山西中部引黃工程TBM卡機成因分析及脫困技術

田志斌

為了解決我國水資源時空分配不均的問題，近年來，南水北調、引黃入晉、引漢濟渭、山西大水網等一大批跨流域引調水工程開始建設實施或投入運營。由于TBM具有掘進速度快、成洞質量好、綜合造價低、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點，因此在工程建設中得到了廣泛的應用，但與此同時，其對泥化巖、膨脹巖、斷層破碎帶、溶洞等不良地質條件適應性較差，這也成為了制約工程進度的主要因素之一［1］，如引大濟湟工程［2］、新疆伊犁河流域八十一大坂輸水隧洞工程［3］等。

本文分析了山西中部引黃工程TBM2標連續(xù)卡機事故的原因，結合擴挖側導洞、化學灌漿、設備改造等多種方法，成功實現脫困，并對脫困后掘進方案進行了細致研究，從而成功穿越了該斷層破碎帶，為類似地層條件下的TBM掘進施工積累了經驗。

1 工程概況及卡機情況

中部引黃工程是山西大水網建設的重要骨干工程之一，位于黃河流域呂梁山境內，隧洞總長385km，其中總干3號隧洞穿越黑茶山自然保護區(qū)，最大埋深610 m，采用兩臺雙護盾TBM進行對向掘進。TBM設備由美國Robbins公司設計制造，直徑5.06 m，最大推力20 826 kN，最大操作壓力34 500 kPa，配有超前鉆機，最大鉆孔深度達80 m，可實現360°范圍內的超前鉆孔及注漿工作。

2017年10月26日，TBM掘進至樁號106+402.8時，被洞壁左上方收斂的圍巖將前護盾壓住卡死。經過多次大推力嘗試脫困失敗后，打開伸縮盾，從洞壁左側擴挖小導洞后，于11月3日成功脫困?；謴途蜻M11 m后，11月4日凌晨刀盤被壓，經檢查，左側前、后護盾均被塌方巖石緊緊抱死，其中10∶00～11∶00方位破碎嚴重，發(fā)生坍塌，塌方空腔深5 m左右，8∶30～10∶00方位松散破碎。11∶00～2∶00方位膨脹巖石突入護盾內；2∶00～3∶00方位圍巖較完整，緊貼護盾；3∶00～5∶00間護盾與圍巖間有1 cm縫隙。

此次連續(xù)卡機分別發(fā)生于樁號106+402.8和106+391.8處，設計資料顯示，其位于向斜軸部附近，隧洞埋深444 m，樁號106+100～106+400地段電阻率較小，推測該段裂隙發(fā)育。

2 卡機成因分析

卡刀盤和卡護盾是TBM卡機的兩種主要形式。當掘進掌子面圍巖破碎發(fā)生塌方時，出渣量劇增，當主機皮帶機不能滿足出渣要求時，就會導致刀盤被壓；而卡護盾是由于護盾外側圍巖坍塌或收斂變形，使圍巖開始與護盾發(fā)生接觸乃至擠壓，當TBM推力不足以抵抗護盾摩擦阻力時發(fā)生的卡機現象。

中部引黃工程TBM2標第一次卡機發(fā)生前，出渣量沒有明顯變化，且掘進過程中發(fā)現機頭向右側偏移，但由于設備檢修，停機6 h，重新啟動時發(fā)現刀盤運轉正常，但貫入度為零，刀盤推力由9 000 kN增加至16 000 kN，前進20 cm后無法繼續(xù)向前，啟用脫困推力（20 826 kN）后，仍無法脫困，因此判斷護盾被卡。第二次卡機前，出渣量有一定增加，約為正常出渣量的1.1～1.2倍，發(fā)生卡機?？紤]以上兩次卡機的發(fā)生原因，主要是由施工地質、非正常停機及設備因素導致。

在樁號106+410處，掌子面為原巖層寒武系中統(tǒng)張夏組白云質石灰?guī)r，在左側面開始出現綠泥石化偉晶花崗巖、黑云斜長片麻巖、石墨化碎裂角礫巖，掘進至樁號106+405時左側變質巖和角礫巖有增加的趨勢，而掘進至樁號106+402.8時，機頭護盾左側被變質巖抱死卡機。該圍巖在10∶00～12∶00方位較為完整，強度較高，且該段位于向斜構造軸部附近，地應力大，隧洞開挖后在自重及地應力作用下向臨空面發(fā)生收斂變形，從而導致護盾被壓。

繼續(xù)掘進至樁號106+391.8時，掌子面大部分為石墨化碎裂角礫巖，其右側局部為黑云斜長片麻巖，巖體整體為松散巖體，坍塌嚴重，開始時刀盤被包裹卡死，以后護盾被坍塌體包裹造成卡機。

