厄瓜多爾CCS項(xiàng)目雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)段施工

周 江 鋒， 張 長 萬

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

近年來，隧洞掘進(jìn)機(jī)TBM(Tunnel Boring Machine)以其高效、安全、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被國內(nèi)許多大型交通、水利隧洞工程項(xiàng)目所采用。但在實(shí)踐中，TBM施工法是有其使用條件的。以中國水利水電第十工程局有限公司為例，其在厄瓜多爾CCS項(xiàng)目引水隧洞施工中，曾創(chuàng)造出月最高進(jìn)尺1 000.41 m，最高日進(jìn)尺45 m的輝煌業(yè)績，但是在TBM掘進(jìn)中也遇到了許多困難。自2012年9月TBM進(jìn)洞正式開始掘進(jìn)以來，由于不良地質(zhì)條件造成的種種問題始終困擾著TBM效率的發(fā)揮，在項(xiàng)目部領(lǐng)導(dǎo)以及員工的共同努力下，不惜一切代價(jià)，在施工第一年即達(dá)到月平均進(jìn)尺700 m，創(chuàng)造了奇跡。

在TBM掘進(jìn)過程中，也遇到了各種各樣的巖石問題。在此有必要對(duì)雙護(hù)盾TBM施工中遇到的問題進(jìn)行分析與研究，以尋求對(duì)策，盡快解難；同時(shí)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為在建和擬建工程提供參考。筆者以厄瓜多爾CCS項(xiàng)目引水隧洞為例，對(duì)雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)條件洞段進(jìn)行的施工進(jìn)行分析與研究。

2 CCS項(xiàng)目

2.1 工程概況

厄瓜多爾CCS項(xiàng)目引水隧洞工程是中國在海外項(xiàng)目中的一個(gè)重點(diǎn)工程，全長24 km，同時(shí)有兩臺(tái)TBM掘進(jìn)，其中中國水電十局承擔(dān)其中的13.77 km,采用一臺(tái)海瑞克公司生產(chǎn)的雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)，TBM開挖直徑為9 m，成洞直徑為8.8 m，開挖后采用預(yù)制管片襯砌和豆礫石回填灌漿。

2.2 地質(zhì)情況

CCS項(xiàng)目引水隧洞巖石主要為海底火山噴發(fā)出來的巖漿堆積而成的火山島，至今已有很久的歷史，該條塊巖石古老，歷經(jīng)構(gòu)造變動(dòng)并在強(qiáng)烈的近東西向的構(gòu)造應(yīng)力作用下出現(xiàn)巖石涌水、巖體破碎，地質(zhì)條件比較復(fù)雜。

2.3 掘進(jìn)機(jī)的基本情況

該掘進(jìn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。為了應(yīng)對(duì)開挖中不可預(yù)見的斷層等地質(zhì)條件，采用了雙護(hù)盾設(shè)計(jì)，同時(shí)配備了超前鉆機(jī)，可以對(duì)機(jī)頭前方30 m進(jìn)行地質(zhì)鉆孔勘測(cè)，也可以用來對(duì)掌子面前方進(jìn)行注漿加固。

表1 技術(shù)參數(shù)表

3 施工中遇到的主要問題及采取的對(duì)策

3.1 大量涌水

厄瓜多爾CCS項(xiàng)目引水隧洞在TBM施工時(shí)，遇見了較大的地下水問題。地下水給施工帶來了很大的困難，特別是在圍巖破碎的情況下，形勢(shì)會(huì)更加糟糕，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度并增加工程成本。項(xiàng)目部對(duì)地下涌水采取的有效措施為：

3.1.1 超前排水

超前將前方地下水釋放。采取TBM自帶的超前鉆機(jī)打排水孔，視水量大小可打數(shù)量不同和管徑不同的排水孔；同時(shí)，增加洞內(nèi)排水泵的數(shù)量，及時(shí)將釋放的水排出洞內(nèi)。

3.1.2 超前注漿堵水

在施工過程中并不是所有隧洞的涌水都能通過鉆孔排水和輔助坑排水達(dá)到目的。對(duì)于深埋長隧洞，其涌水量往往較大、水壓較高，若采用排水法使含水圍巖中的地下水排出或水壓降低，一方面需要較長時(shí)間，而且局部地帶因高壓水的噴射還會(huì)誘發(fā)大規(guī)模的崩塌或產(chǎn)生巖爆；另一方面，由于上覆土層中地下水位下降還會(huì)產(chǎn)生一系列的環(huán)境問題，如地面坍塌、水源枯竭等。在這些情況下，必須采用注漿方式堵塞住圍巖中地下水的活動(dòng)通道，以保證施工順利進(jìn)行。TBM使用自帶的超前鉆機(jī)在TBM前上方連續(xù)打孔，環(huán)狀排列，然后采用高壓灌注水泥漿或聚氨酯材料進(jìn)行化學(xué)注漿，待注漿材料凝固后，可在TBM前上方形成環(huán)狀止水環(huán)，因此而止水或改變水流的效果。TBM掘進(jìn)時(shí)掌子面遇到涌水時(shí)的情況見圖1。

