賀杰

（遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局，遼寧沈陽(yáng) 110003）

1 概述

遼寧省大伙房輸水工程全長(zhǎng)近600 km，設(shè)計(jì)引水流量75 m3/s，多年平均調(diào)水量18.63億m3。工程主體由隧洞和管線段組成，其中隧洞全長(zhǎng)超過(guò)300 km，2兩條連續(xù)的長(zhǎng)大輸水隧洞分別為100 km的有壓洞和130 km的無(wú)壓洞，開挖洞徑均為8.5 m，采用TBM為主、鉆爆法輔助的方法進(jìn)行隧洞開挖施工，共采用9臺(tái)TBM同時(shí)施工。TBM是一種靠推進(jìn)并旋轉(zhuǎn)刀盤,通過(guò)盤形滾刀破碎巖石而使隧洞全斷面一次成形的現(xiàn)代化的大型隧洞施工設(shè)備，集掘進(jìn)、出渣、初期支護(hù)、通風(fēng)、除塵為一體。該工程洞線長(zhǎng)、地質(zhì)條件復(fù)雜多變、TBM施工支護(hù)作業(yè)量非常大，針對(duì)常規(guī)支護(hù)存在的不足，研究采用新型軟弱圍巖支護(hù)系統(tǒng)，及時(shí)、快速地完成不良地質(zhì)洞段支護(hù)作業(yè)，節(jié)省了人力、物力，有效縮短了支護(hù)作業(yè)時(shí)間，提高了設(shè)備支護(hù)作業(yè)效率和設(shè)備掘進(jìn)效率。

2 斷層破碎帶的TBM常規(guī)支護(hù)

破碎斷層的處理方法在隧洞施工中占有突出重要的地位?，F(xiàn)有國(guó)內(nèi)TBM設(shè)備采用支護(hù)方式多為超前注漿鉆機(jī)、鋼拱架、鋼筋網(wǎng)與支設(shè)錨桿等，該辦法雖可人為提供一部分外力支撐，但無(wú)法保證巖石自穩(wěn)，支設(shè)錨桿后出現(xiàn)巖石掉落情況時(shí)有發(fā)生；鋼拱架及鋼筋網(wǎng)的配合使用，對(duì)頂拱、邊拱區(qū)域圍巖支護(hù)可以起到一定作用，但由于支護(hù)作業(yè)相對(duì)滯后，軟弱圍巖坍塌、收斂變形的情況還是經(jīng)常會(huì)發(fā)生。

為控制軟弱圍巖地段巖石坍塌、圍巖收斂變形等地質(zhì)災(zāi)害情況的發(fā)生，結(jié)合敞開式TBM的特點(diǎn)，在施工中常采用如下支護(hù)措施[1，2]。

1）對(duì)圍巖超前預(yù)加固。針對(duì)軟弱圍巖的特點(diǎn)，利用TBM安裝的超前注漿鉆機(jī)，對(duì)圍巖采用超前管棚注漿或?qū)Ч茏{，加固刀盤前部和護(hù)盾上部的巖石，提高圍巖自穩(wěn)能力，有效控制圍巖初露護(hù)盾后的變形，防止圍巖初露護(hù)盾后發(fā)生坍塌，保證二次襯砌厚度和施工安全。超前管棚加固一般每段長(zhǎng)12 m，在開挖8～10 m后，施做下次管棚。

2）加強(qiáng)初期支護(hù)。為有效控制軟弱圍巖的收斂變形，采用錨桿、鋼拱架配合鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土封閉巖石的支護(hù)方式，保證頂拱及邊拱區(qū)域巖石穩(wěn)定。局部區(qū)域巖石異常破碎的情況下，可以考慮縮短鋼拱架間距，以加密鋼拱架的方式保證支護(hù)穩(wěn)定性。對(duì)于噴射混凝土施工，考慮到TBM配備的噴射混凝土系統(tǒng)因設(shè)備結(jié)構(gòu)原因距離掌子面較遠(yuǎn)，一般在60～70 m，不能隨開挖及時(shí)進(jìn)行混凝土噴射支護(hù)，可能造成圍巖變形加大而發(fā)生更大坍塌，一般在主梁附近增加1套手動(dòng)噴射裝置，在圍巖初露護(hù)盾后及時(shí)噴射混凝土，封閉圍巖。之后利用TBM配備的噴射系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)噴，將圍巖的收斂變形降低到最小。

