開(kāi)敞式TBM淺埋段施工方法

劉吉安，馬小龍

開(kāi)敞式TBM淺埋段施工方法

劉吉安1，馬小龍2

（1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林長(zhǎng)春130021；2.吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所，吉林長(zhǎng)春130103）

文中依托工程實(shí)踐，總結(jié)了在掘進(jìn)參數(shù)控制、合理的支護(hù)型式和及時(shí)的監(jiān)控量測(cè)等措施下，開(kāi)敞式TBM在淺埋段施工及掘進(jìn)時(shí)滿足其自身安全性及圍巖初期支護(hù)穩(wěn)定性要求的隧洞上覆最小巖石厚度。對(duì)其他類似工程有一定借鑒意義。

TBM隧洞；淺埋；開(kāi)敞式；監(jiān)控量測(cè)；巖石厚度

“吉林省中部城市引松供水工程”是從第二松花江豐滿水庫(kù)引水，解決吉林省中部地區(qū)城市供水問(wèn)題的大型調(diào)水工程，是松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程之一。輸水線路干線全長(zhǎng)263.5 km，其中輸水總干線豐滿水庫(kù)～飲馬河段隧洞長(zhǎng)72 km。該段采用開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖為主，鉆爆法開(kāi)挖為輔的施工方案。該段所涉及的4處河谷、淺埋段均采用鉆爆法提前開(kāi)挖，TBM步進(jìn)通過(guò)。隧洞開(kāi)挖洞徑7.9 m。

主要是關(guān)于其中1處堿草甸子溝淺埋段TBM施工問(wèn)題。堿草甸子正洞不良地質(zhì)段原設(shè)計(jì)采用鉆爆法處理長(zhǎng)度為220 m，樁號(hào)68+160～68+380 m，其中施工豎井上游82.6 m,下游137.4 m。實(shí)際處理長(zhǎng)度共147 m，樁號(hào)68+351～68+204 m，其中上游38.6 m，下游108.4 m，其余由TBM施工。

1 地質(zhì)條件

堿草甸子溝地形地貌為寬緩谷地，最低處發(fā)育一條小河流。組成巖性有第四系全新統(tǒng)壤土、灰粘土、礫質(zhì)粗砂等，總厚度9～11 m；第四系中更新統(tǒng)黃土狀粘土、灰粘土、砂礫碎石含粘性土等，總厚11～39 m。土層在樁號(hào)68+352～68+257.8 m侵入隧洞空間，其中樁號(hào)68+351～68+257.8 m由鉆爆法提前開(kāi)挖處理?；鶐r為石炭系灰?guī)r，弱風(fēng)化，無(wú)規(guī)律雜有碳質(zhì)板巖、粘土巖等?；?guī)r古巖溶相對(duì)發(fā)育，基巖面起伏不平，巖面及地面距洞頂高度見(jiàn)表1，最大高差達(dá)15.6 m。由于樁號(hào)68+351～68+204 m段提前由鉆爆法開(kāi)挖處理（待TBM步進(jìn)通過(guò)）?；?guī)r巖溶孔隙裂隙水大多已充分排泄，TBM施工段地下水以滲水、局部線狀流水為主。樁號(hào)68+380～68+356 m圍巖類別為IV類，其余為V類圍巖。

表1 洞頂灰?guī)r厚度及隧洞埋深

2 淺埋段施工方法及有關(guān)問(wèn)題

2.1 既定方案及問(wèn)題

開(kāi)敞式TBM主要用在圍巖整體性較好，有一定自穩(wěn)能力，特別是中、硬巖隧洞中。很多工程中TBM失敗的案例說(shuō)明，當(dāng)TBM遇到不良地質(zhì)（淺埋、軟巖、大斷層、巖溶等）條件時(shí)，僅用臨時(shí)支護(hù)可能難以穩(wěn)定圍巖，同時(shí)由于洞壁圍巖強(qiáng)度低于支撐靴最小接地比壓，以致無(wú)法給TBM掘進(jìn)提供反力，使其更加難以脫困。所以根據(jù)工程類比，結(jié)合地質(zhì)條件，把豐滿水庫(kù)～飲馬河段隧洞涉及到河谷、淺埋段采用鉆爆法施工先行方案；同時(shí)考慮圍巖自穩(wěn)能力，把TBM掘進(jìn)段上覆最小弱風(fēng)化圍巖厚按1.5～2.5洞徑考慮。

