀盘扭矩：在软弱围岩时，刀盘扭矩过大，易产生机身滚动、撑靴打滑。扭矩一般控制在75%左右。

2.3 加强初期支护

根据实际施工情况，坍塌主要集中在围岩出露护盾及前后各1 m 左右的位置，前段可一直延伸到掌子面，因此有效的安全的处理区段就在护盾后1～2 m 的范围内。根据敞开式TBM 结构，围岩出护盾后无法进行超前支护，只能进行初期支护及加强支护措施。如果坍塌不严重时，仍继续推进直到能立拱的尺寸，停止掘进，进行支护。如果坍塌严重时，应立即停机进行支护，掘进一段支护一段，直至安全通过。

1）钢拱架采用HW125 或HW150 型全环钢拱架，拱架榀距根据实际揭露围岩情况采用0.45～1.8 m 不等，钢拱架底部设置伸缩调节板，待钢拱架紧贴岩壁后将伸缩板固定牢靠。

2）当围岩较破碎，安装钢筋网后仍有石块掉落且围岩仍不稳定的情况下，可采用钢筋排与钢拱架、喷射混凝土联合支护。根据塌腔规模及现场实际围岩情况，在顶拱及边墙部位设置Φ20～Φ25（HRB400）钢筋排（每槽2～3 根）。将钢筋排一端与钢拱架焊接牢固，随着TBM 向前掘进，钢筋排逐步抽出，使围岩一出护盾及时得到支护，并及时架设钢拱架，喷射混凝土进行封闭，钢筋排、钢拱架联合支护体系见图1。

图1 钢筋排、钢拱架联合支护体系

3）钢拱架纵向采用Φ22 联系钢筋连接，连接筋环向间距1.0 m，在稳定性较差洞段或局部塌腔严重部位采用［12 槽钢替代联系筋，增加拱架间连接强度，槽钢环向间距0.5～1.0 m，布设范围根据现场塌腔范围确定。

2.4 塌腔处理及灌浆回填

1）塌腔内采用人工排险方式尽可能清理塌腔内部的掉块，同时预埋Φ50 回填注浆管及排气管（距离塌腔最深处5～10 cm），灌浆管和排气管间排距一般为3.0 m，单段埋管数量不少于3 组，位置根据现场实际情况灵活调整，塌腔部位预埋注浆管回填灌浆见图2。

图2 塌腔部位预埋注浆管回填灌浆

2）注浆管外露段管口采用棉布绑扎封堵（喷锚时以防堵管），TBM 向前掘进至塌方段到达喷混桥位置时，先喷混凝土使塌腔面完全封闭，封闭后待混凝土凝固，及时进行回填注浆，对塌腔严重部位，出护盾后在安装钢拱架和钢筋排完成后在TBM 机L1 区采用手持式应急喷混系统及时封闭岩面，并及时进行注浆回填混凝土，确保岩壁后部围岩充填密实，处理后的顶部不允许有任何形式的空腔或松散塌方体存在。

3）待喷混凝土凝固后及时对岩体塌腔部位进行处理。先采用M25 水泥砂浆进行回填处理，厚度1.0 m左右，回填灌浆压力不大于0.1 MPa，采用分层多次进行砂浆回填施工，每次回填厚度不大于0.5 m。

4）待砂浆回填施工完成后，重新进行清孔并采用轻质混凝土进行回填。轻质混凝土配合比见表1。

表1 轻质混凝土配合比

5）在回填砂浆及轻质混凝土时，加强对回填区域的变形监测，每次监测数据及时统计分析反馈，当监测数据超过预警值或出现较大变形时，及时停止回填施工并采取相应加固。

3 瓦斯隧洞TBM施工技术

3.1 瓦斯隧洞TBM 施工程序

在含瓦斯隧洞施工中，首先安设一套瓦斯自动监控系统，实现对瓦斯的实时监控及隧洞内风电联锁、瓦斯电闭锁。其次，开展TBM 含瓦斯段隧洞钻孔排放工作，同时进行瓦斯抽放系统的采购、安装及调试，并进行瓦斯抽放，待瓦斯抽放后进行TBM 设备全面的检查、维护，要求所有地点瓦斯浓度低于0.5%后恢复TBM 设备系统供电并启动TBM 设备上的二次风机加强通风，最后进行TBM 掘进支护施工。瓦斯隧洞TBM施工程序见图3。

