TBM在秦岭输水隧洞岭北段施工应用研究

赵国涛

(中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 408400)

1 工程概况

1.1 基本情况

秦岭隧洞TBM施工段岭北工程主洞施工长度16690m(桩号：K46+360～K63+050)。5号支洞(桩号：斜0+00～斜45+95)，水平距离4595m，斜向长度为4620m，与正洞在桩号K55+280处交接。该支洞施工洞段围岩以Ⅳ级为主，其次为Ⅲ、Ⅴ级。该支洞通过断层六条，宽度总计400m，主要解决中间TBM长段落施工通风、出渣、检修等问题。

秦岭输水隧洞TBM岭北段施工组成如下：TBM后配套安装洞(100m)、TBM主机安装洞(82m)、TBM步进洞(307m)、TBM始发洞(25m)、TBM检修洞(60m)、TBM拆卸洞(50m)和TBM掘进施工段(7226m+8840m)。采用一台φ8.02m敞开式硬岩掘进机施工，支洞固定皮带机+主洞连续皮带机出渣，模筑衬砌段采用全圆穿行式模板台车TBM同步衬砌技术。其中TBM后配套各洞均采用钻爆法施工，现浇混凝土衬砌。

1.2 地形地貌

TBM施工段位于秦岭岭脊高中山区，地形起伏。高程范围1070～1850m，洞室最大埋深约1300m。5号支洞：从进口至交接口地层依次为千枚岩夹变砂岩，千枚岩、炭质千枚岩，千枚岩夹变砂岩。项目施工区域在大地构造上属于秦岭褶皱系中的南秦岭印支褶皱带。该施工支洞通过f12、f13、f14、f15、f16、f17六条断层，断带物质为碎裂岩和糜棱岩，宽30～90m。

1.3 围岩分类

TBM段隧洞围岩类别以Ⅲ、Ⅳ类为主(见TBM段围岩类别统计图)。

TBM段围岩类别统计图

1.4 工程地质条件及稳定性评价

TBM岭北工程洞室埋深550～1300m，岩性为千枚岩、炭质千枚岩、变砂岩、角闪石英片岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩、断层角(泥)砾。洞身段位于弱风化—微风化岩体中，岩体破碎—较完整。洞身段均位于地下水位以下，地下水分布主要受构造、节理、裂隙的发育和分布情况控制，主要表现为基岩裂隙水及构造裂隙水。各断层破碎带处洞身围岩以Ⅴ类为主，极不稳定[1]。

2 施工方案分析

2.1 TBM主洞钻爆段

2.1.1 后配套安装洞、TBM检修洞

后配套安装洞设计长度100m，开挖断面高17.3m，宽11.8m，采用圆拱直墙断面，地质岩性为Ⅲ、Ⅳ类围岩。后配套安装洞利用先期施工完成的6号主洞延伸段(钻爆段)为施工作业面，采用扩挖方法形成后配套安装洞的开挖施工作业空间。开挖作业时采用挑顶导洞法，先开挖挑顶小导洞，再进行二次扩挖，并分区分部进行施工，采用钻爆法施工，光面爆破，风动凿岩机钻孔。挑顶导洞断面根据围岩情况合理确定，掘进循环进尺为3m，出渣主要采用3m3侧卸装载机配20t自卸车运输，人工配合1.6m3挖掘机进行安全处理及岩面清理。

TBM检修洞设计长度60m，开挖断面高10.02m，宽10.52m，采用圆拱直墙断面，Ⅲ类围岩；检修洞利用5号支洞扩挖形成检修洞施工作业空间，虽然围岩较好，但由于断面较大，考虑出渣运输等因素，开挖作业时采用台阶法施工。后配套安装洞、检修洞采用压入式通风，无轨运输出渣，组合钢模衬砌。

2.1.2 TBM主机组装洞

利用先期完成的后配套安装洞作为作业面和施工通道，采用钻爆法施工，光面爆破，导洞先行，分步台阶法二次扩挖成型的施工工艺进行开挖。采用风动凿岩机钻孔，装载机配合自卸车出渣，组合钢模衬砌，压入式通风。

