淺談TBM卡機高效脫困技術(shù)

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 沈陽 110000)

TBM卡機現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為掌子面前方或護盾頂部出現(xiàn)嚴重坍塌，導(dǎo)致刀盤無法轉(zhuǎn)動或護盾抱死無法正常掘進?，F(xiàn)場通過退刀盤、啟動脫困電機、刀盤反轉(zhuǎn)、增大刀盤扭矩等方法脫困都無法使刀盤轉(zhuǎn)動，護盾無法正常換步，根據(jù)現(xiàn)場實際情況判斷TBM機器被卡住，TBM需要進行卡機脫困處理。

1 工程概況

桓清輸水工程TBM8-2施工段位于遼寧省清源滿族自治縣境內(nèi)。TBM掘進段設(shè)計長度15.90km，掘進成洞洞徑8.50m，各類圍巖占比分別為Ⅱ類圍巖21%、Ⅲ類圍巖68%、Ⅳ類圍巖7%、Ⅴ類圍巖4%。

2 地質(zhì)情況分析

TBM掘進機通過F64斷層圍巖破碎帶施工時，發(fā)生卡機事故。

F64斷層破碎帶長40m，圍巖巖性為斷層角礫巖及斷層泥，巖石中的風化軟巖，手能掰斷，斷層走向258°～275°，傾角為75°，與洞軸線夾角為40°～56°，斷層泥寬1m，受斷層影響，巖石受力明顯，巖石強度下降，巖體極破碎，地下水呈滴水狀，圍巖難以自穩(wěn)，圍巖類別為V類。洞室開挖過程中發(fā)生嚴重塌方，樁號78+408.4處11點方向至2點方向出現(xiàn)縱向長度約3m、深度3.50m的空腔。

3 TBM卡機原因分析

由于隧洞洞線穿越地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，要穿越斷層及較大的斷層破碎帶，TBM進入斷層破碎帶及影響帶，圍巖多表現(xiàn)為穩(wěn)定性差，充填斷層泥及糜棱巖等斷層構(gòu)造物，節(jié)理密集，這種斷層構(gòu)造內(nèi)常伴有基巖裂隙水。開挖后出現(xiàn)了臨空面，巖體有了變形的空間，圍巖初始應(yīng)力場失去平衡，應(yīng)力重新分布，巖體強度和變形能力都遠遠低于圍巖二次應(yīng)力場重新分布速度，在開挖后很短時間內(nèi)隧洞掌子面失穩(wěn)，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，加之斷層內(nèi)豐富的地下水起“催化劑”作用，塌腔越來越大，坍塌渣體在刀盤上方越積越多，最后導(dǎo)致出渣不及，刀盤無法有效轉(zhuǎn)動，隨著監(jiān)空面后移，護盾部分也被下落的坍塌體壓死，很快發(fā)展為卡機。

4 卡機事故處理方法

4.1 卡機處理

經(jīng)參建各方研究決定，采用管棚支護掌子面塌方空腔部位，再采用化學灌漿固結(jié)刀盤前方堆積的虛渣，清理刀盤前虛渣，轉(zhuǎn)動刀盤試掘進，最后對塌腔回填速凝混凝土。具體施工流程見圖1。

圖1 卡機處理施工流程

4.2 具體施工方法及處理措施

4.2.1 護盾后方加固及地質(zhì)預(yù)報

采用[10槽鋼替代原有橫向支撐，環(huán)向間距小于1m，以增加鋼支撐的整體剛度。對加固后的鋼支撐，采用移動式濕噴機噴射C30混凝土進行封閉，厚度10cm。對護盾至噴漿橋段進行徑向固結(jié)注漿，提升圍巖整體自穩(wěn)能力。加固完成后，采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報對前方圍巖進行預(yù)判。

