TBM在隧洞施工中卡機(jī)脫困的實(shí)踐

楊鯤鵬

（山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原 030006）

1 施工及脫困過程

山西省中部引黃工程TBM2標(biāo)段隧洞工程施工中TBM掘進(jìn)至樁號106+402.8時(shí)，被洞壁左上方塌落的圍巖將前護(hù)盾壓住卡死。經(jīng)過多次大推力嘗試脫困失敗后，打開伸縮盾，從洞壁左側(cè)擴(kuò)挖小導(dǎo)洞后成功脫困。經(jīng)過兩個(gè)班的掘進(jìn)，共掘進(jìn)11 m后發(fā)生刀盤被壓，嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤時(shí)，因扭矩太大，多次切斷主電機(jī)安全銷，決定通過滾刀孔對刀盤前上方進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿，以阻止不斷塌落的石渣傷及清渣人員。10 d化學(xué)灌漿后，清空了刀盤右半側(cè)石渣后，再次嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤和推進(jìn)、回退刀盤，最大扭矩5 200 hNm多，推力19 000 kN，刀盤、前盾紋絲不動(dòng)。之后慢慢打開伸縮盾，打開過程中左上方掉落很多石渣塊。從打開的伸縮盾后觀察，護(hù)盾左側(cè)10:00～11:00方位破碎嚴(yán)重，發(fā)生坍塌，塌方空腔深1.5 m左右，8:30～10:00方位松散破碎，左側(cè)前、后護(hù)盾均被塌方巖石緊緊抱死。11:00～2：00方位膨脹巖石突入護(hù)盾內(nèi)，2:00～3:00方位圍巖較完整，緊貼護(hù)盾；3:00～5:00間護(hù)盾與圍巖間有1 cm縫隙。之后清理左側(cè)塌落石渣后，11：00方位呈現(xiàn)一個(gè)洞徑3 m左右，深達(dá)5 m以上的空腔。圍巖呈黑色光亮油脂面，為石墨化碎裂角礫巖，夾雜灰、白、綠色變質(zhì)巖。之后從左側(cè)尾護(hù)盾割開一個(gè)1 m寬、1.5 m高的窗口向前擴(kuò)挖小導(dǎo)洞約2 m時(shí)，小導(dǎo)洞掌子面方向發(fā)生坍塌，清理石渣后小導(dǎo)洞與伸縮盾處的空腔連成一體，總長度10 m左右。

2 卡機(jī)原因地質(zhì)分析

2.1 施工過程圍巖揭露情況

TBM在主洞掘進(jìn)過程中，在樁號總106+410處圍巖開始發(fā)生變化，掌子面原為巖層寒武系中統(tǒng)張夏組白云質(zhì)石灰?guī)r變?yōu)樵谧髠?cè)面出現(xiàn)綠泥石化偉晶花崗巖、黑云斜長片麻巖、石墨化碎裂角礫巖。到樁號總106+405時(shí)左側(cè)變質(zhì)巖和角礫巖有增加的趨勢，而掘進(jìn)至樁號總106+402.8時(shí)機(jī)頭護(hù)盾被坍塌體抱死卡機(jī)。采用人工開挖手段脫困，掘進(jìn)至樁號總106+391.8。這時(shí)掌子面大部分為石墨化碎裂角礫巖，其右側(cè)局部為黑云斜長片麻巖，巖體整體為松散巖體，坍塌嚴(yán)重，開始時(shí)刀盤被包裹卡死，以后護(hù)盾被坍塌體包裹造成卡機(jī)。

施工過程從樁號總106+410至106+391共19 m的洞段，圍巖由白云質(zhì)灰?guī)r從左側(cè)向右側(cè)逐漸被石墨化碎裂角礫巖和黑云斜長片麻巖、綠泥石化的偉晶花崗巖取代，兩次卡機(jī)皆因斷層帶碎裂松散體坍塌收斂變形造成。

2.2 地質(zhì)分析

本設(shè)計(jì)洞段為向斜構(gòu)造，核部為寒武系上統(tǒng)崮山組、長山組和鳳山組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r和白云質(zhì)泥巖等。圍巖類別為Ⅲ—Ⅳ類。樁號總106+410以前揭露地層為寒武系中統(tǒng)張夏組白云質(zhì)灰?guī)r，是背斜翼部地層由老至新正常層位。此點(diǎn)之后地層從掌子面左側(cè)向右側(cè)漸由變質(zhì)巖和碎裂角礫巖取代。見地質(zhì)素描圖（圖1）。

