TBM新型支护系统在大伙房输水隧洞施工中的应用

贺杰

（辽宁省大伙房水库输水工程建设局，辽宁沈阳 110003）

1 概述

辽宁省大伙房输水工程全长近600 km，设计引水流量75 m3/s，多年平均调水量18.63亿m3。工程主体由隧洞和管线段组成，其中隧洞全长超过300 km，2两条连续的长大输水隧洞分别为100 km的有压洞和130 km的无压洞，开挖洞径均为8.5 m，采用TBM为主、钻爆法辅助的方法进行隧洞开挖施工，共采用9台TBM同时施工。TBM是一种靠推进并旋转刀盘,通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的现代化的大型隧洞施工设备，集掘进、出渣、初期支护、通风、除尘为一体。该工程洞线长、地质条件复杂多变、TBM施工支护作业量非常大，针对常规支护存在的不足，研究采用新型软弱围岩支护系统，及时、快速地完成不良地质洞段支护作业，节省了人力、物力，有效缩短了支护作业时间，提高了设备支护作业效率和设备掘进效率。

2 断层破碎带的TBM常规支护

破碎断层的处理方法在隧洞施工中占有突出重要的地位。现有国内TBM设备采用支护方式多为超前注浆钻机、钢拱架、钢筋网与支设锚杆等，该办法虽可人为提供一部分外力支撑，但无法保证岩石自稳，支设锚杆后出现岩石掉落情况时有发生；钢拱架及钢筋网的配合使用，对顶拱、边拱区域围岩支护可以起到一定作用，但由于支护作业相对滞后，软弱围岩坍塌、收敛变形的情况还是经常会发生。

为控制软弱围岩地段岩石坍塌、围岩收敛变形等地质灾害情况的发生，结合敞开式TBM的特点，在施工中常采用如下支护措施[1，2]。

1）对围岩超前预加固。针对软弱围岩的特点，利用TBM安装的超前注浆钻机，对围岩采用超前管棚注浆或导管注浆，加固刀盘前部和护盾上部的岩石，提高围岩自稳能力，有效控制围岩初露护盾后的变形，防止围岩初露护盾后发生坍塌，保证二次衬砌厚度和施工安全。超前管棚加固一般每段长12 m，在开挖8～10 m后，施做下次管棚。

2）加强初期支护。为有效控制软弱围岩的收敛变形，采用锚杆、钢拱架配合钢筋网、喷射混凝土封闭岩石的支护方式，保证顶拱及边拱区域岩石稳定。局部区域岩石异常破碎的情况下，可以考虑缩短钢拱架间距，以加密钢拱架的方式保证支护稳定性。对于喷射混凝土施工，考虑到TBM配备的喷射混凝土系统因设备结构原因距离掌子面较远，一般在60～70 m，不能随开挖及时进行混凝土喷射支护，可能造成围岩变形加大而发生更大坍塌，一般在主梁附近增加1套手动喷射装置，在围岩初露护盾后及时喷射混凝土，封闭围岩。之后利用TBM配备的喷射系统进行补喷，将围岩的收敛变形降低到最小。

3）采用迈式锚杆并注浆加固岩石。对围岩破碎区、坍塌区和渗水区，由于TBM施工时震动较大，造成围岩松动范围加大，降低了围岩稳定性，危及设备及人员安全。可采用迈式锚杆并注浆的方式加固围岩。

4）剥落、坍塌围岩的处理。由于围岩软弱、TBM撑靴部位支撑力不足，或撑靴支撑时打滑，对围岩造成二次扰动，出现更大面积塌方。一般处理的方案是：当剥落较小时，采用喷射混凝土封闭并喷平，以便提供TBM撑靴足够反撑力，保证设备正常掘进通过；如塌腔较深，处理时一般先手动喷射混凝土封闭岩石，然后利用已经安装的钢拱架做为支撑，支立模板灌注混凝土，填平塌腔，避免塌腔继续向前方延伸，有效控制临空面的继续扩大，防止造成更大范围的坍塌，同时也可以保证TBM撑靴顺利通过而不会挤压钢拱架。

另外通过局部区域铺垫薄钢板并灌注混凝土、水涨锚杆等处理方式，保证围岩稳定。但上述处理方法，大部分需要停机进行，而且施做时间长，对施工影响非常大。且所有处理方式均是在围岩出现变形后才进行处理，不能有效控制围岩的变形和变形的进一步发展。

