浅析掘进机通过围岩收敛地段技术总结

摘要 介绍TB880E掘进机通过围岩收敛地段及护盾被卡时的施工措施。

关键词 TBM；围岩变形；坍塌；化学浆液

中图分类号 U455 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0106-04

1 工程概况

南疆吐库二线SK1标中天山特长隧道位于托克逊、和硕中天山东段的岭脊地区，穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔为1100～2950m，最高海拔为2951.6m。山岭南北两侧地形切割剧烈，山高坡陡，基岩，沟壑纵横，地形复杂，植被稀疏，相对高差800～1200m。中天山隧道是南疆线增建吐库二线穿越天山的特长隧道，主隧道总长度22333m，隧道直径8.8m，隧道最大埋深1700m，采用全断面敞开式TBM掘进机施工。中天山隧道最大埋深为1700m，其中埋深在1500m以上的占总长度2/3，高地应力区范围较大。

2 坍方概况

9月28日TBM掘进至DK148+200时，隧道左上拱顶出现较大连续坍塌，坍塌部位最大深度达约4m，环向长约6m，并随围岩暴露时间增加而持续坍塌掉块，且裂隙水较发育，总长度约9m。为防止出现大范围坍塌，采用架设拱架封钢板进行注浆。由于隧道左侧围岩收敛变形较大，拱架侵限最大值达到20cm。

9月30日晚，由于处理护盾后部坍塌部位而暂停掘进，隧道左侧围岩收敛变形于DK148+209位置卡住TBM护盾，致使TBM停机。刀盘前方DK148+212至DK148+218范围出现较大坍塌，并随围岩暴露时间增加而持续坍塌掉块，且裂隙水较发育。坍塌部位最大深度约为5m，最大横向范围约10m，纵向最大长度约为6m。DK148+209至DK148+212未形成坍塌，且隔断前后两个坍塌部位。

3 坍方处理施工方案

塌方发生后，我部立即启动紧急预案并研究制定塌方处理施工工艺技术方案，根据此次塌方的情况和特点，结合TRT地质预报围岩预测表（见表1），将中天山隧道塌方分为三段进行处理，即：坍塌区后部围岩变形加固段（DK148+187～DK148+209，计22m）；坍塌区处理段（DK148+209～DK148+218，计9m）；超前支护段（DK148+209～DK148+244，计22m）；塌方段分段划分见图1。

3.1 塌方后围岩加固段处理方案

该段为已支护地段，因受塌方影响，岩体扰动，拱顶、拱腰开裂，部分混凝土脱落，围岩收敛严重已侵入隧道衬砌净空，需做凿除加固处理。控制围岩变形的继续发展，避免影响段延伸。

1）首先对该段已立拱架采用I16工字钢进行横向和竖向临时加固支撑，然后采用Φ42小导管径向注浆加固围岩，考虑到围岩收敛严重，半圆以上小导管间距为50cm×50cm，注浆管呈梅花型布置（见图2）。注浆管长4m，尾端100cm范围内不钻孔，其余300cm范围内梅花型钻设注浆孔。小导管尾端采用Φ8钢筋加强，顶端10cm设置成圆锥形（见图3）。

图3 小导管布置断面图 单位：mm

注浆浆液采用单液水泥浆，水灰比为1：2，注浆初始压力为0.5～1.0Mpa，终压力2.0～2.5Mpa。

2）此段受塌方影响围岩收敛严重，初期支护拱架受损，达不到预期支护效果，且已侵入衬砌断面，必须进行大面积的初期支护混凝土凿除，为了保证在初期支护稳定，在原有初期支护拱架中间进行凿槽人工架立圆形拱架，拱架采用I16工字钢。为确保净空及护盾脱困时不受拱架影响，人工凿槽尺寸需大于原设计隧道开挖尺寸。人工架立拱架外侧直径为9m（原设计隧道开挖直径为8.8m），拱架间距0.45m/榀，拱架间采用Φ40钢管连接，间距60cm，并用Φ25砂浆锚杆全断面固定钢拱架。全断面采用Φ8钢筋网（间距25cm×25cm），C25混凝土喷射，喷射厚度为10cm。对已变形的拱架在确保围岩收敛已趋于稳定时进行拆除（初期支护纵向见图4）。

