小導洞迂回反向支護在TBM卡機脫困中的應用

劉曉瑞

摘?要：引漢濟渭水利工程嶺北段TBM掘進通過斷層破碎帶時，受流渣狀變質(zhì)千枚巖、糜棱巖及夾雜斷層泥礫影響，刀盤和護盾段被坍塌碎屑體卡死受困。為實現(xiàn)TBM脫困，在掘進面右側圍巖較好段，通過設置爬坡孔并采用風鎬人工開挖縱向超前導洞，導洞迂回通過塌腔并開挖至刀盤前12 m后橫向擴挖形成管棚工作室。在工作室反向大管棚支護條件下，開挖至受困刀盤處并實現(xiàn)TBM順利脫困。小導洞迂回反向支護技術在TBM卡機脫困中的應用表明：①為防止坍塌體進一步碎脹擠壓盾體，TBM脫困處理前需采用套拱完成盾尾急劇收斂段加固;②爬坡孔和縱向?qū)Ф葱柙O置在圍巖較好段，采用Φ32自進式錨管結合H150門型鋼架支護，循環(huán)進尺控制在0.5 m以內(nèi);③按照“分區(qū)分段、由上及下、管前嚴注、短挖強支”原則，由縱向超前導洞向盾體兩側開挖橫向小導洞處理坍塌體并設內(nèi)外兩層環(huán)形鋼拱架，在拱架間灌注C30混凝土形成型鋼混凝土結構，以此保護盾體并釋壓脫困。

關鍵詞：TBM卡機;脫困;導洞迂回;反向支護;引漢濟渭;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV53?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.023

Abstract：Affected by phyllite， mylonite and fault gouge， cutter head and shield are frequently trapped by the collapsed debris in Qinling water delivery tunnel from Han to Weihe River. In order to achieve TBM relief，the climbing hole and the longitudinal leading guide hole were manually excavated with a pick through the better surrounding rock on the right side of the heading face. Then the guide hole， after passing through the collapse cavity and excavated to 12 m in front of the cutter plate， was excavated horizontally to form the pipe shed studio. Furthermore， under the supporting conditions of the large inverted pipe shed in the studio， the TBM was successfully extricated. The application of reverse large pipe-shed technology indicates that： a）in order to prevent the collapse body from further crushing and squeezing the shield， it is necessary to reinforce the sharp convergence section of the tail of the shield; b）Climbing hole and longitudinal guide hole should be set in the better section of surrounding rock with 32 self-feeding anchor pipe and H150 steel frame and the stepping distance is controlled within 0.5 m; c）In accordance with the conception“partition and segmentation， from up to down， pipe in advance and strictly grouting， short excavation and strong support”，the collapse body is treated by excavating the transverse small guide hole from the longitudinal leading guide hole to both sides of the shield body and the inner and outer ring steel arches with C30 concrete poured between the arches are used to protect the shield body and relieve pressure.

Key words： TBM jamming; out of trouble; indirect guide hole; reverse supporting;Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project; Qinling tunnel

我國水資源空間分布不平衡，為合理利用水資源、實現(xiàn)水資源合理調(diào)配，跨流域調(diào)水、引水隧洞工程不斷涌現(xiàn)。TBM因安全、高效、環(huán)保、機電一體化程度高的優(yōu)點而被廣泛應用于長大引水隧洞掘進施工。然而，在穿越斷層破碎帶、軟巖大變形、高地應力等特殊地質(zhì)段落時，TBM時常因圍巖碎脹擠壓而出現(xiàn)卡機事故，必須進行脫困處理。

TBM脫困的核心是解決圍巖與護盾的相互擠壓作用，常用的工程措施有管棚與化學灌漿法、設備改造及后退法、凍結法等。羅毅等[1-3]研究了地質(zhì)鉆中空鉆桿作為注漿通道實現(xiàn)化學灌漿及管棚支護，解決了遼寧、新疆等地引水隧洞TBM穿越斷層帶卡機事故。陳興龍[4]研究了豎直凍結和水平凍結相結合的凍結方案實現(xiàn)引洮7#隧洞TBM解困，凍結維護期達到65 d但投資較大。孟曉燕[5]研究了注漿輔助刀盤周邊人工擴挖并結合設備后退技術，該技術實現(xiàn)了新疆某水工隧道TBM首次脫困，但再次掘進通過斷層時反復出現(xiàn)卡機。程建龍等[6]通過數(shù)值計算手段研究了不同圍巖條件下TBM與圍巖的相互作用關系。溫森等[7]通過理論方法，提出了基于霍克布朗準則的深部巖體流變模型，以此提出臨界預留計算公式。