3 常规支护存在的问题

当掘进段遭遇不良地质时，围岩在护盾内易发生大块岩石或小块大量岩石的坍塌，塌落体出露护盾后有直接掉落的趋势，常规的TBM护盾后面为了施工的安全加装了指形护盾。指形护盾属于悬臂梁结构，塌落体出护盾后直接掉落在指形护盾上造成指形护盾向下弯曲，并且钢拱架和钢筋网片只能在出离了指形护盾才能安装，这样造成钢拱架和钢筋网片安装困难，甚至出现无法正常安装的情况。由于受TBM的撑靴和推进油缸的影响，钢拱架的间距控制在900 mm或900 mm的倍数，安装钢筋网片后由于间距过长、网片刚度不足容易导致钢网片被挤压下沉或破坏，制约TBM的掘进；另一方面网片下沉，即使后续施工锚杆或拱架也难以将塌方体支撑至原开挖面之外，导致支护后侵占隧洞净空断面，甚至造成衬砌厚度不足的严重情况。

围岩出露护盾后呈大块度塌方或碎裂化时，因网片刚度和整体性不足，往往在大块岩碴的挤压下，拱架或锚杆之间的网片变形或破坏，甚至直接导致网片松散、失去支撑作用，造成塌方体掉落砸损设备和人员。围岩一旦失去支撑，岩体的破坏将持续向深层发展，再进行二次支护难度大、实施困难，严重制约TBM进度。

在围岩破碎和围岩塌方深度较大的部位施工预应力锚杆，塌方深度较大的部位，可能因为施钻造成二次塌方或无法进行正常的锚杆安装，围岩破碎的地段因塌孔或卡钻问题，锚杆成孔困难，难以实施预应力锚杆。

4 TBM新型支护系统的研制与应用

由于TBM常规支护存在诸多问题，因此研究、开发新型的TBM支护系统，保证在软弱围岩洞段支护作业的正常进行及有效性，是十分必要的。新型系统应能够为破碎围岩提供较为及时的支撑，并在此基础上充分利用围岩自稳性，保证TBM高效、快速掘进。

4.1 新型支护系统组成

根据工程支护作业的需求，研究开发了新型的支护系统。新型支护系统由钢筋排安装系统（罗宾斯称之为McNally系统[3]）、高效钢拱架及钢筋网片安装机构、锚杆钻机以及喷混系统组成。

4.2 钢筋排架支护应对不良地质条件的优点

罗宾斯最初设计McNally系统时，采用的顶拱支护材料是木板、木方等柔性材料，通过柔性的木板、木方同时配合钢拱架，达到支撑开挖后的围岩顶拱部位形成一个拱形的稳定结构，以防止岩石的掉落、坍塌。

在进行新型支护系统方案论证过程中，认为柔性材料无法保证对极松散围岩的有效支护，同时也不符合国家标准。经过与设备制造商的多轮沟通、研究、论证，确定采用钢筋排的结构作为支护材料。

在不良地质或由节理切割与构造共同作用产生的碎裂结构地层，可利用钢筋排与钢拱架构成钢筋排架支撑结构，该结构较传统支护形式钢筋网与锚杆或钢筋网、锚杆与拱架结构的刚度、承载力以及完整性等方面更强，并能在破碎岩石出露护盾后的第一时间对破碎岩石进行支护，有效地约束塌方体沿隧洞径向方向的发展，抑制围岩的进一步破坏。

钢筋排架的刚度较钢筋网片更强，在安装过程中，能够承载更多的塌落岩体，防止了塌落石碴和支护结构发生较大幅度下沉，保证后续拱架能够贴近原开挖边线进行支撑，从而确保了支撑结构的顺利安装。

