針對不良地質(zhì)條件下強制停機檢修保障措施的探索

楊恒準(zhǔn)

（四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

TBM 是英語Tunnel Boring Machine（全斷面硬巖掘進機）的簡稱，是通過利用自身支撐機構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進的反作用力，使刀盤上的滾刀強行壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進過程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體（擠壓式），或利用巖石抗彎、抗剪強度低（僅為抗壓強度的5%～10%）的特點，靠剪切與彎斷破碎巖體，最終形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械[1]。它具有速度快、質(zhì)量優(yōu)、費用低、施工安全等優(yōu)點，目前在國內(nèi)外隧洞工程中得到廣泛應(yīng)用。

其中，刀盤作為TBM 破巖的核心部件，其耐磨性和完好性直接關(guān)系到TBM 的結(jié)構(gòu)安全和施工效率，因此，就需要刀盤技術(shù)人員及時進行刀盤磨損檢查，以確定停機檢修洞段和檢修時機。正常情況下，TBM 刀盤檢修作業(yè)需要求檢修人員進入刀盤前部，因受到支護設(shè)備和作業(yè)空間限制，檢修洞段圍巖支護強度會有一定限制，必須要選定在圍巖完整、穩(wěn)定的洞段，方能停機檢修刀盤，更好地保障檢修人員安全。同時，合理規(guī)劃刀盤檢修時段，可以延長刀盤壽命和提高TBM 掘進效率。因此，當(dāng)TBM 掘進長時間處于不良地質(zhì)洞段，恰遇需要停機檢修刀盤，無法合理選定檢修洞段時，為保證TBM 刀盤完好性，延長刀盤壽命，就不得不非正常停機檢修。

陜西省某引水工程，因具有主洞洞線長埋深大、地應(yīng)力高、巖層石英含量高，TBM 掘進過程中巖爆問題突出的特點。據(jù)不完全統(tǒng)計，該工程TBM 掘進段總長度12330.5m，其中發(fā)生巖爆洞段累計長度8404.8m，占比68.1%；總共發(fā)生巖爆47161 次，中等強度11318次，強巖爆2208 次。按照原設(shè)計TBM 刀盤常規(guī)檢修，需控制在進尺1500m～2000m 開展一次即可。但受巖層高石英含量和強巖爆等問題影響，導(dǎo)致TBM 掘進過程中刀盤磨損快，刀具、鏟齒、擋渣塊等部件易損傷，檢修期間隔明顯縮短，往往僅完成800m～1200m 就需要停機修復(fù)刀盤，也導(dǎo)致不可避免地需要在巖爆洞段停機檢修刀盤。因目前國內(nèi)同類情況可借鑒案例較少，現(xiàn)對陜西省某引水工程TBM 施工段多次在不良地質(zhì)洞段強制停機檢修成功案例進行總結(jié)，為在今后類似工程中作為借鑒。

1 TBM 刀盤常規(guī)檢修對圍巖條件的要求

TBM 停機段的選定，在施工過程中須由具有一定經(jīng)驗的人員依據(jù)掘進參數(shù)，并通過觀察皮帶出碴巖塊大小和碴量，揭露圍巖穩(wěn)定情況，以及通過刀盤刀孔觀察掌子面刀跡完整情況，提前根據(jù)地質(zhì)情況確定停機樁號。同時，須提前結(jié)合設(shè)計勘探地質(zhì)資料，利用超前地質(zhì)預(yù)報，以及實際揭露圍巖地質(zhì)情況、圍巖特性，選擇圍巖完整性較好且處于穩(wěn)定狀態(tài)的洞段作為最終的TBM 停機段，并利用微震監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)，探查停機段微震活動情況，降低刀盤前部預(yù)留作業(yè)區(qū)巖爆風(fēng)險。[2]

2 TBM 在不良地質(zhì)段強制停機檢修的原因

2.1 不良地質(zhì)對TBM 刀盤的影響

由于該工程掘進段圍巖表現(xiàn)為高圍巖強度、高石英含量，同時加上高地應(yīng)力、強巖爆等不良地質(zhì)條件影響，刀盤部件在掘進過程中損傷較為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為：“鏟齒座變形及焊縫開裂、擋渣板掉落、V 型耐磨塊、刀盤面板耐磨塊、刀座磨損嚴(yán)重等情況”。若不能及時停機檢修，刀盤隨著磨損的日益加劇，刀具異常損壞被動更換的情況逐步增多，會進一步增加了鏟齒母座、V 型耐磨塊、刀盤面板被磨損的風(fēng)險，甚至傷及刀盤母體后，會對刀盤造成不可修復(fù)的質(zhì)量缺陷。