從工程實踐角度看，當圍巖擠壓變形（接觸壓力）引起的阻力遠大于刀盤瞬時脫困扭矩、大體積坍塌碎脹巖體密貼盾體時，根本無有效作業(yè)空間實現(xiàn)掌子面化學灌漿和護盾上部超前管棚支護，設備改造及凍結法又會帶來經(jīng)濟成本過高問題。同時，應用理論公式進行TBM臨界預留量預設計難度大?；诖?，為實現(xiàn)一次性TBM脫困，避免在穿越一處（組）斷層時出現(xiàn)反復卡機現(xiàn)象，本文在輔助坑道法的理念上提出一種小導洞迂回反向管棚支護技術。即通過輔助坑道迂回至受卡刀盤前方并擴挖形成管棚工作室，利用工作室實施反向管棚支護，在管棚支護下采用上下導洞開（擴）挖至刀盤及護盾段，實現(xiàn)TBM釋壓脫困。

1?工程概況

引漢濟渭秦嶺特長隧洞越嶺段（簡稱秦嶺隧洞）全長81.779 km，從底部橫穿秦嶺山脈，隧洞最大埋深2 012 m，平均縱坡為1/2 500。采用“2臺TBM+鉆爆法”施工方案，即秦嶺嶺脊段采用2臺TBM相向施工，其余地段采用鉆爆法施工。秦嶺隧洞工區(qū)布置如圖1所示。

2016年5月31日，嶺北TBM掘進至K51+597.6時，盾尾左側護盾下方有極破碎渣體不斷流出，渣體高度超過主梁后停止外流，清渣后渣體繼續(xù)涌出。

該段原設計為Ⅲ類圍巖，巖性為千枚巖夾變砂巖，后開挖揭示（原設計未揭示）K51+616—K51+583段發(fā)育一斷層，為逆斷層，斷層產(chǎn)狀為N55°W/16°N，主帶巖性主要為碎裂巖、糜棱巖和斷層泥礫，巖石膠結差，自穩(wěn)能力差，K51+616—K51+598段地下水弱發(fā)育、圍巖多潮濕?，F(xiàn)場刀盤內(nèi)有股狀水流出，不時有碎渣伴隨水流流出，已支護段出現(xiàn)部分鋼架變形現(xiàn)象，護盾受力較大，TBM監(jiān)視器顯示護盾壓力超過30 MPa，且緩慢持續(xù)升高，護盾油缸被慢慢壓回，刀盤無法轉(zhuǎn)動。

2?卡機原因分析

通過勘測區(qū)域的地震波反射掃描成像三維圖、掌子面地質(zhì)觀測的信息，推斷其前方30 m范圍內(nèi)圍巖破碎且富水，節(jié)理裂隙發(fā)育?，F(xiàn)場斷層核部圍巖強度極低，TBM刀盤和護盾被卡在破碎帶坍塌體內(nèi)，圍巖在護盾直徑方向的相對收斂變形較大，停機后盾體與圍巖間隙在塌腔巖渣碎脹擠壓下更為密貼。

由圖2可知，刀盤外緣略高于護盾中心，在軟弱碎裂層或擠壓地層中會導致護盾中心與隧道開挖形心不重合，二者產(chǎn)生不均勻間隙，繼而導致卡機時超前注漿緩慢且難以組織實施，注漿效果更是難以控制。

3?卡機處理措施

卡機主要原因是塌腔巖體與盾體之間發(fā)生接觸擠壓，伴隨盾尾局部收斂變形。為確保脫困處理及二次掘進安全，先對盾尾已變形段進行加固，再在盾尾右側圍巖較好段設置爬坡孔，人工開挖縱向?qū)Ф粗恋侗P前方，繼而橫向擴挖形成管棚工作室，利用工作室反向施作管棚支護并采用上下導洞法人工開挖處理斷層坍塌帶，清理盾體上部巖渣，實現(xiàn)TBM脫困，見圖3。

3.1?盾尾急劇收斂區(qū)加固

K51+603—K51+625段，為防止已拼裝的H150型鋼拱架及鋼筋排變形繼續(xù)加大，利用TBM主梁作為支撐，用H150型鋼對已拼裝拱架進行豎向及斜向支撐。相鄰拱架間用H150型鋼代替縱向連接筋，型鋼間距1 m。

3.2?護盾前方斷層帶處理

（1）護盾段縱向小導洞。爬坡段開挖完成后，向前開挖I號導洞，開挖前先施作雙層Φ32自進式注漿錨管，錨管長4.5 m，環(huán)向間距30 cm，縱向0.9 m/環(huán)，外插角按25°、45°控制，采用風鎬人工開挖，護盾上方開挖循環(huán)長度為45 cm。開挖完成后，架設H150@0.45 m鋼架，拱架外緣內(nèi)側焊接鋼筋排，鋼架內(nèi)側焊接6 mm厚鋼板加固，內(nèi)灌混凝土回填密實。I號導洞內(nèi)設置橫向門洞，方便Ⅱ號導洞開挖，Ⅱ號導洞施工工藝同I號導洞。導洞斷面布置及鋼架支護見圖4。

