喀雙隧洞T4勘探試驗洞TBM 脫困施工方案

趙鵬飛

（山西省晉中市水利建筑工程總公司 山西晉中030600）

0 引言

TBM 是一種極為常用的隧洞掘進開挖方法[1-2]。該方法適用范圍較廣，在多種地層中均可適用，具備鉆進速度快等優(yōu)勢，但是，TBM 施工機具造價較高，在地質不良區(qū)域易出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。如北疆某輸水隧洞施工工程[3]、引漢濟渭水利工程嶺北段工程[4]、引大濟湟工程[5]等在隧洞掘進過程中均出現(xiàn)了卡機現(xiàn)象。由于隧洞工程地質環(huán)境復雜，造成TBM 卡機的原因各不相同，各項工程[6-8]脫困方法也不盡相同。結合喀雙隧洞T4 勘探試驗洞工程，對TBM 脫困施工方案進行了研究。

1 基本地質情況及TBM 卡機過程

喀雙隧洞T4 勘探試驗洞總長約6.4 km，其中0～500 m 采用鉆爆法進行開挖施工，剩余約5.9 km 主要采用TBM 掘進施工。T4 勘探試驗洞為圓形隧洞，斷面直徑8.5 m。根據地質勘察結果，隧洞圍巖主要為凝灰質砂巖，圍巖為Ⅱ類，巖層為產狀315°NE ∠75°，TBM掘進斷面無垂直向斷層發(fā)育。

在施工過程中，2016年8月9日—11日，3日時間TBM 掘進施工速度較為緩慢，共掘進16 m，位于樁號0+700～0+716 m 之間。掘進斷面圍巖較為破碎，發(fā)生了較大規(guī)模的塌方事件，根據設計方案，隧洞主要采用鋼拱架+鋼筋排支護。8月12日，TMB 掘進至樁號0+717 時，掌子面出現(xiàn)了塌方，導致刀盤無法轉動，刀盤被抱死。清理刀盤及塌方巖體后，試轉刀盤，渣體迅速充滿刀倉，刀盤仍無法轉動。

根據超前地質預報結果，區(qū)域內為F304 斷層破碎帶，該破碎帶巖土體較為松散，幾乎無自穩(wěn)能力，開挖后斷面立即出現(xiàn)塌方現(xiàn)象，塌方塊體粒徑一般在5～15 cm 之間。破碎帶走向與洞線幾乎一致，該段圍巖等級為V 類。樁號0+717 m 塌方體位于該段斷層破碎帶。

2 脫困方案

根據現(xiàn)場調查結果結合類似工程經驗，抱死刀盤的摩擦力大于TBM 刀盤驅動力是導致刀盤無法轉動的原因。因此，要使刀盤脫困需清除坍塌體，減少摩阻力。綜合考慮，確定TBM 脫困方案如下：1）加強護盾后方噴錨支護措施以及徑向注漿加固措施；2）采用化學注漿在側頂護盾及刀盤周圍形成保護殼，避免后續(xù)注漿加固使得護盾及刀盤粘結；3）采用注漿加固側頂護盾及刀盤外松散巖土體，使得圍巖達到自穩(wěn)狀態(tài)；4）待圍巖自穩(wěn)后，開啟機器，使得刀盤轉動脫困。

2.1 加強護盾后方拱架段0+699～0+717m 噴錨支護及徑向固結注漿加固措施

2.1.1 HW150 型鋼拱架支護

在護盾后方樁號0+699～0+717 段采用Φ22 鋼筋排+HW150 型鋼相結合的支護措施。其中，拱架間距為1.0 m。拱架間采用槽鋼連接，以提高拱架的整體穩(wěn)定性。支護方案見圖1。

圖1 護盾后方拱架段加強支護示意圖

2.1.2 噴射混凝土封閉

混凝土噴射封閉作業(yè)需要分段。在TBM 后方支撐區(qū)域設置兩臺濕噴機，采用人工噴射C80 混凝土，混凝土噴射厚度不小于200 mm。

2.1.3 護盾后方拱架段0+699～0+717m 徑向固結注漿

樁號0+699～0+717 段混凝土封閉之前，需施工Φ32 中空注漿錨桿，錨桿長度應結合現(xiàn)場松散巖土體厚度決定，長度在3.0～9.0 m 之間，錨桿尾部采用連接套加長，注漿水泥采用專用注漿材料，注漿壓力在0.20～0.50 MPa 之間。注漿孔布置范圍在拱角以上120°范圍內，環(huán)間距為1.0 m。錨桿體上水泥漿液溢出孔的孔徑為6.0 mm，每環(huán)布置注漿孔個數在8～9 個，注漿孔深度需結合注漿錨桿深度確定，孔深在3.0～9.0 m 之間。注漿孔采用梅花型布置。在注漿過程中需要結合地質情況及時調整，局部區(qū)域可適當加密注漿孔。詳見圖2、3。