导洞开始处位于安装洞的中下部，逐步上抬至安装洞顶部。导洞完成后，根据出渣需要，首先进行上部台阶扩挖，预留下部台阶作为出渣运输通道。上部完成后自内向外开始下半部分的扩挖。

主机安装洞开挖断面高20.09m，宽15.41m。断面为蘑菇形，蘑菇头底部宽18.61m，开挖断面大，拱部要预埋安装桥吊用的吊点，拱脚平台要施作安装桥吊走行轨的托梁，对开挖轮廓线尺寸要求十分严格，尤其不能破坏拱脚平台部分的围岩[2]，以免影响托梁基础的承载能力。因此，采用光面爆破技术，严格按设计控制好周边眼的间距和装药密度，以减少超欠挖情况，最大限度地减少对托梁基础部分的扰动和破坏。掘进循环进尺控制在3m，出渣主要采用3m3侧卸装载机配20t自卸车运输，人工配合1.6m3挖掘机进行安全处理及岩面清理。

2.1.3 步进洞、始发洞

步进洞设计长度307m，其中Ⅳ类围岩38.88m，较破碎、节理发育；Ⅲ类围岩268.12m，完整性差、节理发育；Ⅳ类围岩开挖断面高8.89m，宽9.06m，圆拱直墙断面；Ⅲ类围岩开挖断面高8.72m，宽8.72m，圆拱直墙断面。

始发洞设计长度25m，地质岩性为Ⅲ类围岩，完整性差、节理发育；开挖断面为直径8.92m的圆形断面。Ⅲ类围岩开挖作业时采用全断面法，Ⅳ类围岩开挖作业时采用台阶法施工，台阶高度考虑运输及作业方便，上半断面高度取不低于6m，光面爆破，侧卸式装载机配合自卸车装渣运输。开挖落底后先施做仰拱块道床细石混凝土，然后回填渣至道床最顶面；TBM通过后采用TBM同步衬砌台车衬砌，混凝土集中拌和，搅拌运输车运入，泵送入模，人工振捣密实。

2.1.4 TBM拆卸洞室

根据总体施工安排，拆卸洞(桩号：K46+410～K46+360)先利用TBM掘进通过拟拆卸洞段，然后用钻爆法扩挖至设计的拆卸洞室断面，扒渣机装渣，梭式矿车有轨运输至5号支洞与主洞交口处，再通过5号支洞皮带机出渣，支护、衬砌施工方法同主机组装洞室。TBM拆卸运至洞外后，施工拆卸洞室的浆砌片石，并采用钢模施作内衬混凝土。

2.2 TBM主洞掘进段

采用全断面开敞式硬岩TBM，开挖直径8.02m(边刀磨损到极限时)，掘进行程1.8m。采用连续皮带机和支洞皮带机接力，把弃渣从TBM后配套运至支洞洞口，利用洞外转载皮带机运输至临时弃渣场，之后以自卸车运至永久弃渣场。TBM在第一阶段掘进时，通过6号支洞将弃渣运至支洞洞口；TBM在第二阶段掘进时，通过5号支洞将弃渣运至支洞洞口。

早期洞段开挖支护借助TBM上锚杆、钢拱架、喷射混凝土等。二次衬砌采用TBM同步衬砌施工技术，TBM掘进的同时，在后配套后方适当的位置同步施工二次衬砌并保持二者综合作业速度相匹配。施工材料从洞外以汽车经6号支洞运至TBM组装洞室，转载到有轨运输列车上，再以有轨运输方式运抵TBM以及二次衬砌作业点。全部施工材料均通过6号支洞运至洞内。

建设专业的仰拱预制厂，专用模具生产、蒸汽养护；TBM上配备仰拱块吊机，在TBM掘进的同时完成仰拱预制块铺设。施工期通风采用欧美进口风机，一站压入式通风，TBM掘进第一阶段由6号支洞口取风，经支洞、主洞到达TBM作业区；TBM掘进第二阶段由5号支洞口取风，经支洞、主洞到达TBM作业区。TBM施工段施工期排水全部采用梯级泵站，由6号支洞排出。

