引洮供水工程雙護(hù)盾TBM卡機(jī)事故分析與解決

劉志華，李清文，邊 野，王根征

LIU Zhi-hua, LI Qing-wen, BIAN Ye, WANG Gen-zheng

(1.北方重工集團(tuán)有限公司 盾構(gòu)機(jī)分公司，遼寧 沈陽 110142；2.全斷面掘進(jìn)機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110142；3.中鐵十八局集團(tuán) 隧道工程有限公司，四川 重慶 400700)

引洮供水一期工程9號隧洞位于甘肅省定西市內(nèi)管營鎮(zhèn)，隧洞采用1臺直徑為5.75m雙護(hù)盾TBM施工，TBM自2010年3月開始掘進(jìn)，連續(xù)掘進(jìn)10km后，于2010年11月19日發(fā)生卡機(jī)事故。如圖1所示，TBM護(hù)盾被變形的圍巖卡住，造成TBM停機(jī)。后經(jīng)過1個(gè)月的處理后，TBM重新開始掘進(jìn)。雙護(hù)盾TBM施工最大的難點(diǎn)為如何避免卡機(jī)事故的發(fā)生，卡機(jī)事故一般由地質(zhì)、設(shè)備或人為的因素造成。

圖1 卡機(jī)事故現(xiàn)場圖片

1 卡機(jī)事故地質(zhì)因素分析

根據(jù)TBM卡機(jī)事故現(xiàn)場資料，TBM卡機(jī)事故工程地質(zhì)原因如下。

1）卡機(jī)段圍巖為下第三系固原群（Egy）泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、砂巖、含礫砂巖與砂礫巖。圍巖成巖較差，礦物顆粒間膠結(jié)較弱。遇水條件下巖石力學(xué)強(qiáng)度明顯降低，具有弱膨脹性。根據(jù)實(shí)地考察，卡機(jī)事故段隧洞圍巖含水率高于正常圍巖含水率，圍巖力學(xué)強(qiáng)度較低，局部圍巖甚至用手即能捏碎[1]。

2）該工程區(qū)位于秦嶺東西向構(gòu)造帶之西秦嶺褶皺帶與河西構(gòu)造體系兩大構(gòu)造體系的復(fù)合部位，9#引水隧洞可能受河西構(gòu)造體系影響而具有一定的構(gòu)造地應(yīng)力，從而增加了卡機(jī)事故發(fā)生的可能性。由于暫時(shí)缺乏可靠的地應(yīng)力實(shí)測資料，因此未考慮水平構(gòu)造應(yīng)力的影響。

通過做實(shí)驗(yàn)， TBM卡機(jī)段砂巖顆粒粒徑主要分布在5～20mm之間，屬于中～粗砂巖。自由線性膨脹率分別為7%、8%，巖石顆粒具有弱膨脹性。

TBM卡機(jī)段隧洞圍巖屬于V級圍巖，巖石單軸抗壓強(qiáng)度在10MPa以下，圍巖具較高的含水率和較低的力學(xué)強(qiáng)度，由此可見地質(zhì)因素是造成卡機(jī)事故發(fā)生的主要因素之一。

2 設(shè)備因素分析

為了分析卡機(jī)事故是否為TBM扭矩不足造成，我們有必要對TBM所需扭矩進(jìn)行估算，計(jì)算TBM在破碎帶時(shí)所需扭矩。

由于刀盤自重轉(zhuǎn)動所需扭矩和主軸承動圈密封摩擦阻力扭矩?cái)?shù)值較小，在此忽略不計(jì)，由此刀盤最大驅(qū)動扭矩Tmax＝Tr1+Tr2+Tr3，Tr1為刀盤刀具切土、破巖所需扭矩,根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)計(jì)算得出Tr1＝2625kN，Tr2為TBM在破碎帶和膨脹圍巖下掘進(jìn)，刀盤克服前部摩擦力所需轉(zhuǎn)矩為

P0、P1、P2、P3分別為盾體頂部壓強(qiáng)、盾體底部壓強(qiáng)、盾體頂部側(cè)向壓強(qiáng)、盾體底部側(cè)向壓強(qiáng)，D為開挖直徑，D＝5.75m，TBM刀盤在破碎帶圍巖或膨脹圍巖與鋼鐵摩擦系數(shù)分別為0.3或0.7，通過計(jì)算出圍巖在破碎帶和膨脹圍巖Tr2分別為473kN和1104kN。