3）采用邁式錨桿并注漿加固巖石。對(duì)圍巖破碎區(qū)、坍塌區(qū)和滲水區(qū)，由于TBM施工時(shí)震動(dòng)較大，造成圍巖松動(dòng)范圍加大，降低了圍巖穩(wěn)定性，危及設(shè)備及人員安全?？刹捎眠~式錨桿并注漿的方式加固圍巖。

4）剝落、坍塌圍巖的處理。由于圍巖軟弱、TBM撐靴部位支撐力不足，或撐靴支撐時(shí)打滑，對(duì)圍巖造成二次擾動(dòng)，出現(xiàn)更大面積塌方。一般處理的方案是：當(dāng)剝落較小時(shí)，采用噴射混凝土封閉并噴平，以便提供TBM撐靴足夠反撐力，保證設(shè)備正常掘進(jìn)通過(guò)；如塌腔較深，處理時(shí)一般先手動(dòng)噴射混凝土封閉巖石，然后利用已經(jīng)安裝的鋼拱架做為支撐，支立模板灌注混凝土，填平塌腔，避免塌腔繼續(xù)向前方延伸，有效控制臨空面的繼續(xù)擴(kuò)大，防止造成更大范圍的坍塌，同時(shí)也可以保證TBM撐靴順利通過(guò)而不會(huì)擠壓鋼拱架。

另外通過(guò)局部區(qū)域鋪墊薄鋼板并灌注混凝土、水漲錨桿等處理方式，保證圍巖穩(wěn)定。但上述處理方法，大部分需要停機(jī)進(jìn)行，而且施做時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)施工影響非常大。且所有處理方式均是在圍巖出現(xiàn)變形后才進(jìn)行處理，不能有效控制圍巖的變形和變形的進(jìn)一步發(fā)展。

3 常規(guī)支護(hù)存在的問(wèn)題

當(dāng)掘進(jìn)段遭遇不良地質(zhì)時(shí)，圍巖在護(hù)盾內(nèi)易發(fā)生大塊巖石或小塊大量巖石的坍塌，塌落體出露護(hù)盾后有直接掉落的趨勢(shì)，常規(guī)的TBM護(hù)盾后面為了施工的安全加裝了指形護(hù)盾。指形護(hù)盾屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，塌落體出護(hù)盾后直接掉落在指形護(hù)盾上造成指形護(hù)盾向下彎曲，并且鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片只能在出離了指形護(hù)盾才能安裝，這樣造成鋼拱架和鋼筋網(wǎng)片安裝困難，甚至出現(xiàn)無(wú)法正常安裝的情況。由于受TBM的撐靴和推進(jìn)油缸的影響，鋼拱架的間距控制在900 mm或900 mm的倍數(shù)，安裝鋼筋網(wǎng)片后由于間距過(guò)長(zhǎng)、網(wǎng)片剛度不足容易導(dǎo)致鋼網(wǎng)片被擠壓下沉或破壞，制約TBM的掘進(jìn)；另一方面網(wǎng)片下沉，即使后續(xù)施工錨桿或拱架也難以將塌方體支撐至原開挖面之外，導(dǎo)致支護(hù)后侵占隧洞凈空斷面，甚至造成襯砌厚度不足的嚴(yán)重情況。

圍巖出露護(hù)盾后呈大塊度塌方或碎裂化時(shí)，因網(wǎng)片剛度和整體性不足，往往在大塊巖碴的擠壓下，拱架或錨桿之間的網(wǎng)片變形或破壞，甚至直接導(dǎo)致網(wǎng)片松散、失去支撐作用，造成塌方體掉落砸損設(shè)備和人員。圍巖一旦失去支撐，巖體的破壞將持續(xù)向深層發(fā)展，再進(jìn)行二次支護(hù)難度大、實(shí)施困難，嚴(yán)重制約TBM進(jìn)度。

在圍巖破碎和圍巖塌方深度較大的部位施工預(yù)應(yīng)力錨桿，塌方深度較大的部位，可能因?yàn)槭┿@造成二次塌方或無(wú)法進(jìn)行正常的錨桿安裝，圍巖破碎的地段因塌孔或卡鉆問(wèn)題，錨桿成孔困難，難以實(shí)施預(yù)應(yīng)力錨桿。

4 TBM新型支護(hù)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

由于TBM常規(guī)支護(hù)存在諸多問(wèn)題，因此研究、開發(fā)新型的TBM支護(hù)系統(tǒng)，保證在軟弱圍巖洞段支護(hù)作業(yè)的正常進(jìn)行及有效性，是十分必要的。新型系統(tǒng)應(yīng)能夠?yàn)槠扑閲鷰r提供較為及時(shí)的支撐，并在此基礎(chǔ)上充分利用圍巖自穩(wěn)性，保證TBM高效、快速掘進(jìn)。

