北疆某輸水隧洞開敞式TBM卡機(jī)脫困施工探析

趙飛

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

北疆某工程深埋無壓輸水隧洞采用敞開式TBM 進(jìn)行施工，該工程地質(zhì)情況復(fù)雜、多變，極易在施工掘進(jìn)中遇到破碎帶并發(fā)生塌方，造成TBM刀盤被掌子面坍塌圍巖卡死，護(hù)盾被破碎體壓住，造成TBM 掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)被困情況[1-5]。為使TBM 掘進(jìn)機(jī)快速脫困，不影響施工進(jìn)度及整個(gè)目標(biāo)工期，須先掌握掌子面前方塌方及地質(zhì)情況，之后加固已開挖支護(hù)段的圍巖，依據(jù)已掌握的情況作出分析，制定切實(shí)可行的脫困施工方案，并通過注漿對護(hù)盾上方及前方圍巖進(jìn)行固結(jié)，使松散巖石固結(jié)成一個(gè)穩(wěn)定的整體，避免清除刀盤及護(hù)盾周圍虛渣時(shí)發(fā)生二次塌方及安全事故，待虛渣清除完畢且不影響刀盤掘進(jìn)后，可緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤向前推進(jìn)，最終使TBM 安全脫困。

該工程為長距離輸水工程，其中，KS 隧洞總長283.30 km，為無壓輸水隧洞，隧洞平均埋深為428.00 m，最大埋深為774.00 m，縱坡為1/2 583。KS 隧洞地質(zhì)條件復(fù)雜、多變，應(yīng)采用開敞式TBM（全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)）、礦山法等多種掘進(jìn)方式相結(jié)合進(jìn)行施工。TBM掘進(jìn)洞段的長度為17 888.00 m，樁號為155+000.00～172+888.00，開挖洞徑為7.00 m，為逆坡掘進(jìn)。

2 地質(zhì)情況

2.1 地質(zhì)條件

樁號162+046.00～160+026.60段埋深為508.00m，揭露1 條斷層，斷層上盤面從樁號160+046.00 洞底出露，斜向上游相交于洞頂樁號160+037.00。斷層上盤面產(chǎn)狀為50°SE∠30～40°，傾向下游，與洞軸線成88°夾角，斷層面起伏、粗糙，斷層出露最大寬度約為2.00 m。斷層帶內(nèi)以黑色炭質(zhì)砂巖為主，斷層上盤面附近附著10 cm 厚斷層泥，斷層帶內(nèi)平行上盤面的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，微張1.0～5.0 mm，充填黑色巖屑，結(jié)構(gòu)面起伏粗糙，發(fā)育間距一般為0.20～0.40 m，另有與斷層上盤面近垂直的短小節(jié)理發(fā)育。斷層上盤巖體為凝灰?guī)r，堅(jiān)硬新鮮，整體較完整，斷層上盤影響帶寬為0～0.30 m，影響帶內(nèi)凝灰?guī)r炭化蝕變。樁號160+029.00 處11 點(diǎn)、2點(diǎn)方向有兩股股狀水，總流量約為50 m3/h。該段TBM 掘進(jìn)推力為8 000～9 000 kN，貫入度為8.5～9.2 mm/r。

通過觀察刀盤，從樁號160+029.00 開始，隧洞下半洞巖體逐漸變好，已有堅(jiān)硬凝灰?guī)r出露，TBM 掘進(jìn)推力升至10 000 kN 以上，推測160+029.00～160+026.60 間斷層下盤已出露。根據(jù)斷層上盤面產(chǎn)狀，推測斷層下盤面于樁號160+020.00～160+012.00 相交于洞頂。

2.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

為探明TBM 掘進(jìn)前方巖體情況，采用地震波法進(jìn)行不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，掌子面樁號160+069.00，探測結(jié)果：160+069.00～159+999.00 段落，在反射圖像上局部出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部較破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔，應(yīng)及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)[6]；159+999.00～159+969.00 段落，在反射圖像上出現(xiàn)零星的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能發(fā)生掉塊，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。樁號160+069.00～159+969.00段隧洞地震波成像見圖1。

圖1 隧洞地震波成像圖（單位：m）

為探明TBM 掘進(jìn)前方的地下水情況，采用激發(fā)極化法進(jìn)行不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，掌子面樁號160+030.00，探測結(jié)果：160+030.00～160+000.00段落，三維電阻率圖像中出現(xiàn)較大范圍低阻區(qū)域，推斷該區(qū)域圍巖易出現(xiàn)股狀出水。