2.2 刀盤修復(fù)的必要性

TBM 刀盤的易磨損件主要包括鏟齒與鏟齒座、擋碴塊、滾刀、V 型塊、刀盤面板、耐磨條以及人孔蓋板等，以上部件無論任何一個或多個受損，其他正常部件都會受到直接或間接影響，會加快受損速度和異常損壞概率。如果刀盤易磨損件能夠得到及時修復(fù)，既可以降低刀盤整體損傷程度，又可以避免被迫停機修復(fù)風(fēng)險，進而提高TBM 掘進速度。

1.V 型耐磨塊主要作用是保護刀具，防止?jié)L刀被砸。及時修復(fù)后，可降低在不良地質(zhì)條件下掌子面出現(xiàn)的大塊石導(dǎo)致面刀的異常損壞概率。

2.鏟齒安裝在鏟齒座上，作用是將隧道底部的巖碴鏟起，隨著刀盤旋轉(zhuǎn)滑落皮帶機運出洞外。及時修復(fù)后，可快速將刀盤與掌子面之間的巖渣鏟出，避免大量巖渣留存在刀盤前端，加重刀盤部件磨損。

3.及時修復(fù)鏟齒座，可減少鏟齒螺栓的掉落，并可降低掘進時被迫停機處理鏟齒座變形、開裂等情況。

4.擋渣塊的主要作用是可防止刀盤前大石塊從鏟齒座位置擠到刀盤后，其及時得到修復(fù)可有效避免大塊石擠到刀盤后，直接進入皮帶系統(tǒng)，砸傷皮帶，堵塞下渣口。

城市道路關(guān)系到城市間的交往、居民的出行、城市的形象等，所以長期以來都受到社會各界的關(guān)注，各地政府努力地控制城市道路質(zhì)量?，F(xiàn)階段中，我國的城市道路建設(shè)雖然取得了不少成就，但還是面臨著不少問題，軟土地基在長期使用后會出現(xiàn)沉降、塌陷等問題，嚴(yán)重影響了道路的正常使用。這主要是因為在城市道路施工過程中，沒有采取合適的技術(shù)手段對軟土地基進行有效地加固。為了讓城市道路能夠繼續(xù)為城市發(fā)展服務(wù)，施工方需要重視軟土地基問題，選擇合適的軟土加固技術(shù)，提高地基的密實度，提高地基荷載力，從而保證城市道路的正常使用和城市的快速發(fā)展。

5.及時修復(fù)滾刀刀座，可減少滾刀螺栓的掉落，可有效避免滾刀異常損壞，進而大大降低刀具檢修所占用的工序時間。

6.刀盤面板耐磨塊（條），其表面焊有耐磨鋼板，能很好地提高刀盤耐磨性，可使刀盤母體免受磨損。及時修復(fù)后，可避免巖石直接對刀盤母體的磨損，產(chǎn)生不可挽救的質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重影響刀盤使用壽命。

3 針對不良地質(zhì)條件下TBM 強制停機隱患及應(yīng)對措施

3.1 不良地質(zhì)洞段強制停機檢修安全隱患

一般情況下，只有當(dāng)TBM 長時間處于不良地質(zhì)條件影響下，又遇刀盤受損嚴(yán)重而不得不選擇停機的情況下，才會被迫冒著巨大的安全風(fēng)險選擇在不良地質(zhì)洞段強制停機檢修。

在不良地質(zhì)洞段強制停機檢修作業(yè)勢必會存在非常高的安全隱患。因TBM 停機檢修作業(yè)，須提前安排護盾后6m～10m 范圍內(nèi)暫不進行或僅進行簡單的錨桿（不能外漏過長）、網(wǎng)片等初期支護，支護強度相比較弱。然而，在不良地質(zhì)洞段圍巖僅采用簡單支護或不支護的方式，圍巖是很難維持自身穩(wěn)定的，且在TBM 后退過程中，以及后退完成后，因受空間等條件限制，很難在組織人員設(shè)備進入刀盤前部進行支護加強，從而極易發(fā)生大范圍塌方安全事故。刀盤前部預(yù)留作業(yè)區(qū)的圍巖由于不能及時支護或不支護，剛好又處于不良地質(zhì)洞段，發(fā)生大范圍塌方的可能性大大增加，安全隱患大，由此將會帶來不可估量的損失。

