軟巖洞段單護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）主要施工問題及對(duì)策

卜武華 田娟娟

（山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司 太原 030002）

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞位于甘肅省渭源縣境內(nèi)，隧洞全長(zhǎng)17.286 km，其中單護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工段長(zhǎng)16.986 km，圓形斷面，開挖直徑為5.75 m，成洞內(nèi)徑為4.96 m;襯砌采用C45預(yù)制鋼筋混凝土六邊形管片拼裝而成，襯砌管片厚280 mm、寬1 600 mm;襯砌管片背部底拱90°范圍回填M15水泥砂漿，邊頂拱270°范圍豆礫石回填灌漿。

隧洞最大埋深368.00 m，Ⅳ類圍巖洞段長(zhǎng)2.468 km，Ⅴ類圍巖洞段長(zhǎng)14.518 km；隧洞經(jīng)過地層巖性較復(fù)雜，主要由砂質(zhì)泥巖、砂礫巖、上第三系臨夏組N2L2泥質(zhì)粉砂巖和N2L2S疏松砂巖構(gòu)成，圍巖巖性軟弱，強(qiáng)度低，單軸飽和抗壓強(qiáng)度0.99～2MPa，遇水易軟化，崩解，具流變性，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖；隧洞開挖后圍巖易出現(xiàn)塑性變形、坍塌及地下水潛蝕引起流砂、涌砂等地質(zhì)問題。

2 施工概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞選用了一臺(tái)由法國(guó)NFM公司設(shè)計(jì)、北方重工制造的全斷面單護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)TBM，同時(shí)也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)首條單護(hù)盾TBM施工隧洞，2009年底正式開始掘進(jìn)。通過對(duì)單護(hù)盾TBM已完成掘進(jìn)2.8 km隧洞施工情況分析，現(xiàn)場(chǎng)揭示圍巖多數(shù)為極軟巖，強(qiáng)度低，自穩(wěn)性差；圍巖坍塌、流砂及涌砂等地質(zhì)問題導(dǎo)致單護(hù)盾TBM掘進(jìn)多次受阻，嚴(yán)重影響TBM施工質(zhì)量和施工進(jìn)度。

3 單護(hù)盾TBM主要施工問題及對(duì)策

單護(hù)盾TBM在甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞軟巖洞段掘進(jìn)施工時(shí)碰到了許多問題，而處理這些問題不僅花費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力，且消耗時(shí)間長(zhǎng)；通過多年TBM施工，總結(jié)了一些軟巖洞段單護(hù)盾TBM施工經(jīng)驗(yàn)，為今后TBM遇到類似圍巖地質(zhì)條件下掘進(jìn)施工提供一些借鑒和幫助。

3.1 襯砌管片錯(cuò)臺(tái)、滾動(dòng)、裂縫及破損

3.1.1 原因分析

①底部圍巖軟弱，承載力低，底拱管片下沉導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)和破損。②圍巖坍塌，管片背部豆礫石充填困難，導(dǎo)致側(cè)拱管片前傾、后仰，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損。③側(cè)拱管片與頂拱管片無限位措施，頂拱管片下沉導(dǎo)致錯(cuò)臺(tái)和破損。④管片結(jié)構(gòu)不能自鎖，尤其管片縱向連接處未設(shè)置類似導(dǎo)向桿的穩(wěn)定裝置，易產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。⑤圍巖軟硬不均，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)姿態(tài)難以控制，導(dǎo)致管片與盾尾貼死，造成管片擠壓破損。⑥圍巖坍塌積壓、收斂變形以及單護(hù)盾TBM主推力過大，導(dǎo)致管片出現(xiàn)裂縫、錯(cuò)臺(tái)和破損。⑦與雙護(hù)盾TBM相比，單護(hù)盾TBM無防滾動(dòng)裝置，掘進(jìn)時(shí)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的扭矩全部由盾體與圍巖、管片及圍巖的摩擦力矩提供，當(dāng)?shù)侗P扭矩過大時(shí)，盾體與管片均會(huì)出現(xiàn)滾動(dòng)。⑧單護(hù)盾TBM主推進(jìn)油缸斜撐于管片，且作用力很不均勻，導(dǎo)致管片出現(xiàn)滾動(dòng)。