Tr23為克服刀盤圓周旋轉(zhuǎn)力所需扭矩為

公式中d為刀盤厚度，d＝0.94m。

根據(jù)計(jì)算得出圍巖在破碎帶和膨脹圍巖Tr3為961kN和2243kN。

由此得出圍巖Tmax為4023～5972kN。

而設(shè)備提供的脫困扭矩有6350kN，遠(yuǎn)大于設(shè)備在膨脹圍巖下所需扭矩，所以設(shè)備是滿足選型要求的。

3 卡機(jī)事故預(yù)防

為了防止卡機(jī)事故的發(fā)生，在開挖破碎帶或者膨脹圍巖時(shí)需要做以下幾點(diǎn)。

1）加大刀盤開挖半徑 本工程刀盤上設(shè)計(jì)有可提升主驅(qū)動裝置和可移動刀箱設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)刀盤直徑方向擴(kuò)挖25mm、50mm、100mm功能。通過加大刀盤開挖半徑來增大圍巖收縮量，使得TBM盾體能夠迅速通過此地段。

2）降低盾殼與圍巖的摩擦力 在外伸縮盾和支撐盾前端盾殼上鉆若干注脂孔，連接1套氣動油脂泵和分配閥系統(tǒng)，向盾殼和圍巖之間注入廉價(jià)油脂和其它潤滑材料，以降低盾殼和圍巖之間的摩擦系數(shù)，從而降低推進(jìn)和換步時(shí)的摩擦阻力[3]。

3）采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式掘進(jìn) 在軟弱圍巖破碎帶圍巖下宜采用單護(hù)盾模式下掘進(jìn)，以減少撐靴對圍巖的擾動，減少尾盾的清碴量，提高管片的安裝速度，快速通過軟弱圍巖。

4）其他輔助措施 ①支撐盾前擴(kuò)挖 圍巖比較完整但收斂比較大時(shí)，可將伸縮盾打開，用風(fēng)鎬將支撐護(hù)盾前方圍巖進(jìn)行擴(kuò)挖5～10cm,邊擴(kuò)挖邊換步，保證換步后支撐盾上方預(yù)留一定的收斂空間不被卡住。但是由于空間的限制，廢碴無法及時(shí)排出，一般不采用此方案；②縮短尾盾長度及加強(qiáng)潤滑 由于尾盾過長，可以在脫困擴(kuò)挖時(shí)將尾盾割去一部分同時(shí)在安裝管片時(shí)在尾盾內(nèi)側(cè)涂抹油脂；③加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù) 通過地表勘探和洞內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，盡可能準(zhǔn)確地預(yù)測前方地質(zhì)情況，提前進(jìn)行超前化學(xué)灌漿來固結(jié)前方圍巖；④安排合理施工人員 施工人員應(yīng)合理安排生產(chǎn)，對設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的維護(hù)和保養(yǎng)，盡量減少停機(jī)時(shí)間。TBM正常工作時(shí)，對巖碴的巖性、大小、成分變換做出判斷，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)[4]。

4 卡機(jī)事故的處理

卡機(jī)事故發(fā)生前，當(dāng)操作手感覺掘進(jìn)和換步困難時(shí)，應(yīng)在單護(hù)盾模式下掘進(jìn)，并使用設(shè)備自帶的超高壓系統(tǒng)進(jìn)行掘進(jìn)。引洮工程雙護(hù)盾配備的超高壓系統(tǒng)，壓力可達(dá)510bar，總推力可達(dá)40575kN，在高壓系統(tǒng)仍無法脫困的情況下，一般采用化學(xué)灌漿和導(dǎo)洞開挖兩種措施來脫困。

