單護(hù)盾TBM在突泥涌砂地質(zhì)段施工探討

高 琨

(中鐵隧道股份有限公司，鄭州 450001)

0 引言

20世紀(jì)80年代我國引進(jìn)了現(xiàn)代TBM施工技術(shù)。TBM施工以其快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全和環(huán)保的特點(diǎn)，越來越多地被國內(nèi)大型交通、水利水電工程所應(yīng)用［1－2］。

敞開式 TBM適用于硬巖隧道掘進(jìn)［3］。雙護(hù)盾TBM適用于中—厚層、中—高強(qiáng)度，穩(wěn)定性良好的復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道掘進(jìn)［4］。在軟弱巖層及自穩(wěn)時間相對較短、地質(zhì)條件較差地層的長大隧道施工中，單護(hù)盾TBM法是目前較先進(jìn)、較安全的一種隧道開挖施工方法［5］，在甘肅省引洮供水一期總干渠7#隧洞施工中得到了成功的應(yīng)用。但目前為止，單護(hù)盾TBM法施工還不能得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)閱巫o(hù)盾TBM適用范圍太窄，地質(zhì)條件要求較高，通過不良地質(zhì)地段時適應(yīng)性較差［6］，在復(fù)雜地質(zhì)條件下施工易遇到各種工程地質(zhì)問題，掘進(jìn)效率大大降低［7］。甘肅省引洮供水7#隧洞是國內(nèi)引進(jìn)的第1臺單護(hù)盾TBM，初期勘探顯示7#隧洞存在含水疏松砂巖，在施工過程中易出現(xiàn)突泥涌水、突泥涌砂、卡機(jī)等問題。本文以引洮工程為依托，總結(jié)了突泥涌砂地質(zhì)條件對單護(hù)盾TBM施工的影響，并對單護(hù)盾TBM通過突泥涌砂地質(zhì)條件存在的問題及處理措施予以探討。

1 工程背景

1.1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程為大型跨流域調(diào)水工程。本項(xiàng)目重點(diǎn)解決該地區(qū)城鎮(zhèn)工業(yè)用水、農(nóng)村人畜飲水、生態(tài)環(huán)境用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水問題，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展提供水資源保障。該工程設(shè)計(jì)全長110.47 km，引水流量 32 m3/s，加大流量 36 m3/s。7#隧洞工程區(qū)位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，隧洞全長17.286 km。設(shè)計(jì)橫斷面型式為圓型斷面，凈斷面尺寸(直徑)為4.96 m，TBM掘進(jìn)施工段斷面見圖1。TBM開挖直徑為5.95m，縱向設(shè)計(jì)為直線，單面下坡，坡度為1/1 650。

1.2 地質(zhì)概況

隧洞圍巖類別主要為Ⅳ類和Ⅴ類圍巖，巖性主要由白堊系K1hk3巖層構(gòu)成，局部由上第三系N2L3及白堊系K1hk4巖層構(gòu)成。總體由較軟巖組成，K1hk4為泥質(zhì)膠結(jié)的粉細(xì)砂巖，局部夾薄層泥巖，巖性軟弱，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為5～6MPa，為較軟巖，遇水易軟化膨脹，飽水崩解，塑性流變;樁號50+400.00～63+931.00段為上第三系N2L3磚紅色。砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，局部為砂巖、砂礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)為主，膠結(jié)程度差，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為1.5～2.0 MPa，屬極軟巖，遇水易膨脹，飽水后崩解，失水干縮，具弱膨脹性。

地下水類型主要為孔隙裂隙水，含水巖體主要為第三系地層，透水性差。

圖1 TBM掘進(jìn)施工斷面圖(單位:mm)Fig.1 Cross-section of tunnel excavated by TBM(mm)

1.3 TBM 情況

TBM的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。由于施工地質(zhì)條件比較復(fù)雜，為確保在軟弱地質(zhì)條件下正常施工，采用了單護(hù)盾TBM進(jìn)行施工［8］并增設(shè)超前鉆探功能。TBM配備超前鉆機(jī)可在刀盤前360°的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行鉆孔，探測鉆孔外插角6～10°，鉆孔直徑不小于64 mm，鉆孔深度不小于30 m。超前地質(zhì)鉆機(jī)在保證地質(zhì)預(yù)報(bào)、地質(zhì)取芯需求的同時進(jìn)行超前注漿加固，以保證TBM能順利通過不良地質(zhì)和富含地下水地段。鉆機(jī)有獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，其供油箱應(yīng)與TBM主油箱分開。