3.2 不良地質(zhì)洞段安全防護應(yīng)對措施

該工程TBM 施工段，因TBM 掘進過程中一直受巖爆影響，存在塌方隱患，現(xiàn)場出露護盾圍巖已采用H150 型鋼拱架+鋼筋排+鋼筋網(wǎng)片+隨機中空錨桿的聯(lián)合支護形式加強支護?？紤]到TBM 停機后刀盤須倒退6m～10m，在刀盤前部預(yù)留檢修作業(yè)空間，就必須要將已經(jīng)支護的支護體系進行拆除。但考慮到支護體系的拆除風(fēng)險非常之高，參建單位多次召開強制停機支護措施及安全風(fēng)險評估會，最終選定停機樁號并制定了具體施工方案，即：決定對原有支護體系進行拆除，以便于刀盤后退，即按照“塌腔排危，錨網(wǎng)噴護，拱架逐榀拆除，TBM 逐榀后退，持續(xù)安全監(jiān)控”的原則，保證TBM 在不良地質(zhì)洞段強制停機檢修作業(yè)安全。

現(xiàn)重點對TBM 在不良地質(zhì)洞段強制停機檢修前，原支護體系拆除及停機后刀盤前方圍巖加強支護施工方案做主要說明。

3.2.1 原支護體系拆除與二次支護

首先，應(yīng)先將緊鄰第1 榀拱架的鋼筋排、鋼筋網(wǎng)片等初支體系進行拆除，過程中全圓拱架支護段支護體系背后塌腔內(nèi)的孤石、碎塊，采用人工利用長桿件撬動清理。對于塊石塊徑≥1m、厚度≥0.5m 且無法撬動清理時，在棚架防護下，采用沖擊電鉆打眼，電動風(fēng)鎬由鉆眼中將塊石脹裂分塊清除。再人工配合TBM自帶的拱架安裝器，拆除第1 榀鋼拱架。

其次，對塌腔區(qū)域初噴射厚度5cm 的C20 納米仿纖維混凝土封閉塌腔基巖，待強度滿足要求后，在塌腔內(nèi)及周邊掛設(shè)φ6～10@20×20cm 鋼筋網(wǎng)片，塌腔外圍巖體完整區(qū)域按照環(huán)向間距1.0m 施做“L”型Φ25砂漿錨桿，塌腔內(nèi)施做Φ25 中空隨機錨桿以鎖固破碎巖體，可視圍巖情況增設(shè)格柵拱架。

最后，對塌腔區(qū)域進行復(fù)噴至10cm 厚（塌腔內(nèi)噴混凝土一般不會直接影響刀盤后退，可根據(jù)實際情況增厚）。塌腔外周邊區(qū)域亦進行噴混凝土封閉，厚度不超過5cm（塌腔外噴射混凝土厚度不應(yīng)影響刀盤正常后退）。

按照上述措施，以每一榀鋼拱架為一個循環(huán)，依次拆除原支護體系并同步完成二次支護。施工過程中應(yīng)有安全員全過程管控，并使用微震監(jiān)測系統(tǒng)、圍巖變形監(jiān)測等措施加強安全監(jiān)測。

3.2.2 刀盤前方未支護區(qū)域圍巖加強支護

TBM 后退到位后，于刀盤前方搭設(shè)腳手管架作業(yè)平臺，巖體拱部180°范圍內(nèi)以及掌子面進行二次噴射C20 納米仿纖維混凝土10cm 厚做加強支護，以確保刀盤檢修施工安全。

3.2.3 施工流程圖

圍巖支護結(jié)構(gòu)拆除及同步二次支護作業(yè)，應(yīng)按照以下施工流程組織施工，每完成一個循環(huán)后，回到“拆除塌腔范圍鋼筋排等非圓拱架支護材料”開展第二循環(huán)作業(yè)，直至TBM 刀盤后退至既定位置。

