雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)段卡機(jī)脫困技術(shù)研究*

崔光耀，麻建飛，王明勝

(1.北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144；2.中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)是國(guó)際上最先進(jìn)的隧洞全機(jī)械化施工設(shè)備，因其設(shè)計(jì)理念獨(dú)有的優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用于山嶺隧洞施工[1-2]。但TBM在斷層破碎帶、富水軟弱圍巖段、軟弱大變形段等不良地質(zhì)段經(jīng)常遭遇TBM卡刀盤、卡盾體被困等事故，嚴(yán)重影響施工安全和工程進(jìn)度。TBM遭遇卡機(jī)被困事故后如何安全、快速脫困是目前亟需解決的問題。

針對(duì)TBM施工中頻繁出現(xiàn)的卡機(jī)被困事故，學(xué)者開展大量工作：楊曉迎等[3]采用導(dǎo)洞法和灌漿法對(duì)某工程中TBM從斷層破碎帶脫困技術(shù)進(jìn)行研究；王煥明等[4]采用小導(dǎo)洞開挖方式對(duì)某水電站引水工程富水區(qū)軟弱圍巖段TBM成功脫困案例進(jìn)行分析；陳興龍等[5]提出利用凍結(jié)法減小地層變形后進(jìn)行TBM脫困；劉寧等[6]對(duì)某水電站排水洞工程進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，采用先導(dǎo)洞釋放變形量可有效降低TBM施工中卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)；董泗龍[7]采用管棚超前支護(hù)法對(duì)敞開式TBM穿越斷層被卡刀盤進(jìn)行圍巖加固，順利脫困；楊繼華等[8]采用導(dǎo)洞頂拱擴(kuò)挖法成功使TBM卡機(jī)脫困。此外，部分文獻(xiàn)還對(duì)TBM卡機(jī)被困事故機(jī)理、TBM被困后機(jī)械改造和卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)等進(jìn)行研究[9-15]。

目前研究為TBM隧洞安全施工和成功脫困提供科學(xué)指導(dǎo)，但由于實(shí)際工程中地質(zhì)差異性和卡機(jī)事故復(fù)雜性，對(duì)TBM卡機(jī)脫困技術(shù)的研究仍需依托具體工程。本文以某引水隧洞工程為研究背景，通過對(duì)TBM施工中卡機(jī)事故進(jìn)行分析，對(duì)雙護(hù)盾TBM在不良圍巖地質(zhì)段卡機(jī)事故及采用的超前大管棚及軟巖大變形環(huán)向開挖脫困措施進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為類似TBM卡機(jī)脫困施工提供工程借鑒。

1 引水隧洞雙護(hù)盾TBM卡機(jī)事故及原因分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

該引水隧洞全長(zhǎng)19 795 m，洞室最大埋深420 m，采用雙護(hù)盾TBM(下文統(tǒng)稱“TBM”)獨(dú)頭掘進(jìn)，成洞斷面直徑3 m。引水隧洞自關(guān)山進(jìn)口至五里坡東出口，由西向東穿越侵蝕中山和太白山間盆地2大地貌單元，穿越秦嶺群上亞群片麻巖，中亞群大理巖，下亞群片片麻巖及燕山期花崗巖等巖層。其中，大理巖帶和斷層破碎帶地下水較豐富，部分隧洞段受F1和F21分支斷裂的影響，巖體破碎，成洞條件差。

引水隧洞TBM施工段圍巖地質(zhì)條件復(fù)雜，需穿越長(zhǎng)距離巨厚富水冰磧層、斷層破碎帶(15條)、巖爆地段、石墨大理巖大變形段及煤系瓦斯地層等不良地質(zhì)，圍巖收斂變形速度快，施工難度大。

1.2 斷層破碎帶段卡機(jī)事故

1)卡機(jī)概況

TBM施工進(jìn)入太白盆地冰磧層后，受右側(cè)富水破碎圍巖的F27斷層帶影響，卡機(jī)現(xiàn)象頻發(fā)，基本處于“卡機(jī)-脫困-卡機(jī)”循環(huán)狀態(tài)，施工進(jìn)度嚴(yán)重受阻。當(dāng)掘進(jìn)至某里程時(shí)，突泥涌水事故再次發(fā)生，泥化嚴(yán)重的洞周破碎圍巖坍塌，圍巖碎屑擠壓抱緊盾體，刀盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，引發(fā)TBM卡機(jī)事故。