4.1 新型支護(hù)系統(tǒng)組成

根據(jù)工程支護(hù)作業(yè)的需求，研究開發(fā)了新型的支護(hù)系統(tǒng)。新型支護(hù)系統(tǒng)由鋼筋排安裝系統(tǒng)（羅賓斯稱之為McNally系統(tǒng)[3]）、高效鋼拱架及鋼筋網(wǎng)片安裝機(jī)構(gòu)、錨桿鉆機(jī)以及噴混系統(tǒng)組成。

4.2 鋼筋排架支護(hù)應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)條件的優(yōu)點(diǎn)

羅賓斯最初設(shè)計(jì)McNally系統(tǒng)時(shí)，采用的頂拱支護(hù)材料是木板、木方等柔性材料，通過(guò)柔性的木板、木方同時(shí)配合鋼拱架，達(dá)到支撐開挖后的圍巖頂拱部位形成一個(gè)拱形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，以防止巖石的掉落、坍塌。

在進(jìn)行新型支護(hù)系統(tǒng)方案論證過(guò)程中，認(rèn)為柔性材料無(wú)法保證對(duì)極松散圍巖的有效支護(hù)，同時(shí)也不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)與設(shè)備制造商的多輪溝通、研究、論證，確定采用鋼筋排的結(jié)構(gòu)作為支護(hù)材料。

在不良地質(zhì)或由節(jié)理切割與構(gòu)造共同作用產(chǎn)生的碎裂結(jié)構(gòu)地層，可利用鋼筋排與鋼拱架構(gòu)成鋼筋排架支撐結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)支護(hù)形式鋼筋網(wǎng)與錨桿或鋼筋網(wǎng)、錨桿與拱架結(jié)構(gòu)的剛度、承載力以及完整性等方面更強(qiáng)，并能在破碎巖石出露護(hù)盾后的第一時(shí)間對(duì)破碎巖石進(jìn)行支護(hù)，有效地約束塌方體沿隧洞徑向方向的發(fā)展，抑制圍巖的進(jìn)一步破壞。

鋼筋排架的剛度較鋼筋網(wǎng)片更強(qiáng)，在安裝過(guò)程中，能夠承載更多的塌落巖體，防止了塌落石碴和支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大幅度下沉，保證后續(xù)拱架能夠貼近原開挖邊線進(jìn)行支撐，從而確保了支撐結(jié)構(gòu)的順利安裝。

鋼筋排架配合鋼拱架支撐結(jié)構(gòu)較常規(guī)的網(wǎng)片與錨桿及拱架結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、牢固，一次安裝成功率高，大大提高了TBM在不良地質(zhì)和碎裂結(jié)構(gòu)地段掘進(jìn)的安全性和掘進(jìn)效率。

4.3 鋼筋排架的安裝

在掘進(jìn)過(guò)程中，作業(yè)人員提前將φ16 mm或φ22 mm鋼筋排架從護(hù)盾尾端插入鋼筋排儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)，當(dāng)TBM掘進(jìn)至不良地質(zhì)或節(jié)理切割與構(gòu)造共同作用產(chǎn)生的碎裂結(jié)構(gòu)地層洞段時(shí)，人工將鋼筋排儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)的鋼筋排架一端抽出約200 mm，然后利用環(huán)形梁上的拱架安裝器拼裝鋼拱架。拼裝的鋼拱架將鋼筋排架被抽出的一端撐緊至洞壁并焊接在鋼拱架上，隨著TBM向前掘進(jìn)，利用鋼筋排架與洞壁以及拱架之間的摩阻力使鋼筋排架端頭固定于洞壁，TBM鋼筋排架安裝系統(tǒng)（隨TBM掘進(jìn)前移）與鋼筋排架被固定的一端發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，完成儲(chǔ)存?zhèn)}內(nèi)的鋼筋排架被拉出并鋪設(shè)在巖面上，然后每間距900 mm安裝一榀鋼拱架，鋼筋排架與鋼拱架形成了一種強(qiáng)有力的圍巖支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)圍巖及塌方體的作用。采用φ22 mm的鋼筋替換φ16 mm的鋼筋排架，其承載力和剛度更大，可以根據(jù)圍巖塌方的具體情況，進(jìn)行選用。

5 新型支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用成果

根據(jù)前期地質(zhì)勘察資料，ygf441斷層位于TBM2-1掘進(jìn)段樁號(hào)40+860-41+060范圍，距6號(hào)主支洞交叉口6.5 km,斷層隧洞埋深700～730 m。

