開敞式TBM在灰巖段巖溶及炭質板巖地層中快速掘進技術

張俊卿

中鐵隧道股份有限公司 河南鄭州 450001

全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）作為巖石隧道最先進的開挖裝備，在我國已廣泛應用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領域[1]。與傳統的鉆爆法相比，TBM的優點是可實現連續掘進，能同時完成破巖、出渣和支護等作業，具有較高的掘進效率，其掘進速度一般為常規鉆爆法的3-10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對周邊環境影響小、作業安全及節省勞動力等優點，特別適合于深埋長隧道的施工[2-4]。但是，TBM施工是一個相對復雜的系統工程，受眾多不確定因素的影響和制約。目前國內外采用TBM施工的很多項目中，其中不少工程項目受復雜地質條件的影響而導致施工受阻，TBM法快速高效的優勢無法得到充分發揮[5-7]。另外，TBM穿越長大灰巖巖溶地層中的施工技術在國內外范疇尚屬缺乏，沒有可借鑒的施工經驗。根據引松供水四標段地質資料顯示，TBM掘進需穿越7km長的灰巖巖溶段，掘進過程中存在溶蝕溶洞、塌方、突泥涌水等施工風險；因此，采取有效的處理措施，保證TBM安全、順利的穿越灰巖巖溶段是該項目工程的重難點，并為今后類似的工程項目提供可借鑒的經驗。

1 工程概況

引松供水工程主要是為了解決關系民生的吉林省中部城市生活及生產用水問題，工程輸水干線全長263.02km，輸水總干線采用自流輸水。吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標段位于吉林市岔路河至飲馬河之間，線路樁號48+900m-71+900m，總長度23000m，由中鐵隧道集團有限公司施工。施工平面布置圖如圖1所示。

施工項目主要為隧洞主洞、支洞、調壓井和豎井的開挖、支護、襯砌、灌漿、封堵及排水等工作。隧洞主洞部分開挖采用全斷面TBM施工為主、鉆爆法為輔的施工方法。其中TBM施工段長為17488m，開挖成洞7.93m，襯砌后平均洞徑為6.8m。鉆爆法接應洞段、組裝及檢修洞段總長為5512m。區間共布置2個支洞、2個通風豎井和1個調壓井，支洞即7#、8#支洞，其中7#支洞長518m；8#支洞投影長1188m。支洞均采用鉆爆法施工，成洞斷面均為圓拱直墻型，成洞斷面尺寸均為7.2m×6.8m（寬×高）；豎井直徑5.0、6.3m；調壓井直徑18m。

2 工程與水文地質

2.1 工程地質

本標段斷裂構造方向以NE和NW為主，與洞身相交斷層及低阻異常帶39(包括確定斷層17條、物探異常帶19條、遙感解譯斷層3條)處，其中TBM掘進段有32處，按傾向北東向為13條，北西向為7條，南東向7條，南西向12條。分析認為Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41等斷裂斷層，為阻水或導水斷裂，且地處溝谷，有匯水條件，與地表水可能形成聯系，可能存在斷裂帶的突水、突泥問題。根據設計地質總剖面圖顯示，灰巖地層巖溶較發育，存在溶隙、溶槽、溶洞。已探明的溶洞有12處，其中有3處為疑似溶洞。最大溶洞高38.52m，距洞頂5.7m；最小溶洞高6.3m，距洞頂32.5m處。TBM自掘進開始7km為灰巖，巖溶較發育，實際揭露形式、規模、大小不一的溶蝕溶洞共計45處；溶洞內有的含有充填物，有的無充填物形成空腔，充填物較軟弱，遇水垮塌，且在撐靴部位時，撐靴無法受力；整個灰巖巖溶地層施工中TBM極其容易載頭、盾體被淹埋、無法調向、撐靴脫空打滑等風險，施工難度極大。