采用小導(dǎo)洞開挖脫困時(shí)，伸縮盾頂部天窗右側(cè)發(fā)生多次突發(fā)性突泥涌水事件，渣體涌出將伸縮盾及該位置的1#皮帶、水泵等全部掩埋。盾體右上方坍腔內(nèi)產(chǎn)生高壓水囊，小導(dǎo)洞鋼架在右側(cè)地應(yīng)力、高水壓作用下發(fā)生嚴(yán)重扭曲變形，拱架最大收斂達(dá)0.08 m，局部方木撐出現(xiàn)折斷。采用超前化學(xué)灌漿加固破碎圍巖、施作排水孔引排水、小導(dǎo)洞開挖脫困施工等在控制TBM頂部原坍塌腔的圍巖垮塌和突泥涌水方面收效甚微，卡機(jī)脫困失敗。

2)卡機(jī)原因分析

由現(xiàn)場(chǎng)情況和工程資料綜合判定，造成此次卡機(jī)事故的主要原因包括以下2個(gè)方面：

①圍巖性質(zhì)較差。太白盆地?cái)鄬悠扑閹?nèi)多為強(qiáng)風(fēng)化破碎圍巖，在地下水沖刷作用下極易軟化、泥化，易發(fā)生大規(guī)模圍巖涌泥、坍塌(脫困過程中共發(fā)生5次)。

②地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，補(bǔ)給充足。隧道內(nèi)涌水直接與地表水相連通，盆地內(nèi)灌溉水持續(xù)往隧洞中滲透，掌子面出水量最大上升至606 m3/h，產(chǎn)生的高壓水囊使小導(dǎo)洞支護(hù)變形嚴(yán)重；地下水涌出量無(wú)衰減現(xiàn)象，采用排水孔方案引排水效果甚微，現(xiàn)場(chǎng)涌水如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)涌水Fig.1 On-site water gushing

1.3 軟巖大變形段卡機(jī)事故

1)卡機(jī)概況

TBM掘進(jìn)至軟巖時(shí)，突然遭受圍巖的強(qiáng)收斂變形，推進(jìn)壓力達(dá)到液壓系統(tǒng)極限也不能推進(jìn)，嘗試前盾、支撐盾后退失敗。注入廢棄黃油后同樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)TBM推進(jìn)。經(jīng)觀察，前盾、支撐盾和尾盾與圍巖之間均無(wú)間隙，TBM護(hù)盾被圍巖抱死，TBM卡機(jī)。

與普通圍巖收斂變形造成的卡機(jī)不同，此次被困后設(shè)備姿態(tài)開始呈現(xiàn)刀盤低頭、支撐盾、尾盾向上翹起的狀態(tài)，尾盾位置往后1～9環(huán)管片開裂，如圖2(a)所示，1～4環(huán)尤其嚴(yán)重，已成為碎裂結(jié)構(gòu)，且有逐步往后延伸的趨勢(shì)。高地應(yīng)力致使圍巖持續(xù)收斂變形，TBM混凝土管片侵入凈空，部分管片出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而出現(xiàn)管片擠壓設(shè)備區(qū)域門架、皮帶梁現(xiàn)象，造成門架整體傾斜、門架支撐開裂、2#皮帶無(wú)法啟動(dòng)和后配套無(wú)法拖動(dòng)等惡性現(xiàn)象，如圖2(b)所示。

圖2 圍巖擠壓管片和設(shè)備區(qū)Fig.2 Areas of segments and equipments extruded by surrounding rock

圍巖持續(xù)收斂變形對(duì)管片和設(shè)備區(qū)的強(qiáng)力擠壓表明，此次TBM卡機(jī)并不是簡(jiǎn)單的圍巖收斂變形導(dǎo)致，而是遭遇罕見的軟巖大變形地質(zhì)災(zāi)害。

2)卡機(jī)原因分析

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)資料調(diào)研，判定導(dǎo)致該引水隧洞發(fā)生軟巖擠壓大變形主要包括以下3個(gè)原因：

