高黎贡山隧道岩溶及软岩大变形洞段敞开式TBM施工技术研究

2022-09-11

引言

全断面隧道掘进机 (Tunnel Boring Machine, TBM) 作为岩石隧道最先进的开挖装备, 在我国已广泛应用于铁路隧道工程、水利隧洞工程、城市轨道工程以及煤矿巷道工程等领域[1]。与传统的钻爆法相比, TBM的优点是可实现连续掘进, 能同时完成破岩、出渣和支护等作业, 具有较高的掘进效率, 其掘进速度一般为常规钻爆法的3-10倍, 具有施工速度快、效率高、隧道成型好、对周边环境影响小、作业安全及节省劳动力等优点, 特别适合于深埋长隧道的施工[2,3,4]。但敞开式TBM主要是针对硬岩施工而设计制造的, 一般适用于地质条件相对单一的中硬岩长大隧道, 对断层、构造发育及节理密集带等软弱破碎地层适应性较差, 甚至需要停机处理, 从而造成效率降低, 成本攀升[5,6,7,8]。众所周知, 隧道等地下工程地质错综复杂, 千变万化且无法预先完全探明, 经常存在岩溶、断层破碎带、软岩大变形等地层[9]。如何保证TBM连续顺利穿越此类地层, 对工程建设意义重大。虽然采用敞开式TBM已成功修建了很多隧洞, 如秦岭隧道, 中天山隧道等, 也曾尝试采用TBM处理岩溶及软岩大变形地层, 并做了大量研究, 取得了一定的成绩, 但受制于复杂多变的地质条件以及超前地质预报的局限性, 仍没有较好的解决TBM对岩溶及软岩大变形地层适应性问题[10]。为不断提高TBM的适应性及施工技术水平, 进一步研究并探索TBM对岩溶及软岩大变形地层的适应性和施工技术显得尤为重要和必要。

高黎贡山隧道全长34.538km, 具有“三高四活跃”的地质特点。采用钻爆法结合正洞9.03 m TBM与平导6.36 m TBM的方法进行施工, 其中TBM通过岩溶及软岩大变形洞段是本工程控制的重点, 也是难点。为解决TBM在该类地层中掘进时偏机、栽头、刀盘被卡、收敛变形引起整机被卡等施工风险, 通过查阅资料、调研国内外现有敞开式TBM施工案例、专家咨询研讨、高适应性的TBM设计以及结合工程目前施工状况等多种方案, 提出TBM超前地质预报、钢筋排、钢拱架和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。该方案与措施的顺利实施能够很好的保证TBM在岩溶及软岩大变形洞段的连续掘进, 为工程顺利实施奠定坚实的基础。

1 工程概况

高黎贡山隧道采用TBM与钻爆法相结合的施工方法, 正洞和平导出口段分别采用直径为9.03m和6.36m的敞开式TBM施工。正洞TBM掘进长度12.37km, TBM施工段最大坡度为-9‰, 隧洞最大埋深为1155m, 其中有2段共计300m采用钻爆法施工后, 步进通过, 2段共计长度140m扩挖段, 开挖直径增加10cm;平导TBM掘进长度10.18km, 其中有2段共计180m采用钻爆法施工后步进通过。图1为高黎贡山隧道平面位置示意图。

2 工程意义

高黎贡山隧道所处地质环境特殊, 工程建设规模宏大, 施工技术要求高, 为大瑞铁路的关键控制性工程。以高黎贡山隧道为代表的复杂地质条件下的综合隧道施工技术, 将极大的促进隧道和地下工程领域技术的新的进步。本项目的实施, 对于完善云南边境地区的路网结构, 改善综合交通运输体系, 促进沿线国土资源开发, 推动经济、文化、旅游事业的发展, 提高人民生活水平具有重要意义。

3 主要工程地质问题

3.1 工程地质岩性

测区地表零星覆盖第四系全新统滑坡堆积 (Q4del) 、坡崩积 (Q4dl+col) 、冲洪积 (Q4al+pl) 、坡洪积 (Q4dl+pl) 、坡积 (Q4dl) 、坡残积 (Q4dl+el) , 上更新统冲洪积 (Q3al+pl) 软土、粉质粘土、粗砂、砾砂、细圆 (角) 砾土、粗圆 (角) 砾土、碎石土、卵石土、漂石土、块石土等地层。下伏上第三系 (N) ;侏罗系中统柳湾组 (J2l) 、勐戛组上段 (J2m2) 、下段 (J2m1) ;三叠系中统河湾街组 (T2h) ;泥盆系中统回贤组 (D2h) ;志留系中上统 (S2-3) , 下统 (S1) ;奥陶-志留系 (O-S) ;奥陶系上统 (O2) , 下统老尖山组 (O1l) , 漫塘组 (O1m) ;寒武系上统保山组二段 (∈3b2) , 一段 (∈3b1) ;寒武系上统沙河厂组上段 (∈3s2) , 下段 (∈3s1) ;寒武系公养河群二段 (∈gn2) ;燕山期花岗岩 (γ53) 、时代不明混合花岗岩 (γm) 、辉绿岩脉 (βu) 及各期断裂、断层破碎带之断层角砾 (Fbr) 、压碎岩 (Crr) 、蚀变岩 (Sr) 等地层。

3.2 不良地质构造

标段内不良地质为高烈度地震、活动断裂、高温热害、岩爆及软岩大变形、滑坡、岩溶、放射性、有害气体、顺层等;特殊岩土为软土、膨胀土。其中岩溶及软岩大变形为文章的研究重点。