3 TBM 卡機(jī)情況

樁號160+037.00～160+030.00 段掘進(jìn)過程中，洞壁9：00～1：00 范圍內(nèi)出現(xiàn)掉塊及小塌方現(xiàn)象，影響深度約2.00 m。TBM 掘進(jìn)至樁號160+026.60時(shí)，樁號160+037.00～160+030.00 段拱頂及1：00～3：00 范圍內(nèi)發(fā)生二次塌方現(xiàn)象，最大深度約為4.00 m；樁號160+030.00～160+026.60 段上半洞9：00～3：00 范圍內(nèi)發(fā)生大塌方，渣體堆于TBM 護(hù)盾上抱死刀盤，現(xiàn)場采用TBM 脫困模式仍無法轉(zhuǎn)動(dòng)。塌方段塌腔呈倒U 形，順洞軸線長12.40 m，寬7.00 m，最大深度約為12.00 m。頂護(hù)盾上方堆積大量石渣，滾刀前面巖體松散，刀盤左側(cè)刀箱及鏟斗附近的松散巖塊較多，刀盤周邊嵌楔塊石，從各個(gè)部位進(jìn)行觀察后確認(rèn)TBM 卡機(jī)，需進(jìn)行加固、脫困處理。

4 TBM 脫困處理方案

TBM 脫困處理應(yīng)全面、細(xì)致地制定切實(shí)可行的施工方案，進(jìn)行常用施工機(jī)具、材料的準(zhǔn)備，以及人員施工技術(shù)交底和安全交底，確保施工過程安全、有序、高效。

4.1 護(hù)盾后方加固措施

加強(qiáng)護(hù)盾后方拱架段支護(hù)及回填混凝土等加固措施，可以防止圍巖變形。盾尾樁號160+032.50～160+040.60 段，長度為8.10 m，型鋼拱架外側(cè)由1.5 mm 厚的鋼板封閉，拱架間空隙及塌腔內(nèi)回填C30 噴射混凝土。對左、右側(cè)和頂護(hù)盾及刀盤周圍松散體進(jìn)行化學(xué)注漿，形成自然拱保護(hù)護(hù)盾及刀盤，防止回填混凝土?xí)r漿液包裹護(hù)盾及刀盤。

4.1.1 護(hù)盾尾部、上方及刀盤密封加固

護(hù)盾及刀盤已進(jìn)入圍巖破碎帶，巖石塌方體擠壓抱死刀盤，刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)。采用有機(jī)化學(xué)漿液對頂護(hù)盾及刀盤周圍松散體進(jìn)行注漿，使松散體膠凝固化，護(hù)盾及刀盤周圍在一定范圍內(nèi)形成自然拱保護(hù)殼，并具有一定的強(qiáng)度[7]，可有效地避免后期回填混凝土?xí)r對其固結(jié)，能夠起到保護(hù)作用?；瘜W(xué)灌漿選用組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）及高分子煤巖體無機(jī)加固型材料。

4.1.2 左右側(cè)和頂護(hù)盾及刀盤周圍深層加固

在尾盾樁號160+033.00 附近，沿左、右側(cè)和頂護(hù)盾超前布置?32 中空注漿錨桿，尾部使用專用連接套加長，布置在頂拱180°范圍，與巖面呈10°～15°角，環(huán)向間距為1.00 m，超前中空錨桿長度以超過刀盤1.00 m 為宜，實(shí)施過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際松散體情況考慮鉆進(jìn)深度。另外，根據(jù)漿液擴(kuò)撒范圍靈活掌握孔間距，必要時(shí)進(jìn)行加密布置，化學(xué)灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。

為防止混凝土回填過程中漿液從左側(cè)松散體繞滲至底護(hù)盾，在盾尾樁號160+033.40 附近進(jìn)行環(huán)向化學(xué)注漿，垂直洞壁布置5 根?32 中空注漿錨桿，布置在9：00～11：00 范圍，間排距為1.00 m，中空注漿錨桿長度根據(jù)松散體范圍確定?；瘜W(xué)灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。