3.1.2 對(duì)策

①底拱管片底部預(yù)先鋪設(shè)一層干硬性混凝土，增大管片與底部圍巖之間的接觸面積，同時(shí)管片底部墊設(shè)硬質(zhì)木板進(jìn)行安裝調(diào)節(jié)，必要時(shí)對(duì)底部圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，以提高底部圍巖承載力，防止底拱管片下沉出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損。②根據(jù)單護(hù)盾TBM掘進(jìn)進(jìn)度，及時(shí)對(duì)管片背部進(jìn)行豆礫石回填灌漿和水泥砂漿回填，必要時(shí)對(duì)管片背部進(jìn)行固結(jié)灌漿，防止管片前傾、后仰及下沉出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損。③側(cè)拱管片與頂拱管片間內(nèi)弧面安裝臨時(shí)限位鋼板，防止頂拱管片下沉出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和破損；管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和管片預(yù)制時(shí)應(yīng)考慮在底拱、頂拱管片縱向邊背部預(yù)埋鋼板，安裝前焊接限位鋼板，避免由于限位鋼板臨時(shí)安裝于迎水面而造成以后限位鋼板、膨脹螺栓的拆除及螺栓孔處的防水處理等一系列問題。④加強(qiáng)對(duì)管片與盾尾間隙、管片縱環(huán)縫間隙的監(jiān)控量測(cè)，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)姿態(tài)應(yīng)采用勤調(diào)、緩調(diào)的方式進(jìn)行調(diào)向，降低主推進(jìn)油缸對(duì)管片的不均勻受力，防止管片出現(xiàn)擠壓破損和滾動(dòng)。⑤對(duì)單護(hù)盾TBM設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，在尾盾內(nèi)安裝2個(gè)類似撐靴的防滾動(dòng)裝置，以減少盾體和管片滾動(dòng)。⑥優(yōu)化管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高管片承重等級(jí)，減少因圍巖坍塌、收斂變形引起高地應(yīng)力對(duì)管片結(jié)構(gòu)的破壞；增加鋼結(jié)構(gòu)管片設(shè)計(jì)并重復(fù)使用，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)，主推進(jìn)油缸通過直接接觸鋼結(jié)構(gòu)管片并間接傳力于混凝土預(yù)制管片，防止預(yù)制管片出現(xiàn)裂縫和破損。⑦對(duì)襯砌管片錯(cuò)臺(tái)、裂縫和破損部位按設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)范要求及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)處理。⑧對(duì)管片滾動(dòng)導(dǎo)致鋼軌面不平，在較低側(cè)鋼軌底部墊設(shè)硬質(zhì)塑料板調(diào)整鋼軌高差，確保軌道運(yùn)輸正常進(jìn)行。

3.2 襯砌管片M型復(fù)合式遇水膨脹止水條扭曲、撕裂及脫落

3.2.1 原因分析

①管片前傾、后仰及下沉，導(dǎo)致管片間錯(cuò)臺(tái)加大、接縫變寬，止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，止水條失效。②管片滾動(dòng)、擠壓破損，導(dǎo)致止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，止水條失效。

3.2.2 對(duì)策

①控制管片安裝質(zhì)量，提高管片錯(cuò)臺(tái)、縫寬檢測(cè)合格率，防止止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，保證止水條粘貼、接觸緊密。②優(yōu)化止水條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加寬、加厚復(fù)合止水條遇水膨脹橡膠部分，以加大止水條間接觸面積，減少因管片錯(cuò)臺(tái)、縫寬超標(biāo)對(duì)止水條止水效果的不利影響。③對(duì)止水條失效部位按設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)范要求及時(shí)進(jìn)行更換、修補(bǔ)處理。

3.3 豆礫石充填困難，回填灌漿質(zhì)量差

3.3.1 原因分析

圍巖軟弱，自穩(wěn)性差，坍塌松散巖體侵占管片與圍巖間隙，導(dǎo)致豆礫石充填困難，甚至無法充填，雖經(jīng)過回填灌漿，但大部分沒有豆礫石充填處不能形成完整的充填區(qū)域，只形成水泥和軟巖的結(jié)石體，致使回填灌漿取芯質(zhì)量差，多處不滿足設(shè)計(jì)及技術(shù)規(guī)范要求。