表1 TBM主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 Parameters of TBM

1.4 施工情況

TBM自2009年12月掘進(jìn)以來，經(jīng)過各種不良地質(zhì)地段，先后發(fā)生塌方、突泥涌水、突泥涌砂、卡機(jī)等施工問題。通過采取超前地質(zhì)補(bǔ)勘、注漿、降水、套拱、鋼管片、刀盤蓋帽等技術(shù)方案，成功抑制了險情的進(jìn)一步惡化，確保了TBM施工。后期因嚴(yán)重突泥涌砂造成TBM抱死，項(xiàng)目結(jié)合實(shí)際情況TBM轉(zhuǎn)場施工。2011年8月17日至12月30日創(chuàng)月掘進(jìn)1 868 m的世界紀(jì)錄，最高日進(jìn)尺81.6 m。

2 施工中可能遇到的主要問題及措施

2.1 主要問題

1)TBM因故障長時間停機(jī)，圍巖收斂變形及坍塌，圍巖壓力作用于盾殼，可能導(dǎo)致TBM掘進(jìn)的推力大幅度增加，導(dǎo)致管片破損嚴(yán)重、管片旋轉(zhuǎn)加劇，最不利的情況是導(dǎo)致TBM主機(jī)被卡機(jī)［9］。

2)TBM施工掌子面因自穩(wěn)時間短而坍塌，導(dǎo)致刀盤被壓后扭矩大幅度提高，最不利的情況是超過刀盤脫困扭矩導(dǎo)致刀盤無法啟動。

3)由于掌子面圍巖膠結(jié)程度低、整體軟弱，導(dǎo)致姿態(tài)無法控制，盾體和管片的滾動加劇。當(dāng)盾體滾動超過±8%時，TBM會自動停機(jī)導(dǎo)致掘進(jìn)中斷。

4)受圍巖收斂及坍塌影響，砂礫等涌入盾尾開口，需在管片安裝前進(jìn)行大量的清碴工作，影響管片的正常安裝。

5)掘進(jìn)后的隧洞底板由于積水泥化嚴(yán)重，承載力滿足不了TBM的穩(wěn)定需要，導(dǎo)致TBM掘進(jìn)姿態(tài)難以控制，出現(xiàn)TBM刀盤嚴(yán)重低頭、盾體下沉等現(xiàn)象，導(dǎo)致掘進(jìn)方向超出偏差范圍、管片安裝困難、管片破損嚴(yán)重等現(xiàn)象。管片錯臺導(dǎo)致止水功能喪失、已安裝管片下落或位移變形等嚴(yán)重后果。

6)TBM施工管片背后充填豆礫石前，圍巖崩解、坍塌，導(dǎo)致豆礫石無法充填密實(shí)或無充填間隙、水泥灌漿無法通過管片工作孔順利灌入，豆礫石回填灌漿強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，最不利的情況是造成豆礫石無法正常回填灌漿。

2.2 TBM通過突泥涌砂段施工措施

2.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為準(zhǔn)確判斷TBM前方施工地質(zhì)情況，需對前方地層進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)。在設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)勘察資料的基礎(chǔ)上，利用TBM配備的BEAM地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，必要時采用超前地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆孔預(yù)報(bào)。

TBM配置的BEAM G4系統(tǒng)的地質(zhì)預(yù)測數(shù)據(jù)，是基于系統(tǒng)前期所采集的TBM連續(xù)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合隨后開挖地層的描述情況進(jìn)行修改和校正而最終獲得的。采用電纜線連接位于盾體內(nèi)的電極和17#拖車尾部的電極，系統(tǒng)通過獲得的電阻值判斷前方地層地質(zhì)，并通過主機(jī)室的系統(tǒng)監(jiān)視屏幕直接讀取前方地層的地質(zhì)情況。該系統(tǒng)的缺陷是，所預(yù)測的地質(zhì)情況必須是曾發(fā)生過的不良地質(zhì)情況。

必要時利用超前地質(zhì)鉆機(jī)通過盾體和刀盤的預(yù)留孔沿掘進(jìn)方向斜向或水平鉆孔?？赏ㄟ^以下2種手段進(jìn)行分析:1)只鉆孔不取芯，通過鉆孔內(nèi)翻出的碴土判斷前方地層;2)鉆孔取芯，通過芯樣進(jìn)行地質(zhì)判斷。超前鉆機(jī)可以實(shí)現(xiàn)上部120°范圍的6個鉆孔，具體布置位置見圖2和圖3。超前鉆機(jī)通過管片安裝機(jī)旋轉(zhuǎn)至孔位，刀盤預(yù)留孔轉(zhuǎn)至指定位置，鉆桿通過該2處孔位進(jìn)行鉆孔取芯，鉆孔沿開挖圓心2.1 m布設(shè)，孔深根據(jù)實(shí)際需要確定。

