西藏某隧道高地應(yīng)力條件下TBM脫困及預(yù)防技術(shù)研究與應(yīng)用

徐 應(yīng) 中

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

西藏某隧道高地應(yīng)力條件下TBM脫困及預(yù)防技術(shù)研究與應(yīng)用

徐 應(yīng) 中

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

對(duì)西藏某隧道因片麻巖在高地應(yīng)力條件下快速收斂變形以及擠壓破碎松弛垮塌造成的TBM卡機(jī)原因進(jìn)行了分析，并對(duì)其采取了正確的處理措施使其成功脫困所取得的經(jīng)驗(yàn)，可為今后類(lèi)似條件下的TBM施工提供借鑒。

高地應(yīng)力;卡機(jī)原因;處理方案;操作方法

1 工程概述

西藏某隧道總長(zhǎng)度為4.8 km，隧道沿線(xiàn)山體雄厚，高程多集中在5 000 m 以上，最高峰超過(guò)6 000 m,沿線(xiàn)均置于南迦巴瓦巖群多雄拉組的混合巖中，主要巖性為片巖和片麻巖。片巖和片麻巖交替發(fā)育，所占比例無(wú)明顯規(guī)律性，隧道地層軟硬相間。

該隧道采用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)，開(kāi)挖最大洞徑為9.13 m，襯砌采用預(yù)制混凝土管片，管片外側(cè)回填豆礫石并灌漿，預(yù)制管片厚度為35 cm，襯砌后隧洞直徑為8.1 m。2016年8月29日，TBM掘進(jìn)至K10+242.44時(shí)高壓模式換步TBM無(wú)動(dòng)作，撐靴盾和尾盾被圍巖困住，造成TBM卡機(jī)。同時(shí)，撐靴盾至掌子面右側(cè)方向(NE30°～SE30°范圍)圍巖嚴(yán)重塌方，形成較大空腔，給隧道掘進(jìn)施工造成困境。

項(xiàng)目部技術(shù)人員對(duì)卡機(jī)原因進(jìn)行了認(rèn)真分析并制定了切實(shí)有效的處理措施，保證了施工的順利進(jìn)行。

2 卡機(jī)原因分析

該隧道埋深接近800 m，加之強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力，形成了高地應(yīng)力，經(jīng)檢測(cè)，該地區(qū)地應(yīng)力達(dá)到30 MPa以上，并且卡機(jī)洞段巖體正好遇到擠壓破碎帶，一條裂隙與洞軸線(xiàn)相交。裂隙左側(cè)巖體較完整,其在高地應(yīng)力作用下發(fā)生了較大、較快地收斂變形，經(jīng)觀(guān)測(cè)，4 h收斂變形達(dá)到6 cm，平均每h達(dá)到1.5 cm，最快時(shí)達(dá)到2～3 cm/h。根據(jù)以往觀(guān)測(cè)統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)力釋放需 要 一 周 左 右的時(shí)間，最快也需要2～3 d。從已經(jīng)襯砌的管片變形情況看，最大變形量有的已超過(guò)25 cm,而且盾體在掘進(jìn)過(guò)程中前盾與圍巖之間的設(shè)計(jì)理論間隙為6.5 cm，但實(shí)際發(fā)生的較大的收斂變形很快將盾體與巖石之間的間隙填滿(mǎn)后繼續(xù)變形，將盾體牢牢抱住卡死。

為盡快通過(guò)卡機(jī)洞段，采用了高壓掘進(jìn)方式，裂隙右側(cè)巖體在強(qiáng)烈的擠壓揉皺作用下破碎，且在應(yīng)力松弛的情況下造成了大變形及塌方。在TBM艱難掘進(jìn)的過(guò)程中，塌方體通過(guò)刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入皮帶輸送機(jī)，造成刀盤(pán)右前方嚴(yán)重超挖，擠壓破碎帶在應(yīng)力不斷釋放的過(guò)程中松弛，破碎體繼續(xù)垮塌，最終形成了較大空腔?？涨坏囊徊糠治挥诘侗P(pán)右前方、另一部分位于TBM盾體右側(cè)。圖1為塌方位置俯視圖。