3.3.2 對(duì)策

①充分發(fā)揮單護(hù)盾TBM自帶超前鉆機(jī)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)的作用，加強(qiáng)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，在通過軟巖不良地質(zhì)洞段時(shí)，應(yīng)及早采取超前鉆探等手段予以揭示。②對(duì)隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進(jìn)行超前灌漿加固，灌漿材料、參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)灌漿試驗(yàn)效果選定。③對(duì)圍巖坍塌洞段管片背部松散巖體進(jìn)行插鋼花管固結(jié)灌漿加固，并對(duì)坍塌空腔一定范圍內(nèi)進(jìn)行回填灌漿。

3.4 TBM栽頭、盾體下沉及盾尾變形

3.4.1 原因分析

①底部圍巖軟弱，積水泥化，承載力低，導(dǎo)致單護(hù)盾TBM掘進(jìn)姿態(tài)難以控制，出現(xiàn)TBM栽頭、盾體下沉。②圍巖坍塌積壓、收斂變形過大，導(dǎo)致TBM盾尾鋼板變形，影響管片安裝。

3.4.2 對(duì)策

①單護(hù)盾TBM軟巖洞段掘進(jìn)時(shí)應(yīng)重視和嚴(yán)格遵循“三低”即低推力、低轉(zhuǎn)速和低貫入度，機(jī)頭寧高勿低，必要時(shí)通過刀盤開口對(duì)底部圍巖超前灌漿加固。②對(duì)隧洞掌子面圍巖進(jìn)行超前排水降水，同時(shí)加大TBM盾尾管片安裝區(qū)的清渣、排水力度，降低底部圍巖積水泥化程度，減緩TBM栽頭、盾體下沉趨勢(shì)。③對(duì)單護(hù)盾TBM刀盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減輕刀盤重量以適應(yīng)軟弱圍巖。④對(duì)隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進(jìn)行超前灌漿加固，降低因圍巖坍塌、收斂變形導(dǎo)致盾尾鋼板變形程度。⑤對(duì)單護(hù)盾TBM盾尾變形嚴(yán)重的鋼板進(jìn)行修整或割除更換。

3.5 TBM主驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)、主推進(jìn)油缸等設(shè)備損壞

3.5.1 原因分析

①圍巖坍塌，TBM刀盤被壓、被卡，刀盤啟動(dòng)扭矩增大，主驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)頻繁嘗試啟動(dòng)進(jìn)行脫困導(dǎo)致部件發(fā)熱損壞。②單護(hù)盾TBM長(zhǎng)期在低轉(zhuǎn)速、大扭矩及大推力非正常狀態(tài)下掘進(jìn)，導(dǎo)致主驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)部件發(fā)熱損壞及主推進(jìn)油缸缸體彎曲變形，同時(shí)對(duì)主軸承使用壽命產(chǎn)生不利影響。

3.5.2 對(duì)策

①對(duì)隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進(jìn)行超前灌漿加固，穩(wěn)定圍巖，降低圍巖坍塌程度。②TBM刀盤頂部120°范圍內(nèi)焊接鋼板進(jìn)行前盾延伸改造，防止刀盤頂部圍巖坍塌。③加強(qiáng)TBM設(shè)備日常檢修、保養(yǎng)；主驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)、主推進(jìn)油缸等損壞部件應(yīng)及時(shí)進(jìn)行維修、更換。

3.6 刀盤、刀具異常磨損，泥裹刀現(xiàn)象嚴(yán)重

3.6.1 原因分析

①圍巖松散，單護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)達(dá)不到滾刀啟動(dòng)扭矩，導(dǎo)致滾刀弦磨破壞；掘進(jìn)過程中整個(gè)刀盤面板與掌子面圍巖緊密接觸，加快了刀盤的磨損。②圍巖軟弱泥化，TBM刀盤內(nèi)的鏟牙、料倉(cāng)及刀座全部被泥渣料包裹堵塞，刀盤出渣困難。

