超特長隧洞TBM集群掘進分析及施工技術(shù)研究

鄧銘江， 譚忠盛

(1. 新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；2. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 北京 100044)

0 引言

隨著機械化水平提高，TBM工法以其高效掘進的特點在我國水工隧洞、鐵路隧道及地鐵隧道等工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]，特別是在超特長隧洞掘進中，TBM工法占據(jù)主要地位。這些隧洞往往包含各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，例如斷層破碎帶、擠壓性大變形、巖爆、高地溫等，如果TBM掘進參數(shù)與施工質(zhì)量控制不當(dāng)，很容易引起卡機等事故，嚴(yán)重時甚至?xí)霈F(xiàn)設(shè)備損毀和人員傷亡[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對TBM掘進指標(biāo)、卡機問題和支護問題等進行了一些分析和探討。J.Hassanpour等[5]開發(fā)了不同硬巖TBM掘進參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用統(tǒng)計學(xué)方法分析了不同地質(zhì)參數(shù)與TBM掘進參數(shù)之間的關(guān)系；R.Ribacchi等[6]分析了在高強度片麻巖地層隧道開挖過程中，巖體質(zhì)量對雙護盾TBM掘進性能的影響；Zhao等[7]依托新加坡Kranji隧道工程，通過提高設(shè)備的地質(zhì)適應(yīng)性來應(yīng)對復(fù)雜多變的地層，取得了良好效果；王亞鋒[8]分析了掘進參數(shù)與卡機的關(guān)系，針對不同規(guī)模的不良地質(zhì)，總結(jié)出相對應(yīng)的處理措施；秦銀平等[9]針對高黎貢山隧道軟弱破碎帶卡機問題提出了一套針對性處理措施；劉泉聲等[10]采用自動化任務(wù)處理程序和光纖通訊技術(shù)，提出一種具備無人值守、數(shù)據(jù)自動采集傳輸和遠程操控功能的TBM卡機實時監(jiān)測預(yù)警方法；黃興等[11]基于擠壓大變形本構(gòu)模型和TBM卡機事故預(yù)測分析理論，提出了擠壓大變形卡機計算方法；蔣于波等[12]在引漢濟渭工程嶺南TBM施工段采用注漿堵水的方法，成功解決了該段突涌水的問題；Rahim等[13]依托馬來西亞某水工隧道，研究了隧道涌水量及圍巖強度對TBM性能的影響；王亞鋒等[14]依托高黎貢山隧道，提出了高壓富水軟弱破碎蝕變構(gòu)造帶處治及支護技術(shù)；王鳴冠[15]依托尼泊爾巴瑞巴貝TBM隧道，研究了2種不良地層中的隧道圍巖變形和支護結(jié)構(gòu)受力特征。

總體上看，上述成果基本上是基于1臺或少量幾臺TBM的掘進數(shù)據(jù)進行研究的，而本文是依托北疆供水工程主洞18臺TBM近2年來的集群掘進情況，對掘進參數(shù)、掘進效率、設(shè)備完好率、設(shè)備故障率、卡機問題、富水段施工問題及支護問題等進行研究，數(shù)據(jù)量巨大，覆蓋的地質(zhì)條件種類多，研究成果具有很強的代表性和指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 項目簡介

北疆供水工程總長540 km，主要由西二隧洞、喀雙隧洞和雙三隧洞組成，隧洞占工程總長度的95.3%，均為深埋超特長隧洞[16]，TBM分布如圖1所示。其中，喀雙隧洞是目前世界上已建和在建的最長輸水隧洞。隧洞施工以TBM法為主，鉆爆法為輔，共有20臺敞開式TBM和3臺盾構(gòu)，其中主洞采用18臺TBM，掘進約393 km，支洞采用2臺TBM，掘進約12 km，單機掘進最大長度26 km，各分段隧洞概況如表1所示。

圖1 北疆供水工程TBM分布示意圖

表1 各分段隧洞概況

1.2 地質(zhì)情況

隧洞穿越8條區(qū)域性斷裂、129條次一級斷層破碎帶。隧洞巖性以華力西晚期侵入巖為主，夾雜二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系泥巖、砂巖等。

西二隧洞主要穿越華力西晚期侵入的片麻花崗巖，其中泥盆系黑云母片麻巖長36.65 km，石炭系凝灰質(zhì)砂巖長16.99 km，奧陶系黑云母石英片巖長14.9 km。各類圍巖占比如圖2所示。