實(shí)際施工時(shí)，TBM法和鉆爆法相向開(kāi)挖，TBM法先到達(dá)預(yù)定樁號(hào)68+380 m，同鉆爆法開(kāi)挖的掌子面相距28 m。如仍按計(jì)劃采用鉆爆法繼續(xù)開(kāi)挖，TBM將停機(jī)待工。經(jīng)權(quán)衡利弊，決定剩余段采用TBM開(kāi)挖。

2.2 方案優(yōu)化

2.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了給方案優(yōu)化提供支持，采用物探（TRT及激發(fā)極化）及鉆探（水平、垂直）方法對(duì)剩余28 m進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。進(jìn)一步明確前方地質(zhì)條件。經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，查明樁號(hào)68+204 m、68+360 m位置上覆弱風(fēng)化巖石厚分別為1.4洞徑、1.2洞徑，地下水為局部線狀流水，灰?guī)r巖溶不發(fā)育，圍巖為IV～V類圍巖。在合理工法下，可采用TBM施工。

2.2.2 TBM法與鉆爆法比較

工程經(jīng)采用三維彈塑性損傷有限元法，對(duì)隧洞開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算顯示：TBM施工開(kāi)挖后，圍巖破壞區(qū)分布呈頂部較大底部次之、兩側(cè)最小的規(guī)律；鉆爆法開(kāi)挖施工后，圍巖破壞區(qū)整體呈均勻分布，其中兩側(cè)邊墻的變形比頂部、底部稍大。TBM與鉆爆兩種施工開(kāi)挖方式下，圍巖的總破壞體積之比為1.0∶4.4。根據(jù)鉆孔波速測(cè)試TBM法掘進(jìn)洞壁圍巖波速明顯變化界面深度大約在0.5～1.0 m，而鉆爆法深度在1.5～3.0 m。單從圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)方面而言，TBM對(duì)圍巖擾動(dòng)相對(duì)小，有利于淺埋段圍巖穩(wěn)定。

2.2.3 TBM法最小上覆圍巖厚度

開(kāi)敞式TBM在水利、交通、礦山等應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但工程多分布在山區(qū)，隧洞埋深都很大，所以對(duì)TBM施工法要求的最小上覆巖石厚度問(wèn)題鮮有涉及。近年來(lái)隨著城市地下工程也逐漸采用TBM法施工，這個(gè)問(wèn)題愈發(fā)顯出重要性。據(jù)重慶地鐵六號(hào)線一期工程，適應(yīng)于TBM施工的區(qū)間隧道埋深基本大于8 m，開(kāi)挖直徑6.36 m，在洞頂弱風(fēng)化基巖小于單倍洞徑地段，在不破壞TBM施工連續(xù)性的前提下，盡量采用鉆爆法施工，局部地段可采用TBM施工，但不宜小于0.8倍洞徑，并應(yīng)采取超前支護(hù)等措施。

根據(jù)工程已完成段TBM運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，參考重慶地鐵淺埋段TBM施工先例，確定在采取相應(yīng)工程措施情況下，此段淺埋段可以采用TBM開(kāi)挖（最小上覆巖石厚度小于0.5倍洞徑），遂決定樁號(hào)68+373～68+351，68+204～68+160 m 改由TBM進(jìn)行掘進(jìn)通過(guò)并與鉆爆提前處理段貫通。實(shí)際上樁號(hào)68+352～68+351 m頂拱局部土層侵入。

3 TBM施工工法

3.1 掘進(jìn)控制

掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件變化動(dòng)態(tài)的選擇掘進(jìn)參數(shù)（指刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀盤推力、掘進(jìn)速度等），以減少掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有效地減少剝落和坍塌，從而達(dá)到快速、安全通過(guò)軟弱圍巖地段。在巖質(zhì)軟弱、破碎段掘進(jìn)過(guò)程中常伴有圍巖坍落時(shí)，一般要求是采用低速掘進(jìn)。這樣既可以減少刀盤對(duì)圍巖的擾動(dòng)，又能夠控制皮帶機(jī)輸碴量，避免出現(xiàn)皮帶機(jī)被卡、皮帶被拉斷等事故發(fā)生。此次掘進(jìn)選用的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 掘進(jìn)參數(shù)

3.2 初期支護(hù)