圖2 護盾后方拱架段徑向布孔示意圖

圖3 Φ32 中空注漿錨桿桿體漿液溢出孔加工示意圖

2.2 對側頂護盾及刀盤周圍化學注漿

側頂護盾及刀盤所在區(qū)域屬于F304 斷裂帶的主要影響區(qū)域。根據超前地質預報結果可以得知，護盾及刀盤頂部3～7 m 范圍以及刀盤前3～5 m 范圍內圍巖結構較為破碎，因此，需采取化學注漿方法加固尾盾拱架、刀盤護盾、刀盤周圍破碎巖體，提高圍巖自穩(wěn)能力?；瘜W注漿加固方法如下：采用手風鉆成孔，錨桿長度需結合周圍松散巖土體厚度綜合確定。在尾部采用專用連接套進行加長，注漿管需在松散巖土體范圍內均勻布設，為了避免化學注漿時漿液入滲至護盾和刀盤，在注漿過程中需嚴格控制注漿壓力，采用低壓注漿為宜。

1）在樁號0+711、0+710 以及0+709 處，拱架超前掌子面方向的120°范圍內布置注漿孔位，注漿孔與巖體結構面夾角約為7°～10°，環(huán)向、縱向間距均設置為1.0 m。在逐漸加固過程中，可根據實際情況及時調整孔深和間距以保證注漿質量，應控制注漿加固后形成的自然拱厚度在0.5～1.0 m 之間。

2）刀盤喇叭口區(qū)域化學加固時，需要在擋塵板區(qū)域進行開孔。在能夠完成施工操作的區(qū)域，在刀盤周圍向隧洞掌子面方向布設注漿錨桿。此時，錨桿與巖土體結構面夾角約在10°～13°，錨桿長度需結合松散體厚度綜合確定。鉆孔孔位需要結合場地實際情況進行布置，應保證注漿完成后形成的自然拱保護殼厚度在0.4～0.8 m 之間。注漿情況見圖4。

圖4 側頂護盾及刀盤周圍化學注漿示意圖

2.3 對側頂護盾及刀盤周圍自然拱保護殼外的松散體固結注漿

側頂護盾及刀盤周圍采用化學注漿加固形成厚度在0.5～1.0 m 左右的自然拱保護殼后，可對先前預留的3 排徑向錨桿進行注漿加固。注漿孔尾部需要采用堵漏劑圍堵，避免注漿過程中出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，注漿壓力控制在0.2～0.8 MPa 之間。注漿孔需偏移化學注漿孔位，注漿范圍在在樁號0+711、0+710 以及0+709處，拱架超前掌子面方向的120°范圍內布置，注漿孔與巖面夾角約從10°遞增到60°，按照輻射狀布置。擋塵板開孔的位置與巖面夾角約15°～25°，成輻射狀均勻分布于刀盤頂與前方保護殼外的松散體內。情況見圖5。

圖5 側頂護盾及刀盤周圍自然拱保護殼外的松散體固結注漿示意圖

2.4 TBM 脫困

2.4.1 TBM 脫困準備

完成破碎圍巖加固作業(yè)后，即可進行TBM 脫困準備工作。主要工作內容如下。

1）首先對TBM 刀盤周圍的松散體進行人工擴挖，擴挖范圍在0.3～0.5 m 之間，以減少刀盤在啟動瞬間的摩阻力，同時，需要增大刀盤驅動的扭矩。

2）若松散體環(huán)向擠壓導致護盾卡死無法運轉，則可采取從護盾后方開孔的方式進行處理。在保證注漿加固圍巖穩(wěn)定的情況采用，在護盾外使用人工擴挖，擴挖高度在0.3～0.5 m 范圍內，擴挖范圍應從盾尾到機頭架前，擴挖寬度需要結合現(xiàn)場實際情況進行確定。

2.4.2 TBM 脫困步驟

完成注漿加固及準備作業(yè)后，可按以下步驟完成TBM 最終的脫困工作。

1）啟動TBM 刀盤，可嘗試刀盤后退0.1 m，查看護盾情況，若護盾未被卡死，則嘗試轉動刀盤。

2）若刀盤、護盾后退0.1 m 后，仍無法順利啟動刀盤，則需要拆除距離盾尾最近的拱架，繼續(xù)后退刀盤及護盾，在后退的過程中不斷嘗試轉動刀盤，直至刀盤可以啟動。

3）刀盤順利啟動后，應嚴格控制掘進速度和刀盤轉速。掘進速度控制在10 mm/min，刀盤轉速控制在2 轉/min，貫入度控制在5 mm/轉，可在施工過程中靈活調整其他施工參數。

3 結論

由于地質環(huán)境復雜，喀雙隧洞T4 勘探試驗洞在穿越破碎帶過程中出現(xiàn)了卡機現(xiàn)象。結合場地實際情況，決定采用加固圍巖后重啟機器使機器得以脫困。其中：后方拱架段0+699～0+717 m 采用噴錨支護及徑向固結注漿加固措施；護盾后方拱架段0+699～0+717 m采用徑向固結注漿加固；側頂護盾及刀盤周圍采用化學注漿加固。加固后的圍巖穩(wěn)定性較好，為TBM 脫困掘進提供了良好的環(huán)境。