2.2.2 管片背部固結(jié)灌漿

TBM通過含水疏松砂巖地段時，由于疏松砂巖在大量裂隙水的作用下，巖體的內(nèi)摩擦力為0，同時巖體還要受到地下水動力的作用，松散巖體會緊隨著TBM的開挖而坍塌，造成TBM盾殼外部及安裝管片背部發(fā)生大面積塌方，大量的松散圍巖向隧洞涌入，緊緊地包裹著TBM的前、后護(hù)盾，使TBM被抱死而停止工作。同時由于管片背部被塌下的松散砂巖壓緊，豆礫石回填及回填灌漿均無法順利進(jìn)行。

結(jié)合本工程的實(shí)際情況，通過管片工作孔打設(shè)φ48的花式小導(dǎo)管進(jìn)行灌注水泥漿固結(jié)管片背后的松散砂巖，使管片背部形成一個固結(jié)圈，確保管片環(huán)整體受力。管片背部固結(jié)灌漿位置安排于TBM回填灌漿區(qū)域，采用TBM配備的制漿桶、注漿泵、注漿管線、自制注漿頭等進(jìn)行注漿，并隨TBM的開挖進(jìn)度向前跟進(jìn)。

2.2.3 超前固結(jié)灌漿

根據(jù)地質(zhì)條件，本工程在施工過程中，若發(fā)生下面2種情況應(yīng)對地層進(jìn)行灌漿加固。

1)突發(fā)異常停機(jī)。在機(jī)械故障等情況下導(dǎo)致停機(jī)，一旦判斷無法在較短時間內(nèi)恢復(fù)掘進(jìn)，在停機(jī)后應(yīng)立即進(jìn)入刀盤對掌子面上部向掘進(jìn)前方布設(shè)長3 m注漿管進(jìn)行小范圍注漿加固。

2)前方地層穩(wěn)定性極差。對可能發(fā)生較大范圍坍塌或已經(jīng)發(fā)生坍塌的情況，應(yīng)立即停止掘進(jìn)，人員進(jìn)入刀盤鉆孔，如刀盤無法進(jìn)入則通過中盾預(yù)留外插孔(外插角9°)超前鉆孔，布設(shè)注漿管加固刀盤前方15m左右的范圍，加固后再進(jìn)行掘進(jìn)，TBM掘進(jìn)12 m并預(yù)留3 m的加固體再停機(jī)采取同樣方法進(jìn)行加固，直至完全通過可能繼續(xù)坍塌的地段。

結(jié)合本工程地質(zhì)情況及TBM施工實(shí)際情況，計(jì)劃對TBM掌子面上部120～180°范圍進(jìn)行灌漿加固。由于受TBM刀盤作業(yè)空間及刀盤孔洞限制，計(jì)劃采取以下2種方式對TBM掌子面前方上部進(jìn)行注漿加固:1)采用超前鉆機(jī)通過中盾預(yù)留外插孔進(jìn)行加固(布置位置見圖4和圖5)，根據(jù)實(shí)際效果選擇注漿孔孔位和孔數(shù);2)人員進(jìn)入刀盤內(nèi)手持風(fēng)動鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，埋設(shè)注漿管后進(jìn)行注漿加固，完成后旋轉(zhuǎn)刀盤再進(jìn)行下一個孔鉆孔及固結(jié)灌漿。如此反復(fù)，加固刀盤上部120～180°范圍(根據(jù)實(shí)際灌漿效果及地質(zhì)情況確定加固范圍)。

2.2.4 塌方段塌腔處理

面板固定效應(yīng)模型可用于研究包含在固定類別中各截面成員自變量受到其他變量的影響，而不會推及到不同的類別中去［19］，適合用于研究有區(qū)域差異的面板數(shù)據(jù)。為了研究各城鎮(zhèn)化因素對水資源消耗影響的區(qū)域差異，本文建立面板固定效應(yīng)模型。且為了消除異方差和序列自相關(guān)性，本文采用似不相關(guān)回歸法 （SUR）構(gòu)建如式 （2）所示的固定效應(yīng)變系數(shù)模型：