3 施工重难点分析

施工重点、难点包括如下内容：Ⅳ、Ⅴ类围岩等地质条件下TBM掘进技术难点；突涌水、突泥等不良地质条件下超前地质预报技术难点；TBM同步衬砌技术难点；施工排水技术难点；以及长距离通风、长距离运输和高岩温、岩爆地质条件下施工技术难点。

3.1 Ⅳ、Ⅴ类围岩等地质条件下TBM掘进技术难点分析与对策

3.1.1 重点难点分析

5号支洞需要穿越的Ⅳ、Ⅴ类围岩长度分别为3315m和385m，占掘进段总长度的80.52%，其中穿越6条断层，累计影响长度为400m，占掘进长度的8.7%。

TBM施工段需要穿越的Ⅳ、Ⅴ类围岩长度分别为6102.517m和870m，占TBM掘进段总长度的42.15%，其中穿越14条断层，累计影响长度为920m，占TBM掘进长度的5.69%。

本项目能否按照既定工期完成，TBM快速安全通过Ⅳ、Ⅴ类围岩段是关键。通过对设计文件图纸的研究，总结出穿越的Ⅳ、Ⅴ类段对开挖的影响，主要表现为如下几个方面：初期支护量增加，严重影响掘进速度；落渣急剧增加，造成残渣量剧增，清渣工作量大，占用时间长，直接影响钢拱架支护以及掘进施工；软岩破碎带超前支护，减缓掘进速度；千枚岩地层需要及早封闭，且初期支护占用时间长，导致开挖速度减缓。尤其在断层破碎带，围岩往往稳定性差，会导致坍塌、挤压变形，将严重影响施工。特别是本标段开挖过程中需要通过的断层破碎带数量之多、比例之大，可以说是前所未有的。因此，如何顺利穿越这些断层将对本项目工期、施工安全产生巨大影响。

3.1.2 对策及措施

开展隧道开挖地质超前预报工作。通过超前地质预报设备，结合地质勘探、隧洞设计以及施工观测成果，需及时实施超前地质预报，防患于未然。采取联合探测的形式，同时配备超前钻探、BEAM系统、HSP系统，必要时采用TSP203系统对掌子面前方进行长距离预报[3]。通过地质预测预报工作，及早采取预防措施尽量减少特殊岩性造成的停机时间。当遇到隧洞掌子面前方出现断层带和软弱破碎带时，采用超前钻机实施超前处理。

加强初期支护设备能力配置。在Ⅳ类加强、Ⅴ类围岩及断层破碎带施工，支护施工工程量较大，从施工安全、施工进度等方面考虑，又要求有较快的开挖能力，此时制约进尺的不再是破岩能力，而是初期支护能力，因此，对于该支洞的开挖必须配置高效的初期支护设备。锚杆钻机选用技术先进、性能可靠、实践应用广泛的产品，保证具有快速钻孔能力。钢拱架安装器设计，参考以往本单位应用经验，与制造商共同研究，选用结构简单、可靠性高、操作便捷的设备，并且可以根据围岩条件拼装普通钢拱架、加强型钢拱架、可伸缩钢拱架，甚至适用的钢管片。在断层破碎带洞段掘进，铺设钢筋网是较为有效的支护方式，因此，钢筋网铺设必须能够实现机械化或者半机械化，关键是高效[4]。在断层破碎带，必须喷射混凝土，并且要求及早封闭，最终还要达到要求的喷射厚度。

配置超前支护和围岩加固设备。配置超前支护钻机，必要时可以对刀盘前方的围岩实施超前锚杆、超前小导管、超前注浆、超前管棚等超前加固；可以采用加固速度快、效果较明显的新型化学浆液材料。

综合应用多种支护手段。在Ⅳ类加强、Ⅴ类围岩的断层破碎带等区域性断层影响洞段，开挖过程中的支护工作尤其重要，必须根据现场揭露的围岩状况，由地质工程师进行综合判断，制定适宜的支护措施并及时实施。

撑靴面积配置合理、撑紧压力可调。Ⅳ、Ⅴ类围岩稳定性差，有可能造成撑靴撑紧洞壁困难，因此撑靴与洞壁的接触面积要配置合理，同时撑紧压力可以根据围岩条件调整，做到既能保证足够的推进力、又能尽量避免造成撑靴部位围岩进一步坍塌。

