开敞式TBM浅埋段施工方法

刘吉安，马小龙

开敞式TBM浅埋段施工方法

刘吉安1，马小龙2

（1.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林长春130021；2.吉林省水文地质调查所，吉林长春130103）

文中依托工程实践，总结了在掘进参数控制、合理的支护型式和及时的监控量测等措施下，开敞式TBM在浅埋段施工及掘进时满足其自身安全性及围岩初期支护稳定性要求的隧洞上覆最小岩石厚度。对其他类似工程有一定借鉴意义。

TBM隧洞；浅埋；开敞式；监控量测；岩石厚度

“吉林省中部城市引松供水工程”是从第二松花江丰满水库引水，解决吉林省中部地区城市供水问题的大型调水工程，是松辽流域水资源优化配置的主要工程之一。输水线路干线全长263.5 km，其中输水总干线丰满水库～饮马河段隧洞长72 km。该段采用开敞式TBM开挖为主，钻爆法开挖为辅的施工方案。该段所涉及的4处河谷、浅埋段均采用钻爆法提前开挖，TBM步进通过。隧洞开挖洞径7.9 m。

主要是关于其中1处碱草甸子沟浅埋段TBM施工问题。碱草甸子正洞不良地质段原设计采用钻爆法处理长度为220 m，桩号68+160～68+380 m，其中施工竖井上游82.6 m,下游137.4 m。实际处理长度共147 m，桩号68+351～68+204 m，其中上游38.6 m，下游108.4 m，其余由TBM施工。

1 地质条件

碱草甸子沟地形地貌为宽缓谷地，最低处发育一条小河流。组成岩性有第四系全新统壤土、灰粘土、砾质粗砂等，总厚度9～11 m；第四系中更新统黄土状粘土、灰粘土、砂砾碎石含粘性土等，总厚11～39 m。土层在桩号68+352～68+257.8 m侵入隧洞空间，其中桩号68+351～68+257.8 m由钻爆法提前开挖处理。基岩为石炭系灰岩，弱风化，无规律杂有碳质板岩、粘土岩等。灰岩古岩溶相对发育，基岩面起伏不平，岩面及地面距洞顶高度见表1，最大高差达15.6 m。由于桩号68+351～68+204 m段提前由钻爆法开挖处理（待TBM步进通过）。灰岩岩溶孔隙裂隙水大多已充分排泄，TBM施工段地下水以渗水、局部线状流水为主。桩号68+380～68+356 m围岩类别为IV类，其余为V类围岩。

表1 洞顶灰岩厚度及隧洞埋深

2 浅埋段施工方法及有关问题

2.1 既定方案及问题

开敞式TBM主要用在围岩整体性较好，有一定自稳能力，特别是中、硬岩隧洞中。很多工程中TBM失败的案例说明，当TBM遇到不良地质（浅埋、软岩、大断层、岩溶等）条件时，仅用临时支护可能难以稳定围岩，同时由于洞壁围岩强度低于支撑靴最小接地比压，以致无法给TBM掘进提供反力，使其更加难以脱困。所以根据工程类比，结合地质条件，把丰满水库～饮马河段隧洞涉及到河谷、浅埋段采用钻爆法施工先行方案；同时考虑围岩自稳能力，把TBM掘进段上覆最小弱风化围岩厚按1.5～2.5洞径考虑。

实际施工时，TBM法和钻爆法相向开挖，TBM法先到达预定桩号68+380 m，同钻爆法开挖的掌子面相距28 m。如仍按计划采用钻爆法继续开挖，TBM将停机待工。经权衡利弊，决定剩余段采用TBM开挖。

2.2 方案优化

2.2.1 超前地质预报

为了给方案优化提供支持，采用物探（TRT及激发极化）及钻探（水平、垂直）方法对剩余28 m进行超前地质预报。进一步明确前方地质条件。经超前地质预报，查明桩号68+204 m、68+360 m位置上覆弱风化岩石厚分别为1.4洞径、1.2洞径，地下水为局部线状流水，灰岩岩溶不发育，围岩为IV～V类围岩。在合理工法下，可采用TBM施工。

2.2.2 TBM法与钻爆法比较

工程经采用三维弹塑性损伤有限元法，对隧洞开挖进行数值模拟计算显示：TBM施工开挖后，围岩破坏区分布呈顶部较大底部次之、两侧最小的规律；钻爆法开挖施工后，围岩破坏区整体呈均匀分布，其中两侧边墙的变形比顶部、底部稍大。TBM与钻爆两种施工开挖方式下，围岩的总破坏体积之比为1.0∶4.4。根据钻孔波速测试TBM法掘进洞壁围岩波速明显变化界面深度大约在0.5～1.0 m，而钻爆法深度在1.5～3.0 m。单从围岩稳定性指标方面而言，TBM对围岩扰动相对小，有利于浅埋段围岩稳定。

