天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程超長隧洞 TBM施工破碎帶處理施工技術(shù)

陳桂萍

本文從工程地質(zhì)等方面對(duì)天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程輸水隧洞采用雙護(hù)盾TBM施工的適宜性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，針對(duì)斷層破碎帶，在TBM施工中采用“鉆孔+化學(xué)灌漿+掘進(jìn)”的施工方法，效果好、速度快、成功率100%；采用這種方法，共實(shí)施了25個(gè)循環(huán)的破碎帶處理，成功通過跨度達(dá)298m的斷層破碎帶，達(dá)到了快速處理破碎帶、TBM快速脫困的目的。

一、工程概況

1.工程簡介

天水曲溪城鄉(xiāng)供水工程位于甘肅省天水市，是一項(xiàng)跨流域調(diào)水工程，由水庫、輸水隧洞、引水管線、調(diào)蓄水池等組成；工程規(guī)模為中型Ⅲ等；輸水隧洞全長21.6㎞，TBM施工控制段長21.162㎞，隧洞埋深在103～620m之間，具有洞線長、斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜等施工特點(diǎn)。

隧洞為無壓洞，設(shè)計(jì)流量1.44m3/s，縱坡比1∶800；采用2臺(tái)φ4m的雙護(hù)盾TBM相向掘進(jìn)，為目前國內(nèi)開挖直徑最小的雙護(hù)盾TBM；襯砌采用六邊形管片，管片厚度0.26m，環(huán)寬1.2m，襯砌后洞徑為3.2m；管片壁后與圍巖之間的空隙，采用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿。

2.施工布置

輸水主隧洞采用兩臺(tái)同型號(hào)雙護(hù)盾TBM相向掘進(jìn)，進(jìn)口TBM1順坡掘進(jìn)13.363㎞，出口TBM2逆坡掘進(jìn)7.777㎞。

為改善TBM1施工期的通風(fēng)條件，確保施工安全，距隧洞進(jìn)口7.973㎞處布置通風(fēng)豎井；為滿足洞內(nèi)拆機(jī)需要，距隧洞出口7.777㎞處布置拆機(jī)豎井。

二、工程地質(zhì)情況

隧洞圍巖巖性主要為：混合巖化片巖、角閃斜長片巖、綠泥角閃片巖、大理巖、砂巖夾礫巖、綠泥千枚巖、花崗閃長巖、二云母花崗巖等。

隧洞沿線要通過兩個(gè)次級(jí)褶皺、正斷層6條，破碎帶寬度在40～150m，個(gè)別寬300～500m，巖體較破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)；次級(jí)斷層68條，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。

輸水隧洞進(jìn)口TBM1掘進(jìn)段較適宜TBM掘進(jìn)；出口TBM2掘進(jìn)段主要為Ⅳ、Ⅴ圍巖，掘進(jìn)過程中需穿越大小斷層34條，次級(jí)斷層或小構(gòu)造帶27條、2處次級(jí)褶皺，斷層跨度大、埋深淺；地表多為沖溝，存在較大的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，TBM掘進(jìn)適宜性較差。

三、TBM被困經(jīng)過

TBM掘進(jìn)施工中，破碎巖渣從刀箱或鏟斗進(jìn)入刀盤造成轉(zhuǎn)矩超限、皮帶機(jī)過載而無法掘進(jìn)，我們稱為TBM被困；同樣，由于掌子面圍巖破碎埋壓刀盤及主機(jī)盾體造成刀盤無法啟動(dòng)或無法推進(jìn)，我們稱之為卡機(jī)；采取對(duì)掌子面及盾體上方圍巖灌漿固結(jié)處理、控制進(jìn)入接渣斗及刀盤內(nèi)的渣量，以降低刀盤轉(zhuǎn)矩及推力是處理TBM卡機(jī)、脫困、恢復(fù)正常掘進(jìn)的有效手段。

2021年9月5日，當(dāng)掘進(jìn)過程中，貫入度突然增大、主機(jī)皮帶進(jìn)渣量異常增大、刀盤轉(zhuǎn)矩增大，停機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部有塌腔，且掌子面有線狀流水，與巖渣、不穩(wěn)定碎塊混合呈流體狀，初步確定TBM被困。

根據(jù)類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，采取封堵部分鏟斗、邊滾刀、控制進(jìn)入接渣斗及刀盤內(nèi)巖渣量的方法恢復(fù)掘進(jìn)。