1）化學(xué)灌漿 由于原裝圍巖（膨脹泥巖）的可灌性差，主要用于對松散圍巖的固結(jié)，確保主機(jī)周邊圍巖的穩(wěn)定。

2）導(dǎo)洞開挖 脫困導(dǎo)洞開挖分為：從兩腰線部位向前、后方開挖；從兩側(cè)底部向前方開挖；從護(hù)盾上方開挖。其主要目的是為了釋放圍巖自重應(yīng)力和水平膨脹應(yīng)力，根據(jù)不同的現(xiàn)場條件可采取不同方案[5]。本項(xiàng)目采用第一種方案，在雙護(hù)盾TBM尾盾后的左右兩側(cè)約第三塊管片處開一通道 ，通道開口寬約1m，高約為1.5m（盡量保持管片的完成性），進(jìn)入通道內(nèi)逐漸將通洞空間加大。支護(hù)材料采用16＃工字鋼,間距為600mm支護(hù)，工字鋼之間用?20mm鋼筋連接，外側(cè)采用厚度為40mm木板等。當(dāng)開挖到TBM護(hù)盾后方時(shí)，盡量將洞室空間加大，使TBM順利脫困，人工開挖導(dǎo)洞如圖2所示。為防止TBM再次被卡，設(shè)備脫困后采用TBM配備的刀盤擴(kuò)挖功能，成功通過1000m破碎帶地層。

圖2 TBM護(hù)盾后人工開挖導(dǎo)洞

5 TBM設(shè)備選型要注意的環(huán)節(jié)

雙護(hù)盾在施工中最大的風(fēng)險(xiǎn)就是卡護(hù)盾，從目前國內(nèi)雙護(hù)盾施工業(yè)績來看，大部分工程都發(fā)生過類似問題，如新疆的八十一大坂工程、青海引大濟(jì)湟工程、云南掌鳩河工程、陜西引紅濟(jì)石工程等。所以如何在設(shè)備選型上避免雙護(hù)盾被卡是關(guān)鍵。目前克服這一難題主要由以下幾個(gè)方面：①刀盤偏心距應(yīng)設(shè)計(jì)合理，刀盤偏心設(shè)計(jì)使得刀盤能夠在隧道頂部實(shí)現(xiàn)一定的擴(kuò)挖，使得圍巖有一定收縮量，有效防止護(hù)盾被卡，刀盤偏心距設(shè)計(jì)應(yīng)考慮圍巖的特性，不同的圍巖偏心距應(yīng)不同，一般松散圍巖偏心距設(shè)計(jì)較大；②刀盤應(yīng)具有擴(kuò)挖功能，在圍巖收斂比較大的情況下，應(yīng)使用刀盤對圍巖進(jìn)行擴(kuò)挖，增大圍巖收斂量，使TBM能快速通過此地段；③主機(jī)應(yīng)具有超高壓系統(tǒng)，在開挖破碎帶地層時(shí)，由于塌落的巖石與盾體摩擦力加大，為防止護(hù)盾能迅速通過此地段，在主機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)計(jì)有瞬時(shí)加大推力的功能，防止TBM被卡；④盡量縮短護(hù)盾的長度；⑤護(hù)盾應(yīng)采用階梯式設(shè)計(jì)，前盾、外伸縮盾、支撐盾和尾盾的直徑不同，采用直徑逐漸較小的設(shè)計(jì)，能有效避免護(hù)盾被卡的風(fēng)險(xiǎn)[6]。

6 結(jié) 論

綜上所述，避免雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)應(yīng)從三方面著手，首先需要分析地質(zhì)勘探資料，在破碎帶和膨脹圍巖下及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，其次在設(shè)備選型設(shè)計(jì)時(shí)要充分考察預(yù)防卡護(hù)盾事故的措施。最后要合理安排施工人員，盡量減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間。

[1]趙第厚.TBM卡機(jī)的原因和對策[J].山西水利科技，2008，8（3)：46-48.

[2]李建斌，陳 饋.雙護(hù)盾TBM的技術(shù)特點(diǎn)及工程應(yīng)用[J].建筑機(jī)械化，2006，（3)：46-49.

[3]李建斌.雙護(hù)盾TBM的地質(zhì)適應(yīng)性及相關(guān)計(jì)算[J].隧道建設(shè)，2006，4（2)：76-78.

[4]劉 波.全斷面雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在引黃工程斷層破碎帶的卡機(jī)處理[J].山西水利科技，2007，5（2)：13-14.

[5]張新偉，陳 饋.雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)脫困技術(shù)[J].建筑機(jī)械化，2010，(6)：64-67.