钢筋排架配合钢拱架支撑结构较常规的网片与锚杆及拱架结构更加稳定、牢固，一次安装成功率高，大大提高了TBM在不良地质和碎裂结构地段掘进的安全性和掘进效率。

4.3 钢筋排架的安装

在掘进过程中，作业人员提前将φ16 mm或φ22 mm钢筋排架从护盾尾端插入钢筋排储存仓内，当TBM掘进至不良地质或节理切割与构造共同作用产生的碎裂结构地层洞段时，人工将钢筋排储存仓内的钢筋排架一端抽出约200 mm，然后利用环形梁上的拱架安装器拼装钢拱架。拼装的钢拱架将钢筋排架被抽出的一端撑紧至洞壁并焊接在钢拱架上，随着TBM向前掘进，利用钢筋排架与洞壁以及拱架之间的摩阻力使钢筋排架端头固定于洞壁，TBM钢筋排架安装系统（随TBM掘进前移）与钢筋排架被固定的一端发生相对运动，完成储存仓内的钢筋排架被拉出并铺设在岩面上，然后每间距900 mm安装一榀钢拱架，钢筋排架与钢拱架形成了一种强有力的围岩支撑系统，实现支护围岩及塌方体的作用。采用φ22 mm的钢筋替换φ16 mm的钢筋排架，其承载力和刚度更大，可以根据围岩塌方的具体情况，进行选用。

5 新型支护系统应用成果

根据前期地质勘察资料，ygf441断层位于TBM2-1掘进段桩号40+860-41+060范围，距6号主支洞交叉口6.5 km,断层隧洞埋深700～730 m。

前期设计地勘采用地质钻孔法和物探法进行地质勘探，地质探孔YFK57孔深710 m、YFK21孔深730 m，物探解译中心破碎带宽200 m左右，受其影响，次一级小型构造发育垂直宽316～590 m。其中心部位半泥化状，碳化明显，夹杂岩石碎块，块径一般在1～6 cm，局部亦可见构造片岩，沿构造中心部位两侧依次分布断层碎块岩、断层角砾及断层碎裂岩，断层碎块岩及断层角砾均为泥质胶结。两侧无规律分布多个节理密集带或小型构造，影响范围较大，对围岩稳定影响亦较大，受该断层构造影响，岩体一般较破碎～完整性差，岩体多呈碎裂结构～镶嵌结构。整体上围岩稳定性较差。推测洞室以滴水为主，局部线流。

TBM2从2014年12月15日在41+144正式进入ygf441断层影响带，到2015年1月22日（40+912）成功通过该断层共处理断层232 m，耗时38 d。掘进过程中，实际揭露的围岩条件与前期地勘资料所述基本一致，但不稳定围岩在洞周分布范围有限，而且沿洞轴线呈间断分布。整个断层带揭露的围岩最差洞段位于41+110-41+050段，尤其41+102处塌方较严重，洞室左侧及拱顶塌腔深度可达4 m。其余洞段，仅局部出现受构造影响造成的小范围围岩破碎、掉块现象，由掉块形成的塌腔均在0.5 m以内。

另外，该工程TBM5-1段隧洞已完成7 412 m掘进，利用该系统进行了约970榀钢拱架及钢筋排、钢筋的支护作业；破碎地层下，最快掘进速度可达每日36.5 m。其它几台TBM设备的新型支护系统也在断层、破碎带处理方面凸显了优势。

6 结语

在该工程TBM2掘进通过ygf441断层时，原计划4个月通过断层；在使用新型支护系统后，仅38 d即安全通过断层，施工过程中无塌方，围岩无大变形，TBM正常连续掘进，使用效果非常显著。

通过工程实践证明，基于国内外长期隧洞施工经验，研究、开发全新的新型围岩支护系统作为TBM工法隧洞施工的新型施工工艺，依靠钢拱架与钢筋排、钢筋网、锚杆等配合使用，有效地保证了开挖过程的支护质量与掘进速度，可以保证及时、快速进行顶拱部位支护。通过在辽宁省大伙房输水工程上的实际应用，证明该系统可以高效、快速、可靠、安全地完成松散围岩洞段的支护处理，有效约束塌方体的进一步发展，与原钢拱架和钢筋网的支护方式相比支护更及时、支护速度更快、支护效果更稳固、安全性更高，大幅度节省了人力物力、有效缩短了支护作业时间，为施工单位创造了极大经济价值，在本工程项目取得了非常成功的应用，值得其他工程借鉴。

［1］杜世斌，揣连成.开敞式TBM的应用［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］张军伟，等.大伙房输水工程特长隧洞TBM选型及支护系统优化研究［J］.铁道工程学报，2010（03）：61—65.

［3］李晓晗，等.McNally系统在TBM隧洞施工中的应用［J］.水利技术监督，2014，22（6）：70—73.