①圍巖性質(zhì)較差且流變效應(yīng)明顯。大變形段圍巖主要是強(qiáng)風(fēng)化二長(zhǎng)花崗片麻巖及風(fēng)化巖脈，力學(xué)性能差，隧洞開挖后自穩(wěn)能力差。

②構(gòu)造應(yīng)力影響。隧道地質(zhì)秦嶺山脈腹地，大變形段位于東西向的太白～桃川河向斜南翼，區(qū)域南北應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生的右旋運(yùn)動(dòng)形成一系列NE～NEE向、NW～NWW向的平移-逆沖斷層，以及南北向張性正斷層，相互交接、切割構(gòu)成基本構(gòu)造格架。軟弱圍巖在高地應(yīng)力作用下很容易出現(xiàn)較大擠壓變形。

③地下水富集。隧道開挖后，軟弱巖層及夾層在地下水作用下出現(xiàn)軟化，呈流塑狀，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力進(jìn)一步降低，加劇圍巖大變形發(fā)展。

2 引水隧洞TBM卡機(jī)脫困技術(shù)

對(duì)該引水隧洞TBM施工中斷層破碎帶段、軟巖大變形段和富水超風(fēng)化破碎圍巖段等不良地質(zhì)段，設(shè)計(jì)卡機(jī)脫困方案。

2.1 超前大管棚脫困施工技術(shù)

經(jīng)專家研判，將在太白盆地?cái)鄬悠扑閹Ф尾捎贸按蠊芘锩摾Ъ夹g(shù)。該方案主要施工工藝如圖3所示，超前大管棚開挖支護(hù)如圖4所示。

圖3 超前大管棚脫困施工工藝Fig.3 Construction technology of advanced large pipe shed

圖4 大管棚開挖支護(hù)示意Fig.4 Schematic diagram of large pipe shed excavation support

超前大管棚脫困技術(shù)施工主要包括以下4個(gè)步驟：

1)由于前期小導(dǎo)洞開挖位置處已發(fā)生多次突泥涌水，故將開口處選至盾尾倒數(shù)第1環(huán)管片處。尾盾管棚挑口前采用化學(xué)漿液對(duì)周圍圍巖進(jìn)行加壓徑向注漿預(yù)加固，為避免鉆孔串漿，注漿順序應(yīng)遵循“鉆一控注一孔，自上而下，對(duì)稱交叉作業(yè)”原則，對(duì)進(jìn)行注漿效果檢查和評(píng)估。注漿完成后，以漸變的方式挑口進(jìn)入管片背部，向刀盤方向管棚操作間開挖。

2)管棚鉆機(jī)選用YG-60型液壓驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭式鉆機(jī)。人工手持風(fēng)鎬開挖管棚工作室，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工，遵循“管超前、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則。采用I16鋼架@0.5 m+鋼筋網(wǎng)+錨桿+0.2 m厚模筑混凝土襯砌對(duì)工作室進(jìn)行支護(hù)。

3)導(dǎo)向拱施設(shè)于管棚工作室初期支護(hù)內(nèi)輪廓線，拱架采用2榀I16型鋼鋼架，導(dǎo)向拱與大管棚工作室支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠連接并澆砼套拱。

4)盾頂超前大管棚采用Φ108 mm×8 mm熱軋無(wú)縫鋼管，施作于拱頂120°范圍內(nèi)。每根管棚長(zhǎng)30 m，開孔位置至9 m處為實(shí)心管，9～30 m段為花管，作為散漿孔。超前大管棚施工如圖5所示。

圖5 超前大管棚脫困施工技術(shù)Fig.5 Construction technology of advanced large pipe shed releasing

大管棚施工完成后，在其棚護(hù)作用下，對(duì)TBM前盾及刀盤進(jìn)行半斷面開挖作業(yè)，期間對(duì)圍巖松散或注漿加固薄弱位置采用化學(xué)漿液加固；當(dāng)前盾及刀盤開挖完成后，實(shí)現(xiàn)TBM能推能轉(zhuǎn)，為確保TBM始發(fā)安全，對(duì)半斷面開挖掌子面采用C40混凝土進(jìn)行澆筑封閉。至此，超前大管棚脫困方案處理TBM卡機(jī)事故完成，TBM繼續(xù)前方圍巖掘進(jìn)，超前大管棚脫困效果如圖6所示。