3.6.2 對(duì)策

①優(yōu)化刀具選型和配置，將部分滾刀更換成撕裂刀，降低換刀頻率，減輕刀具磨損；合理控制貫入度，減輕刀盤面板磨損。②將部分滾刀更換為刮刀，減輕泥裹刀現(xiàn)象。③發(fā)生泥裹刀，人工及時(shí)進(jìn)入刀盤內(nèi)進(jìn)行掏挖清理、換刀。

3.7 出渣量過大，主皮帶機(jī)被壓無法啟動(dòng)

3.7.1 原因分析

①隧洞掌子面圍巖瞬間坍塌，出渣量大幅度增加，大量渣土將主皮帶機(jī)壓死無法啟動(dòng)。②單護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)選取不合理，調(diào)整不及時(shí)。

3.7.2 對(duì)策

①對(duì)隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進(jìn)行超前灌漿加固，穩(wěn)定圍巖，減少因刀盤擾動(dòng)圍巖坍塌量。②對(duì)單護(hù)盾TBM設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，適當(dāng)封堵鏟牙，將實(shí)際出渣量控制在理論出渣量的3倍以內(nèi)；TBM刀盤頂部120°范圍內(nèi)焊接鋼板進(jìn)行前盾延伸改造，防止刀盤頂部圍巖坍塌。③強(qiáng)化單護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)的控制，降低刀盤轉(zhuǎn)速，控制掘進(jìn)速度，減少出渣量。④主皮帶機(jī)被壓部位及時(shí)進(jìn)行人工清除。

3.8 流沙、涌沙嚴(yán)重，TBM施工無法進(jìn)行

3.8.1 原因分析

單護(hù)盾TBM進(jìn)入疏松砂巖洞段，因疏松砂巖局部含承壓水，強(qiáng)度低，基本無自穩(wěn)能力，掘進(jìn)開挖中掌子面多處出現(xiàn)線狀、股狀流水，大量泥沙涌入刀盤、主皮帶機(jī)、盾體內(nèi)及盾尾管片安裝區(qū)，部分TBM主機(jī)設(shè)備被埋，導(dǎo)致TBM施工無法進(jìn)行；同時(shí)襯砌管片工作孔、接縫處出現(xiàn)流沙，對(duì)管片環(huán)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

3.8.2 對(duì)策

①疏松砂巖巖體透水性弱、可灌性差，采用常規(guī)灌漿加固圍巖或地表鉆孔排水方案可能難以達(dá)到預(yù)期效果，應(yīng)及時(shí)采取主洞內(nèi)開側(cè)導(dǎo)洞方案對(duì)該主洞疏松砂巖段進(jìn)行人工開挖處理及支護(hù)、TBM空推通過后繼續(xù)掘進(jìn)。②對(duì)于隧洞其余含水疏松砂巖段，在合理位置研究布置斜井、豎井及平支洞，提前進(jìn)行人工開挖處理及支護(hù)，以接應(yīng)TBM空推通過。③對(duì)涌沙部位及時(shí)采取措施進(jìn)行搶救，降低地質(zhì)災(zāi)害損失，恢復(fù)TBM設(shè)備原狀。④對(duì)襯砌管片背部及時(shí)反復(fù)進(jìn)行回填灌漿，以控制流沙和穩(wěn)定管片；同時(shí)安裝鋼拱架、限位鋼板等對(duì)管片環(huán)進(jìn)行臨時(shí)加固，確保管片環(huán)整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過單護(hù)盾TBM在甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號(hào)隧洞的應(yīng)用可知，針對(duì)軟弱圍巖不良地質(zhì)，目前國(guó)內(nèi)尚無非常成熟的TBM施工經(jīng)驗(yàn)，仍處于進(jìn)一步探索總結(jié)階段。在今后選擇TBM工法施工時(shí)，應(yīng)充分重視、保證工程地質(zhì)詳勘資料的準(zhǔn)確性，為TBM正確選型、優(yōu)化性能設(shè)計(jì)提供有力保障；同時(shí)在TBM施工階段，應(yīng)充分重視、挖掘TBM設(shè)備潛力，不斷進(jìn)行技術(shù)更新和設(shè)備改進(jìn)，提高TBM設(shè)備與圍巖地質(zhì)條件的相互適應(yīng)性，充分發(fā)揮TBM機(jī)械化施工優(yōu)勢(shì)和效益。