由于在高地應(yīng)力作用下圍巖快速收斂變形，導(dǎo)致TBM伸縮護(hù)盾、支撐護(hù)盾和尾盾被卡，經(jīng)采用高壓掘進(jìn)方式仍然無(wú)法推進(jìn)，遂決定采取人工爆破開(kāi)挖方案以釋放TBM護(hù)盾，然后通過(guò)灌漿處理后安全通過(guò)塌方段，具體處理方案如下。

3 處理方案

3.1 對(duì)裂隙左側(cè)巖體進(jìn)行處理

鑒于裂隙位于TBM盾體上方約30°，且裂隙左側(cè)巖石較完整，遂采用鉆爆擴(kuò)挖方式形成一定空間以抵消高地應(yīng)力收斂變形對(duì)盾體左側(cè)產(chǎn)生的巨大壓力。

3.2 對(duì)裂隙右側(cè)巖體進(jìn)行處理

裂隙右側(cè)巖體因高地應(yīng)力擠壓破碎，在應(yīng)力松弛的情況下產(chǎn)生塌方，針對(duì)TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)空腔，塌方體的基本情況，對(duì)TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)空腔、塌方體先進(jìn)行聚氨酯灌漿以形成護(hù)盾周?chē)偷侗P(pán)前方的保護(hù)層，再進(jìn)行水泥砂漿回填灌漿處理，并對(duì)空腔進(jìn)行一定程度的回填處理，以便在再次出現(xiàn)塌方時(shí)，一方面不會(huì)造成TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)空腔、塌方體再次失穩(wěn)，另一方面減少掉塊沖擊荷載。

4 施工方法

4.1 TBM盾體頂部及左側(cè)塌方體的處理

由于盾體頂部及左側(cè)位于裂隙左側(cè)，巖石較完整，遂采用YT-28風(fēng)鉆人工鉆爆實(shí)施，自盾體腰線(xiàn)以上至頂部105°范圍徑向擴(kuò)挖1.1～1.8 m。腰線(xiàn)附近擴(kuò)挖1.1 m左右，盾體頂部根據(jù)人員所需操作空間擴(kuò)挖1.5～1.8 m。鉆爆開(kāi)挖遵循淺孔、小藥量、弱爆破的原則。

擴(kuò)挖過(guò)程中，為阻止圍巖繼續(xù)變形及實(shí)施安全防護(hù)，采用20#A工字鋼支撐，錨噴掛網(wǎng)，采用φ22砂漿錨桿，L=2 m,間距為0.5 m×1.5 m,掛網(wǎng)鋼筋采用φ6.5@10 cm×10 cm鋼筋網(wǎng)， C25噴混凝土厚20 cm。圖2為擴(kuò)挖處理隧洞橫截面圖，其鉆爆參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 塌方位置俯視圖

圖2 擴(kuò)挖處理處隧洞橫截面圖

表1 鉆爆參數(shù)表

4.2 TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)塌方體的處理

由于TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)塌方位于裂隙右側(cè),針對(duì)TBM盾體及刀盤(pán)右側(cè)空腔、塌方體的實(shí)際情況,處理措施分兩步：先進(jìn)行聚氨酯灌漿以形成隔離帶,然后用水泥砂漿進(jìn)行回填灌漿處理。塌方處理及灌漿范圍見(jiàn)圖3、4。

4.2.1 聚氨酯化學(xué)灌漿

為有效防止水泥砂漿對(duì)盾體的膠結(jié)而造成的刀盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的情況出現(xiàn),先采用聚氨酯化學(xué)灌漿在水泥砂漿灌漿區(qū)與盾體之間形成隔離帶,聚氨酯化學(xué)灌漿范圍為距離TBM盾體2 m以?xún)?nèi)，自下而上分次定量間歇性灌注，單次灌注控制量按50 kg計(jì)，間歇時(shí)間為30 min。灌注時(shí)先水后漿，讓水在外側(cè)形成反應(yīng)圈，聚氨酯遇水反應(yīng)形成隔離圈，從而達(dá)到有效進(jìn)行控制灌漿的要求。聚氨酯化學(xué)灌漿單組份水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料膨脹倍數(shù)為20倍，凝固時(shí)間為20～120 s，凝固強(qiáng)度為0.2 MPa。φ32自進(jìn)式錨桿作灌漿導(dǎo)管，長(zhǎng)度為2～3 m，間距為1 m，下傾角度為30°～45°。

具體操作方法:

