引水隧洞雙護(hù)盾TBM卡機(jī)分析及脫困技術(shù)

王江

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

0 引言

由于我國(guó)水資源分布不均，為了合理有效調(diào)配水資源，引水隧洞的修建成為目前國(guó)內(nèi)水資源調(diào)配的一個(gè)重要基建內(nèi)容。引水隧洞的修建具有長(zhǎng)、大、深埋及地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)。TBM以其作業(yè)環(huán)境好、信息化程度高、施工高效等優(yōu)點(diǎn)［1］，被廣泛應(yīng)用于我國(guó)引水隧洞建設(shè)中［2－6］。

當(dāng)雙護(hù)盾TBM穿越較差圍巖，尤其是穿越深埋長(zhǎng)大隧洞的斷層破碎帶時(shí)，圍巖變形大、易塌方，且當(dāng)圍巖的徑向位移大于盾殼與開挖輪廊面之間預(yù)留間隙，或大塊塌方將刀盤與掌子面之間距離填滿時(shí)，致使盾殼被卡死或者刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)，TBM無法挪動(dòng)，稱之為卡機(jī)。卡機(jī)會(huì)對(duì)工程進(jìn)度造成嚴(yán)重影響，例如昆明市掌鴆河引水供水工程上公山隧洞TBM施工中由于卡機(jī)造成的停機(jī)時(shí)間占1—4月總時(shí)間的53%［7］。通過國(guó)內(nèi)一些TBM施工遇到的卡機(jī)事故表明，卡機(jī)事故的及時(shí)脫困對(duì)于工程安全、進(jìn)度非常重要。針對(duì)工程實(shí)際提出脫困措施，國(guó)內(nèi)已有一些成功的嘗試，例如宋天田等［7］針對(duì)上公山隧洞TBM卡機(jī)進(jìn)行分析，指出圍巖快速大變形及大塊巖石強(qiáng)度較高及地應(yīng)力上下盤分布不均等因素造成卡機(jī)，并提出了超前地質(zhì)加強(qiáng)、改變TBM施工參數(shù)等方法解決卡機(jī);尚彥軍等［8］提出了圍巖蠕變發(fā)生條件和護(hù)盾變形破壞機(jī)制，提出人工擴(kuò)挖旁洞、鋼拱架支撐和超前導(dǎo)洞等工程處理措施;李久平等［9］結(jié)合遼寧省大伙房水庫輸水工程TBM標(biāo)段施工過程中出現(xiàn)的設(shè)備卡機(jī)提出塌腔回填、上導(dǎo)洞開挖、反向超前支護(hù)等措施;范以田等［10］采用LW水溶性聚氨酯類灌漿材料加固隧洞塌方洞段解決卡機(jī);張新偉等［11］針對(duì)陜西引紅濟(jì)石調(diào)水工程的卡機(jī)事故提出超高壓換步、人工擴(kuò)挖、化學(xué)灌漿加固等解決措施。上述研究大多針對(duì)某一原因進(jìn)行分析，反映的問題不夠系統(tǒng)，沒有細(xì)致地給出解決措施。本文結(jié)合青海引大濟(jì)湟、山西引黃入晉、陜西引紅濟(jì)石及云南上公山引水隧洞等長(zhǎng)大引水隧洞雙護(hù)盾TBM施工實(shí)例，對(duì)常見卡機(jī)類型進(jìn)行歸納，并細(xì)致地給出常用卡機(jī)處理技術(shù)。

1 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)類型及原因分析

1.1 卡機(jī)類型

1.1.1 卡刀盤

卡刀盤是TBM在施工中由于刀盤被卡住，不能轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致TBM無法前進(jìn)直至被卡死。主要有以下2種原因:

1)掌子面圍巖破碎，大塊巖體坍塌將刀盤卡死。青海引大濟(jì)湟調(diào)水總干渠工程雙護(hù)盾TBM穿越F4與F5交叉壓密性斷層，圍巖整體性差，容易塌方，自2008年4月至今連續(xù)發(fā)生9次TBM卡機(jī)事件，其中8次是由于刀盤在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擾動(dòng)掌子面圍巖導(dǎo)致大塊圍巖坍塌將刀盤與掌子面之間空隙填滿，大塊巖體與刀盤之間的摩擦力遠(yuǎn)大于TBM刀盤的脫困扭矩，將刀盤卡死。