图3 瓦斯段施工程序图

3.2 加强通风及预防循环风措施

根据总体施工方案安排，TBM 瓦斯段施工通风采用压入式供风，要求施工期间必须不间断通风，通风设备采用双风机（同型号同功率备用）、双电源[1]；在支洞口设置2×132 kW 风机用于TBM 瓦斯段供风，通过直径2.2 m 的抗静电、阻燃的风筒将将新鲜风压入TBM 后配套11#台车尾部，通过TBM 设备配置的2×45 kW 接力风机将新鲜风供到TBM 作业面，污风从支洞排出。重点保障根据现场施工以下三处通风：1）进人口刀箱内、2）TBM 上部工作面、3）TBM 下部工作面，同时保持TBM 护盾后部的皮带道上盖口敞开，形成回风瓦斯通路，防止瓦斯聚集，此外在瓦斯易积聚部位（如安装间顶部、错车道、旁支洞等）增设射流风机或小功率风机，加强该部位的通风，防止瓦斯积聚。

根据通风施工布置规划，通过TBM 后配套11#台车配置的2×45 kW 接力风机将新鲜风供到TBM 作业面，容易在接力风机部位形成循环风，具体预防措施如下：

1）根据压入式供风出风口及接力风机进风口的尺寸，加工连接风筒，并检查其透气性。

2）将加工好的风筒运输至TBM 后配套11#台车尾部，将风筒对应压入式供风出风口及接力风机进风口进行安装、固定，以保证压入式供风与接力风机进风口相连接，防止接力风机吸入污风，并将污风再次供至工作面。

3）安排人员重点检查该部位的连接，确保连接固定有效可靠。

3.3 掘进措施

在瓦斯段TBM 掘进施工按照软岩不良地质段掘进进行施工，主要采用以下措施：

1）在TBM 设备工作面所有部位回风中瓦斯浓度稳定在0.3%以下的环境中，完成已施工洞段的瓦斯自动监测、风电连锁、瓦斯电闭锁系统，以及必要照明的防爆电气更换改造。

2）掘进遵循“短进尺，勤换步、早封闭、强支护、初期支护务必一次到位”的原则施工，TBM 在不良地质段掘进过程中尽量减少对围岩的扰动，支护及时跟进，快速形成封闭结构。

3）TBM 掘进期间及时矫正姿态，并采取针对性的调向、混凝土换填软弱岩体等措施，避免TBM 在软弱不均地层中姿态偏离超限。

4）隧洞洞壁承载力低，无法提供撑靴反力时，可在撑靴处采用喷锚网+钢拱+立模灌注混凝土的联合支护方式对撑靴部位洞壁处理后再掘进通过。

3.4 支护施工

1）浆锚杆施工

瓦斯隧洞段岩性主要为碳质页岩（煤矸石），极度破碎，呈碎块状、粉末状，局部系统锚杆无法施做，因此将系统砂浆锚杆调整为随机，锚杆规格型号按照设计图纸不变。

原设计锁脚（锁定）锚杆型式为“L”型，锚杆施工之后弯钩段与钢支撑进行焊接，在瓦斯洞段不允许动火作业，因此改变锁脚（锁定）锚杆与钢支撑的连接型式，采用装配式连接，具体见图4。

图4 锁脚（锁定）锚杆与钢支撑装配式连接

2）喷混凝土及挂钢筋网施工

喷混凝土支护由TBM 自带的喷射系统完成，喷混凝土采用湿式喷射方法。混凝土采取有轨混凝土运输罐车进行运送。在喷混凝土中掺加气密剂，提高混凝土的抗透气性能。

3）钢支撑施工

钢支撑采用HW150 全环型钢支撑，榀距45～180 cm，将原设计联系钢筋调整为HW125 联系型钢，环向间距为1 m，连接形式为装配式，使用M20×80（8.8 级）高强螺栓进行连接，在加工厂按照设计图纸要求进行加工制作，平板车由洞外综合加工厂运至洞内安装洞，采用桥机吊装至内燃机车物料运输车上，通过有轨运输运至工作面。

