敞开式TBM穿越孤石堆积体泥质填充型溶洞施工技术研究

徐海峰，王 斌，徐鹏祖，杨延栋，王天一

（1.中铁隧道股份有限公司，河南 郑州 450001；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；3.中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458）

随着地下工程的不断发展，中国已经成为隧道及地下空间工程规模最大、地质条件最复杂、修建速度最快的国家之一，长大隧道TBM 的使用越来越广泛，已经在地铁、市政、水电、铁路等领域得到广泛应用，但由于结构复杂、岩体破碎程度较大、TBM 长时间卡机、刀盘、刀具损伤等问题，致使TBM 掘进过程中存在异常，轻则影响施工进度，重则发生安全事故。

针对TBM 穿越不良地质施工过程中的问题，众多学者进行了大量的研究和探索。齐梦学[1]等结合TBM 工程实践，总结了10 项超前处置技术用于TBM 应对不良地质；杨腾添[2]等在传统敞开式TBM 的基础上，引入超前钻注一体化装备，建立了配套的TBM 超前加固技术，用于不良地质超前加固；刘琪等[3]采用三维数值模拟的方法，揭示了TBM 穿越断层破碎带时的岩机作用关系；朱光轩[4]采用室内模拟实验的方法，建立了TBM穿越破碎地层刀盘被卡灾害判识方法；王亚锋[5]等针对大瑞铁路高黎贡山隧道，总结了TBM 穿越富水破碎地层的TBM 施工技术；张兵[6]等结合掌子面前方化学灌浆加固、小导洞开挖及超前管棚等方法，有效降低了TBM 在破碎地层掘进刀盘被卡的风险；齐梦学[7]首次采用选项对比表形式综述复杂地质TBM 施工关键技术，提出解决断层破碎带、岩爆、软岩大变形情况下TBM顺利施工问题的关键技术；冯欢欢[8]等在总结分析辽西北供水等工程建设过程中出现的隧道局部塌方、TBM 卡机等案例及其影响因素的基础上，从装备改造、掘进参数调控、施工过程控制等方面提出了相关的建议；罗武先[9]等总结了引松供水总干线TBM 穿越灰岩岩溶段的具体措施和关键技术，结合实际情况对开敞式TBM 穿越灰岩岩溶构造地层的预报、处置等措施给出了建议；胡军[10]提出了更换刀箱挖提供钢管片安装空间、钢管片支护提高撑靴撑紧力、更换大减速比减速器提高刀盘脱困扭矩、优化护盾结构满足护盾超前钻孔支护等设备改造技术，有效解决了软弱围岩卡机问题；赵海雷[11]等依托于吉林引松供水四标，通过对灰岩隧洞段的特殊地质条件进行分析，提出了开敞式TBM 的针对性设计和克服不良地质风险的施工技术；孙振川[12]等依托于引松供水四标段，结合工程实践，提出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一系列确保TBM 连续施工的方案与措施。但对于其他工程的适用性有待进一步验证。对于孤石堆积体泥质填充型溶洞的TBM施工技术目前鲜有报道，本文以滇中引水香炉山隧洞为依托开发针对性施工技术，对于TBM 安全穿越孤石堆积体泥质填充型溶洞意义重大。

1 工程概况及重难点

滇中引水工程是国家2020 年前开工建设的172 项重大水利工程10 大标志性工程之首，滇中引水工程以解决滇中地区的城镇生活及工业用水为主，兼顾农业和生态。

滇中引水工程大理Ⅰ段施工3 标位于大理州鹤庆县松桂镇境内，线路长约26.542km（TBM 掘进总长度为20.802km，钻爆段为4.845km，双孔U 型渡槽595m)，标段工程平面布置如图1 所示，TBM 掘进段隧洞开挖直径∅9.83m，设计纵坡1／1 800，工程地质和水文地质条件复杂。

图1 标段工程平面布置图

2 孤石填充溶洞段TBM施工问题分析

2020 年11 月18 日，TBM 掘进至X7K1+806位置时，TBM 皮带机出渣过程中出现泥夹小块孤石和片石，如图2 所示。后续TBM 采用低转速、低扭矩参数持续掘进6.5m，皮带机出渣变为大块石夹溶蚀渣体，且溶蚀渣体不断增多，出渣量持续增加为TBM 正常掘进时出渣量的5～6 倍，输送皮带多次被压死，且多处砸伤、划伤。掘进过程中扭矩和推力一直居高不下（推力20 000～25 000kN，扭矩10 000～15 000kNm），因扭矩过大造成电机多次出现切断现象。

图2 刮渣口及输送带渣体照片

3 孤石堆积体泥质填充型溶洞施工技术

孤石堆积体泥质填充型溶洞处理措施，主要通过超前钻探和物探进行对掌子面围岩进行研判，通过超前对掌子面超前加固，确保前方围岩稳定，破碎围岩揭露后加强支护，并且对其及时封闭，使拱部松散体及塌腔进行注浆加固和分层回填，确保施工安全。敞开式TBM 掘进过孤石堆积体泥质填充型溶洞施工流程如图3 所示。