2)掌子面突泥涌砂將TBM刀盤淹沒，致使刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)。云南上公山隧道圍巖以變質(zhì)或淺變質(zhì)的粉砂質(zhì)板巖(70%)為主，泥質(zhì)板巖為輔，兩者為層狀或互層狀結(jié)構(gòu)，巖體極其破碎。在雙護(hù)盾TBM開挖過程中，掌子面突泥涌砂造成TBM刀盤乃至整機(jī)被淹沒，最終剩余工程采用鉆爆法并就地拆機(jī)。

1.1.2 卡護(hù)盾

1)圍巖坍塌將盾殼卡死。青海引大濟(jì)湟、陜西引紅濟(jì)石引水隧洞圍巖破碎，穩(wěn)定性極差，在TBM施工中圍巖發(fā)生坍塌，導(dǎo)致盾殼上部巖體將護(hù)盾掩埋，致使盾殼被卡死。

2)圍巖收斂將盾殼抱死。青海引大濟(jì)湟、陜西引紅濟(jì)石等引水隧洞均出現(xiàn)過在TBM通過軟弱斷層帶時(shí)由于地應(yīng)力較大，軟弱圍巖塑性收斂變形過快，在TBM護(hù)盾還沒有通過該段圍巖時(shí)將盾殼抱死現(xiàn)象。

1.1.3 姿態(tài)偏差造成卡機(jī)

青海引大濟(jì)湟在完成第3次脫困后，刀盤前開挖完成7.5 m，TBM開始往前步進(jìn)，在步進(jìn)過程中，由于底部仰拱經(jīng)水浸泡后已喪失承載力，同時(shí)盾殼周邊圍巖已清理，撐靴未起到有效作用，無法將刀盤抬起，TBM在掘進(jìn)中向右下方向栽頭;待掘進(jìn)圍巖后，由于TBM偏向趨勢(shì)過大，仍無法有效將刀盤抬起及往左回調(diào);TBM掘進(jìn)至K17+117.984時(shí)，其姿態(tài)已嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)位置(刀盤面水平方向偏右600 mm，豎直方向偏下770 mm)，較大的姿態(tài)偏差導(dǎo)致管片安裝困難，且質(zhì)量較差，致使TBM無法繼續(xù)掘進(jìn)，同時(shí)圍巖發(fā)生收斂變形，進(jìn)而造成TBM被困。

1.2 原因分析

1.2.1 卡刀盤

1)由于TBM在開挖過程中刀盤擾動(dòng)，破壞了掌子面圍巖的平衡，致使巖體應(yīng)力重新分布，掌子面巖體由穩(wěn)定變?yōu)椴环€(wěn)定，破碎圍巖向自由面坍塌，而TBM的出碴速度是一定的，于是破碎圍巖在掌子面越積越多，最終坍塌體與刀盤之間的摩擦力大于刀盤脫困扭矩，造成TBM卡機(jī)。

2)當(dāng)隧洞圍巖構(gòu)造強(qiáng)烈，巖體極為破碎，且遇水易軟化、崩解，圍巖自穩(wěn)性差，在掌子面易塌方，且地層中地下水較多，在臨空面噴涌而出，并夾帶大量泥沙，形成涌砂現(xiàn)象，若突泥涌砂十分劇烈且量較大，將TBM掩埋。

1.2.2 卡護(hù)盾

1)由于圍巖穩(wěn)定性差，TBM在掘進(jìn)過程中掌子面圍巖出現(xiàn)塌方，出碴量遠(yuǎn)大于正常量，在掌子面及前盾附近形成臨空面，直至在護(hù)盾上方形成自由拱(或護(hù)盾上方巖體破碎，受到刀盤擾動(dòng)后出現(xiàn)大范圍坍塌直至形成自由拱)，最終由于盾殼上方堆積大量巖體，其與盾殼之間的摩擦力大于TBM最大推力進(jìn)而將盾殼卡死。

2)據(jù)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，此種現(xiàn)象主要發(fā)生在軟弱斷層破碎帶中，由于雙護(hù)盾TBM盾殼較長(zhǎng)(基本大于12 m)、隧洞埋深大，圍巖受到開挖擾動(dòng)發(fā)生快速的塑性變形(據(jù)觀測(cè)，青海引大濟(jì)湟平均收斂值達(dá)到20 mm/h)，在較短時(shí)間內(nèi)，TBM通過破碎帶之前，圍巖收斂值大于隧洞開挖輪廓與盾殼間距，將盾殼抱死。