圖2 西二隧洞圍巖類別占比

喀雙隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖地層，其中華力西晚期侵入黑云母花崗巖長59.54 km，二疊、三疊系的泥巖、砂巖夾砂礫巖長12.06 km。各類圍巖占比如圖3所示。

圖3 喀雙隧洞圍巖類別占比

雙三隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r以及華力西晚期侵入的花崗巖地層，其中華力西晚期侵入的花崗巖地層長65.34 km，侏羅系和白堊系的泥巖、砂巖地層長13.19 km。各類圍巖占比如圖4所示。

圖4 雙三隧洞圍巖類別占比

2019—2021年主洞18臺TBM勘察設(shè)計階段給出的圍巖類別與實際揭露的圍巖類別占比情況如圖5所示。根據(jù)全線已掘進的洞段圍巖類別分析，兩者存在一定的差距?？傮w上看，兩者一致的比例只有51%，其中Ⅱ類圍巖為63%，Ⅲa類為42%，Ⅲb類為37%，Ⅳ類為35%，Ⅴ類為22%。除TBM8洞段外，勘察設(shè)計給出的圍巖類別主要為Ⅱ類和Ⅲ類，其次是Ⅳ類，Ⅴ類最少。

1.3 掘進進度

截至2021年6月30日，主洞18臺TBM累計掘進214.3 km，超過總長度的58%。其中，TBM10和TBM17進度最快，已完成所有洞段掘進任務(wù)，TBM10累計掘進長度為17 476 m，TBM17累計掘進長度為20 545 m。TBM12—TBM15由于2020年4月才開始掘進，施工總進度比較落后。TBM平均日進尺為12.7 m，其中7臺設(shè)備日進尺超過14 m，TBM11主要在Ⅱ類和Ⅲa類圍巖中掘進，日進尺最大達到18.39 m。

施工揭露的圍巖主要包括黑云母石英片巖、華力西期花崗巖、花崗閃長巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、凝灰角礫巖、安山巖等。TBM集群施工進度情況如表2和圖6所示。

(a) Ⅱ類

(b) Ⅲa類

(c) Ⅲb類

(d) Ⅳ類

(e) Ⅴ類

表2 TBM集群施工進度情況

圖6 TBM集群施工進度情況(截至2021-06-30)

2 TBM集群掘進情況分析

根據(jù)近2年TBM集群施工情況，對掘進速度、掘進參數(shù)、利用率、完好率、故障情況及刀具消耗情況等進行分析。

2.1 TBM掘進速度分析

各TBM平均月進尺達到385.2 m，其中TBM17掘進圍巖多數(shù)為Ⅱ類和Ⅲa類圍巖，速度最快，平均月進尺達到604 m；TBM18由于掘進洞段地下水位高，突涌水事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響施工進度，平均月進尺僅為203.9 m。西二、喀雙和雙三隧洞各臺TBM掘進的平均月進尺見圖7。

2.2 TBM掘進參數(shù)分析

西二、喀雙和雙三隧洞TBM掘進參數(shù)統(tǒng)計分析如圖8及表3所示。總體上看，在Ⅱ類圍巖中，TBM推力基本都達到設(shè)計值，轉(zhuǎn)矩和刀盤轉(zhuǎn)速較高，掘進速率一般；在Ⅲ類圍巖中，推力和轉(zhuǎn)矩均有余量，刀盤轉(zhuǎn)速較低，掘進速率較高；在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，推力、轉(zhuǎn)矩和刀盤轉(zhuǎn)速都較低，掘進效率也較低。

圖7 各TBM平均月進尺

(a) 推力

(b) 掘進速率

(c) 轉(zhuǎn)矩

(d) 貫入度

(e) 刀盤轉(zhuǎn)速

表3 西二、喀雙和雙三隧洞各類圍巖平均掘進參數(shù)統(tǒng)計

1)推力：Ⅱ類圍巖9 800～18 300 kN，Ⅲa類圍巖7 000～17 500 kN，Ⅲb類圍巖5 000～15 600 kN，Ⅳ類圍巖3 000～12 700 kN，Ⅴ類圍巖2 200～10 700 kN。

2)掘進速率：Ⅱ類圍巖21～57 mm/min，Ⅲa類圍巖20～74 mm/min，Ⅲb類圍巖38～83 mm/min，Ⅳ類圍巖25～60 mm/min，Ⅴ類圍巖8.8～58 mm/min。