图4 拱架布置纵向图

3.2 塌方段处理方案

图5 TBM总图

介于TBM的特殊性，TBM掘进机总长256m，TBM系统占隧道设计开挖净空的85%以上，其中皮带系统及主轴承系统位于隧道中心位置，支护系统、仰拱预制块铺设系统、出碴系统、后配套系统、通风系统等（见图5），TBM刀盘直径8.8m，刀盘至护盾长3.96m，拱顶至主机工作台约2m，宽1m，塌方段位于隧道顶部，大、中型机械不能在作业面使用，施工作业面开展困难。根据TBM施工的特殊性和现场实际情况，制定以小型机械配合人工对塌腔地段实行逐步、逐层依次施工。对塌腔内施工实行先稳固、表面加强、深部加固、整体回填处理方针。为确保人员、机械安全，塌腔内施工作业人员不宜超过3人（安全员1名，喷锚手1～2人），风、水管路开关控制阀设在塌腔外，由专人控制。塌腔内照明设施齐全，确保照明无死角，安全通道畅通，风、水、电线路布置不得与安全通道冲突。

3.2.1 安全通道支护

为防止二次坍塌堵塞安全通道，安全通道处采用I16工字钢拱架架立，间距0.45m/榀，Φ22砂浆锚杆固定，拱架间采用Φ42钢管作为连接筋，Φ8钢筋网片全断面铺设，混凝土采用C25钢钎维混凝土，形成钢结构。

安全通道两侧布置Φ300钢管紧急通风设施，防止人员被困。

3.2.2 喷射混凝土封闭塌腔岩壁及碴堆体

采用C25喷射混凝土对塌腔内岩壁，防止围岩受风化引起二次坍塌；喷射混凝土顺序为由小导洞向塌腔内部依次施作，喷射厚度为20cm， 特殊地段进行强喷、复喷。

塌腔内坍塌碎石较多，为防止TBM掘进时碴堆体整体坍塌，对碴堆体进行注浆凝聚，为防止浆液外漏，碴堆体表面采用C25混凝土全断面封闭喷射，碴堆体表面铺设Φ22双层大钢筋网片，网片与插入碴体内小导管进行连接。

3.2.3 施作反向平台架设钢拱架

沿塌腔两侧岩壁底脚，人工施作反向平台；依托反向平台架设钢拱架，钢拱架采用I16工字钢，钢拱架间距1m，纵向采用Φ42钢管进行连接，环向间距50cm，钢拱架间环向铺设双层大钢筋网片。大钢筋网片采用Φ22螺纹钢进行绑扎，网格间距15cm；钢拱架底脚采用D150钢管施作横向支撑，钢拱架施作完毕进行C25喷射混凝土进行封闭。

待钢拱架封闭完成后，塌腔岩壁施作Φ42小导管及L型锁定锚杆；小导管间距50cm，长度3m，梅花型布置；L型锚杆间距1m，长度3m，进行双侧锁定钢拱架，梅花型布置，Φ42小导管与锚杆施作完毕后均与相邻钢拱架进行焊接。

3.2.4 注浆固结碴堆体

碴堆体施作Φ42小导管及玻璃钢小导管，导管间距50cm，梅花型布置，长度4.5m，注浆范围刀盘前部1m至塌腔掌子面。为防止注浆浆液外漏凝固刀盘，小导管施作深度不得侵入设计开挖轮廓线，距设计开挖轮廓线20cm；施作过程中由现场测量人员进行放样，确认施作角度及深度，小导管外露长度50cm；采用超细水泥单液浆或化学浆液进行注浆，依据现场实际情况进行调整。