1.2.3 姿態(tài)偏差造成的TBM卡機(jī)

由于刀盤前方開挖空間底部仰拱經(jīng)水浸泡后已喪失承載力，為了防止圍巖發(fā)生大量收斂及人員進(jìn)入護(hù)盾外進(jìn)行鉆爆作業(yè)，增加了預(yù)留變形量及人員、材料運(yùn)輸通道，只能采用單護(hù)盾模式進(jìn)行步進(jìn)，導(dǎo)致TBM無法進(jìn)行有效調(diào)向，致使后續(xù)管片無法有效安裝，最終造成TBM卡機(jī)。

實(shí)踐證明，TBM卡機(jī)不是某一種原因造成的，而是以上幾種原因的綜合作用結(jié)果。

2 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)脫困技術(shù)

2.1 側(cè)導(dǎo)坑法

在盾殼一側(cè)或兩側(cè)開孔，人工進(jìn)入護(hù)盾外開挖巖體并施作支護(hù)［12］，減小盾殼上部巖體作用在盾殼上的壓力。具體方法為:根據(jù)TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)的不同，在盾殼上開一個(gè)進(jìn)料方便的60～80 cm孔洞，并保證不影響盾殼受力結(jié)構(gòu)，根據(jù)TBM護(hù)盾受卡范圍，在空間允許的情況下縱向(可以前后進(jìn)行)開挖。側(cè)導(dǎo)坑施工見圖1。為了保證開挖人員、設(shè)備的安全，必須選取合理的支護(hù)參數(shù)及架設(shè)臨時(shí)支撐，同時(shí)為了防止TBM整機(jī)上浮，臨時(shí)支撐垂直于盾殼均勻分布在盾殼上。側(cè)導(dǎo)坑法在青海引大濟(jì)湟雙護(hù)盾TBM第1次卡機(jī)時(shí)采用并成功脫困。

圖1 側(cè)壁導(dǎo)坑施工示意圖Fig.1 Sketch of side drift excavation to release jammed TBM

2.2 超前化學(xué)灌漿法

化學(xué)灌漿是對(duì)不良地質(zhì)洞段進(jìn)行處理的重要手段之一。利用灌漿泵壓力將化學(xué)灌漿材料灌注到巖體裂隙中，使松散或破碎的圍巖結(jié)成整體，提高圍巖完整性，有利于TBM施工通過。一般采用聚氨酯類(PUR)和硅酸鹽改性聚氨酯類(Silicate Modified PUR)灌漿材料［13］。在陜西引紅濟(jì)石項(xiàng)目及山西萬家寨項(xiàng)目采用化學(xué)灌漿法均取得了成功。

化學(xué)灌漿注漿孔分為淺孔和深孔2種，淺孔直徑為50mm，布置在刀盤全斷面范圍內(nèi)，施工深度為4～5 m，在隧洞開挖輪廓線內(nèi)縮約50 cm的位置布孔，通過滾刀刀孔或刮板孔人工點(diǎn)動(dòng)刀盤確定孔位;深孔沿刀盤人工轉(zhuǎn)動(dòng)輪廓線在掌子面全斷面范圍內(nèi)鉆孔，通過人工點(diǎn)動(dòng)刀盤確定孔位，施工最大深度為15 m。

由于化學(xué)灌漿材料完全固化反應(yīng)時(shí)間非?？?，采用自進(jìn)式鉆桿作為孔內(nèi)灌漿管時(shí)，無需專用的封孔設(shè)備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可;當(dāng)用PVC塑料管作為孔內(nèi)灌漿管時(shí)，采用孔內(nèi)自封孔技術(shù)，封孔器在下管路時(shí)安放，一次使用，不再周轉(zhuǎn)。

2.3 輔助坑道法

青海引大濟(jì)湟雙護(hù)盾TBM在第6次卡機(jī)后經(jīng)過專家論證，考慮到此段斷層破碎帶距離長(zhǎng)，采用其他輔助工法無法保證TBM順利脫困。為此，在隧洞里程K17+093.96處進(jìn)行輔助坑道進(jìn)口開口，出口開口里程K17+045.47，繞洞與正洞進(jìn)出口交角約40°，繞正洞軸線距離15 m。輔助坑道平面布置圖見圖2。

圖2 輔助坑道平面布置圖(單位:m)Fig.2 Plan layout of auxiliary gallery(m)