四、處理方案

因無法正常恢復(fù)掘進(jìn)，決定采取對(duì)掌子面及盾體上方松散巖體采用超前預(yù)處理、TBM再進(jìn)行掘進(jìn)通過該破碎帶的脫困措施。

1.花管造孔

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，決定先采用釘入花管的方式，利用刀廂與刀具間隙，在刀盤上前部120°范圍對(duì)掌子面非穩(wěn)定圍巖釘入花管，入巖深度4～6m，角度為30°～45°，實(shí)施化學(xué)灌漿，對(duì)掌子面前方、刀盤上方的圍巖裂隙及塌腔進(jìn)行填充，并對(duì)松散巖體進(jìn)行固結(jié)處理。

4#鏟斗手動(dòng)轉(zhuǎn)至12點(diǎn)鐘方向，利用4#鏟斗、6#-8#中心刀、2#-4#中心刀、12#面刀、22#邊刀，選擇合適的角度和便于操作的空間，呈放射狀釘入花管；各釘入2根，其中淺孔入巖深度要求2～4m，深孔入巖深度要求5～7m，詳細(xì)記錄每根花管的入巖深度，并進(jìn)行編號(hào)。

TBM設(shè)備在設(shè)計(jì)選型時(shí)，施工方考慮到地質(zhì)圍巖情況復(fù)雜，設(shè)備制造是在前盾尾殼距刀盤3m處的頂部預(yù)留有7個(gè)超前預(yù)處理預(yù)留孔，利用120°范圍內(nèi)的5個(gè)預(yù)留孔，向刀盤前方呈20～30°各釘入2根花管，淺孔入巖深度要求3～4m，深孔入巖深度要求6～7m。

如花管釘入深度較淺，灌漿效果達(dá)不到預(yù)期，再考慮采用YT-28手風(fēng)鉆鉆孔作業(yè)的備選方案。

2.化學(xué)灌漿

采用發(fā)泡型雙組份高分子無機(jī)充填加固材料（組合聚醚多元醇）對(duì)刀盤及前盾尾殼釘入的淺孔花管逐根進(jìn)行灌漿，利用材料反應(yīng)后體積快速膨脹（膨脹率高達(dá)30～50倍）的特點(diǎn)，自行填充掌子面松散巖體裂隙及圍巖塌腔，從而形成初步固結(jié)；對(duì)深孔花管灌注加固型高分子煤巖體無機(jī)加固材料，對(duì)掌子面的破碎、松散巖體進(jìn)行進(jìn)一步處理，壓實(shí)并固結(jié)周圍的松散介質(zhì)；施灌過程中，漿液在較高的灌注壓力下（≤15MPa）能滲透到圍巖裂隙深處，達(dá)到治理破碎、松散圍巖及局部塌方的目的，而傳統(tǒng)的水泥固結(jié)灌漿技術(shù)是通過壓力將水泥漿液壓入脫空體中，灌注壓力較?。?.3～2.0MPa），且水泥漿液固結(jié)硬化時(shí)間較長。

這兩種化灌材料均為雙組份（A、B組合料），兩種材料的體積配比為1∶1，一般反應(yīng)時(shí)間在20秒左右，必要時(shí)添加約3%催化劑，可加快反應(yīng)時(shí)間。

五、處理過程

1.第一階段

由于掌子面破碎巖渣堆積密度較大，加之空間位置受限，無法使用錘擊的手段釘入花管，將風(fēng)鎬改造，使用纖尾沖擊的方法，僅能將花管釘入0.6m左右。

因花管入巖深度有限，導(dǎo)致漿液漏漿嚴(yán)重，無法灌注，采用錘擊花管、化灌的方法無法有效實(shí)施。

2.第二階段

為保證入巖深度和成孔質(zhì)量，選擇采用YT-28手風(fēng)鉆，在4#鏟斗內(nèi)，采用φ28中空自進(jìn)式錨桿鉆孔2個(gè)，入巖深度分別為2m、4m；前盾尾殼5個(gè)預(yù)留孔鉆孔10個(gè)，淺孔入巖2～4m不等、深孔入巖5m～8m不等。

采用氣動(dòng)雙組份灌漿泵灌漿，通過采用限壓灌注的方法，最高注漿壓力控制在9～14MPa以內(nèi)，根據(jù)灌漿壓力控制灌漿量，成功實(shí)施了第1個(gè)循環(huán)的灌漿處理。