圖6 超前大管棚脫困效果Fig.6 Releasing effect of advanced large pipe shed method

針對(duì)大管棚鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)鉆孔超量出渣、卡鉆、注漿效率低的難題，須在實(shí)際地質(zhì)條件下不斷試驗(yàn)跟管及頂管工藝，及時(shí)購(gòu)置鉆具進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)鉆孔試驗(yàn)，優(yōu)化注漿流程。對(duì)于大量地下水水涌出這一難題，采取“以排為主、以堵為輔”的整治原則，襯砌施工時(shí)集中預(yù)留排水，于開挖段后方采用機(jī)械強(qiáng)排的方式抽至洞外。

2.2 軟巖大變形段全環(huán)斷面開挖脫困

為解除高地應(yīng)力對(duì)TBM設(shè)備和成洞段管片造成結(jié)構(gòu)永久性破壞的重大風(fēng)險(xiǎn)，參照蘭渝鐵路木寨嶺隧道的軟巖大變形控制施工經(jīng)驗(yàn)，決定采用“環(huán)形開挖+剛性支護(hù)”的TBM脫困方案,施工工藝如圖7所示。

圖7 全斷面開挖脫困施工工藝Fig.7 Construction technology of full-section excavation releasing

1)采用5T導(dǎo)鏈將已破損管片進(jìn)行拆除，同時(shí)對(duì)內(nèi)部擠壓變形設(shè)備進(jìn)行解救校正處理；人工手持風(fēng)鎬對(duì)施工斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，斷面開挖成形后采用3層H150型鋼拱架進(jìn)行全環(huán)封閉支護(hù)，縱向采用U12槽鋼連接，環(huán)向間距1 m，雙層Φ10 mm@100×100 mm鋼筋鋪設(shè)，Φ22螺紋鋼將錨桿與鋼架焊接，灌注C40混凝土及時(shí)封閉初支結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 全斷面開挖支護(hù)Fig.8 Full-section excavation support

2)為防止持續(xù)地應(yīng)力對(duì)已安裝結(jié)構(gòu)造成安全風(fēng)險(xiǎn)，采用Φ159 mm、厚14 mm的無(wú)縫鋼管進(jìn)行斜向、橫向支撐加固，如圖9所示。開挖脫困期間需針對(duì)圍巖的持續(xù)收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，縱向每隔2 m布置1組測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)拱頂沉降、兩側(cè)拱腰收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖9 無(wú)縫鋼管支護(hù)Fig.9 Seamless steel pipe support

該引水隧洞軟巖大變形段通過環(huán)向開挖擴(kuò)大工作面，對(duì)該段持續(xù)高地應(yīng)力作用下的軟質(zhì)石墨大理巖采用“3層H150型鋼+仰拱封閉+Φ159無(wú)縫鋼管”剛性支護(hù)的方式，可以有效遏制圍巖收斂變形，防止圍巖逐步延伸和持續(xù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和設(shè)備的破壞。TBM軟巖大變形段成功脫困如圖10所示。

圖10 環(huán)形開挖法脫困效果Fig.10 Releasing effect of annular expanding excavation method

對(duì)軟巖大變形段采用環(huán)形開挖法前，需對(duì)隧洞圍巖巖性進(jìn)行分析，探明圍巖時(shí)效變形特性，對(duì)遭遇卡機(jī)事故進(jìn)行反演，確定卡機(jī)事故風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，在充分探明圍巖變形、應(yīng)力規(guī)律及施工風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)上進(jìn)行TBM環(huán)形開挖脫困。脫困過程中需在開挖后及時(shí)采用剛性支護(hù)遏制圍巖收斂變形，并對(duì)圍巖收斂變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，確保脫困施工安全。

3 結(jié)論

1)TBM穿越斷層破碎帶且地下水發(fā)育地段，易發(fā)生圍巖坍塌、涌泥涌水地質(zhì)災(zāi)害，造成TBM卡刀盤事故，可采用盾頂大管棚脫困方法處置。

2)TBM穿越高應(yīng)力軟巖大變形地層，易發(fā)生TBM卡機(jī)后刀盤低頭、支撐盾及尾盾向上翹起、管片破碎且侵限，危及洞室結(jié)構(gòu)和施工安全，可采用全斷面環(huán)形開挖脫困技術(shù)處置。