3.2.5 护盾顶部围岩处理

反向施作小导管，对护盾顶部围岩进行导管注浆加固围岩。施作双环小导管，Φ42小导管，导管长度3m，间距、排距50cm，呈梅花型布置；依托小导管环向挂设Φ22双层大钢筋网片，网格15cm，绑扎双层钢筋，钢拱架与反向施作小导管进行焊接成一整体，全断面喷射混凝土进行封闭。

3.2.6 施作混凝土护拱

图6 护拱施作剖面图

碴堆体表面铺设D150钢管，采用泵送C30混凝土沿碴堆体表面施作护拱，护拱厚度为2m，预留两根D150钢管，TBM开挖通过后，泵送回填混凝土。混凝土护拱上部空腔采用粉煤灰回填，防止顶部石块掉落（见图6）。

3.3 护盾脱困处理方案

由于围岩收敛导致护盾、刀盘不能正常收缩、运转。此段属华力西期花岗岩，围岩耐磨性高、岩体硬度强，为减少炸药振动对刀盘、护盾的影响，半圆以上采用预裂爆破在刀盘周边开挖5cm～10cm的空隙。为保障刀盘周边炮孔布置，护盾周边开挖控制在10cm～20cm之间，确保前方炮孔布置有足够空间。爆破采用的孔径d=45mm，间距a=50cm，装药量为孔深的75%～55%，主炮区炮药量相应减少（见图7）。

3.4 超前支护段

根据超前地质预报结合现场实际围岩情况，为防止刀盘前方塌方，TBM掘进机在通过Ⅳ级围岩时顶部90°范围内采用R25自进式锚杆超前注浆加固，注浆材料采用化学浆液，超前锚杆通过刀盘刮碴孔空间打入掌子面，锚杆长3m，环向间距1m，外插角20°，注浆压力根据现场试验确定；隧道掘进开挖完成后，为控制围岩变形，半圆以上范围内径向设置Φ42小导管，对围岩进行注浆补强加固。小导管L=4m，梅花状布设，间距1m，注浆浆液采用单液水泥浆。

图7 炮孔布置图

3.5 隧道拱底超前现浇仰拱预制块

作业面清理：现浇仰拱块段大里程处用木模板封堵，两台抽水泵将刀盘流水和现浇段存在水抽排，人工清理现浇段的虚碴，并用水高压水冲洗岩面，确保岩面无虚碴、无积水、无杂物、无油污。

钢筋笼铺设：钢筋笼由仰拱预制块加工车间加工，钢筋笼焊接牢固，纵、横钢筋连接处焊接密实，确保无露焊、点焊、虚焊现象。钢筋笼加工焊接完成后运至现场；专职人员用仰拱吊机将钢筋笼吊至铺设位置，由测量人员对钢筋笼高程、左右方位偏差进行量测固定；现场工程人员安排现场施工人员对钢筋笼、预埋管的摆放、焊接和固定。

钢筋笼浇注：钢筋笼保护层厚度不小于5cm，底部采用现浇模块5cm×5cm混凝土块固定，钢筋笼表面保护层厚度由测量人员控制。采用C40混凝土进行回填，由试验人员调整配合比，跟车并现场查看回填料。C40混凝土采用振动棒引流，振动棒遵循快插慢拔的原则，对混凝土进行振捣。振捣棒不准碰至钢筋笼、模板。