化學(xué)灌漿結(jié)束后，重新進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)化灌前后的地質(zhì)圍巖情況進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)成像顯示，化灌前后掌子面圍巖整體趨勢基本一致；化灌后掌子面前方20m范圍內(nèi)形成較為均勻的正負(fù)反射波形。

第1循環(huán)化學(xué)灌漿處理結(jié)束后TBM首次恢復(fù)掘進(jìn)，共掘進(jìn)5.116m，通過掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)測，刀盤轉(zhuǎn)矩明顯下降，由化灌前的2000KN·m以上降至200～300KN.m的正常值，推力維持在9000～10000KN之間，推力雖然較大，但經(jīng)過分析是由于化灌材料固結(jié)體與盾體存在一定的摩擦力導(dǎo)致，該設(shè)備的額定推力在16724KN（正常壓力315bar），最大推力18583KN（最大工作壓力350bar），推力在正常范圍內(nèi)，因掌子面剛支護(hù)完成，為避免對(duì)掌子面造成大的擾動(dòng)，再次造成坍塌，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩增大、出渣異常，轉(zhuǎn)速控制在0.8～1.84rpm、貫入度0.4～16.4mm/r之間，采取低轉(zhuǎn)速、小貫入度的掘進(jìn)參數(shù)，是保證在破碎帶內(nèi)緩慢掘進(jìn)的前提條件。

采用這種方法陸續(xù)進(jìn)行了3個(gè)循環(huán)的化學(xué)灌漿處理，共掘進(jìn)8.6m后，刀盤扭矩再次超限，最大達(dá)到3000kN.m，巖渣破碎、巖粉、巖泥含量高、粘性大，堵塞鏟斗，刀盤頂部圍巖破碎、松散，腰中及以下含有斷層泥、糜棱巖等破碎帶的產(chǎn)出物，夾雜少量碎裂巖，地下水呈線狀～面狀流水，碎裂巖塊占出渣量的40～50%，泥狀物質(zhì)占50～60%，掌子面呈中等透水，巖渣呈泥狀，形成泥裹刀現(xiàn)象，造成刀盤轉(zhuǎn)矩增大。

3.第三階段

根據(jù)前階段化灌處理的效果分析，如果在每個(gè)孔位都打2個(gè)孔，即一個(gè)深孔、一個(gè)淺孔，分別灌注發(fā)泡型及加固型材料，處理時(shí)間長，相鄰的2個(gè)管口由于位置較近，經(jīng)常發(fā)生先灌注淺孔發(fā)泡型材料時(shí)竄漿導(dǎo)致深孔錨桿孔口堵塞，無法灌注；另外，前盾尾殼的錨桿鉆進(jìn)深度過深，達(dá)掌子面上方時(shí)，掌子面灌漿時(shí)竄漿會(huì)導(dǎo)致前盾尾殼的灌漿管路堵塞，導(dǎo)致廢孔。

六、處理效果

工藝優(yōu)化后，采取 “短支護(hù)、短進(jìn)尺”處理方法，加快了鉆灌進(jìn)度，整個(gè)處理過程耗時(shí)8～10小時(shí)，處理完成后即可恢復(fù)掘進(jìn)，達(dá)到快速處理、TBM快速掘進(jìn)通過的效果，截至2021年11月29日，共進(jìn)行了25個(gè)循環(huán)的“鉆孔+化灌+掘進(jìn)”處理過程，成功通過長達(dá)298m的斷層破碎帶。

七、結(jié)語

結(jié)果表明，采用化學(xué)灌漿處理破碎帶，優(yōu)于傳統(tǒng)的水泥固結(jié)灌漿工藝，處理效果好、速度快、成功率達(dá)100%；做到了“鉆孔+灌漿+掘進(jìn)”的快速處理，使TBM快速脫困。

后續(xù)掘進(jìn)過程中，需加強(qiáng)對(duì)掌子面圍巖、巖渣的觀察以及掘進(jìn)參數(shù)變化情況的監(jiān)測，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，增強(qiáng)地質(zhì)預(yù)判的準(zhǔn)確性，做好常態(tài)化地質(zhì)超前處理的人員、設(shè)備、材料的準(zhǔn)備，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、優(yōu)化工藝，實(shí)現(xiàn)TBM安全掘進(jìn)、快速脫困。