圖1 樁號總106+410～總106+391洞段地質(zhì)素描示意圖

由揭露地層可見洞段左側(cè)為變質(zhì)巖和角礫巖，右側(cè)為寒武系白云質(zhì)灰?guī)r層。變質(zhì)巖中花崗偉晶巖脈由斜長石、云母、石英組成經(jīng)動(dòng)力作用已具綠泥石化和高嶺石化，碎裂疏松狀，手捏破碎呈砂狀。碎裂角礫巖明顯受動(dòng)力作用呈透鏡體狀碎塊具石墨化，其表面石墨化和糜棱巖化特征明顯，巖塊鏡面銀灰黑色，擦痕居多，呈長條狀，油膩油脂光滑，巖石表面已無法看出原巖特征。斷口可見原巖，可能為黑云斜長片麻巖或黑云變粒巖。石墨化使原巖石呈黑色，結(jié)構(gòu)因受動(dòng)力作用撓動(dòng)，呈雜亂片狀，具碎裂結(jié)構(gòu)，手捏片狀粉碎，巖體揉皺強(qiáng)烈，呈碎裂散體。

由此推測本斷層上盤將太古界奧家灣組逆沖抬升至洞線以上，而已開挖洞段為斷層下盤地層為寒武系中統(tǒng)張夏組灰?guī)r和寒武系底部砂巖。寒武系底部砂巖超覆沉積于下伏太古界奧家灣組之上，呈角度不整合接觸關(guān)系，其接觸帶下伏為古風(fēng)化殼。古風(fēng)化殼主要巖性為黑云斜長片麻巖、偉晶花崗巖、黑云變粒巖、鉀長黑云斜長片麻巖，在25#支洞與主洞交匯處揭露可見，其強(qiáng)風(fēng)化層厚度可達(dá)20余m，目前斷層帶正處于古風(fēng)化殼內(nèi)。

從斷層碎裂角礫巖蝕變程度和原巖恢復(fù)可見，石墨化碎裂角礫巖是由黑云斜長片麻巖和黑云變粒巖受斷層動(dòng)力作用變質(zhì)而成；綠泥石化偉晶花崗巖是原偉晶花崗巖經(jīng)綠泥石化和碎裂作用形成的。

斷層從地表追索和斷層面地質(zhì)測量其產(chǎn)狀為N20°E/NW 或 SE∠75°，為逆斷層，具壓扭性，由地表追索斷層延伸大于5 km。根據(jù)以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，洞線斷層直交時(shí)，其影響帶寬度一般為50 m，由于斷層與洞線夾角較小，初步估算本斷層線與洞軸線間破碎帶寬度假設(shè)為50 m時(shí)，斷層走向線與洞線交角13°左右，其隧洞需穿越斷層影響帶長度約210 m。本斷層具有壓扭性，斷層帶原始巖層為古風(fēng)化殼變質(zhì)巖層，巖體經(jīng)斷層動(dòng)力作用，圍巖為碎裂角礫巖，呈疏松碎裂散體，完整性和穩(wěn)定性很差。

本洞段埋深約450 m，地下水為變質(zhì)巖類裂隙水和寒武奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。目前僅有少量地下水滲出。

2.3 分析結(jié)論

1）兩次卡機(jī)是因不良地質(zhì)斷層破碎帶中碎裂角礫巖坍塌收斂變形裹抱機(jī)頭護(hù)盾、刀盤引起的卡機(jī)。

2）斷層碎裂角礫巖帶是由太古界奧家灣組黑云斜長片麻巖、黑云變粒巖和偉晶花崗巖，經(jīng)斷層動(dòng)力作用再變質(zhì)后形成，斷層帶正處于古風(fēng)化殼內(nèi)，呈碎裂疏松狀態(tài)，穩(wěn)定性極差，寬度約50 m，沿洞線長度約210 m。