4 岩溶溶洞群发育段TBM通过措施

本标段隧道穿越可溶岩地层主要为隧道中部D1K220+150~D1K220+740段志留系中上统 (S2-3) 灰岩、白云岩夹砂岩, 出口D1K225+510~D1K226+840段泥盆系中统回贤组 (D2h) 灰岩、白云质灰岩夹石英砂岩。该段TBM掘进时容易偏机、栽头、刀盘被卡、涌泥掩埋盾体、涌水引起电器故障、收敛变形引起整机被卡等施工风险。所以采取强有力的TBM通过措施, 至关重要。

针对通过岩溶溶洞群发育地段, 主要采取以下应对措施 (如图2所示) :

1) 超前地质预报

针对该段提前施做超前地质预报, 准确探测出掌子面前方溶洞的空间位置、大小以及是否有充填等, 并根据超前地质预报探测的结果, 提前做出应对措施及应急物资储备。

2) 溶洞处理

(1) 开挖轮廓线3 m以外的溶洞不做处理, 开挖轮廓线3 m以内的, 探明溶洞规模不大, TBM直接掘进通过, 并加强初期支护。

拱顶位置:溶洞溶腔出护盾瞬间, 及时采用钢筋排、钢拱架、工字钢纵连、拱架背部加焊支撑等联合支护措施, 必要时, 利用干喷系统对该段进行封闭, 若存在塌腔或溶腔, 则回填混凝土, 最后回填注浆确保密实。

撑靴位置:采取钢拱架、挂网干喷混凝土或灌注混凝土等联合支护提前处理。

隧底位置:隧底溶洞按开挖轮廓线外5 m控制, 大于5 m的不做处理, 小于5 m的采取提前回填砂浆固结或换填混凝土处理。

(2) 在开挖轮廓线3 m以内, 如探明有大规模溶洞, 则需提前采取钻爆法进行处理, 然后TBM步进通过。

(3) 根据溶洞发育特征, 对半填充和全填充溶洞采用静压灌浆法注入纯水泥浆进行处理。

5 软岩大变形TBM通过措施

隧道埋深较大, 区域应力场较高, 隧道可能发生软岩大变形。据深孔钻探揭露, 局部岩芯饼化现象十分明显, 反映了埋深较大处应力集中状态。高黎贡山越岭地段在加深地质工作及专题地质研究工作阶段通过软岩大变形进行预测, 根据预测隧道正洞软岩大变形段落总长可达3185m, 根据现场钻爆法的施工情况, 当埋深达到800m时, 围岩收敛变形将会大于60mm。根据以往工程统计, 软岩大变形和在TBM施工过程中造成的事故高达37%[11], 具体如图3所示。软岩大变形给TBM施工带来极大挑战, 因此高黎贡山隧道TBM高应力条件下施工关键技术的控制尤其重要。软岩大变形TBM通过措施总结如下:

(1) 超前地质预报。根据隧道的地质资料, 高黎贡山隧道的超前预报的特点是针对高地应力条件下的软弱围岩的力学性能, 在施工时采取强有力的超前地质预报, 将超前地质预报纳入TBM掘进工序;同时, 利用小直径TBM平导开挖揭露的围岩地质情况, 准确的预测正洞隧道相应地段的工程地质及水文地质条件, 在掘进过程中采取相应的处理措施, 确保施工的安全快速。

(2) 针对探明的地质条件和预报结果, 坚持“强支护, 早支护”的理念, 即利用TBM掘进机L1区配备的超前钻机及超前注浆设备与应急喷射混凝土装置、拱架安装器与钢筋排安装器、锚杆钻机与钢筋网安装平台等协同配合, 对不良地质围岩先进行超前预加固, 然后对出露护盾的围岩进行及时的强支护, 将围岩的收敛变形控制在合理的范围内。

(3) 初支护的软弱围岩随着掘进的继续, 进入到TBM的L2区范围内, 为了进一步保证软弱围岩的稳定性, 利用L2区配备的两台锚杆钻机, 协作完成270°范围内锚杆施作, 然后利用L2区配置的工作能力更强的混凝土喷射机械手, 对围岩进行再次加固。

结论:

针对高黎贡山隧道岩溶及软岩大变形重难点控制洞段, 通过查阅资料、调研国内外现有敞开式TBM施工案例、专家咨询研讨、高适应性的TBM设计以及结合工程目前施工状况等多种方案, 提出TBM超前地质预报、钢筋排、钢拱架和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。该方案与措施的顺利实施能够很好的保证即将进场TBM在岩溶及软岩大变形洞段的连续掘进, 为工程顺利实施奠定坚实的基础, 且能为今后类似的工程提供参考。

摘要：高黎贡山隧道全长34.538km, 具有“三高四活跃”的地质特点。采用钻爆法结合正洞9.03 m TBM与平导6.36 m TBM的方法进行施工, 其中TBM通过岩溶及软岩大变形洞段是本工程控制的重点, 也是难点。为解决TBM在该类地层中掘进时偏机、栽头、刀盘被卡、收敛变形引起整机被卡等施工风险, 通过查阅资料、调研国内外现有敞开式TBM施工案例、专家咨询研讨、高适应性的TBM设计以及结合工程目前施工状况等多种方案, 提出TBM超前地质预报、钢筋排、钢拱架和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。该方案与措施的顺利实施能够很好的保证TBM在岩溶及软岩大变形洞段的连续掘进, 为工程顺利实施奠定坚实的基础, 且能为今后类似的工程提供参考。

关键词：高黎贡山隧道,岩溶,软岩大变形,敞开式TBM,超前地质预报,联合支护系统