3)轉(zhuǎn)矩：Ⅱ類圍巖1 050～2 555 kN·m，Ⅲa類圍巖840～2 520 kN·m，Ⅲb類圍巖685～3 180 kN·m，Ⅳ類圍巖350～1 790 kN·m，Ⅴ類圍巖300～1 650 kN·m。

4)貫入度：Ⅱ類圍巖3.1～10.7 mm/r，Ⅲa類圍巖3.2～11.1 mm/r，Ⅲb類圍巖6.0～11.5 mm/r，Ⅳ類圍巖4.7～15.0 mm/r，Ⅴ類圍巖4.0～18.0 mm/r。

5)刀盤轉(zhuǎn)速：Ⅱ類圍巖5.9～7.3 r/min，Ⅲa類圍巖5.9～7.1 r/min，Ⅲb類圍巖4.8～7.1 r/min，Ⅳ類圍巖3.0～6.2 r/min，Ⅴ類圍巖1.1～5.7 r/min。

2.3 TBM利用率及完好率分析

TBM利用率RU和完好率RI計算方法如下：

(1)

(2)

式(1)—(2)中：t1為純掘進時間；t2為換步時間；t3為非故障停機時間；t4為故障時間。

對主洞18臺TBM集群施工掘進數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到設(shè)備利用率和完好率見圖9和圖10。由圖可知： 設(shè)備利用率平均為28%，最高為41%，6臺設(shè)備利用率均超過30%，說明大部分設(shè)備的掘進穩(wěn)定性良好； 設(shè)備完好率平均91%，最高97%，12臺設(shè)備完好率均超過90%，滿足連續(xù)作業(yè)要求。

2.4 TBM故障率分析

TBM設(shè)備故障率RF計算方法如下：

(3)

圖9 設(shè)備利用率

圖10 設(shè)備完好率

對主洞18臺TBM的設(shè)備故障率進行統(tǒng)計分析，見圖11。由圖可知，設(shè)備故障率平均為9%，其中TBM14由于長期在Ⅲb類及Ⅳ類圍巖中掘進，圍巖條件較差，皮帶機故障頻發(fā)，總體故障率最高達到20%；而TBM18主要在Ⅱ類及Ⅲ類圍巖中掘進，圍巖條件較好，總體故障率只有3%。

圖11 設(shè)備故障率

設(shè)備故障占比見圖12。其中，皮帶機故障率最高，占比接近35%，究其原因，一方面是本工程中TBM獨頭掘進距離普遍較長，對連續(xù)皮帶傳送系統(tǒng)的耐久性要求較高；另一方面是連續(xù)皮帶出現(xiàn)問題，都會造成設(shè)備停機，且檢修用時相比其他故障都要高出數(shù)倍，故占比最高。電氣故障平均占比9%，機械故障平均占比14%，液壓故障平均占比10%。

圖12 設(shè)備故障占比

1)皮帶機故障主要表現(xiàn)為膠帶劃傷、膠帶受拉不均勻(接頭硫化不良導(dǎo)致)、膠帶跑偏、改向滾筒軸承座磨損、從動滾筒卡死、馬達花鍵軸齒磨損嚴(yán)重、液壓馬達損壞等問題，皮帶機故障使得TBM頻繁停機，掘進速度緩慢。

2)電氣故障則主要表現(xiàn)為主驅(qū)動故障，包括主驅(qū)動電機剪切銷損壞和主驅(qū)動電機軸承密封損壞。

3)機械故障主要包括： 錨桿鉆機故障(爬行馬達及減速機故障、密封漏油、鉆機脫落等)、鑿巖機故障(無沖擊、沖擊活塞斷裂、沖擊密封磨損、低壓氮氣室不保壓等)、噴混小車齒輪及減速機故障、混凝土輸送泵故障(攪拌軸密封及襯套磨損)、除塵風(fēng)機故障(軟啟動器壞、濾板污染嚴(yán)重、風(fēng)扇故障等)等。

4)液壓故障主要表現(xiàn)為潤滑系統(tǒng)齒輪油滲漏和輔助系統(tǒng)液壓油滲漏，除主驅(qū)動的液壓及潤滑系統(tǒng)密封問題外，其他如拱架安裝機、錨桿鉆機等系統(tǒng)也都存在不同程度的油管漏油問題。