采用拆除4環(huán)管片作為輔助坑道進(jìn)口。管片拆除時(shí)采用先拆除中間2環(huán)，進(jìn)洞并將洞口鎖口支護(hù)穩(wěn)定后，再拆除開口兩側(cè)管片。開挖至正洞邊墻位置后停止開挖，施作鎖口處理。輔助坑道洞身采用城門洞型斷面(見圖3)，根據(jù)地質(zhì)情況，采用短臺(tái)階法開挖，臺(tái)階長(zhǎng)2～3 m，前段采用人工手持風(fēng)鎬開挖，進(jìn)洞20 m后，采用爆破開挖。

圖3 輔助導(dǎo)坑斷面圖Fig.3 Cross-section of auxiliary gallery

繞洞施工完成后，進(jìn)行正洞開挖，其中K17+ 064.39～+035采用鵝蛋形斷面(見圖4)，K17+035～K16+920采用馬蹄形斷面(見圖5)。正洞自刀盤前上斷面開挖，上斷面通過繞洞出口與正洞交點(diǎn)里程后，自繞洞開挖正洞下斷面，交叉口處下斷面開挖完成后，分2個(gè)掌子面同時(shí)施工。

圖4 鵝蛋形斷面圖Fig.4 Oval-shaped cross-section of tunnel

2.4 設(shè)備技術(shù)改造法

無法滿足出碴需要及收斂變形速率快是造成雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的原因之一，可以從以下2個(gè)方面對(duì)TBM進(jìn)行技術(shù)改造:

1)增加刀盤開口率，滿足軟弱圍巖在掘進(jìn)中出碴量的需要，在掌子面出現(xiàn)坍塌時(shí)能夠及時(shí)將刀盤與掌子面之間的碴料出凈。為了防止高刀位刀具多次破碎洞碴造成弦磨，對(duì)刀盤刮碴口進(jìn)行適當(dāng)?shù)卦龃蟆?/p>

2)增加邊刀行程或在設(shè)備設(shè)計(jì)階段擴(kuò)大刀盤，在維持盾殼不變的情況下增大開挖輪廓面，增加圍巖與盾殼之間的空間，在圍巖塑性變形未抵達(dá)盾殼的情況下快速通過。

圖5 馬蹄形斷面圖Fig.5 Horse-shoe-shaped cross-section of tunnel

2.5 設(shè)備后退法

青海引大濟(jì)湟工程TBM在步進(jìn)及掘進(jìn)過程中姿態(tài)失控，掘進(jìn)趨勢(shì)偏向過大，無法采用常規(guī)方法進(jìn)行TBM姿態(tài)回調(diào)。在刀盤前方澆筑鋼筋混凝土導(dǎo)向臺(tái)，進(jìn)行TBM調(diào)向，將TBM后退，具體見圖6。

圖6 TBM反力支座Fig.6 Support to provide reaction force for TBM

3 脫困技術(shù)的適用范圍

實(shí)踐證明，無論采用何種卡機(jī)脫困措施，在一定程度上具有局限性，科學(xué)合理地選擇卡機(jī)處理措施是保證雙護(hù)盾TBM順利脫困的關(guān)鍵。

側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于無水或少量滲水的小型斷層破碎帶，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，斷層破碎帶不能超過TBM盾殼長(zhǎng)度。遇見較大的涌水情況時(shí)，可結(jié)合超前化學(xué)灌漿法進(jìn)行止水加固。超前化學(xué)灌漿法適用范圍較為廣泛，適用于節(jié)理裂隙較為發(fā)育的有水或無水不良地質(zhì)洞段。由于施鉆長(zhǎng)度與TBM空間受限制，基本加固范圍為40～50m，但是由于施鉆時(shí)間長(zhǎng)，在進(jìn)度上較為緩慢。根據(jù)青海引大濟(jì)湟現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，在壓密性斷層破碎帶中灌漿效果非常不理想。輔助坑道法適用于規(guī)模較大的斷層破碎帶，可以結(jié)合化學(xué)灌漿進(jìn)行有效堵水，但是遇見高埋深、高地應(yīng)力軟弱圍巖時(shí)則不適用。根據(jù)青海引大濟(jì)湟初支背后土壓力測(cè)試，鋼架承受的壓應(yīng)力為547 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于I 22工字鋼本身的屈服強(qiáng)度235 MPa，初期支護(hù)出現(xiàn)較大的收斂，個(gè)別部位已經(jīng)侵入TBM輪廓。