管片背部固結(jié)灌漿完成后，管片背后形成了一定厚度的固結(jié)圈，提高了管片環(huán)整體受力。根據(jù)該段地層TBM掘進(jìn)過程中的出碴量計(jì)算，上部坍腔高度大于固結(jié)范圍，為了保證隧道的長期穩(wěn)定，必須對固結(jié)圈以外的坍塌體和塌腔進(jìn)行回填處理。塌腔回填灌漿示意圖見圖6。

通過超聲波探測儀查明坍塌部位及坍腔大小，在查明后有針對性地進(jìn)行回填灌漿，選擇坍腔部位的工作孔并打設(shè)φ58小導(dǎo)管進(jìn)行回填灌漿。

圖6 空腔回填灌漿示意圖Fig.6 Backfilling grouting

2.2.5 對突泥涌砂的處理

當(dāng)突發(fā)涌泥涌砂現(xiàn)象時，涌泥或涌砂通過刀倉或盾尾進(jìn)入TBM盾殼內(nèi)部，必須及時組織人員進(jìn)行清理。

1)在前盾底部鉸接油缸處布置泥漿泵，當(dāng)非正常停機(jī)、刀倉內(nèi)泥砂堆積較多時，立即將泥漿泵置入刀倉內(nèi)，通過置于TBM后配套處管路抽排至渣斗平板車;當(dāng)?shù)秱}內(nèi)涌砂較大抽排不及時由皮帶孔涌入前盾時，應(yīng)迅速打開刀倉底部2個臨時泄水孔，并使用泥漿泵將泥砂直接抽排至渣斗平板車。

2)盾尾開口位置分別布置泥漿泵，并配備高壓水管進(jìn)行沖洗稀釋，然后使用泥漿泵將稀釋后的泥砂通過置于TBM后配套處的管路抽排至渣斗平板車;必要時可用泥漿泵將盾尾處稀釋后的泥漿抽至CB1油污水箱，再通過污水管路排出洞外。

3)爬坡軌末端布置1臺泥漿泵，及時將該處堆積泥砂抽排至渣斗平板車。每列編組須增加1輛渣斗平板車掛在人車前，每個平板車上設(shè)2個渣斗，每個渣斗容積3 m3。

3 原因分析

3.1 客觀因素

地質(zhì)條件是主要的客觀因素，根據(jù)7#隧洞前期地質(zhì)勘探資料及地質(zhì)補(bǔ)充勘察成果揭示，7#隧洞砂巖段地層主要有粉細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖、細(xì)砂巖和互層狀砂巖、泥巖。該類圍巖以泥質(zhì)膠結(jié)為主，厚層—巨厚層狀構(gòu)造，成巖較差，結(jié)構(gòu)疏松，親水性強(qiáng)，遇水極易軟化、崩解，強(qiáng)度低，干濕效應(yīng)明顯，具塑性流變，具弱透水，屬含水巖性。潮濕狀態(tài)下，巖芯呈長柱狀，強(qiáng)度低，手掰即斷，手捻成粉末狀，捻后手掌泥質(zhì)殘留物較少;飽水狀態(tài)下，呈流型。若在此地質(zhì)條件下施工，風(fēng)險極大，不適于TBM施工。

3.2 主觀因素

人為操作是主要的主觀因素，前期形成的地形地質(zhì)資料及剖面圖表明:在樁號60+663～61+270段存在含水疏松砂巖，隧洞埋深93～206 m，圍巖主要由泥質(zhì)細(xì)砂巖、含礫砂巖構(gòu)成，局部夾粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖;圍巖中地下水以滴滲為主，偶有線狀流水，設(shè)計(jì)為Ⅴ類圍巖。雖然項(xiàng)目部組織專家對施工過程中可能存在的問題及相關(guān)處理措施進(jìn)行了研討，也確定了科學(xué)切實(shí)可行的施工方案，且在進(jìn)入含水疏松砂巖地段前期TBM能夠正常掘進(jìn)，但是由于TBM長期工作，機(jī)械設(shè)備保養(yǎng)滯后、刀具磨損嚴(yán)重，項(xiàng)目被迫停機(jī)進(jìn)行機(jī)械保養(yǎng)維修。在停機(jī)期間再次發(fā)生突泥涌砂，造成TBM抱死無法再次運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)單護(hù)盾TBM在甘肅引洮供水一期工程施工的實(shí)踐，得到以下幾點(diǎn)體會及建議。