綜合樁號106+410～106+391.8處揭示地層可見，變質巖中花崗偉晶巖脈由斜長石、云母、石英組成經動力作用已具綠泥石化和高嶺石化，碎裂疏松狀，手捏破碎呈砂狀；碎裂角礫巖明顯受動力作用呈透鏡體狀碎塊具石墨化，其表面石墨化和糜棱巖化特征明顯，巖塊鏡面銀灰黑色，擦痕居多，呈長條狀，油膩油脂光滑，推測本斷層上盤將太古界奧家灣組逆沖抬升至洞線以上，而已開挖洞段為斷層下盤，且斷層帶正處于古風化殼內。經地表追索和斷層面地質測量，其產狀為N20°E/NW或SE∠75°，為逆斷層，具壓扭性，斷層走向與洞線交角約13°。

圍巖收斂變形具有明顯的流變特性，即開挖卸荷后，圍巖收斂量會隨著暴露時間增加而增大。第一次卡機前，因設備故障維修導致一定時間的停機等待，重新啟動時即發(fā)生卡機事故，因此非正常停機也是造成卡機的一個重要原因。

關于TBM是否被卡，文獻［2-4］均做過多方面的研究，提出當護盾上覆圍巖壓力產生的阻力Rp(t)、TBM自重產生的阻力Rw和TBM掘進所需的動力Fr之和大于TBM的額定推力FI時，TBM即發(fā)生卡機，可由下式表示：

由此可以看出，在護盾外側圍巖收斂性質相同、掌子面圍巖相同的情況下，TBM推力對設備脫困具有重要的影響。

中部引黃工程采用的雙護盾TBM最大推力20 826 kN，額定扭矩3 475 kNm；脫困扭矩5 733 kNm，預留一臺變頻電機安裝位置。從第一次卡機事故中可以看出，重新啟動TBM后推力從9 000kN提高至16 000 kN，設備向前掘進20 cm后無法繼續(xù)向前，為防止液壓管路、閥件老化引起的設備故障，停機檢查12 h后再次將推力提高至20 826 kN，由于圍巖進一步收斂變形，摩擦力增大，因此未能實現脫困。在第二次卡機中，卡機前出渣量略有增加，卡機后掌子面塌方，說明掌子面巖石破碎，TBM刀盤被壓時扭矩不足導致設備啟動困難。

3 脫困措施

目前，在TBM卡機脫困實踐中，較常用的方法有擴挖側導洞法、預注灌漿法、設備改造法等，可根據不同的卡機位置、成因予以單一或組合選用。

擴挖側導洞法是根據TBM護盾被卡位置，從伸縮盾或尾盾進入護盾外側進行人工擴挖，從而減小圍巖壓力對盾體的擠壓及因此產生的掘進摩擦阻力；預注灌漿法是針對掌子面塌方、圍巖破碎等原因，采用超前地質鉆機、人工鉆孔等方式對破碎巖體進行水泥灌漿或化學灌漿，從而提高巖體的完整性及強度，防止導坑及掌子面開挖過程中的進一步塌方收斂變形；設備改造法主要在設計階段進行，如擴大邊刀行程、改變護盾錐度、提高刀盤扭矩及推力等，需要根據地質資料綜合分析卡機發(fā)生的風險，并結合經濟分析統(tǒng)一考慮。

3.1 一次卡機脫困方案

第一次TBM卡機是被洞壁左上方收斂的圍巖將前護盾壓住卡死，打開伸縮盾30 cm觀察可見，前護盾左側8∶30～12∶30方位有大塊塌方巖石，巖石完整性好，強度高，右側盾體與巖石有2 cm左右的間隙，且掌子面及其他位置未發(fā)生明顯塌方，屬“卡護盾”卡機形式，可從伸縮盾進入，采用擴挖左側導洞法實現脫困。

首先打開伸縮盾50 cm，在腰線下方向外側開挖寬1 m、高1.5 m的I期擴挖洞室，然后向掌子面方向開挖，在開挖過程中采用20 cm×20 cm的方木進行及時支護。I期擴挖洞室開挖完成后，采用脫困推力進行試推，若不能脫困，再進行II期擴挖。II期擴挖沿護盾左上側進行，平均開挖寬度30 cm，可根據圍巖情況進行局部調整，以達到圍巖與護盾相剝離的要求為準。在開挖過程中，可適時進行試推，直至完成脫困（見圖1）。

圖1 左側導洞開挖支護示意（單位：mm）

3.2 二次卡機脫困方案

第二次卡機時，掘進掌子面圍巖松散，局部坍塌嚴重，前、后護盾左側均被塌方巖石緊緊抱死，打開伸縮盾后塌方空腔深5 m左右，右側圍巖較完整，緊貼護盾或有1 cm間隙，屬“卡護盾+卡刀盤”復合形式，需聯合采用擴挖側導洞法和預注灌漿法進行脫困。

由于護盾右側圍巖較完整，發(fā)生塌方的可能性較小，故可從伸縮護盾處進入，分別向掌子面及尾盾方向同時進行擴挖，擴挖方法、次序及支護形式與一次卡機相同。

針對伸縮盾左上部塌方空腔，應首先將塌落破碎巖石清除干凈，然后用方木和木板在空腔口做支撐，并用加固型化學灌漿材料固結支撐結構，再通過預埋注漿管對上方的冒落空腔進行快速充填密封密閉。由于充填發(fā)泡化學漿液具有較強的快速膨脹特性，且具有優(yōu)異的壓縮韌性，可以有效充填空腔，從而能夠防止深部巖層的繼續(xù)垮落，進而防止塌落產生的集中沖擊。