2.5 TBM刀具消耗分析

西二、喀雙和雙三隧洞各標(biāo)段18臺TBM累計換刀22 885把，如圖13所示；累計每延米換刀量統(tǒng)計如圖14所示。

圖13 TBM累計換刀統(tǒng)計

圖14 TBM累計每延米換刀量統(tǒng)計

TBM1—TBM5(開挖直徑7.8 m)平均每延米換刀0.25把，其中TBM1主要在Ⅲb～Ⅴ類圍巖中掘進，圍巖條件較差，每延米換刀僅0.07把；而TBM3主要在Ⅱ～Ⅲb類圍巖中掘進，圍巖整體性好，抗壓強度高，每延米換刀高達0.45把。

TBM6—TBM16(開挖直徑7.0 m)平均每延米換刀0.15把，其中TBM6、TBM9、TBM10、TBM15主要在Ⅱ～Ⅲa類圍巖中掘進，圍巖條件好，每延米換刀約0.3把； 而TBM7、TBM8、TBM13、TBM14、TBM16主要在Ⅲb～Ⅴ類圍巖中掘進，掘進速度慢，其中TBM8掘進揭露的Ⅳ～Ⅴ類圍巖占比達到60%以上，還遭遇了7條較大的斷層破碎帶，設(shè)備發(fā)生多次卡機，每延米換刀0.02把。

TBM17—TBM18(開挖直徑5.5 m)平均每延米換刀0.05把，2臺設(shè)備掘進揭露的圍巖類別相近，故刀具消耗差異不大。一般情況下，Ⅳ、Ⅴ類圍巖段刀具消耗較小，Ⅱ、Ⅲ類圍巖段刀具消耗較大。除正常更換與正常調(diào)配外，偏磨、刀圈斷裂和軸承損壞是TBM刀具更換的主要原因，如圖15所示。

圖15 不同原因累計換刀統(tǒng)計

2.6 掘進指標(biāo)對比分析

Ⅱ類圍巖的完整性好，TBM掘進不受不良地質(zhì)的影響，故選擇不同標(biāo)段Ⅱ類圍巖TBM掘進參數(shù)等指標(biāo)進行對比分析。由施工揭露的地質(zhì)情況可知，TBM6、TBM9—TBM11、TBM15掘進揭露的Ⅱ類圍巖占比都在70%以上，最高達到95%，其主要掘進參數(shù)等指標(biāo)對比見圖16。

圖16 TBM掘進指標(biāo)對比

推力最大16 640 kN，最小12 500 kN，相差25%；掘進速率最大60 mm/min，最小30 mm/min，相差50%；轉(zhuǎn)矩最大2 350 kN·m，最小1 700 kN·m，相差28%；貫入度最大7 mm/r，最小4.8 mm/r，相差31%；刀盤轉(zhuǎn)速最大7.3 r/min，最小5.9 r/min，相差19%；掘進速度最大17.2 m/d，最小10.8 m/d，相差37%。

利用率最大41%，最小26%，相差37%；完好率差別不大；故障率最大13%，最小4%，相差69%；每延米換刀量最大0.32把，最小0.18把，相差44%。其中同一標(biāo)段的TBM9與TBM10的所有掘進指標(biāo)基本一致，相差不超過10%。

綜上所述，雖然隧洞開挖直徑相同，且基本都在Ⅱ類圍巖中掘進，但不同設(shè)備間的掘進參數(shù)(包括推力、掘進速率、轉(zhuǎn)矩、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速)、掘進速度、利用率、故障率及每延米換刀情況差異較大，后續(xù)應(yīng)深入開展智能輔助掘進技術(shù)研究，提高掘進效率、降低刀具消耗。

3 卡機分類及處理

3.1 卡機事故分類

在TBM集群掘進過程中，遇到了多次卡機事故，根據(jù)卡機機制不同可將卡機事故分為擠壓性大變形卡機、斷層破碎帶塌方卡機和風(fēng)化蝕變帶卡機3大類。

3.1.1 擠壓性大變形卡機

對于擠壓性軟弱地層，隧道圍巖具有突出的變形大及流變特性，TBM開挖卸荷后圍巖相繼進入損傷擴容和破裂碎脹狀態(tài)，并隨時間發(fā)生顯著的時效破損，進而導(dǎo)致圍巖發(fā)生擠壓大變形。由于圍巖擠壓變形產(chǎn)生的剪脹力、碎脹力對刀盤、護盾產(chǎn)生擠壓力，進而在TBM推進時，刀盤轉(zhuǎn)動、護盾推進均會受到來自圍巖的摩擦阻力，如圖17所示。