4.1.3 護(hù)盾、刀盤上方松散體加固

護(hù)盾、刀盤上方堆積大量石渣，以松散巖塊居多，伴有數(shù)塊形狀不規(guī)則的大塊較硬孤石（直徑為0.50～1.50 m）。為防止混凝土回填過程中，漿液從松散體繞滲至刀盤、護(hù)盾內(nèi)，需對松散體進(jìn)行化學(xué)注漿固結(jié)。松散體堆積高度約為5.00 m，堆積坡度約為30°。刀盤前方空腔范圍依然存在坍塌危險(xiǎn)，人員無法進(jìn)入該區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，故在盾尾樁號160+033.00 處向松散體內(nèi)打設(shè)1 排?32 中空注漿錨桿，錨桿間距為1.00 m，與巖面夾角為20°～25°，實(shí)施過程中根據(jù)實(shí)際松散體情況考慮鉆進(jìn)深度、孔間距，化學(xué)灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。必要時(shí)，在松散體表面布置注漿管，通過漿液向下自流進(jìn)行固結(jié)，漿液采用高分子煤巖體無機(jī)加固型材料。注漿過程中應(yīng)嚴(yán)格按照注漿工序進(jìn)行施工作業(yè)，防止?jié){液過度擴(kuò)散，并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況調(diào)整壓力，注漿最高壓力不超過5.0 MPa。

4.2 塌腔回填處理

塌腔預(yù)估范圍為盾尾前12.40 m，寬7.00 m，最大深度約為12.00 m。塌腔回填分4 次分層回填施工，考慮到此次卡機(jī)部位塌腔深度深、范圍廣，上層回填采用輕質(zhì)混凝土材料。第一次（層）、第二次（層）、第三次（層）回填高度距離護(hù)盾頂部分別為0.80，2.00，7.00 m，第四次（層）回填至塌腔頂部填滿（見圖2）。第一、二次回填C30 噴射混凝土，第三、四次回填輕質(zhì)混凝土。在下層回填材料強(qiáng)度達(dá)標(biāo)且可以承重后才能進(jìn)行上層回填?；靥罨炷练謱邮疽鈭D見圖2。

圖2 回填混凝土分層示意圖

1）回填管安裝

化學(xué)注漿完成以后，在盾尾向塌腔內(nèi)預(yù)埋?50～?90 的回填混凝土管及排氣管，回填管和排氣管距離各層面0.05～0.10 m，間排距控制在3.00 m 范圍內(nèi)，單層埋管數(shù)量不少于3組，預(yù)埋管埋設(shè)的具體位置及數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場塌腔的實(shí)際情況進(jìn)行確定。

2）回填施工

回填C30 混凝土，第一次回填時(shí)，從第一層回填管灌注，待第一層排氣管管口有漿液流出時(shí)，一次回填完畢，封堵第一層回填管管口，進(jìn)行二次回填。重復(fù)上述施工步驟，待第四層排氣管有漿液流出時(shí)，確定塌腔已全部填滿，封堵所有回填管管口。

5 TBM 脫困及不良地質(zhì)段掘進(jìn)

5.1 TBM 脫困

為了減小刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，滿足TBM 刀盤脫困扭矩要求，應(yīng)對刀盤前表面及背部堆積石渣進(jìn)行人工清理。嘗試啟動(dòng)刀盤及后退刀盤0.05～0.10 m，檢查刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)情況[8]，依據(jù)后退情況確定護(hù)盾是否被卡死。若TBM 刀盤及護(hù)盾后退成功，但刀盤仍無法轉(zhuǎn)動(dòng)，則應(yīng)拆除影響刀盤及護(hù)盾后退的一次支護(hù)。拆除前，采用固結(jié)灌漿、錨桿等其它支護(hù)措施對拆除段圍巖進(jìn)行加固處理[9]，確保該洞段施工安全。拆除完畢后，繼續(xù)后退并嘗試轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。

5.2 TBM 掘進(jìn)

TBM 脫困掘進(jìn)時(shí)，雖前方周邊圍巖已進(jìn)行過加固處理，但地質(zhì)條件依舊不明朗，加固效果也未可知，且掌子面不平整，TBM 需采用低扭矩、低轉(zhuǎn)速緩慢通過，刀盤轉(zhuǎn)速小于2 r/min，貫入度小于5.0 mm/r；TBM 掘進(jìn)時(shí)應(yīng)時(shí)刻掌握刀盤扭矩的變化，變化幅度需控制在10%以內(nèi)，防止出現(xiàn)刀具偏磨和刀刃崩裂，待掌子面磨平后，逐步提高刀盤轉(zhuǎn)速和推力。撐靴的撐緊力控制在12 000 kN 以內(nèi)，推進(jìn)力控制在8 000 kN 以內(nèi)。TBM 掘進(jìn)過程中，當(dāng)密支鋼拱架支護(hù)影響撐靴通過或撐靴處圍巖較差無法滿足撐靴支撐時(shí)，需采用模筑混凝土對撐靴區(qū)域進(jìn)行換填[10]。