3.2.4 檢修期間的變形監(jiān)控

安排專人隨時觀察和注意圍巖和噴混凝土表面變化異常情況，加強圍巖收斂和應(yīng)力量測；同時測量人員必須加強圍巖的變形量測，設(shè)2 組量測點（量測點布設(shè)在同斷面上），觀察點位間的變形率。同時，當(dāng)聽到圍巖內(nèi)部有悶雷似的聲響時，須盡快撤離人員躲避一段時間，等待巖爆平靜。

4 強制停機檢修采取措施實際效果

該工程TBM 施工段，在微震活躍，高地應(yīng)力，隨時都有巖爆發(fā)生的不良地質(zhì)洞段內(nèi)強制停機檢修，期間局部噴混凝土薄弱，漏噴部位，僅出現(xiàn)小片石迸濺，掉落情況，并未發(fā)生過一起安全事故。在確保作業(yè)人員設(shè)備安全的條件下，順利完成了此次TBM 檢修任務(wù)，為后續(xù)TBM 掘進提供了很好的設(shè)備性能保障。

關(guān)于TBM 停機段的選擇時，可引用超期地質(zhì)預(yù)報，如TRT、TSP、HSP-T 水平聲波超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)、高分辨電法探測、紅外探測、地質(zhì)雷達等超前探測方式，以及配合微震監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)控作業(yè)區(qū)域內(nèi)微震活動情況，再結(jié)合掘進參數(shù)、出渣情況、圍巖特性，對掌子面前后圍巖做出較為準(zhǔn)確的判斷，從而為TBM 停機段選擇提供可靠的依據(jù)。該工程所采用的微震監(jiān)測系統(tǒng)、TSP 系統(tǒng)進行超前地質(zhì)預(yù)報，微震監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控微震動態(tài)，預(yù)測巖爆發(fā)生概率及等級，就取得了很好的成效。

關(guān)于刀盤后退和刀盤前部預(yù)留作業(yè)區(qū)內(nèi)的原支護體系的拆除與二次支護，按照“塌腔排危，錨網(wǎng)噴護，拱架逐榀拆除，TBM 逐榀后退，持續(xù)安全監(jiān)控”的原則，充分利用TBM 自帶拱架安裝器拱架拆除，自帶鉆機錨桿安裝，人工鋪設(shè)網(wǎng)片，自帶應(yīng)急噴混系統(tǒng)C20 納米防纖維混凝土施工，具體的支護參數(shù)可視為情況而定，可很好地保證原支護體系拆除過程與停機檢修期間的作業(yè)安全。

當(dāng)然該引水工程TBM 施工段，不良地質(zhì)問題主要體現(xiàn)在巖爆方面，對于其他不良地質(zhì)條件下停機檢修尚不能確定該方案是否可行。建議：若遇到地質(zhì)穩(wěn)定性極差，地質(zhì)問題復(fù)雜洞段，會存在支護體系復(fù)雜且拆除難度增加，安全風(fēng)險不易控制情況。因此，宜組織召開專家安全評估會，集思廣益，群力群策，制定詳細(xì)有效可行的施工方案，確定安全情況下方能停機檢修。

5 總結(jié)

綜上所述，在遇到不良地質(zhì)條件且刀盤磨損嚴(yán)重時，尤其針對巖爆洞段，是可以通過合理的技術(shù)措施和施工手段安全實現(xiàn)停機檢修作業(yè)的。因此，采用TBM 掘進工法施工的工程，當(dāng)TBM 設(shè)備機況不佳，刀盤受損嚴(yán)重急需停機檢修，而此時TBM 又正處于地質(zhì)不良洞段時，首先應(yīng)結(jié)合設(shè)計勘探地質(zhì)資料，可引用超期地質(zhì)預(yù)報，探明掌握TBM 掌子面前后地質(zhì)情況，為TBM停機段的選擇提供可靠的依據(jù)，極力選擇圍巖完整性較好且處于穩(wěn)定狀態(tài)的地段再進行TBM 設(shè)備檢修。如必須在不良地質(zhì)洞段停機檢修的情況下，應(yīng)事先做好停機段支護技術(shù)論證，選用合理的支護形式，保證TBM 停機檢修期間的安全。