3 脫困施工方案

脫困施工原則：1）擴(kuò)挖小導(dǎo)洞，挖除護(hù)盾及刀盤周邊圍巖，使護(hù)盾、刀盤脫困；2）擴(kuò)挖，從護(hù)盾兩側(cè)同時(shí)對前后護(hù)盾進(jìn)行擴(kuò)挖；3）擴(kuò)挖前及擴(kuò)挖過程中，及時(shí)觀察圍巖穩(wěn)定情況，如圍巖破碎，難以自穩(wěn)，則對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，確保擴(kuò)挖人員安全；4）TBM脫困成功后，可對掌子面前方圍巖進(jìn)行超前固結(jié)灌漿處理，防止再次卡機(jī)。

3.1 脫困施工方案

1）護(hù)盾兩側(cè)擴(kuò)挖、剝離圍巖石渣

（1）右側(cè)從伸縮護(hù)盾處從腰線以下開始擴(kuò)挖小導(dǎo)洞，分別向護(hù)盾前、后方向同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)挖，直至刀盤。再從伸縮盾開始，對腰線以上護(hù)盾前后方向同時(shí)擴(kuò)挖至1點(diǎn)鐘方向（見圖2）。

圖2 TBM脫困開挖、灌漿示意圖

（2）由于左側(cè)圍巖發(fā)生坍塌，圍巖松散，不能自穩(wěn)。為了確保擴(kuò)挖人員安全作業(yè)，在左側(cè)坍塌空腔及圍巖進(jìn)行充填、化學(xué)固結(jié)灌漿前，先對尾護(hù)盾處腰線以下切割一個(gè)1 m寬、1.5 m高的窗口，從窗口向前進(jìn)行擴(kuò)挖?；瘜W(xué)固結(jié)灌漿成功后，再從伸縮盾進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖至圍巖破碎時(shí)停止擴(kuò)挖，用手風(fēng)鉆鉆孔對破碎圍巖進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿。當(dāng)化學(xué)固結(jié)灌漿體強(qiáng)度大于10 MPa后，再進(jìn)行小導(dǎo)洞擴(kuò)挖。按化灌——擴(kuò)挖——再化灌——再擴(kuò)挖的方式循環(huán)擴(kuò)挖直至刀盤。每循環(huán)化灌3 m（根據(jù)現(xiàn)場條件施作），開挖2.5 m，待小導(dǎo)洞挖成后，將重新卷制的同弧度同厚度錳鋼尾護(hù)盾片焊接到原切割窗口上（由于護(hù)盾緊貼圍巖，切割窗口護(hù)盾無法整體成形割除）。

（3）小導(dǎo)洞規(guī)格：寬1 m，高1.5 m（根據(jù)實(shí)際情況向上擴(kuò)挖至頂部），前方至刀盤，后方至尾護(hù)盾，使緊抱護(hù)盾、刀盤的圍巖石渣剝離。

（4）擴(kuò)挖過程中，及時(shí)采用方木、木板、工字鋼等材料對導(dǎo)洞頂、側(cè)部進(jìn)行支撐、防護(hù)，防止落石傷人。同時(shí)必須有安全員現(xiàn)場旁站，監(jiān)視圍巖變化，發(fā)現(xiàn)有圍巖松動(dòng)、滑落可能時(shí)，及時(shí)撤出作業(yè)人員（見圖3）。

圖3 小導(dǎo)洞支護(hù)

2）左側(cè)空腔充填及左側(cè)圍巖化學(xué)固結(jié)灌漿

針對洞壁左側(cè)尾護(hù)盾8:00至前護(hù)盾11:00點(diǎn)方位上部坍塌形成約直徑3 m左右、深度10 m左右的空腔，對左側(cè)下部的導(dǎo)洞開挖構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患，容易造成更深部圍巖的更嚴(yán)重的垮塌。須要及時(shí)進(jìn)行處理。

（1）將塌落破碎巖石清除干凈，用方木、木板在空腔口做支撐，用加固型化學(xué)灌漿材料固結(jié)支撐結(jié)構(gòu)，再對上方的冒落空腔進(jìn)行快速充填密封密閉，以期能防止冒落坍塌區(qū)域深部巖層的繼續(xù)垮落，進(jìn)而防止地層應(yīng)力的集中沖擊。同時(shí)，防止左側(cè)小導(dǎo)洞開挖時(shí)上部破碎巖石的垮落。