3.2 突涌水、突泥等不良地质条件下超前地质预报技术难点分析与对策

3.2.1 重点难点分析

5号支洞和岭北TBM施工段洞身基本都在地下水位以下，地下水主要为基岩裂隙水及构造裂隙水，基本依靠大气降水补充。隧洞所涌之水均为储存于非均质各向异性的裂隙含水介质中的静储量，与地表水体无直接水力联系，但出水点分布不均，主要分布在断层带及影响带、节理密集带、软弱结构面地段。预测隧洞通过断层带时，可能出现较大突然涌水涌泥。

按照水文计算5号支洞一般涌水量为5076m3/d，最大涌水量为10152m3/d。岭北TBM施工段预测主洞存在14个突涌水区段，总长度920m。正常涌水量为12268m3/d，最大涌水量为24536m3/d。岭北TBM施工段，虽然是顺坡排水，但由于坡度极小，仅1/2474，施工期排水如果完全依靠自流方式，势必造成TBM区域大量积水。这对于施工人员、设备的安全以及施工进度等均会造成直接影响。由于地下水没有明显的构造异常显示，但又随机分布，因此探明和预报地下水位置和富水规律，是隧洞地下水处理研究的重点。如何做好地下水超前地质预报也是本工程的难点之一。

3.2.2 对策及措施

采取综合超前地质预报手段。在极易发生涌水地段施工掘进时，综合采取各种超前地质预报方法，提前检测掌子面附近水文地质条件；接近含水体时利用超前钻孔进行水量和水压测试，判断水的方向及突水、涌泥的危险程度，根据涌水量和水压确定灌浆止水方案。

5号支洞段：采用3级施工为反坡排水，在1号泵站(水仓400m3)、2号泵站(水仓420m3)、3号泵站(水仓450m3)分别安设3台150D30×5型水泵，采用2用1备的原则设置，将5号支洞的水分级抽至洞外。

掌子面配备了6台70-12型多用泵，每台流量70m3/h、扬程80m、电机功率7.5kW和5.5kW。掌子面水用多用泵将水抽至临时集水坑，再由临时集水坑抽到接力泵站进而排到3号泵站，3号泵站将水排到2号泵站，再由2号泵站将水排到1号泵站进而排到洞外，临时集水坑随着掌子面开挖而同步前移(目前项目部在5号洞备用了3台200kW、150m3/h、180m扬程水泵作为继续向5号洞上下游掘进的备用泵)。

岭北TBM段：对于掌子面前方，采取联合探测的方法。施工现场采用TBM自带的超前钻机钻孔，根据钻孔时钻机的推力、扭矩和钻进速度，预测前方地质和地下水情况。TBM掘进的同时，连续采用BEAM系统实施电法超前地质探测，根据在锦屏二级电站引水洞开敞式TBM上的应用经验[5]，可探测长度在洞径6倍范围内的地质与地下水情况。配备HSP超前地质探测系统，利用声波反射法探测掌子面前方地质与地下水情况，该系统已经在很多工程施工中得以应用，应用效果良好。必要时采用安伯格测量技术公司研制的TSP203探测系统进行隧洞施工中长期预报。

设置完善的排水系统，并配备预防突涌水涌泥时的应急排水措施。在TBM上配备2套加强型排水系统，根据涌水量大小决定开启数量。由于隧洞坡度小，TBM掘进过程中需要采取抽排方式排水至主洞与支洞交叉口的集水坑，再分级泵送到洞外。项目在6号支洞与主洞交叉口处的6号泵站增加2条，φ400排水管道，配以2台410kW水泵应对突涌水情况发生，为使TBM掘进过程中排水通畅，在TBM组装洞至6号支洞喇叭口处全部修建了排水渠，能够实现自流。5号支洞排水系统在5号支洞施工完成后，保留下来作为TBM施工第二阶段时后备排水设施，一旦出现突涌水时启用。

设置完善的逃生和避险设施。为确保人员安全，特别在5号支洞内设置了逃生梯，并放置救生圈，以便发生涌水时施工人员能安全逃生。在合理的位置设置避险安全仓，来不及逃出洞外的人员可以进入安全仓，等待救援。