2.2 水文地質條件

線路區地表水由松花江水系控制，地表水總體由東南向西北、南向北流。較大河谷有岔路河及其支流石門子河，河水流量受季節影響較大，其余小河溝、支岔均為季節性河流。且隧洞在樁號62+273-62+413m從黃榆水庫下穿過，自掘進施工以來，依次經歷“2.19涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量達1200m3/h。

地下水主要靠大氣降水補給，枯水期地表徑流接受地下水補給，豐水期河水短時補給地下水。地下水以淺循環為主，在可溶巖及斷層部位存在深循環。線路前半部分山勢較高，地下水多以短徑流，常以下降泉的形式在溝谷低處排出地表。

3 灰巖段巖溶及炭質板巖段對TBM施工的影響

3.1 灰巖段巖溶對TBM施工的影響

結合本段水文地質情況分析，總結本段可能出現的巖溶構造和對TBM施工的影響如下：

①小型溶洞群：TBM掘進可能揭露圍巖連續出現的小規模溶洞。小規模溶洞對TBM掘進通過不會造成本質影響，但可能出現局部小規模塌腔、掉塊，造成人員和機械損傷，影響施工。

②大型空洞溶洞：大型空洞溶洞會對TBM掘進造成極大威脅，TBM貿然掘進揭露這一類型巖溶構造容易發生塌方、卡機事故，造成TBM難以掘進。尤其在隧道下部揭露時，可能產生TBM低頭，甚至掉機的事故。

③大型充填溶洞：由于該段落地下水補給充沛，溶洞充填的可能性很大。TBM揭露大型充填溶洞往往難以避免突水涌泥災害，輕者淹沒掘進工作區域，延誤TBM施工，重者或導致掌子面或附近圍巖坍塌等嚴重后果。

④巖溶管道：本段落沿線斷層破碎帶發育且地下水豐富，灰巖地層中的巖溶管道很容易聯通富水斷層。TBM揭露小規模巖溶管道可能出現洞壁涌水，延誤施工。如果揭露溝通大規模含水構造的巖溶管道甚至地下暗河，人員財產損失將難以估計。

3.2 炭質板巖地層對TBM施工的影響

炭質板巖，成黝黑色，圍巖軟弱，基本無強度，受力成粉末，遇水泥化容易糊刀盤，堵刀孔，且頂部伴有塌腔、掉塊嚴重，出渣困難，造成刀盤扭矩過載無法掘進；在轉接皮帶處打滑，無法順利出渣，造成場地泥濘；隧洞底部軟化，刀盤載頭等問題。

4 灰巖段巖溶及炭質板巖段不良地質段處理措施

4.1 超前地質預報

超前地質預報是決定TBM能否安全、順利通過灰巖巖溶地層的關鍵，可減少TBM在不良地質洞段掘進過程中的盲目性，及時采取正確的掘進參數和支護措施；TBM掘進超前地質預報方法主要采用長短距離相結合、地質素描等多種地質預報相結合的形式進行探測，通過對探測的結果對比更能準確的判斷出掌子面前方的圍巖情況，采取相對應的措施使之TBM安全快速的通過。

（1）激發極化法（短距離預測）。激發極化法是電法勘探的一個重要分支，發生在地質介質中因外電流激發而引起介質內部出現電荷分離，由于電化學作用引起附加電場的物理化學現象，稱為激發極化效應。激發極化法是以不同地質介質之間的激電效應差異為物質基礎，通過觀測和研究被測對象的激電效應進行地質探查的一種電法；能探測掌子面前方30m的地質情況，對水體比較敏感。（見圖2）

（2）三維地震波發超前地質預報（即TRT，長、中距離預測）。TRT的基本原理在于當地震波遇到聲學阻抗差異（密度和波速的乘積）界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質；可以在破碎巖層內實現遠距離探測定位，探測距離為100m。（見圖3）