圖17 擠壓性大變形卡機示意圖

3.1.2 斷層破碎帶塌方卡機

TBM在斷層破碎帶掘進時，由于巖體結(jié)構(gòu)松散，開挖擾動后掌子面大量破碎巖體塌落與刀盤正面直接接觸，部分未進入刀盤鏟斗的渣石隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，且在TBM軸向推力作用下，與刀盤正面擠壓產(chǎn)生摩擦，使刀盤阻力矩急劇增大；此外，個別粒徑較大的巖渣在沒有被破碎的情況下卡入鏟斗，也增大了刀盤鏟斗的剪切力矩。最終，當(dāng)?shù)侗P所受總阻力矩大于其最大驅(qū)動轉(zhuǎn)矩時發(fā)生卡停，如圖18所示。

圖18 斷層破碎帶塌方卡機示意圖

3.1.3 風(fēng)化蝕變帶卡機

蝕變巖是圍巖交代蝕變過程中，在一定的物理化學(xué)條件下，處于相對平衡狀態(tài)的礦物共生組合所構(gòu)成的巖石。蝕變巖經(jīng)歷風(fēng)化作用后，巖體松散，且通常富水，形成風(fēng)化蝕變帶。TBM掘進到風(fēng)化蝕變帶時，經(jīng)常容易發(fā)生較大規(guī)模塌方，塌方體大量涌入刀盤，甚至掩埋機頭，發(fā)生卡機事故，如圖19所示。

圖19 風(fēng)化蝕變帶卡機示意圖

3.2 卡機處理措施

3.2.1 擠壓性大變形卡機處理措施

根據(jù)卡機部位不同，TBM脫困方式分為2種：

1)刀盤被卡時，開挖迂回導(dǎo)洞到刀盤前方，人工開挖掌子面巖體，消除圍巖對刀盤的擠壓，實現(xiàn)脫困。

2)護盾被卡時，在盾尾由洞室腰線開始對護盾外側(cè)進行人工擴挖，如圖20所示，擴挖寬度1 m左右，并采用鋼架+噴混凝土支護，實現(xiàn)圍巖和護盾分離，從而減小圍巖對盾體的擠壓及因此產(chǎn)生的掘進摩擦阻力。

圖20 卡護盾后人工擴挖示意圖

3.2.2 斷層破碎帶塌方卡機處理措施

當(dāng)斷層破碎帶發(fā)生塌方時，應(yīng)先人工清出坍塌碎石，并噴射混凝土封閉塌腔巖面，打設(shè)超前小導(dǎo)管或管棚，并通過超前小導(dǎo)管對空腔上部松散體進行加固，同時，采用玻璃纖維錨桿對掌子面前方巖體進行加固; 通過后，拱架外側(cè)焊接鋼板，澆筑細(xì)石混凝土，最后用輕型材料填充空腔，實現(xiàn)脫困。

3.2.3 風(fēng)化蝕變帶卡機處理措施

針對風(fēng)化蝕變帶巖石松散、通常富水、被揭露后易發(fā)生膨脹崩解進而引發(fā)大規(guī)模塌方的特點，TBM卡機處理時首先在護盾周圍采用自進式中空錨桿進行固結(jié)灌漿，在護盾上方人工擴挖管棚工作室，打設(shè)管棚進行超前支護，并采用化學(xué)灌漿加固上部散落巖體，然后清理刀盤內(nèi)部積水及渣體，通過刀盤向掌子面前方打設(shè)玻璃纖維錨桿或采用化學(xué)灌漿加固破碎圍巖。

3.3 卡機事故統(tǒng)計分析及處理案例

3.3.1 卡機事故統(tǒng)計分析

本工程TBM集群掘進共出現(xiàn)卡機事故49次，統(tǒng)計如表4所示。其中，斷層破碎帶塌方卡機占比較高，達到84%；斷層破碎帶塌方卡機和風(fēng)化蝕變帶卡機主要發(fā)生在Ⅴ類圍巖中，擠壓性大變形卡機則多發(fā)生于Ⅳ類圍巖中。

表4 卡機情況統(tǒng)計

3.3.2 卡機處理案例

2020年10月7日晚10點，TBM5掘進至樁號K138+207.7處時，轉(zhuǎn)矩突然增大到6 500 kN·m，同時皮帶出渣量增大，洞渣為肉紅色泥沙，黏性較大，隨后刀盤跳停，無法繼續(xù)運轉(zhuǎn)。之后施工人員到護盾位置及進入刀盤查看，護盾底部、刀艙及刀盤內(nèi)出渣口均被泥沙堵死，刀盤前方和側(cè)向不同程度被塌落的大塊石渣楔嵌，掌子面前方塌方情況和空腔大小不明。隨后施工單位采取不同措施多次啟動刀盤嘗試脫困，均未成功，最終判定刀盤被卡，如圖21所示。