4.2.2 超前大管棚及注漿

4.2.2.1 超前大管棚

根據(jù)塌腔長度和范圍，隧道中心線左側(cè)30°至中心線右側(cè)60°拱部范圍內(nèi)施作φ76超前大管棚，大管棚采用L=15m、φ76、δ=6mm無縫鋼管，接頭采用絲扣連接，絲扣長15cm。在鋼管上鉆設(shè)直徑6～8mm注漿孔，梅花形布孔，環(huán)向間距30cm，根據(jù)管棚尺寸和已支立的拱架間距，管棚外插角控制在10°～15°，第一節(jié)管棚前端做成尖錐形，以利于下管。管棚構(gòu)造如圖2所示。

圖2 管棚構(gòu)造示意圖(單位：cm)

4.2.2.2 注漿漿液及壓力選擇

考慮到注漿位置距護盾較近，注普通水泥待凝時間長，容易擴散到護盾上，將護盾與巖體固結(jié)在一起。施工時優(yōu)先選用水泥—水玻璃雙液漿。因待注漿體為松散巖泥，不再進行注水試驗，防止松散體泥化。

注漿前用錨固劑將管棚和孔口之間縫隙堵塞牢固，防止注漿時漏漿，管棚口與閘閥焊接牢固，注漿終結(jié)時關(guān)閉，防止漏漿。

注水泥—水玻璃雙液漿時，考慮注漿機在隧道底部，注漿空腔位于拱部位置，注漿時起始壓力即將達到0.10MPa，注漿終壓控制在0.50MPa。為防止?jié){液擴散至護盾上，注漿終壓控制在0.50MPa，并保持壓力5min。圖3為水泥—水玻璃雙液漿注漿示意圖。

圖3 水泥—水玻璃雙液漿注漿示意圖

4.2.2.3 漿液參數(shù)

水泥選用普通硅酸鹽水泥，水泥漿液W∶C=1∶1。采用30Be水玻璃漿液，注漿時水泥漿與水玻璃體積比選用1∶1，初凝時間為60s。

4.2.3 刀盤前化學灌漿

化學灌漿施工工藝流程見圖4。

圖4 化學灌漿施工工藝流程

4.2.3.1 灌漿前準備工作

清理刀盤內(nèi)和滾刀刀孔中的虛渣，搭設(shè)好施工用作業(yè)平臺。

化學灌漿漿液采用PU灌漿止漏膠，由兩種材料配置：DH-500親水型(A)和DH-510疏水型(B)。

4.2.3.2 鉆孔

采用YT28風鉆造孔，鉆桿采用自進式玻璃鋼花管鉆桿，鉆孔深度3～4m(自進式玻璃管即將整根沒入為止)，通過滾刀刀孔、刮渣板孔和人孔盤確定孔位，總共布置19個孔，周邊孔13個，中心孔6個。注漿孔布置在刀盤全斷面范圍內(nèi)，利用邊刀刀孔和刮渣板孔在上半斷面均勻布置8個周邊孔；利用刀盤人孔在11點、1點方向再增設(shè)2個孔周邊孔；下部約5點、6點和7點鐘位置布3個周邊孔，周邊孔外插角45°。通過中心刀及面刀刀孔沿掌子面前方布置6個中心鉆孔。

由TBM配備的空壓機和供水系統(tǒng)為鉆機提供高壓風和水。鉆孔按由下往上順序施工，以自進式玻璃鋼鉆桿作為注漿管，對其采取保護措施。注漿分兩序進行，注漿孔間隔施作。

4.2.3.3 安置注漿管路

采用自進式玻璃鋼鉆桿淺孔注漿時，底部鉆桿預(yù)留2m止?jié){段不設(shè)置梅花形注漿孔，2m以上部位梅花形注漿孔間距40cm。

注漿時在距孔口1.50m位置安裝孔內(nèi)封孔器。標記用于A、B組分化學材料的注漿管路，每次灌漿時相應(yīng)管路與注漿泵出漿口對應(yīng)連接。

4.2.3.4 灌漿參數(shù)與控制

安裝好氣動注漿泵，并對其進行檢查和調(diào)試，檢查氣動二聯(lián)件、空氣凝結(jié)器、油霧化器等是否工作正常，檢查進風軟管是否干凈，待各系統(tǒng)正常工作后方可開始灌漿。