3.3 TBM同步衬砌技术难点分析与对策

3.3.1 重点难点分析

TBM施工具有安全、快速等特点，以往开敞式TBM掘进的隧洞，必须全部或者分阶段贯通后，再施作二次衬砌，工期长、成本高，存在安全隐患；本标段工程要求采用TBM同步衬砌施工技术。

开敞式TBM同步衬砌施工技术，就是TBM在前方正常掘进，后面同时施作二次衬砌，需要保证二者之间的相互协调、互不干涉，也就是不论TBM处于何种工作状态，二次衬砌的任何工序均不受影响；同时，不论二次衬砌处于何种工作状态，TBM掘进的任何工序均不受影响。

实现TBM同步衬砌，必须要妥善解决如下重点问题：TBM掘进与二次衬砌同步施工总体方案规划；连续皮带机穿越同步衬砌台车且不间断运行；有轨运输列车穿行同步衬砌台车且二衬作业不受干扰；长距离隧洞施工通风系统穿越同步衬砌台车且通风运行不间断、通风效果不受影响；二次衬砌速度与TBM掘进速度相匹配；TBM施工供电、供水、排水、照明、通信等线路穿越同步衬砌台车且不因同步衬砌作业而中断；要求同步衬砌台车工作性能稳定，保障施工平稳进行。

3.3.2 对策及措施

借鉴在中天山隧洞有轨运输出渣条件下开敞式TBM同步衬砌(开挖直径8.8m)、兰渝铁路西秦岭隧洞连续皮带机出渣条件下开敞式TBM同步衬砌(开挖直径10.23m)施工经验，紧密结合本工程的条件与特点，制定方案合理、可行性高的同步衬砌方案。本工程隧洞开挖直径8.02m，采用连续皮带机出渣，有轨列车运送施工材料，并且TBM上的软风管储存筒外径达到约2.2m，且仰拱预制块为内弧面形状，因此同步衬砌台车设计难度更大、同步衬砌施工组织也更加困难。

同步衬砌台车有效衬砌长度为16m，数量配置与TBM综合掘进速度相匹配。同步衬砌台车与TBM、连续皮带机、隧洞通风系统同步设计，相互协调，确保在横断面布置上保持协调统一。台车下部台架预留空间，保证单列有轨运输列车正常通行。台车上部台架中间，预留大直径通风软管通行通道，并安装相应的保护筒，避免通风软管受损；通风软管在洞内悬挂的位置、在TBM后配套上的安装位置以及穿越同步衬砌台车时的位置保持一致，避免通风软管出现弯折而影响通风效果。台车台架侧面设计连续皮带机承台，并预留足够空间，作为连续皮带机穿越同步衬砌台车时的支撑和通道；承台上设置减震装置，避免连续皮带机运转时的振动对二次衬砌混凝土结构产生不良影响。连续皮带机在洞壁的固定支架，设计为两节式、长度可调结构，拆装方便，满足连续皮带机穿越台车前后支架快速拆卸和再次安装之需，并且适应二次衬砌施作前后支架长度的变化。IV、V类围岩洞段需要施作钢筋混凝土，因此在每部同步衬砌台车前方设计制造钢筋绑扎台车，同样需要满足上述通行条件，实现方法相同。在TBM掘进第一阶段配置2台同步衬砌台车，当TBM转入第二阶段掘进施工时，原用于第一阶段的2台同步衬砌台车继续完成第一阶段剩余洞段的衬砌施工，第二阶段增配2台同步衬砌台车跟随TBM施工。

3.4 长距离通风技术难点分析与对策

3.4.1 重点难点分析

秦岭隧洞越岭段约40km，分为两个标段，岭北TBM段(分界点K46+360)至6号支洞与主洞交叉口(K65+163.517)，中间设有5号支洞(5号支洞与主洞交叉口桩号K55+280)，TBM施工分为两个阶段，则隧洞施工通风也分为两个阶段，第一阶段利用6号支洞实施通风，最大通风距离12362m(6号支洞2479m+主洞9883m)；第二阶段利用5号支洞实施通风，最大通风距离13540m(5号支洞4620m+主洞8920m)。岭北TBM施工段最大埋深1300m，不具备增加辅助通道的条件，因而上述最大通风距离也无法缩短。