圖2 激發極化三維圖像Fig.2 3d imaging of induced polarization

圖3 TRT三維圖像FlG.3 TRT 3d image

（3）地質素描。通過對出露護盾的圍巖以及在巖溶地層中通過刀艙內的刀孔、人孔對掌子面圍巖進行觀察，繪制地質素描圖，與物探的結果進行對比驗證。

4.2 巖溶地層不良地質處理措施

4.2.1 溶蝕及小溶洞群處理措施

2倍洞徑外的溶洞不處理。對TBM掘進過程中揭露出的溶洞和探測出的2倍洞徑內未揭露出的溶洞，根據巖溶型態大小、充填特征、充填物性質、巖溶水量及巖溶與隧洞的位置關系等采用不同的處理措施。

4.2.1.1 溶蝕及溶洞在拱頂位置

圖4 拱頂溶洞處理措施FlG.4 treatment measures of the arch top solution

溶洞出現在拱頂位置，在溶洞出露護盾前先安裝Φ12或Φ16鋼筋排及I16鋼拱架（間距可選擇45cm、90cm、180cm）進行支護。若溶洞內有充填物并伴有掉塊，為防止鋼筋排變形和鋼拱架收斂，將Φ22連接筋改為I16工字鋼與鋼拱架進行縱向連接，必要時減小鋼拱架間距；若溶洞內無充填物，待溶洞出露護盾后，采用I16工字鋼支撐一端與鋼拱架焊接，一端頂緊巖面，待I16工字鋼焊接牢固后將φ8鋼筋網片填塞至空腔內，采用鐵皮等對溶洞進行封閉并安裝φ42注漿管與排氣管，采用C20細石混凝土對溶洞溶腔進行回填，并在后配套進行回填灌漿作業。(見圖4)

4.2.1.2 溶蝕及溶洞在撐靴位置

溶洞出現在撐靴位置時，分兩種情況進行處理：

（1）溶洞內含有充填物且較破碎，在TBM撐靴位置安放H150型鋼或I16工字鋼，為TBM撐靴提供足夠支撐力，并提前進行網片掛設或鋼筋排安裝，采用應急噴射混凝土對溶洞位置進行噴射混凝土處理，噴射混凝土厚度與鋼拱架內弧面齊平，待混凝土強度達到要求后TBM慢速掘進通過。

（2）溶洞內無充填物，在拱架背部安放H150型鋼或I16工字鋼并焊接，或塞填折疊的φ8鋼筋網片和Φ22鋼筋，并在該處掛網噴射混凝土，噴射混凝土厚度與鋼拱架齊平，待混凝土強度達到要求時，TBM慢速掘進通過。

4.2.1.3溶蝕及溶洞在隧洞底部

TBM掘進過程中加強對掌子面圍巖的預判，結合物探地質預報推斷隧洞底部溶洞存在的可能性及規模，然后啟用應急泵站及管路深入刀盤前方對隧洞底部溶洞進行回填，實現邊回填邊緩慢推進的技術處理措施。溶洞在隧洞底部時，鋼拱架底部采用I16工字鋼進行縱向連接，防止鋼拱架和軌排發生不均勻沉降，確保支護和機車運行安全。

4.2.2 溶蝕及溶洞突泥涌水處理措施

施工前編制突泥涌水應急預案，施工過程中結合超前地質預報判斷突泥涌水的可能性及規模。發生突泥涌水后立即啟動應急搶險預案，并及時組織參建各方召開專家會，針對具體情況采取相應的處理措施。

突泥涌水處理措施：

（1）進入刀盤探明掌子面圍巖地質情況，通過刀孔、人孔及刮渣孔判定涌泥的大小、位置及規模形態，TBM每推進0.5m至少觀察1次，同時施做長距離TRT和地表鉆孔。

（2）判定刀盤是否能夠啟動，對刀盤人孔及刮渣孔焊接鋼板局部封堵，減小刀盤開口率以減少出渣量，每次掘進前空轉刀盤，將刀盤泥漿清理干凈。

（3）在皮帶倉位置堆碼沙袋墻，防止刀倉里面的泥漿從皮帶倉口涌出，刀倉內泥渣從皮帶系統輸送出去，避免影響底部支護結構施工。

（4）調整掘進參數：降低掘進速度、刀盤轉速、掘進推力，避免出渣量大造成皮帶堵死或急停。

（5）加強支護強度：圍巖出露護盾后及時進行封閉并加強支護，采取加密鋼拱架、鋼筋排、工字鋼縱連、噴射混凝土封閉等聯合支護措施，溶腔內灌填混凝土，確保支護強度不留安全隱患。