1)施工過程中應(yīng)加強(qiáng)機(jī)械保養(yǎng)工作。在進(jìn)入含水疏松砂巖洞段前將已經(jīng)磨損的刀具全部更換，必要時使用刀盤清理設(shè)備進(jìn)行清理。根據(jù)TBM設(shè)備現(xiàn)狀，做好設(shè)備檢修和優(yōu)化完善工作，并有針對性地儲備相關(guān)配件，避免TBM非計(jì)劃停機(jī)。

2)選取合適的掘進(jìn)參數(shù)。保證出碴量與皮帶機(jī)能力相配套，防止出碴過快，導(dǎo)致皮帶出碴能力不足和掌子面前方形成較大的塌空區(qū)。做好可能發(fā)生突泥涌砂時碴土的輸送工作，確保碴土及時排出。

3)根據(jù)已施工段對TBM姿態(tài)控制的經(jīng)驗(yàn)，提前做好姿態(tài)調(diào)整的技術(shù)總結(jié)。在進(jìn)入含水疏松砂巖洞段前做好TBM姿態(tài)調(diào)整，控制好盾體與管片的滾動。在TBM出現(xiàn)被抱死趨勢前通過前盾和中盾預(yù)留的孔洞向護(hù)盾和圍巖之間注入潤滑材料，便于TBM脫困。

4)必要時，在含水疏松砂巖洞段側(cè)管片上安裝限位鋼板。減少因管片受力過大或不均時產(chǎn)生較大的錯臺，管片止水條由于接觸面較小，2條止水條相互錯開造成止水條失效。針對含水疏松砂巖洞段特殊地質(zhì)情況可將復(fù)合止水條的遇水膨脹橡膠部分加寬和加厚，確保管片止水效果。

5)盡早安排豆礫石回填和砂漿回填工序。趕在圍巖崩塌之前完成充填，對于無法順利進(jìn)行豆礫石回填灌漿段及砂漿段通過工作孔打設(shè)花式小導(dǎo)管進(jìn)行固結(jié)灌漿，以保證拼裝襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和完整。

6)若側(cè)拱或頂拱塌方嚴(yán)重形成較大空腔，第1步對管片背部坍塌體進(jìn)行固結(jié)灌漿，第2步對固結(jié)層以外的坍塌體及坍腔進(jìn)行充填灌漿。首先通過TBM掘進(jìn)過程出碴量記錄或采取無損探測技術(shù)(超聲波探測儀)查明坍塌部位及坍腔大小，然后通過管片注漿孔埋設(shè)注漿管至第1步形成的固結(jié)層以外的坍塌體及空腔進(jìn)行回填。充填材料根據(jù)情況可選擇水泥漿液或水泥砂漿。

7)如出現(xiàn)盾體被抱死及刀盤被壓后無法啟動的情況，可從TBM尾盾預(yù)留的觀察窗處進(jìn)行掏碴進(jìn)入尾盾上方。將盾體周圍一定范圍內(nèi)堆積的圍巖掏空并進(jìn)行支護(hù)，如刀盤無法啟動則通過盾體上部將刀盤前方一定范圍內(nèi)的碴土掏空后啟動刀盤，同時進(jìn)行灌漿加固后再進(jìn)行掘進(jìn)。

8)針對可能發(fā)生的突泥涌砂地質(zhì)災(zāi)害情況，采取超前注漿加固止水及超前排水措施。安排專人進(jìn)行泥砂抽排清理工作，并在皮帶機(jī)口、中盾、尾盾、主機(jī)室及爬坡軌處配置專用泥漿泵和專用排污管路，確保掘進(jìn)過程中能應(yīng)對突發(fā)突泥涌砂地質(zhì)災(zāi)害。

9)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。在TBM施工中，受刀盤限制，TBM本身金屬結(jié)構(gòu)部件和設(shè)備上無線電器控制件對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)存在一定的干擾，可供選擇的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段受到一定限制。建議地質(zhì)預(yù)報(bào)以地質(zhì)分析為主、物探和鉆探相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、長距離預(yù)報(bào)與短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合等多種探測方法相互補(bǔ)充驗(yàn)證。

10)TBM施工過程中有必要采取傳統(tǒng)的施工方法分擔(dān)施工風(fēng)險，以保證工程的順利進(jìn)行。即便TBM順利通過局部不良地質(zhì)地段，也必須提前制定相應(yīng)的技術(shù)措施應(yīng)對可能出現(xiàn)的風(fēng)險。

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