分別把A料缸和B料缸的進料管和出料管置于各自的料桶內(nèi)。慢慢開啟氣動注漿泵進風控制閥，開始工作，此時A、B(1∶1)兩種液料分別在兩個料桶中循環(huán)，盡量使A、B進料管中的氣泡排凈，檢查進料系統(tǒng)和進料配比，確保整個系統(tǒng)正常。

系統(tǒng)正常后，停泵，按規(guī)定的連接方式組裝槍頭，管路連接混合器，開始注漿。灌漿先低速，工作面未出現(xiàn)跑、漏漿等異常情況時根據(jù)實際情況提高灌漿速度，達到閉漿條件時再放低速度，直至閉漿停泵。

閉漿封孔。出現(xiàn)下列三種情況之一，即停止注漿：堆渣體表面有漿液溢出；注漿壓力達到0.6MPa；每延米灌漿量達到0.2t。

注漿結(jié)束后，用A組分料沖洗混合器與出料口至潔凈無附著物；然后用清質(zhì)機油清洗氣動注漿泵及其配件，檢查清點附件數(shù)量及其功能。

4.2.3.5 施工記錄

注漿過程中做好相應(yīng)記錄，記錄應(yīng)包括以下內(nèi)容：灌注孔位、單孔深度、單孔灌漿量、灌漿起始壓力、灌漿終止壓力、灌漿起止時間。

4.2.4 刀盤脫困及塌腔回填

4.2.4.1 刀盤前加固

待圍巖加固后，后退刀盤。在刀盤和掌子面形成的空間內(nèi)，將木板(厚5cm)緊貼掌子面并用扒釘錨固，用方木(15cm×15cm)作為橫撐支立在刀盤和模板之間，方木橫向間距100cm，縱向間距50cm，視固結(jié)后的掌子面情況加密橫撐方木。在頂層橫撐上滿鋪木板，并用扒釘固定，以防止頂部圍巖掉塊。完成安全防護措施，經(jīng)值班工程師確認支護符合要求后，人員才可進入刀盤前方進行掏渣擴挖作業(yè)。

4.2.4.2 刀盤前方清渣

超前加固施工完成后，通過刀孔及人孔對前方積渣進行清理。高處清渣人員需系好安全帶，掏渣人員采用鐵鍬等通過刀孔將渣土刨至隔艙，堆積一定渣土后裝袋運出刀盤。

4.2.4.3 轉(zhuǎn)動刀盤及掘進

清渣完成后，轉(zhuǎn)動刀盤，慢速掘進至安裝拱架位置安裝拱架。保持刀盤持續(xù)轉(zhuǎn)動連續(xù)出渣狀態(tài)，以防斷層內(nèi)巖石再次坍塌掩埋刀盤。

4.2.4.4 塌腔回填

待噴漿橋到達塌腔范圍內(nèi)，采用噴射速凝混凝土對塌腔進行回填。在二次襯砌之前，對塌腔部位采用純水泥漿液進行固結(jié)灌漿。

5 總結(jié)和體會

此次卡機事故處理，僅用25天時間就實現(xiàn)了TBM脫困。通過管棚支護結(jié)合化學灌漿對塌方體的加固，使塌方體能夠自穩(wěn)；再采用人工清除刀盤前方和護盾上面的部分虛渣減輕刀盤啟動荷載，恢復(fù)了刀盤的啟動和皮帶出渣；恢復(fù)掘進后，調(diào)整掘進參數(shù)，加強支護強度，保障了TBM順利通過斷層破碎帶。該法較上導(dǎo)洞超前處理法、側(cè)導(dǎo)洞繞前開挖處理法、側(cè)支洞超前開挖處理法、繞洞超前開挖處理法等常規(guī)TBM卡機處理方式，有著節(jié)省工期和成本的巨大優(yōu)勢。需要注意的是，在進行注漿固結(jié)塌方體時，要控制好注漿壓力，避免將石渣與刀盤和護盾固結(jié)在一起。