第一步：施工準(zhǔn)備。先進(jìn)行聚氨酯工藝試驗(yàn)，得出聚氨酯開(kāi)始反應(yīng)時(shí)間與終止反應(yīng)時(shí)間。

第二步：造孔。聚氨酯化學(xué)灌漿孔分為灌注水孔和灌注聚氨酯孔兩種，灌注水孔與灌注聚氨酯孔的排距為0.3 m，呈梅花形布置，由人工持YT-28手風(fēng)鉆造孔，灌注水孔間距為1 m、布置于上側(cè)；灌注聚氨酯孔間距1 m、布置于下側(cè)。聚氨酯化學(xué)灌漿孔的導(dǎo)管選用φ32自進(jìn)式錨桿，灌注水孔長(zhǎng)度為3～4 m，灌注聚氨酯孔的長(zhǎng)度為2～3 m，兩者長(zhǎng)度相差1 m以?xún)?nèi)。造孔區(qū)域分伸縮盾打開(kāi)位置(沿洞軸線(xiàn)方向)和伸縮盾頂部(沿洞徑方向)。伸縮盾打開(kāi)位置(沿洞軸線(xiàn)方向)造孔角度偏向盾體，伸縮盾頂部(沿洞徑方向)靠近盾體方向并下傾，下傾角度為30°～45°。

圖3 塌方處理范圍示意圖

圖4 灌漿處理范圍示意圖

第三步：灌漿。聚氨酯灌注自下而上單孔逐一連續(xù)進(jìn)行，灌注時(shí)先水后漿，讓水在其外側(cè)形成反應(yīng)圈，聚氨酯遇水反應(yīng)形成隔離圈，可有效進(jìn)行控制灌漿，灌漿壓力為0.3 MPa。若在灌漿過(guò)程中縫面或相鄰灌漿孔出現(xiàn)漏漿情況，視為單孔灌漿結(jié)束，遂進(jìn)行下一孔灌注。全部孔灌注完成后進(jìn)行第二次聚氨酯灌注，依然自下而上進(jìn)行，第二次灌注時(shí)水和聚氨酯同時(shí)進(jìn)行灌注。

4.2.2 水泥砂漿回填灌漿

水泥砂漿回填灌漿范圍為T(mén)BM盾體頂部4 m以下(形成連續(xù)板厚度不小于4 m)右側(cè)全部的空腔、塌方體。水泥砂漿回填同樣分步驟進(jìn)行，首先灌注靠近聚氨酯化學(xué)灌漿隔離圈2 m左右范圍，采用M7.5水泥砂漿，φ32自進(jìn)式錨桿低壓分次進(jìn)行間歇性灌注，單次盡量施灌，灌漿壓力為0.3～0.5 MPa，間歇時(shí)間為60 min；其次灌注剩余區(qū)域，水泥砂漿強(qiáng)度為M20，直接通過(guò)盾體頂部通道或φ32自進(jìn)式錨桿作灌漿導(dǎo)管進(jìn)行灌注，由遠(yuǎn)端至近端濃漿、低壓、慢灌，使TBM盾體頂部形成厚度大于4 m的連續(xù)體。

具體操作方法:

第一步：施工準(zhǔn)備。先進(jìn)行相應(yīng)的人、材、機(jī)的準(zhǔn)備并熟悉施工工藝：造孔→砂漿拌制、運(yùn)輸→第一層2 m厚水泥砂漿回填灌漿→第二層2 m厚水泥砂漿回填灌漿。

第二步：造孔。水泥砂漿回填灌漿選擇φ32自進(jìn)式錨桿為灌漿導(dǎo)管。造孔由人工持YT-28手風(fēng)鉆進(jìn)行，孔深3～9 m，孔間距1 m，梅花形布置，角度為上傾10°至下傾15°以?xún)?nèi)。φ32自進(jìn)式錨桿沿管壁造φ6～10溢漿孔，梅花形布置，間距15 cm?？卓谖恢?.5 m范圍內(nèi)不鉆孔，以防漏漿。

第三步：砂漿在洞外砂漿站拌制，內(nèi)燃機(jī)車(chē)(軌距930 mm，245 kW)運(yùn)輸至洞內(nèi)，砂漿臺(tái)車(chē)輸送砂漿至灌注面。砂漿拌制嚴(yán)格按照配合比進(jìn)行并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要控制好砂漿的粘稠度，砂漿拌制時(shí)間不得少于2 min。對(duì)凝固時(shí)間有要求時(shí)，在洞內(nèi)工作面的砂漿泵內(nèi)適當(dāng)加入速凝劑。