開(kāi)敞式TBM初期支護(hù)是完全遵循“新奧法”來(lái)確定，依托“新奧法”原理及時(shí)施作柔性支護(hù)，并允許圍巖有一定的變形，充分利用圍巖自身的承載力，達(dá)到支護(hù)和圍巖共同受力的目的。開(kāi)敞式TBM配有功能齊全，可用于各類圍巖的輔助施工設(shè)備，如：拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)、濕噴混凝土機(jī)械手等，使初期支護(hù)更加及時(shí)、有效、靈活。此次采用初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖類別及實(shí)際情況，進(jìn)行初期支護(hù)施工，局部根據(jù)需要超前加強(qiáng)支護(hù)，確保TBM安全及初期支護(hù)穩(wěn)定。

3.3 監(jiān)控量測(cè)

為掌握TBM在通過(guò)淺埋段對(duì)拱頂下沉及周邊收斂的影響，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)分析數(shù)據(jù)并反饋施工現(xiàn)場(chǎng)，以便有針對(duì)性地加強(qiáng)支護(hù)和改進(jìn)施工參數(shù)，確保TBM順利通過(guò)。

3.3.1 監(jiān)控量測(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)值

對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有不同的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)：隧道收斂為-30 mm，拱頂沉降為-40 mm。預(yù)警值(或報(bào)警值)均為累計(jì)值，取控制標(biāo)準(zhǔn)的80%；速率為4 mm/d。

3.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1，2。

表3 初期支護(hù)參數(shù)

圖1 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 隧洞周邊位移測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3.3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制位移和時(shí)間曲線，及時(shí)分析反饋信息，以便修正支護(hù)參數(shù)、變換工序。根據(jù)位移、位移速率評(píng)定圍巖及初期支護(hù)的穩(wěn)定性、安全性。當(dāng)位移日變形量超過(guò)10 mm時(shí)，應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù)，密切注意支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)周邊收斂、拱頂下沉量達(dá)到預(yù)測(cè)量終值的80%～90%，收斂速率小于0.1～0.2 mm/d，拱頂下沉速率小于0.07～0.15 mm/d，視為圍巖變形基本穩(wěn)定，初期支護(hù)滿住要求。

1）地表沉降。斷面樁號(hào)為68+345—355 m處，地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為間距5 m，每段測(cè)點(diǎn)數(shù)6個(gè)，最大沉降量為-2 mm，監(jiān)測(cè)周期為30 d，沉降速率為0.067 mm/d。。

2）圍巖收斂變形。洞內(nèi)周邊收斂位移匯總見(jiàn)表4。

表4 周邊收斂位移匯總表

通過(guò)在TBM掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地表沉降及隧洞周邊收斂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析（監(jiān)測(cè)時(shí)間從2015.12.9—2017.2.20），TBM掘進(jìn)快速、支護(hù)及時(shí)，降低了對(duì)圍巖擾動(dòng)，減少施工對(duì)環(huán)境影響，有效控制地表沉降，支護(hù)強(qiáng)度滿足施工及工程安全需求。開(kāi)敞式TBM施工方案在堿草甸子溝淺埋段施工圓滿達(dá)到了目的。

4 結(jié)論

1）開(kāi)敞式TBM由于開(kāi)挖和支護(hù)分開(kāi)進(jìn)行，充分結(jié)合了“新奧法”施工原理，既有TBM高效、快捷、環(huán)境友好等特點(diǎn)，又具有一定靈活性。在采取及時(shí)有效支護(hù)時(shí)能勝任淺埋及軟、硬巖石條件下掘進(jìn)功能。

2）在一般條件下，滿足開(kāi)敞式TBM安全及掘進(jìn)時(shí)圍巖穩(wěn)定性要求的隧洞上覆最小弱風(fēng)化巖石厚度不應(yīng)小于0.5洞徑。當(dāng)采用超前支護(hù)、超前加固等措施時(shí)，開(kāi)敞式TBM掘進(jìn)時(shí)上覆巖石厚度不是主要控制因素，但如果此時(shí)仍然采用TBM施工，則不能充分體現(xiàn)其高效的優(yōu)越性。

［1］王繼偉，肖明，李玉婕.TBM隧洞開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定與襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010（增）：339.

［2］唐新權(quán).地鐵隧道開(kāi)敞式TBM施工關(guān)鍵技術(shù)探討［J］.中國(guó)鐵路，2010（11）：74.

TV68 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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1002—0624（2017）12—0019—03

2017-03-14