2.2.3 TBM法最小上覆围岩厚度

开敞式TBM在水利、交通、矿山等应用越来越广泛，但工程多分布在山区，隧洞埋深都很大，所以对TBM施工法要求的最小上覆岩石厚度问题鲜有涉及。近年来随着城市地下工程也逐渐采用TBM法施工，这个问题愈发显出重要性。据重庆地铁六号线一期工程，适应于TBM施工的区间隧道埋深基本大于8 m，开挖直径6.36 m，在洞顶弱风化基岩小于单倍洞径地段，在不破坏TBM施工连续性的前提下，尽量采用钻爆法施工，局部地段可采用TBM施工，但不宜小于0.8倍洞径，并应采取超前支护等措施。

根据工程已完成段TBM运用经验，参考重庆地铁浅埋段TBM施工先例，确定在采取相应工程措施情况下，此段浅埋段可以采用TBM开挖（最小上覆岩石厚度小于0.5倍洞径），遂决定桩号68+373～68+351，68+204～68+160 m 改由TBM进行掘进通过并与钻爆提前处理段贯通。实际上桩号68+352～68+351 m顶拱局部土层侵入。

3 TBM施工工法

3.1 掘进控制

掘进过程中根据围岩的地质条件变化动态的选择掘进参数（指刀盘转速、刀盘扭矩、刀盘推力、掘进速度等），以减少掘进对围岩的扰动，有效地减少剥落和坍塌，从而达到快速、安全通过软弱围岩地段。在岩质软弱、破碎段掘进过程中常伴有围岩坍落时，一般要求是采用低速掘进。这样既可以减少刀盘对围岩的扰动，又能够控制皮带机输碴量，避免出现皮带机被卡、皮带被拉断等事故发生。此次掘进选用的相关参数见表2。

表2 掘进参数

3.2 初期支护

开敞式TBM初期支护是完全遵循“新奥法”来确定，依托“新奥法”原理及时施作柔性支护，并允许围岩有一定的变形，充分利用围岩自身的承载力，达到支护和围岩共同受力的目的。开敞式TBM配有功能齐全，可用于各类围岩的辅助施工设备，如：拱架安装器、锚杆钻机、超前钻机、湿喷混凝土机械手等，使初期支护更加及时、有效、灵活。此次采用初期支护参数见表3。

根据现场围岩类别及实际情况，进行初期支护施工，局部根据需要超前加强支护，确保TBM安全及初期支护稳定。

3.3 监控量测

为掌握TBM在通过浅埋段对拱顶下沉及周边收敛的影响，加强监控量测及时分析数据并反馈施工现场，以便有针对性地加强支护和改进施工参数，确保TBM顺利通过。

3.3.1 监控量测管理标准值

对于不同的监测内容有不同的监测控制标准：隧道收敛为-30 mm，拱顶沉降为-40 mm。预警值(或报警值)均为累计值，取控制标准的80%；速率为4 mm/d。

3.3.2 测点布置

测点布置见图1，2。

表3 初期支护参数

图1 地表沉降测点布置图

图2 隧洞周边位移测点布置图

3.3.3 数据分析

根据测量数据绘制位移和时间曲线，及时分析反馈信息，以便修正支护参数、变换工序。根据位移、位移速率评定围岩及初期支护的稳定性、安全性。当位移日变形量超过10 mm时，应增加观测次数，密切注意支护结构的变化。当周边收敛、拱顶下沉量达到预测量终值的80%～90%，收敛速率小于0.1～0.2 mm/d，拱顶下沉速率小于0.07～0.15 mm/d，视为围岩变形基本稳定，初期支护满住要求。

1）地表沉降。断面桩号为68+345—355 m处，地表沉降监测数据为间距5 m，每段测点数6个，最大沉降量为-2 mm，监测周期为30 d，沉降速率为0.067 mm/d。。

2）围岩收敛变形。洞内周边收敛位移汇总见表4。

表4 周边收敛位移汇总表

通过在TBM掘进过程中对地表沉降及隧洞周边收敛监控量测数据的回归分析（监测时间从2015.12.9—2017.2.20），TBM掘进快速、支护及时，降低了对围岩扰动，减少施工对环境影响，有效控制地表沉降，支护强度满足施工及工程安全需求。开敞式TBM施工方案在碱草甸子沟浅埋段施工圆满达到了目的。

4 结论

1）开敞式TBM由于开挖和支护分开进行，充分结合了“新奥法”施工原理，既有TBM高效、快捷、环境友好等特点，又具有一定灵活性。在采取及时有效支护时能胜任浅埋及软、硬岩石条件下掘进功能。

2）在一般条件下，满足开敞式TBM安全及掘进时围岩稳定性要求的隧洞上覆最小弱风化岩石厚度不应小于0.5洞径。当采用超前支护、超前加固等措施时，开敞式TBM掘进时上覆岩石厚度不是主要控制因素，但如果此时仍然采用TBM施工，则不能充分体现其高效的优越性。

［1］王继伟，肖明，李玉婕.TBM隧洞开挖围岩稳定与衬砌结构数值分析［J］.现代隧道技术，2010（增）：339.

［2］唐新权.地铁隧道开敞式TBM施工关键技术探讨［J］.中国铁路，2010（11）：74.

TV68 < class="emphasis_bold"> ［文献标识码］B

B

1002—0624（2017）12—0019—03

2017-03-14