4 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)預(yù)防措施

1)加強(qiáng)地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性。詳細(xì)準(zhǔn)確的地質(zhì)勘探是決定雙護(hù)盾TBM施工工法選擇成功的關(guān)鍵，無論是在設(shè)計(jì)階段還是在施工階段均能有效地降低TBM施工風(fēng)險(xiǎn)。從國(guó)內(nèi)使用雙護(hù)盾TBM實(shí)踐證明，雙護(hù)盾TBM對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性非常敏感。在青海引大濟(jì)湟、陜西引紅濟(jì)石等工程中，由于地質(zhì)勘探不詳細(xì)，造成多次卡機(jī)現(xiàn)象;而引黃入晉工程前期地質(zhì)勘探較為詳盡，在設(shè)計(jì)階段就將不適應(yīng)雙護(hù)盾TBM施工的隧洞段進(jìn)行了處理，在施工期間很少出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。

2)優(yōu)化設(shè)計(jì)。①土建設(shè)計(jì)優(yōu)化，工程前期采集詳盡的資料，選用合適工法，通過土建設(shè)計(jì)優(yōu)化提前做好預(yù)案，有效降低雙護(hù)盾TBM施工風(fēng)險(xiǎn)。②設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化，預(yù)防雙護(hù)盾TBM卡機(jī)不僅可以在實(shí)施階段，也可以在設(shè)備設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)地質(zhì)條件的了解可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，如可擴(kuò)大刀盤、增加邊刀行程、增加TBM的總推力、脫困扭矩等。通過一系列的設(shè)備優(yōu)化，能夠有效地降低TBM施工的風(fēng)險(xiǎn)。

3)快速掘進(jìn)。施工高效是雙護(hù)盾TBM的優(yōu)點(diǎn)之一，由于不良地質(zhì)洞段圍巖坍塌和塑性變形在發(fā)生時(shí)間上具有一定的間隔，保持設(shè)備的快速掘進(jìn)在一定程度上能夠降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，這要求設(shè)備機(jī)況良好、合理操作。

5 結(jié)論與建議

對(duì)于深埋長(zhǎng)大引水隧洞，其地應(yīng)力較大、圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜，雙護(hù)盾TBM施工中常發(fā)生卡機(jī)事故。因條件復(fù)雜，卡機(jī)產(chǎn)生的深層次機(jī)制尚未完全明確，卡機(jī)原因、脫困措施也有待進(jìn)一步整理歸納。

本文結(jié)合青海引大濟(jì)湟等工程實(shí)例，歸納了雙護(hù)盾TBM施工中常見的卡機(jī)類型及其產(chǎn)生的原因，總結(jié)了常用的脫困措施，為類似工程提供較詳細(xì)的參考。取得了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

1)隧洞地質(zhì)條件對(duì)雙護(hù)盾TBM施工具有決定性的影響，不良地質(zhì)段隧洞圍巖較差、發(fā)生坍塌、突泥涌砂以及圍巖變形過大均是造成雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的原因。

2)雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的類型包括:卡刀盤、卡護(hù)盾以及姿態(tài)偏差造成的卡機(jī)。

3)雙護(hù)盾TBM卡機(jī)常用的脫困措施主要有:側(cè)壁導(dǎo)坑法、超前化學(xué)灌漿法、輔助坑道法、設(shè)備技術(shù)改造法及設(shè)備后退法，施工中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際合理選用。

4)詳細(xì)、可靠的地質(zhì)水文資料是工程成功的基本條件，要加強(qiáng)地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性，并在土建、設(shè)備選型設(shè)計(jì)階段做好預(yù)防卡機(jī)的預(yù)案，以便安全、高效、經(jīng)濟(jì)地完成工程任務(wù)。

鑒于采用雙護(hù)盾TBM施工的引水隧洞較多，而本文針對(duì)的只是幾個(gè)工程實(shí)例，得出的結(jié)論尚有一定局限性。建立各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的各類地下工程(包括引水隧洞)雙護(hù)盾TBM卡機(jī)數(shù)據(jù)庫，綜合分析卡機(jī)原因，進(jìn)而建立專家系統(tǒng)，對(duì)各種卡機(jī)提出具有針對(duì)性較強(qiáng)的脫困措施，方便地解決工程實(shí)際問題，將是下一步的研究方向。

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