充填發(fā)泡化學(xué)漿液具有較大的快速膨脹特性，且具有優(yōu)異的壓縮韌性，可以有效充填空腔。加固用化學(xué)漿液是一種液態(tài)改良型有機(jī)高分子材料，通過雙液注漿泵按照1∶1比例注入導(dǎo)洞周邊松散巖體中，能迅速生成高強(qiáng)度、高韌性的聚合物，把松散的不連續(xù)的巖層膠結(jié)成連續(xù)完整的受力體，達(dá)到加固和補(bǔ)強(qiáng)破碎巖體的效果。充填用化學(xué)漿液技術(shù)參數(shù)見表1。

加固化學(xué)灌漿材料技術(shù)參數(shù)見表2。

施工方法：從左側(cè)伸縮盾10:00方向處，采用加固型化學(xué)灌漿材料固結(jié)2 m厚支撐面，同時(shí)預(yù)埋4根4分5 m左右長鋼管伸到空腔最里面的頂部，待材料固結(jié)強(qiáng)度大于10 MPa時(shí)利用空腔里埋設(shè)的充填注漿管對空腔進(jìn)行充填注漿（見圖4）。

（2）空腔化學(xué)充填后，再對即將開挖的小導(dǎo)洞周邊圍巖進(jìn)行加固，以期控制小導(dǎo)洞的頂部及側(cè)幫的穩(wěn)定性，提高整體承載性，不發(fā)生片幫落石事故，保證左側(cè)小導(dǎo)洞的順利擴(kuò)挖。

表1 填充用化學(xué)漿液技術(shù)參數(shù)

表2 加固化學(xué)灌漿技術(shù)參數(shù)

圖4 坍塌空腔化學(xué)充填灌漿示意圖

參照材料的擴(kuò)散性能，加固導(dǎo)洞上部2 m左右的破碎體，設(shè)計(jì)一排注漿孔，間距1.5 m。鉆孔長度及角度見圖5，鉆孔直徑如能成孔采用Φ42 mm，如不能成孔采用D25中空注漿錨桿。

圖5 化學(xué)固結(jié)灌漿鉆孔示意圖

注漿鉆孔前首先在伸縮盾開口處鉆1.5 m深2個(gè)注漿孔，對伸縮盾處圍巖進(jìn)行固結(jié)并開挖后，再向前護(hù)盾、后護(hù)盾圍巖鉆孔注漿進(jìn)行固結(jié)。采取固結(jié)一段、開挖一段的方法，直至小導(dǎo)洞挖至刀盤前，將壓死護(hù)盾、刀盤圍巖剝離。

（3）充填、固結(jié)用化學(xué)灌漿材料使用前必須進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，以確定灌漿作業(yè)參數(shù)。

（4）左右兩側(cè)小導(dǎo)洞開挖過程中，根據(jù)圍巖松散情況，對小導(dǎo)洞周圍巖體進(jìn)行固結(jié)、開挖、再固結(jié)、再開挖的形式邊固結(jié)、邊開挖，直至TBM脫困。

3.2 脫困后施工方案

TBM脫困后，根據(jù)掌子面前方圍巖破碎情況，采用以下方法掘進(jìn)、固結(jié)圍巖：

1）對31#～33#滾刀分別增加1～5 cm擴(kuò)挖墊塊，采用擴(kuò)大開挖直徑的方法，為圍巖收斂提供收斂空間，減少擠壓強(qiáng)度，防止護(hù)盾被卡，以使TBM順利通過斷層。

2）與業(yè)主協(xié)調(diào)聯(lián)系羅賓斯公司，購置一臺套主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及配套設(shè)施，以增加刀盤扭矩，應(yīng)對后續(xù)不良地質(zhì)條件下施工。

3）掘進(jìn)時(shí)采用適當(dāng)加大轉(zhuǎn)速，提高出渣能力，必要時(shí)可拆除幾把滾刀，提高出渣能力。同時(shí)要求TBM連續(xù)掘進(jìn)，避免停機(jī)，以減少刀盤阻矩，避免被卡住。