隧洞开挖直径8.02m、最大通风距离达13.5km的施工通风，在方案设计、设备配置、施工管理等方面均具有很高的挑战性；同时，本标段工程还要采用TBM同步衬砌技术，则隧洞施工通风系统还要顺利穿越同步衬砌台车，并保证长时间不间断运行，这对于通风设计又增加了难度。

3.4.2 对策及措施

采用先进的通风机以及优质通风软管，加强施工通风管理。采用一站式独头压入通风，直接从洞外压送新鲜空气到洞内。总体通风方案根据支洞设计，分为两个阶段。采用欧美进口、节能风机，既保证风量风压，又可降低运行成本。采用性能可靠的大直径、长管节通风软管，减少风量损耗。从支洞到主洞转弯处，通风软管采用特殊设计，确保风道平顺，减小阻力。通风软管接头采用拉链式并有相应的防护措施，确保不漏风且接头部位阻力小。完善有害气体监测措施，设计良好的除尘系统，TBM上合理配套高效的除尘设备，确保施工人员与设备的安全。加强通风管理，确保通风软管悬挂顺直，尽量避免或减少通风软管破损，对破损部位采用先进方法及时修补。

3.5 岩爆地段施工技术难点分析与对策

3.5.1 重点难点分析

岭北TBM施工段预测岩爆全部发生在Ⅲ类围岩洞段，合计14个区段，总长9420m，占TBM掘进长度的58.3%，岩爆的等级以中等—轻微为主。5号支洞地应力较高，当在完整强度较大、干燥环境的Ⅲ类围岩洞段的变砂岩中施工作业时，因为地应力集中，在掌子面或离掌子面1倍左右洞径的地段极易发生岩爆。TBM施工具有对围岩扰动较小、掘进速度快、开挖边界光滑等特点，掘进成洞后，围岩应力集中较弱，在一段时间内能保持稳定；然而，经过一段时间的应力重分布后就可能发生岩爆，即TBM施工中的岩爆具有滞后性，这种现象对于施工安全的危害更大。

3.5.2 对策及措施

加强超前地质预报。根据勘察设计成果，在可能发生岩爆的洞段掘进时，以地质预报为先导，坚持先探测后掘进的原则。加强预测预报，做好超前地质预报，根据施工经验及超前钻孔对岩体进行力学计算分析，确定岩爆发生的强度等级。

及时喷水。利用TBM刀盘喷水系统，加大掌子面喷水流量与喷水压力，降低开挖面的岩石温度和脆性，软化表层使应力释放，减少岩爆发生的可能。对暴露的石头表面及时洒水，软化岩石，降低脆性加强塑性，减小岩爆的可能性。

施作应力释放孔。岩爆洞段，只要围岩在TBM护盾后方出露，立即利用锚杆钻机在洞壁上钻孔，释放围岩地应力；必要时，采用超前钻机在掌子面上纵向钻孔，释放应力，可有效降低岩爆发生的强烈程度。应力释放孔钻孔完成后，向孔内注入高压水，加快应力释放、软化围岩，降低岩爆危害。

加强初期支护。根据锦屏二级电站引水洞以及其他隧洞施工经验[6]，加强初期支护，对于避免、减轻岩爆，降低岩爆危害具有显著效果。

人员安全防护。岩爆非常剧烈时，人员躲避到安全距离，直至岩爆平静。重新开始开挖施工时，检查有无剥落岩石，如有需要及时清除。在可能岩爆地段作业，安排专人加强岩石应力应变各项指标监测，作业人员和机械加强防护，确保施工作业稳定。

4 结 语

长大隧道施工面临着不可控因素诸多，开挖过程中可能出现围岩稳定性差，突涌水、突泥等不良地质，以及TBM同步衬砌、长距离通风难、岩爆等一系列问题，必须根据现场施工条件，优化施工方案，注重超前地质预报，加强初期支护，设置完善的排水系统和避险设施，配置超前支护和围岩加固设备，综合多种支护手段，加强围岩安全监测。秦岭输水隧洞岭北段完工后外观质量及整体性良好，无孔洞、蜂窝，超声回弹和钻孔取芯检测结果显示的各项指标参数均符合规范及设计要求。