（2）刀盤前方縱向小導洞。開挖至刀盤前方時，為方便前方施工，可以將兩個導洞中間的鋼架支撐拆除，使I號和Ⅱ號導洞合并為一個縱向?qū)Ф础ｉ_挖前超前支護、鋼拱架參數(shù)同護盾段小導洞。

（3）橫向?qū)Ф醇肮芘锕ぷ鏖g?？v向小導洞穿過塌腔影響區(qū)3～5 m進入原狀巖層后，以左右擴挖形式形成橫向?qū)Ф?。橫向?qū)Ф撮_挖輪廓為梯形斷面，采用人工風鎬進行，開挖循環(huán)長度控制在60 cm，拱架采用H150@0.45 m型鋼門架，立柱底部焊制25 cm×25 cm鋼板支撐，底部橫向采用H150型鋼連接，形成封閉拱架支護體系。橫導洞成型后，在斷面垂直方向采用上下分臺階方式開挖擴大斷面，繼而形成管棚工作間，為反向施作大管棚提供安全作業(yè)空間，見圖5（a）～圖（c）。工作間內(nèi)采用直徑108 mm大管棚，長度20 m，環(huán)向間距0.4 m并封孔。在反向超前支護完成后，先沿管棚間至刀盤段開挖上導洞，至刀盤后，反向由刀盤至管棚間分左右部開挖中導洞，見圖5（d）～圖（f）。

3.3?護盾上方段開挖及支護

護盾頂利用已開挖完成的Ⅰ號和Ⅱ號導洞向兩側開挖，采用人工風鎬進行，開挖進尺0.6 m，拱架采用H150@0.45 m型鋼門架，相鄰拱架型鋼橫向連接，間距50 cm，頂部采用槽鋼和鋼板封閉，形成封閉拱架支護體系。門架施作完畢后，兩側噴射C20混凝土進行封閉，厚度為20 cm，頂部采用C30混凝土回填密實。

護盾頂開挖完成后，在門型架橫梁下方環(huán)形拼接外層H150@0.45 m型鋼鋼架，鋼架間用10號槽鋼連接，槽鋼間距0.5 m，外側焊接6 mm厚鋼板，鋼板背后灌注混凝土。接著，在環(huán)形拱架內(nèi)側對應位置施作一環(huán)同樣設計參數(shù)的型鋼鋼架，兩層鋼架之間灌注混凝土回填密實，形成永久結構。混凝土強度滿足要求后，切除焊接在護盾頂部的立柱支撐。護盾頂部開挖及TBM脫困后橫斷面支護形式見圖6。

3.4?脫困全程深孔位移監(jiān)測分析

為監(jiān)測TBM卡機脫困段（護盾后方-撐靴部位）圍巖卸荷松弛變形情況，在K51+603布置了1套多點位移計，測點深度分別為2、6、9、16 m。通過監(jiān)測整個脫困施工全過程（管棚間—刀盤部位第一層上導洞、第二層中導洞開挖，護盾上方、兩側擴挖支護），圍巖變形時程曲線見圖7?？梢姡孩僮o盾后方巖體總體增量變形為4.0 mm，整體可控;②管棚間上、中導洞開挖過程中產(chǎn)生的變形突變表明，脫困段軟弱圍巖段變形增長與施工開挖支護相關性十分明顯，門式鋼架支護對于控制變形整體有效;③變形增長主要發(fā)生在管棚間上導洞及護盾上方兩側擴挖期間;④圍巖主要變形和擾動區(qū)間在6～9 m范圍。

4?結?語

（1）小導洞迂回反向支護技術可很好地處理TBM局部軟巖坍塌卡機事故。其關鍵在于輔助導洞施工中應嚴格貫徹“分區(qū)分段、由上及下、管前嚴注、短挖強支”的原則。

（2）橫向門式鋼架配合多層環(huán)向鋼架支護，能有效控制圍巖再次擾動變形，可根據(jù)盾尾圍巖深孔位移時程曲線數(shù)據(jù)判斷前方脫困處理風險、巖體擾動范圍及具體措施。

（3）綜合TBM出渣量監(jiān)控與盾尾段支護變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，提前預判潛在局部塌方體。

（4）卡機后迅速采取鉆孔成像、聲波測試等多種綜合地質(zhì)預報手段確定塌方部位、范圍及TBM姿態(tài)。

（5）有必要對已支護段鋼架提高監(jiān)測頻率，出現(xiàn)急劇變形時應立即采取換拱或加固措施。

參考文獻：

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【責任編輯?張華巖】