现浇段防护：现浇段混凝土初凝时间为3h终凝时间为6～7h， 现场挂立警示牌，现场施工人员不准在现浇段施工，行走。

3.6 监控测量

3.6.1 观测项目

拱顶下沉、周边收敛和隧底隆起三个项目。

3.6.2 测点布设

每5米布设一个侧断面。按施工图纸要求，每个断面布置3个点（见图8）。

3.6.3 测量方法

采用WRM-3收敛仪进行周边收敛测量。用水准仪配合悬挂钢尺量测拱顶下沉，作为收敛量测的补充，用水平仪测量隧底隆起。

图8 监控测量点布置图

3.6.4 测量频率

净空水平收敛测量和拱顶下沉测量采用相同的测量频率。如表2：

表2 测量频率布置

变形速度

（mm/d） 测量断面距开挖

工作面距离 测量频率

≥5 （0～1）B 2次/天

1～5 （1～2）B 1次/天

0.5～1 （2～5）B 1次/2～3天

0.2～0.5 1次/3天

5 1次/7天

3.6.5 测量数据收集、分析处理

为检验量测结果的可靠性，了解围岩变形规律和稳定程度，对测量数据通过位移-时间曲线进行回归分析。

3.7 注浆施工工艺及参数选取

3.7.1 注浆施工工艺流程

注浆管加工制作、测量定位钻孔钻孔质量检查注浆管安装连接头防护、喷混凝土止浆浆液制备、机具准备顺序注浆效果检查。

3.7.2 材料

1）单液水泥浆采用普硅425水泥，采用饮用水。

2）化学浆液采用瑞米杰夫莱B材料，技术参数如表3。

表3

产品特征 A组分 B组分

外观 淡黄色或无色透明液体 深褐色液体

粘度

（23±2℃）/ mPa.s 200～400 200～400

比重

（23±2℃ ）kg/m3 1420±10 1170±10

使用配比（体积比） 1：1

反应特征 反应时间可调（20秒到几分钟）

压缩变形（%） >30

抗压强度/MPa >30（不发泡）

保质期（常温/月） 6 6

3.7.3 施工要求

1）为保证注浆效果，注浆遵循先塌体后超前、先下后上、先拱脚后拱顶、先两端后中间的注浆顺序。注浆时先采用小压力0.2Mpa，并逐渐增加压力直到1.0Mpa后，持续1min或注浆压力稳定时停止注浆。

2）注浆过程中单液注浆机或双叶注浆机持续搅拌，不得中途停止搅拌。

3）施工中根据设计注浆量和现场观察控制每孔注浆量，发现注浆孔周围有漏浆现象时，在检查止浆层未失效的情况下，停止注浆；当注浆量超出设计量较多，应暂停，并换孔注浆，之后再继续压注。

3.7.4 单孔计算注浆量

1）单根小导管注浆量

Q=Π*[（0.6～0.7）*S]2*L*η

式中：S为小导管中心距离（m）；

L为小导管有效长度（m）；考虑到注浆范围相互重叠的原则，扩散半径取（0.6～0.7）×s（m）；

η岩体孔隙率%：Ⅱ类3～5%，Ⅲ类硬岩3～5%、软岩2～3%，Ⅳ类硬岩2～3%，软岩1～2%。（孔隙率取1.2%）。

则Q=0.074m3

2）化学浆液单孔注浆量

Q=2·C·R·m·n·α·（1+β）/i

式中：Q—注浆量（m3）；

C—注浆加固圈周长，6.28（m）；

R—浆液扩散半径，1（m）；

m—导管长度：3m；

n—空隙率，按1%计算；

α—空隙充填率，按95%计算；

β—浆液损失率，一般取1%；

i—当量膨胀倍数，取2。

则Q=0.181m3

4 经验教训及体会

此次塌方为我们敲响了警钟，隧道施工组织必须科学，必须强调综合进度，在重、大机械施工过程中要正确处理好进度与质量的关系，合理安排施工工序，树立质量保证安全、安全保证进度的思想，并将之付诸行动。

参考文献

[1]剧仲林，隧道塌方与处理，中铁十二局集团第四工程有限公司.

作者简介

种攀攀（1987—），于2008年7月毕业于西安铁路工程职工大学，目前在中铁十八局集团公司隧道公司上班，担任安质部副部长。