（6）加強監控量測：加強支護完成后，及時布設監控量測點，并加密量測頻率，將監控量測數據及時反饋，以指導現場施工。

（7）配置應急水泵及管路等抽排水設施，確保抽排水系統具備足夠的抽排水能力，避免TBM設備被淹風險，應急搶險期間加強與供電部門的溝通，同時配備足夠的備用電源，確保電力供應。

4.2.3 巖溶地層塌方處理措施

遇此類情況，掘進機需停機處理；清理塌落體后，依據設計參數及時安裝鋼拱架（若塌方嚴重時，可采取拱架加密），拱架間采用I16工字鋼連接；在拱部塌落處鋪設鋼筋排；為防止坍腔內的圍巖進一步垮塌，可采用型鋼支撐加固危巖，型鋼落腳于鋼拱架上；同時利用應急干噴機對坍塌處進行噴射混凝土封閉處理，減少巖石暴露時間以及時形成支護體系。為減少后續變形，利用應急干噴機對支護系統鋼支撐進行封閉回填處理。為保證對塌腔內的回填密實，在封閉前安裝φ42注漿管與排氣管，采用C20細石混凝土對溶洞溶腔進行回填，到達噴漿橋后復噴砼至設計厚度，并在后配套進行回填灌漿作業。（見圖5）

對于撐靴處坍塌較嚴重部位，則在拱架背后利用上述同樣的方式澆灌混凝土，混凝土回填密實，待混凝土強度達到要求后方可進行撐靴作業，然后慢速掘進通過。

圖5 巖溶地層塌方處理措施FlG.5 disposal measures of karst formation collapse

4.3 炭質板巖段不良地質處理措施

掘進參數的選擇。在軟弱圍巖地段施工時根據圍巖特性、輸送皮帶上石碴塊度構成情況，選擇合理的掘進參數，減少對圍巖的擾動。 掘進采用人工手動模式。

5 結果與討論

引松供水四標段通過對超前地質預報、不良地質段處理措施的應用，在施工中成功攻克了灰巖段溶腔溶洞發育、圍巖變化頻繁、地層軟硬不均等不良地質難題，使TBM成功穿越了7.9km長的灰巖地層，實際揭露形式、規模、大小不一的溶蝕溶洞共計48處，穿越炭質板巖等軟弱地質層2處；其中，由于揭露巖溶構造依次經歷“2.29涌水”、“3.24突水突泥”、“5.30涌水”最大涌水量達1800m3/h。應用本文提出的快速掘進技術，在超前地質預報工作及時準確探查的基礎上，及時調整施工方案，將灰巖段巖溶構造和突涌水事故以及炭質板巖軟弱段造成的工期延誤大幅降低。自2015年5月底始發掘進至今，有效掘進時間共計23.7個月，累計掘進17.488m，平均月進尺738m，最高單日進尺70.8m，最高單月進尺1318.7m的較好成績，創造了國內首臺具有自主知識產權的開敞式TBM掘進月施工全國紀錄，同時填補了開敞式TBM成功穿越灰巖地層的國內空白，為今后同類別的TBM施工提供了寶貴的經驗。

雖然TBM在通過7.9km長的灰巖巖溶洞段取得了一定的施工經驗，但仍存在一定的不足。例如，濕噴系統離護盾太遠不利于前方不良地質出露護盾后的及時噴護封閉，建議在護盾后合適位置布置雙應急噴護系統及注漿回填系統，滿足大溶洞條件下的應急處置。同時應急材料能直接從設備橋運送到護盾尾端。