5.3 卡機(jī)段初期支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)

卡機(jī)段的初期支護(hù)按Ⅴ類圍巖的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)支護(hù)。TBM 脫困后，需在原支護(hù)的基礎(chǔ)上對鋼拱架進(jìn)行環(huán)形加密補(bǔ)強(qiáng)，加密后鋼拱架間距縮減至0.45 m。在頂拱180°范圍內(nèi)布置鋼筋排，鋼筋排采用?20 螺紋鋼，布置間距為0.05～0.20 m。兩榀拱架之間采用[10 槽鋼進(jìn)行連接。

1）鋼拱架的安裝

鋼拱架安裝器安裝在主驅(qū)動(dòng)后面的主梁上，縱向可沿主梁上的導(dǎo)軌移動(dòng)一定距離。鋼拱架分片運(yùn)輸?shù)轿缓?，由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)逐節(jié)牽引旋轉(zhuǎn)并用螺栓連接，再用頂部和側(cè)部張緊油缸，將拱架從拼裝梁中頂出，并貼緊到洞壁上，在底部開口處用專用張緊工具將整個(gè)拱架張緊到洞壁上，用連接板將開口連接固定，形成整環(huán)鋼支撐。

2）鋼筋排的安裝

在頂拱180°范圍使用?20 的鋼筋排進(jìn)行支護(hù)，在頂護(hù)盾及搭接護(hù)盾內(nèi)側(cè)設(shè)有鋼筋快速支護(hù)系統(tǒng)。鋼筋排在洞外加工車間制作好后，運(yùn)至安裝位置，將鋼筋排插入頂護(hù)盾內(nèi)側(cè)預(yù)留的孔內(nèi)，鋼筋排隨著TBM 的向前掘進(jìn)慢慢抽出，外露段搭接焊在安裝好的鋼拱架上，在一節(jié)鋼筋排前段出露護(hù)盾之前，插入下一節(jié)鋼筋排。

6 監(jiān)控量測

恢復(fù)TBM 開挖后，在樁號160+050.00～160+000.00 的斷層段每隔10.00 m 設(shè)置1 個(gè)監(jiān)測斷面，用于收斂觀測和沉降監(jiān)測[11]。每個(gè)監(jiān)測斷面上埋設(shè)3 個(gè)錨固器作為監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)，拱頂?shù)氖諗坑^測標(biāo)點(diǎn)兼做拱頂下沉量測點(diǎn)。每天對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總分析，根據(jù)量測數(shù)據(jù)及時(shí)繪制水平收斂位移時(shí)態(tài)曲線和拱頂下沉位移時(shí)態(tài)曲線，并依據(jù)監(jiān)測成果判斷是否需要采取加強(qiáng)支護(hù)措施。

7 結(jié)語

當(dāng)TBM 掘進(jìn)中發(fā)現(xiàn)圍巖破碎，并伴有塌腔出現(xiàn)時(shí)，一定要引起重視，時(shí)刻關(guān)注TBM 掘進(jìn)參數(shù)變化，并選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)和支護(hù)參數(shù)，盡量避免塌腔持續(xù)擴(kuò)大。如遇TBM 卡機(jī)，首先，應(yīng)查明卡機(jī)段地質(zhì)情況，在對前方圍巖進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的同時(shí)，對護(hù)盾后的已開挖圍巖破碎洞段進(jìn)行一次支護(hù)加強(qiáng)，確保脫困施工過程中人員及設(shè)備安全；其次，應(yīng)結(jié)合預(yù)報(bào)成果及已開挖段的卡機(jī)段地質(zhì)情況，對前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)判，制定切實(shí)可行的脫困施工方案，為TBM 順利脫困提供參考依據(jù)；最后，在TBM 脫困掘進(jìn)前，應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及實(shí)際地質(zhì)情況，考慮對掌子面前上方及兩側(cè)圍巖采取固結(jié)灌漿以提高其圍巖穩(wěn)定性，避免二次塌方卡機(jī)。在此次卡機(jī)脫困事故處理中，輕質(zhì)混凝土在塌腔回填方面發(fā)揮了重要作用，提供了相應(yīng)的施工經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)可行。