图3 TBM过孤石堆积体泥质填充型溶洞施工工艺流程图

3.1 超前地质预报与超前注浆加固

3.1.1 超前地质预报

采用地质调查、钻探法和物探法（三维地震波法、激发极化法）探明隧洞前方地质情况。通过现场踏勘，对地形、地貌以及围岩情况进行分析；通过钻探和三维地震波法对掌子面前方围岩情况进行研判；通过激发极化法对前方地下水情况研判。

3.1.2 超前注浆加固

1）掌子面超前玻璃纤维注浆加固 通过TBM 刀盘刀孔、刮渣口采用YT-28 手持钻机向掌子面前方施作4m 和6m 长度的∅32mm 玻璃纤维锚杆，浅孔灌注化学浆形成2～3m 止浆墙。深孔灌注双液浆对孤石堆积体进行加固。每4m 一个循环管棚施工（搭接1m）。

2）拱部120°超前管棚注浆加固 在顶护盾尾部120°范围施作长30m、∅76mm 的中管棚，孔间距1.0m，灌注化学浆液对护盾顶部破碎岩体进行加固。每20m 循环管棚施工（搭接10m）。

3）隧底超前管桥注浆加固 采用潜孔钻机自TBM 底护盾后方90°范围施作长8m 的∅108mm管桥，孔间距1.0m，采用1：1～1：0.5水泥浆，超前加固隧底围岩。每4m 一个循环管棚施工（搭接4m）。注浆压力不小于0.3MPa，当注浆压力达到1.0MPa 或有回浆和渗浆时，停止注浆，防止浆液流入刀仓内固结刀盘。

3.2 TBM掘进参数与姿态控制

3.2.1 掘进参数控制

防止TBM 被孤石卡死和损伤，TBM 过孤石堆积体泥质填充型溶洞时，采用“低转速、低推力、低扭矩”缓慢掘进。溶洞加固前后TBM 掘进参数如表1 所示。

表1 注浆加固前后TBM掘进参数对比表

3.2.2 掘进姿态控制

因孤石堆积体泥质填充型溶洞为全断面贯穿性，TBM 掘进过程中姿态控制难度较大，为防止“栽头”，TBM 在孤石堆积体泥质填充型溶洞段需保持“抬头”姿态掘进，水平趋势保持在3.5～5.5mm／m，垂直偏差保持+100mm，并通过勤换步来及时调整TBM 姿态。

3.3 加强初期支护与径向注浆加固

3.3.1 加强初期支护

1）溶腔段出露护盾后在设计最强锚喷支护类型初期支护的基础上进行加强，钢支撑间距为0.3m，钢支撑背侧密布∅16mm 钢筋排。纵向采用I20 半剖型钢加强纵向连接，增加拱架强度。

2）对护盾尾部揭露的破碎围岩立即采用应急喷射混凝土设备对边顶拱270°范围喷射C25 聚丙烯粗纤维混凝土进行封闭，确保围岩稳定安全。

3）隧底90°范围采用C25 干硬性混凝土进行封闭。

3.3.2 径向注浆加固

1）自顶护盾后方拱部120°范围内打设∅42小导管，深度3m，间、排距1.0m，先喷射厚50cmC25 聚丙烯粗纤维，后灌注1：1～1：0.5水泥净浆，厚3m，对拱部松散体进行固结。

2）两侧撑靴范围打设∅42 注浆导管，间、排距1.0m，长度3.0m，梅花形布置，先喷厚0.5mC25 聚丙烯粗纤维混凝土，再注双液浆对塌腔范围松散岩体进行加固，厚度不小于3m，如图4 所示。

图4 撑靴范围径向注浆孔布置示意图

3.4 拱顶塌腔回填

拱部120°范围埋设∅108mm 注浆管，每个断面埋设3 个预埋管，排距3.0m，预埋管长度根据出露塌腔深度随机确定，预埋回填管不大于6m，塌腔内回填C20 混凝土，厚度不小于3m，如图5 所示。根据溶洞发育情况从顶拱处预设∅108mm 无缝钢管顺溶洞发育走向至隧洞底部作为排水通道，间排距2.0m，管口采用钢筋网封闭防止松渣堵塞管口，对应隧洞底部回填区采用钻机造孔，保证排水流畅。

图5 拱部回填C20混凝土示意图

4 结论与讨论

1）针对香炉山隧洞TBM 掌子面孤石堆积体泥质充填型溶洞的问题，提出护盾顶部、刀盘前方以及隧底管桥进行超前注浆加固，避免孤石对刀盘的损伤、卡机以及TBM 载头的风险。

2）针对香炉山隧洞TBM 超量出渣造成输送带多次出现抱死的问题，提出对刮渣口格栅采用钢板进行封堵，缩小刮渣口的口径，减少出渣量，提高出渣效率，降低渣体对输送带的损坏。

3）针对揭露破碎围岩、大塌腔及撑靴范围破碎岩体不能满足撑靴压力的问题，提出采用TBM自带应急喷浆设备及时对岩面进行喷浆封闭，对塌腔进行分层进行回填，对撑靴范围破碎岩体进行注浆加固，确保揭露围岩稳定、施工环境安全。此方法操作简单，混凝土起强较快，使TBM在破碎围岩不良地质段稳定、安全、快速通过。

4）上述方法的实施对TBM 施工应对香炉山隧洞孤石堆积体泥质充填型溶洞起到了重要作用，避免了TBM 长时间卡机，提高了TBM 在不良地质段施工效率。