4）利用超前鉆機(jī)和刀盤人工鉆孔相結(jié)合，根據(jù)圍巖情況，采取超前化學(xué)固結(jié)灌漿3 m、水泥基灌漿12 m循環(huán)進(jìn)行的固結(jié)方法，對掌子面前方和前護(hù)盾上前方破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)，形成巖殼，避免坍塌圍巖卡住刀盤、護(hù)盾。

5）由于石墨化碎裂角粒巖遇水軟化膨脹，機(jī)頭刀盤噴水容易造成裹刀卡機(jī)，故采用泡沫潤滑劑替代清水向圍噴射壓塵降溫，降低噴水對圍巖的影響。同時(shí)對護(hù)盾與坍塌圍巖間加注潤滑劑，減小圍巖對護(hù)盾的摩擦阻力。

化學(xué)固結(jié)漿液采用護(hù)盾側(cè)圍巖固結(jié)用加固化學(xué)灌漿材料。

水泥基HC注漿材料具有防水，堵水，加固圍巖于一體的具有速凝、早強(qiáng)、抗?jié)B、微膨脹、無毒、無害不含氯化物特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3：

施工方法：

表3 水泥HC注漿材料技術(shù)指標(biāo)

1）用超前鉆機(jī)超前鉆孔固結(jié)。采用超前鉆機(jī)對掌子面前上方進(jìn)行注漿。注漿材料根據(jù)圍巖情況選用化學(xué)注漿液或者水泥基注漿料，鉆孔深度10～30 m，可對刀盤前方30 m范圍內(nèi)破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)。

2）采用人工鉆孔超前固結(jié)。由于刀盤空間有限，人工鉆孔固結(jié)法從刀盤滾刀倉處利用氣腿風(fēng)鉆和手持式氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔?？紤]前方圍巖破碎容易塌孔，采用中空玻璃鋼自進(jìn)式錨桿或者空心錨桿注漿。

中空錨桿直徑D25 mm，鉆孔長度3 m，角度：中間鉆孔水平鉆進(jìn)，四周鉆孔外傾與護(hù)盾殼成30°。共7個(gè)注漿鉆孔。詳見圖6、圖7，注漿工藝見圖8。

圖6 刀盤前方超前化學(xué)固結(jié)灌漿示意圖

圖7 人工鉆孔超前固結(jié)灌漿孔位圖

圖8 注漿工藝簡圖

4 脫困施工進(jìn)度計(jì)劃

為了盡早使TBM脫困，恢復(fù)掘進(jìn)，通過斷層帶，根據(jù)現(xiàn)場情況，開始邊超前固結(jié)灌漿邊掘進(jìn)，爭取早日通過此斷層破碎帶。具體計(jì)劃如下：

1）繼續(xù)擴(kuò)挖護(hù)盾右側(cè)小導(dǎo)洞，借助液壓劈裂機(jī)、膨脹劑等工具、材料，不間斷擴(kuò)挖，爭取早日完成右側(cè)壓死護(hù)盾圍巖的剝離。

2）督促化學(xué)固結(jié)灌漿廠家到達(dá)工地，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)后進(jìn)洞化學(xué)灌漿。3 d后先對左側(cè)塌方空腔進(jìn)行充填灌漿，之后對伸縮盾開口處圍巖鉆孔化灌固結(jié)。固結(jié)后人工開挖小導(dǎo)洞。根據(jù)現(xiàn)場條件，固結(jié)一段、開挖一段，完成左側(cè)壓死護(hù)盾圍巖的剝離。

3）繼續(xù)掘進(jìn)時(shí)，對掌子面超前固結(jié)灌漿一段掘進(jìn)一段的方式。按鉆孔、固結(jié)灌漿、掘進(jìn)為一個(gè)循環(huán)2.5 m計(jì)算，鉆孔5 h，灌漿5 h（由圍巖破碎、注漿量決定），掘進(jìn)1 h，一個(gè)循環(huán)11 h，一天可掘進(jìn)2個(gè)循環(huán)5 m，通過210 m破碎帶需要42 d，即通過斷層帶。斷層帶按50 m計(jì)算，通過斷層需要10 d。

本階段卡機(jī)工程按此方案，經(jīng)歷15個(gè)工作日安全順利脫困。