圖21 刀盤內(nèi)泥沙通過人孔外泄

根據(jù)超前探測的地質(zhì)情況，制定如下施工方案進行卡機處理，最終成功脫困： 1)立即使用超細(xì)水泥+化學(xué)灌漿材料對拱頂180°范圍內(nèi)的已出露護盾洞段破碎圍巖進行注漿加固； 2)對護盾頂部240°范圍內(nèi)的破碎圍巖用超細(xì)水泥+化學(xué)灌漿材料進行注漿加固； 3)在塌方空腔內(nèi)回填超細(xì)水泥+水玻璃+珍珠鹽混合注漿材料； 4)從護盾后方打設(shè)φ108 mm超前管棚，用1∶1水泥漿對前方不穩(wěn)定巖體進行加固； 5)通過刀盤刀孔對刀盤前方松散體進行注漿加固； 6)在護盾上方和φ108 mm超前管棚之間人工開挖小導(dǎo)洞至刀盤位置，環(huán)形清理刀盤周圍松散碎石，使刀盤脫困； 7)TBM脫困后，對出露護盾的圍巖進行加強支護，之后緩速掘進通過。

4 富水洞段TBM施工及突涌水處理

本工程TBM集群掘進共出現(xiàn)大型突涌水事故10次，統(tǒng)計如表5所示。由表可知，大型突涌水主要發(fā)生在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，其中TBM18遭遇的突涌水情況最嚴(yán)重，單點涌水量最大可達950～1 000 m3/h，主要原因是該洞段地下水位較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，基巖裂隙水特別豐富。

表5 突涌水情況統(tǒng)計

4.1 富水洞段TBM施工技術(shù)

TBM是集機械、電氣、液壓等技術(shù)于一體的大型機械化隧道掘進設(shè)備，在富水洞段施工時，由于隧洞滲流水量大，若不及時采取有效措施，TBM上的大量電器設(shè)備極易被浸泡而導(dǎo)致?lián)p壞，影響正常施工，嚴(yán)重時甚至威脅人員安全。在富水洞段掘進時，主要采用以下步驟施工： 未掘進段超前預(yù)注漿，設(shè)備段隨機注漿，通過段系統(tǒng)注漿。

4.1.1 未掘進段超前預(yù)注漿

首先結(jié)合激發(fā)極化等方法進行超前探水，當(dāng)掌子面前方存在富水空腔等地質(zhì)體時，刀盤后退4～6 m，在刀艙內(nèi)架設(shè)抽水水泵，在掌子面前部搭設(shè)腳手架，利用鉆機鉆孔，與隧道軸線夾角15°，深度25 m，利用水泥、水玻璃進行超前預(yù)注漿施工。先從掌子面外環(huán)的Ⅰ序孔位注漿，之后從掌子面內(nèi)環(huán)的Ⅱ序孔位注漿，注漿施工結(jié)束后通過檢查孔檢查注漿效果，具體注漿范圍及布孔方式如圖22和圖23所示，實際施工可根據(jù)出水情況適當(dāng)調(diào)整注漿孔數(shù)量。

圖22 TBM刀盤前部超前預(yù)注漿示意圖

圖23 超前預(yù)注漿孔位布置圖

根據(jù)以上處理方法，TBM18成功超前預(yù)注漿加固32次，在富水洞段取得了良好效果，提高了掘進效率。

4.1.2 設(shè)備段隨機注漿

TBM掘進過程中，當(dāng)出水點出漏后，在出水點部位用風(fēng)鉆造孔，孔深一般在4 m以內(nèi)，采取以水泥+水玻璃雙液漿為主、化學(xué)漿液為輔的方式對出水點進行灌漿封堵，保證設(shè)備機械、液壓、電氣元件良好?，F(xiàn)場隨機注漿堵水如圖24所示。

4.1.3 通過段系統(tǒng)注漿

在TBM通過洞段及時統(tǒng)計出水點，在需要堵水區(qū)域集中架設(shè)抽排水泵，安裝鋼結(jié)構(gòu)變坡軌枕堵設(shè)圍堰(見圖25)，為系統(tǒng)注漿創(chuàng)造有利條件，之后對設(shè)計堵水點進行系統(tǒng)注漿。系統(tǒng)注漿孔位布置如圖26和圖27所示。