前期設(shè)計(jì)地勘采用地質(zhì)鉆孔法和物探法進(jìn)行地質(zhì)勘探，地質(zhì)探孔YFK57孔深710 m、YFK21孔深730 m，物探解譯中心破碎帶寬200 m左右，受其影響，次一級(jí)小型構(gòu)造發(fā)育垂直寬316～590 m。其中心部位半泥化狀，碳化明顯，夾雜巖石碎塊，塊徑一般在1～6 cm，局部亦可見(jiàn)構(gòu)造片巖，沿構(gòu)造中心部位兩側(cè)依次分布斷層碎塊巖、斷層角礫及斷層碎裂巖，斷層碎塊巖及斷層角礫均為泥質(zhì)膠結(jié)。兩側(cè)無(wú)規(guī)律分布多個(gè)節(jié)理密集帶或小型構(gòu)造，影響范圍較大，對(duì)圍巖穩(wěn)定影響亦較大，受該斷層構(gòu)造影響，巖體一般較破碎～完整性差，巖體多呈碎裂結(jié)構(gòu)～鑲嵌結(jié)構(gòu)。整體上圍巖穩(wěn)定性較差。推測(cè)洞室以滴水為主，局部線流。

TBM2從2014年12月15日在41+144正式進(jìn)入ygf441斷層影響帶，到2015年1月22日（40+912）成功通過(guò)該斷層共處理斷層232 m，耗時(shí)38 d。掘進(jìn)過(guò)程中，實(shí)際揭露的圍巖條件與前期地勘資料所述基本一致，但不穩(wěn)定圍巖在洞周分布范圍有限，而且沿洞軸線呈間斷分布。整個(gè)斷層帶揭露的圍巖最差洞段位于41+110-41+050段，尤其41+102處塌方較嚴(yán)重，洞室左側(cè)及拱頂塌腔深度可達(dá)4 m。其余洞段，僅局部出現(xiàn)受構(gòu)造影響造成的小范圍圍巖破碎、掉塊現(xiàn)象，由掉塊形成的塌腔均在0.5 m以內(nèi)。

另外，該工程TBM5-1段隧洞已完成7 412 m掘進(jìn)，利用該系統(tǒng)進(jìn)行了約970榀鋼拱架及鋼筋排、鋼筋的支護(hù)作業(yè)；破碎地層下，最快掘進(jìn)速度可達(dá)每日36.5 m。其它幾臺(tái)TBM設(shè)備的新型支護(hù)系統(tǒng)也在斷層、破碎帶處理方面凸顯了優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)語(yǔ)

在該工程TBM2掘進(jìn)通過(guò)ygf441斷層時(shí)，原計(jì)劃4個(gè)月通過(guò)斷層；在使用新型支護(hù)系統(tǒng)后，僅38 d即安全通過(guò)斷層，施工過(guò)程中無(wú)塌方，圍巖無(wú)大變形，TBM正常連續(xù)掘進(jìn)，使用效果非常顯著。

通過(guò)工程實(shí)踐證明，基于國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，研究、開發(fā)全新的新型圍巖支護(hù)系統(tǒng)作為TBM工法隧洞施工的新型施工工藝，依靠鋼拱架與鋼筋排、鋼筋網(wǎng)、錨桿等配合使用，有效地保證了開挖過(guò)程的支護(hù)質(zhì)量與掘進(jìn)速度，可以保證及時(shí)、快速進(jìn)行頂拱部位支護(hù)。通過(guò)在遼寧省大伙房輸水工程上的實(shí)際應(yīng)用，證明該系統(tǒng)可以高效、快速、可靠、安全地完成松散圍巖洞段的支護(hù)處理，有效約束塌方體的進(jìn)一步發(fā)展，與原鋼拱架和鋼筋網(wǎng)的支護(hù)方式相比支護(hù)更及時(shí)、支護(hù)速度更快、支護(hù)效果更穩(wěn)固、安全性更高，大幅度節(jié)省了人力物力、有效縮短了支護(hù)作業(yè)時(shí)間，為施工單位創(chuàng)造了極大經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在本工程項(xiàng)目取得了非常成功的應(yīng)用，值得其他工程借鑒。

［1］杜世斌，揣連成.開敞式TBM的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

［2］張軍偉，等.大伙房輸水工程特長(zhǎng)隧洞TBM選型及支護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010（03）：61—65.

［3］李曉晗，等.McNally系統(tǒng)在TBM隧洞施工中的應(yīng)用［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2014，22（6）：70—73.