由于護盾左側圍巖松散，不能自穩(wěn)，為了保證施工安全，在左側塌方空腔及圍巖進行充填、化學固結灌漿前，先從尾盾腰線以下切割一個1 m寬、1.5 m高的窗口，從窗口向前進行擴挖?；瘜W固結灌漿成功后，再從伸縮盾進行擴挖，擴挖至圍巖破碎時停止擴挖，用手風鉆鉆孔對破碎圍巖進行化學固結灌漿，每循環(huán)3 m，當化學固結灌漿體強度大于10 MPa后，再繼續(xù)進行擴挖2.5 m，按照化灌—擴挖—再化灌—再擴挖的方式循環(huán)擴挖直至刀盤。

I期小導洞擴挖成功后，采用加固用化學漿液對導洞頂部破碎巖體進行加固和補強，形成化灌固結區(qū)。在小導洞內設計一排注漿孔，間距1.5 m，鉆孔直徑Φ42 mm，再通過雙液注漿泵按照1∶1比例將AB組份注入導洞頂松散巖體中，從而把松散的不連續(xù)的巖層膠結成連續(xù)完整的受力體（見圖2）。

針對刀盤前的破碎巖體，通過滾刀孔、刮渣口及人孔對刀盤前部及上方進行化學固結灌漿，并采用TBM點動模式和人工清理方式清理掌子面石渣，降低掘進所需的扭矩，并提高下一步掘進時掌子面圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 二次卡機開挖支護示意（單位：mm）

4 脫困后掘進方案

由于脫困后TBM仍處于斷層破碎帶之中，且斷層走向與洞線交角較小，為了防止再次發(fā)生卡機事故，需結合地質、設備等情況，制定專門的掘進方案，具體如下：

對設備31～33號滾刀（邊刀）分別增加1，3 cm和5 cm的擴挖墊塊，從而增加開挖直徑，為圍巖收斂變形提供一定的空間，同時要求TBM必須連續(xù)掘進，避免停機，減少圍巖收斂變形的時間。

TBM掘進時適當增加刀盤轉速，必要時可拆除部分滾刀，以增加刀盤的出渣開孔率，從而提高設備的出渣能力，防止穿過破碎帶時出渣量突增引起的刀盤被壓。

由于石墨化碎裂角粒巖遇水軟化膨脹，機頭刀盤掘進時噴水容易造成裹刀卡機，可采用泡沫潤滑劑替代清水向掌子面噴射，以降低噴水對圍巖的影響，同時對護盾與坍塌圍巖間加注潤滑劑，減小圍巖對護盾的摩擦阻力。

結合超前鉆機和刀盤人工鉆孔，根據圍巖情況，采取超前化學固結灌漿3 m、水泥基灌漿12 m循環(huán)進行的固結方法，對掌子面前方和前護盾上前方破碎圍巖進行固結，形成巖殼，避免坍塌圍巖卡住刀盤、護盾。

該臺TBM在設計制造時預留了一臺主驅動電機的位置，可通過配置該臺電機達到提高刀盤扭矩的目的，從而改善設備在不良地質洞段的適應能力。

5 結語

在采取上述脫困措施和掘進方案后，TBM于11月24日成功實現脫困，耗時20 d，并順利通過了該斷層破碎帶，大大降低了卡機對施工的影響，為類似TBM脫困積累了豐富的經驗。

（1）在掘進過程中若發(fā)現有出渣量增加、盾體偏移等現象時，要尤其注意斷層破碎帶及圍巖收斂變形的影響，控制好掘進參數，盡量減少停機時間，快速通過。

（2）對于一般的卡機事故，擴挖小導洞是最為有效的脫困措施，當護盾外側圍巖破碎時，可輔以固結灌漿，但是當圍巖遇水膨脹時，應尤其注意限制水泥漿的使用，而采用化學漿液代替。

（3）由于處理卡機的時間往往較長，因此在TBM掘進過程中，要根據設計圖紙嚴格注意圍巖變化，在有條件的情況下，力求采用超前地質鉆機、地震波等形式進行不良地質段的二次補勘，從而更好地指導施工。

（4）對于地應力較大、通過斷層較多的隧洞，在TBM選型時要充分考慮卡機對施工的影響，盡量選用扭矩高、出渣能力大、擴挖能力強的設備。

［1］ 山西省萬家寨引黃工程管理局.雙護盾TBM的應用與研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］ 黃興，劉泉聲，彭星新，等.引大濟湟工程TBM擠壓大變形卡機計算分析與綜合防控［J］.巖土力學，2017，38（10）：2962-2972.

［3］ 劉泉聲，黃興，時凱，等.深部擠壓性地層TBM掘進卡機孕育致災機理［J］.煤炭學報，2014，39（S1）：75-82.

［4］ 溫森，楊圣奇，董正方，等.深埋隧道TBM卡機機理及控制措施研究［J］.巖土工程學報，2015，37（7）：1271-1277.