圖24 現(xiàn)場隨機注漿堵水

圖25 系統(tǒng)注漿區(qū)圍堰及軌枕鋪設(shè)

圖26 系統(tǒng)注漿孔位布置平面示意圖

圖27 系統(tǒng)注漿孔位布置斷面示意圖

4.2 突涌水處理措施

隧道突涌水常具有水量大、水壓高、突發(fā)性強等特點，容易引發(fā)掌子面及洞壁坍塌，影響TBM正常掘進，本工程采取“加強抽排、快速封堵、深層加固”的施工策略進行應(yīng)對。

1)加強抽排。采用多臺多級離心泵同時抽排水，最大程度降低隧洞內(nèi)水位，架設(shè)水泵集中抽排主梁前部積水，避免水位快速上漲，淹沒主驅(qū)動電機。

2)快速封堵。TBM整機后退4～6 m，按照先泄壓、再填充、后封堵的施工方案，在主涌水點周邊鉆設(shè)泄壓孔，在主涌水點部位水量有所衰減時，利用仿形工裝或木楔、棉紗等對其涌水裂隙、空腔和通道進行逐步壓制，從而使涌水分散，以先灌注化學(xué)漿液為主、水泥+水玻璃雙液漿為輔的方式快速進行封堵。

3)深層加固。突涌水得到有效治理后，進行深層注漿加固施工，對突涌水點背后的地下水進行深層封堵和隔離，同時也對掌子面前部或掘進段圍巖背后裂隙空腔進行雙液漿回填加固。

通過該項施工技術(shù)，成功處理了TBM18在SD45+986處遭遇的掌子面特大涌水(單點涌水量達900～1 000 m3/h，隧洞內(nèi)總涌水量達到1 950 m3/h)和SD49+165處遭遇的隧道底部特大涌水(單點涌水量達750～800 m3/h，隧洞內(nèi)總涌水量達到1 870 m3/h)。涌水處理前后掌子面情況及隧道底部涌水處理情況如圖28和圖29所示。

(a) (b)

(a) (b)

5 TBM隧道支護技術(shù)及支護效果分析

5.1 支護技術(shù)

根據(jù)地質(zhì)條件，TBM施工初期支護分為Ⅱ、Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類共5種圍巖支護類型。部分支護斷面如圖30和圖31所示，支護參數(shù)如表6所示。

圖30 Ⅳ類圍巖支護斷面

圖31 Ⅴ類圍巖支護斷面

表6 各類圍巖支護參數(shù)

在圍巖條件較差的Ⅳ、Ⅴ類圍巖中掘進時，一般按如下步驟施作初期支護： 1)圍巖出露盾尾后，在拱頂120°范圍內(nèi)掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，防止掉塊； 2)利用拱架安裝機拼裝拱架，每節(jié)拱架之間采用螺栓連接； 3)打設(shè)錨桿，自進式錨桿可直接使用錨桿鉆機打設(shè)； 4)待該斷面經(jīng)過撐靴后，在洞壁兩側(cè)中軸線上下30°范圍內(nèi)焊接鋼筋網(wǎng)片，同時焊接拱架間縱向連接槽鋼； 5)待該斷面進入噴橋段時，進行噴混作業(yè)，封閉斷面。

5.2 支護效果分析

以西二隧洞為例，截至2021年6月30日，該洞段TBM1—TBM3累計進尺為27 549 m，其中，Ⅳ類圍巖段累計長度3 919 m，占比14.2%，Ⅴ類圍巖段累計長度841 m，占比3.1%。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)Ⅱ類、Ⅲa類和Ⅲb類圍巖段初期支護變形基本控制在設(shè)計預(yù)留變形量范圍內(nèi)，而Ⅳ、Ⅴ類圍巖段部分區(qū)段初期支護變形量較大，侵占過水?dāng)嗝?，影響隧洞后期通水運營。其中Ⅳ類圍巖洞段初期支護變形>15 cm的洞段占28.6%，最大變形量為52.3 cm，位于拱頂11點方向；Ⅴ類圍巖洞段初期支護變形>15cm的洞段占51.1%，最大變形量為38.3 cm，位于2點方向；隨著隧洞埋深增大，Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段的初期支護變形量也會增大。