第四步：回填灌漿。水泥砂漿回填灌漿嚴(yán)格按照“濃漿、低壓、慢灌、分序(從上至下)、分次、間歇、待凝”等措施控制回填灌漿效果，灌注壓力為0.3～0.5 MPa。水泥砂漿回填灌漿分層進(jìn)行，每層厚度為2 m。若在灌漿過(guò)程中縫面或相鄰灌漿孔出現(xiàn)漏漿情況，則視為單孔灌漿結(jié)束，遂進(jìn)行下一孔灌注，盾體底部出現(xiàn)漏漿情況時(shí)結(jié)束灌漿施工。TBM盾體右側(cè)空腔、塌方體灌注采用φ32自進(jìn)式錨桿作灌漿導(dǎo)管進(jìn)行灌注；TBM刀盤(pán)前端、右側(cè)空腔、塌方體灌注造孔區(qū)采用φ32自進(jìn)式錨桿作灌漿導(dǎo)管進(jìn)行灌注，局部外露非造孔區(qū)直接采用φ48花管作灌漿導(dǎo)管進(jìn)行灌注。

5 預(yù)防卡機(jī)的措施

為了今后不致再次卡機(jī)或盡可能減少卡機(jī)機(jī)率，筆者建議采取以下預(yù)防措施：

(1)加強(qiáng)對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)、驗(yàn)證工作，以真正實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的超前指導(dǎo)意義；

(2)目前已經(jīng)在該TBM刀盤(pán)上安裝了高2～5 cm的擴(kuò)挖邊刀及擴(kuò)挖鏟牙，擴(kuò)大了TBM開(kāi)挖直徑。根據(jù)目前監(jiān)測(cè)到的圍巖收斂速度情況，建議后期再將刀盤(pán)擴(kuò)挖直徑進(jìn)一步加大，以此來(lái)應(yīng)對(duì)巖石收斂變形造成的TBM護(hù)盾卡阻問(wèn)題。加強(qiáng)對(duì)圍巖收斂變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析，掌握圍巖收斂變形規(guī)律，合理安排掘進(jìn)班次，選擇更加合理的掘進(jìn)參數(shù)；

(3)在TBM掘進(jìn)、停機(jī)以及檢修過(guò)程中，根據(jù)圍巖收斂變形情況，擇機(jī)向前盾、撐靴盾和尾盾注入膨潤(rùn)土或油脂，以減小護(hù)盾與巖壁的摩擦系數(shù)；

(4)在今后的管片設(shè)計(jì)時(shí)，管片徑向按間排距3 m左右預(yù)埋鋼套管，以方便在需要的時(shí)候開(kāi)展錨桿施工和監(jiān)測(cè)、科研等工作；

(5)利用超前地質(zhì)鉆孔，在掘進(jìn)前對(duì)盾體頂部前方120°范圍、6 m深度方向進(jìn)行預(yù)爆破，形成一個(gè)與洞壁有一定厚度的人工破碎帶，使原有集中的應(yīng)力得以釋放或部分釋放，從而盡量避免因高應(yīng)力導(dǎo)致的收斂而造成卡機(jī)現(xiàn)象的再次發(fā)生；

(6)考慮到后續(xù)項(xiàng)目的洞頂埋深更大,需要分析可能遇到的最大地應(yīng)力、圍巖最大收斂變形與變形速率，確定合理的TBM開(kāi)挖直徑和擴(kuò)挖方案，避免TBM卡機(jī)和護(hù)盾變形。

6 結(jié) 語(yǔ)

西藏某隧道TBM成功脫困處理取得的高應(yīng)力條件下TBM施工的寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為今后類(lèi)似高應(yīng)力隧洞預(yù)爆破、提前釋放部分應(yīng)力、降低高地應(yīng)力帶來(lái)的一系列不良后果起到拋磚引玉的作用。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-01-10

TV554;TV554+.2

B

1001-2184(2017)02-0109-04

徐應(yīng)中(1973-)，男，四川巴中人，高級(jí)工程師，從事水電工程施工技術(shù)與管理工作.