钢拱架采用TBM 自带的钢拱架安装器进行安装。施工时，加工好的钢拱架通过内燃机车平板车运送到TBM 吊机附近，由吊机运送到拱架安装器下方，分段连接钢架并旋转安装器，直至下一段拱架可以用螺栓固定在前一段的尾端，重复这个过程直至整环完成。当一环完成后由拱架安装器上的张紧机构将钢架向外扩张，并与岩面楔紧。

4）钢筋排

当围岩较破碎，石块掉落且围岩不稳定的情况下，可采用钢筋排与钢拱架、喷射混凝土联合支护，支护范围为顶拱270°以内；钢筋排提前在洞外加工，采用C16 或C20 钢筋，长度4 m。对于普通掉块；采用C16@120（每槽单根）或C16@100（每槽双根），对于小规模塌方；采用C20@50（每槽三根）进行支护，确保安全。

在瓦斯段施工时，钢筋排之间采用扎丝进行绑扎搭接；钢支撑在洞外加工时，按照护盾上钢筋排预装孔间距在钢支撑两个翼边等间距的焊接C16 的短钢筋（总长10 cm，外露5 cm），在钢支撑安装到位后，采用扎丝将钢筋排与钢支撑固定，瓦斯段施工不允许进行焊接作业。

钢筋排、型钢拱架联合装配式支撑体系见图5。

图5 钢筋排、型钢拱架联合装配式支撑体系

5）塌腔处理及瓦斯封堵

瓦斯洞段长时间停机，护盾尾部揭露较大规模塌腔。经现场查看，护盾周边空腔较大，尤其是顶部及前方，采用常规材料超前固结灌浆的反应固结时间长，灌入后浆液被地下水带出，极易出现浆液固结刀盘的情况[2]，为了防止再次塌方造成TBM 刀盘及护盾被卡，同时达到封堵瓦斯的效果，经现场踏勘及专家咨询后，采取了以下处理措施：第一步：先使用化学灌浆（充填发泡固结型），对TBM 护盾与塌腔之间进行固结包裹，保护护盾；第二步：采用轻质混凝土对顶部大塌腔区进行分层充填封闭；第三步：最后采用化学灌浆（固结型），对刀盘周边松散体进行分段分次固结施工，以达到回填塌腔及封堵瓦斯的效果。

6）瓦斯洞段施工安全防护措施

（1）加强对人员教育培训，对全体员工进行安全教育，普及瓦斯知识。

（2）建立进洞登记及门岗检查制度，凡进洞的人员必须在洞口值班室登记并接受检查后方可进洞，严禁携带火种及可能产生火花的物品入内。

（3）加强瓦斯监测，做好人工监测和自动监测，发现瓦斯浓度超标及时撤人、断电等。

（4）加强通风，必须保证通风24 h 正常工作，做好应急备用电源等。

（5）为保证人员安全，进洞人员必须佩戴氧气自救器、防毒面罩等防护用品，穿好防静电服，使用煤矿防爆矿灯，严禁穿戴易产生静电（如化纤）等。

（6）钻爆段与TBM 瓦斯段为同一隧洞，属于同一工区。受上游瓦斯段影响，相应施工组织对应调整，执行瓦斯段施工相关要求。

3.5 TBM 通过瓦斯段后正常段隧洞掘进支护施工

TBM 掘进整机后配套通过瓦斯段大于50 m 为TBM 通过瓦斯段后正常段，该段施工仍然全程执行对瓦斯及风电的监测，视监测结果调整施工，若瓦斯监测隧洞内任意一处瓦斯含量长期正常（通风正常，3 d以上），则TBM 施工调整为正常非瓦斯段施工实施。但通风、通电及瓦斯监测一直持续到TBM 整段掘进贯通为止。

4 结论

由于敞开式TBM 掘进机为全断面、机械化施工，开挖、支护方式单一，需要准确研究破碎带、软岩段及有毒有害气体等的特点，合理选择和配置刀盘转速和贯入度等掘进参数，提前制定相应的处理措施，避免TBM 在没有任何保护措施的情况下进入不良地质段。从工程的施工效果可以看出，不良地质段处理及瓦斯隧洞施工技术达到了在特殊地段及复杂地层中TBM安全快速施工的目标。在实际工程应用中，要结合实际工程情况合理的选择掘进参数、支护体系。希望能给同类敞开式TBM 通过不良地质段施工提供借鉴和参考。