對Ⅳ、Ⅴ類圍巖的變形控制效果較差的原因可能有以下3點： 1)隧洞埋深大，地應(yīng)力高，且圍巖破碎，圍巖對初期支護的壓力較大； 2)錨桿打設(shè)范圍較小，且打設(shè)角度與巖面不垂直(見圖32)，錨桿長度不足，沒有穿過松動圈錨固在穩(wěn)定巖層中，因此錨桿作用效果較差； 3)噴射混凝土滯后，一般距離掌子面約66 m(見圖33)，且噴射范圍僅為拱頂270°左右，達不到設(shè)計全環(huán)噴射的要求(見圖34)，而應(yīng)急噴混設(shè)備受現(xiàn)場條件制約難以廣泛應(yīng)用。

圖32 現(xiàn)場錨桿打設(shè)效果示意圖

圖33 噴混凝土施作滯后

(a) 示意圖

(b) 現(xiàn)場噴混凝土情況

由于敞開式TBM本身特點，存在諸如錨桿打設(shè)范圍不足、噴射混凝土嚴(yán)重滯后等現(xiàn)階段難以解決的問題，且設(shè)計支護方式與現(xiàn)場實際情況不匹配，尤其在Ⅳ、Ⅴ類圍巖中，實際支護效果難以達到設(shè)計要求。建議一方面設(shè)備制造商應(yīng)針對TBM的上述問題進行改進，使其功能更加完備；另一方面支護設(shè)計應(yīng)與TBM設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點相適應(yīng)。

6 結(jié)論與建議

通過對北疆供水工程主洞18臺TBM集群施工的掘進指標(biāo)、卡機處理、富水段施工及支護問題進行分析，得出以下結(jié)論與建議：

1)主洞18臺TBM平均月進尺達385.2 m，最高月進尺1 136 m；設(shè)備利用率平均為28%，最高為41%；設(shè)備完好率平均為91%，最高為97%，說明敞開式TBM對北疆供水工程以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主的地層適應(yīng)性較好。

2)根據(jù)掘進效率較高的5臺TBM的掘進參數(shù)統(tǒng)計分析，在Ⅱ、Ⅲa類圍巖中，推力為8 000～14 700 kN，轉(zhuǎn)矩為900～2 500 kN·m，貫入度為5.8～10.8 mm/r；在Ⅲb、Ⅳ類圍巖中，推力為5 700～11 100 kN，轉(zhuǎn)矩為500～1 800k N·m，貫入度為7.8～11.5 mm/r；在Ⅴ類圍巖中，推力為5 100～5 900 kN，轉(zhuǎn)矩為720～1 100 kN·m，貫入度為5.8～13.8 mm/r。以上掘進參數(shù)可為類似工程高效掘進提供參考。

3)在Ⅱ、Ⅲa類圍巖中掘進，設(shè)備總體故障率較低； 在Ⅲb、Ⅳ類圍巖中掘進，設(shè)備總體故障率較高。各種設(shè)備故障中，電氣故障率為9%，機械故障率為14%，液壓故障率為10%，皮帶故障率占比最高，達35%，故長距離皮帶運輸技術(shù)有待進一步提高。

4)根據(jù)TBM集群掘進換刀量統(tǒng)計分析，在Ⅱ、Ⅲa類圍巖中掘進，每延米換刀0.08～0.45把； 在Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖中掘進，每延米換刀0.02～0.12把。刀具偏磨、刀圈斷裂和軸承損壞是異常更換的主要原因，應(yīng)采取合理措施防止刀具異常磨損。

5)本工程的TBM卡機類型主要有擠壓性大變形卡機、斷層破碎帶卡機、風(fēng)化蝕變帶卡機，其中斷層破碎帶卡機占比最高，達到87%。應(yīng)針對不同卡機類型的特點，制定相應(yīng)的處理措施。

6)TBM在富水段掘進時，可采用未掘進段超前預(yù)注漿、設(shè)備段隨機注漿及通過段系統(tǒng)注漿的施工技術(shù)；對已突涌水段，采用加強抽排、快速封堵、深層加固的施工方法，確保施工安全。

7)TBM隧洞的支護形式及支護參數(shù)設(shè)計應(yīng)與設(shè)備的施工特點相適應(yīng)，避免出現(xiàn)有的地方過度支護，而有的地方支護不足；同時，設(shè)備制造方面應(yīng)針對錨桿打設(shè)不垂直巖面與范圍不足、噴混凝土嚴(yán)重滯后等問題對設(shè)備進行改進，使其功能更加完備。