圖1 涌水洞段照片

3.2 斷層破碎帶

斷層是地殼在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中巖體所受構(gòu)造應(yīng)力作用超過其強(qiáng)度而發(fā)生較大錯(cuò)斷和明顯位移的地質(zhì)現(xiàn)象。因此，破裂面兩側(cè)的巖體構(gòu)造裂隙發(fā)育、巖體十分破碎、完整性差且?guī)r石強(qiáng)度還相應(yīng)降低，透水性急劇增強(qiáng)，斷裂面還常構(gòu)成危險(xiǎn)的滑動(dòng)面。TBM在掘進(jìn)過程中，由于遇到圍巖坍塌，擠壓圍巖等，使得圍巖體容易卡住TBM刀盤，使TBM刀盤無法轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)身無法向前掘進(jìn)。CCS項(xiàng)目曾遇到多次斷層帶，有時(shí)1 d僅掘進(jìn)10 m左右；又如TBM在斷裂構(gòu)造帶上掘進(jìn)時(shí)，因卡機(jī)和躲閃塌方，造成TBM停機(jī)兩次，好在均很快解決了卡機(jī)問題，加大推力，使得TBM向前掘進(jìn)。斷層破碎圍巖見圖2。

圖2 斷層破碎帶

在施工過程中，由于沒有很好地對(duì)開挖前方的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)，因此出現(xiàn)了許多不可預(yù)見的斷層破碎帶，給工程帶來了很大的困難。

對(duì)于TBM在斷層破碎帶中的施工采取的不當(dāng)施工措施有：

(1)施工中不對(duì)前方進(jìn)行超前勘探，因此而沒有超前采取措施，從而造成TBM通過時(shí)受阻。

(2)TBM在通過斷層破碎帶的推進(jìn)參數(shù)不合理，對(duì)前方巖體擾動(dòng)過大。

(3)TBM受阻后沒有立即采取措施，造成刀盤前方坍塌進(jìn)一步發(fā)展，最終導(dǎo)致TBM受阻。

因此，在TBM被困后，應(yīng)根據(jù)出渣情況及TBM的施工參數(shù)判斷該地層的基本特點(diǎn)、斷層破碎帶的規(guī)模，做出判斷是否需要進(jìn)行人工開挖還是采取超前處理措施，分別采取加固措施或人工開挖脫困。

3.3 雙護(hù)盾TBM被壓、卡機(jī)采取的脫困技術(shù)方案與分析

雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)的最大特點(diǎn)就是掘進(jìn)速度快，施工環(huán)境安全，而且掘進(jìn)、出渣、襯砌和回填灌漿等多道工序同步進(jìn)行，隧洞一次成型。但如果地質(zhì)條件復(fù)雜，所遇到的圍巖不穩(wěn)定而導(dǎo)致快速變形或大體積塌方時(shí)，TBM機(jī)頭就會(huì)被卡住，從而嚴(yán)重影響施工進(jìn)度和成洞質(zhì)量，若采用的處理方法不當(dāng)，解困不及時(shí)，TBM機(jī)身在長期受力的情況下必然會(huì)變形、受損，從而造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)給以后的工作帶來巨大的困難。在厄瓜多爾CCS項(xiàng)目施工中，突遇圍巖快速變形，導(dǎo)致TBM被圍巖緊緊抱住而不能移動(dòng)，后因處理恰當(dāng)正確，在短時(shí)間內(nèi)即使TBM恢復(fù)了正常掘進(jìn)，避免了重大損失。

厄瓜多爾CCS項(xiàng)目在遇到塌方情況時(shí)巖石結(jié)構(gòu)松散，強(qiáng)度極低，在TBM全斷面掘進(jìn)中，很有可能出現(xiàn)卡機(jī)故障。

(1)事故發(fā)生情況及解決方案。

在2013年4月，TBM在無明顯異常情況下，突然機(jī)身不能向前移動(dòng)，在檢查完機(jī)械、液壓、電氣方面等都沒有問題的情況下，立即在剛脫離護(hù)盾的幾環(huán)管片上從灌漿孔處量測(cè)管片與圍巖的間隙，發(fā)現(xiàn)幾環(huán)管片間隙很小，遂確認(rèn)卡機(jī)，最后改變了掘進(jìn)參數(shù)，加大了推力，解決了TBM卡機(jī)問題，使TBM順利通過。

(2)TBM被困后采取的初步判斷方法。

根據(jù)其他工程TBM卡機(jī)經(jīng)驗(yàn)及此次TBM被卡情況，在施工中，工程技術(shù)員應(yīng)當(dāng)密切注意TBM各系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，若發(fā)現(xiàn)有以下幾種情況出現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)初步確定有圍巖快速變形或大體積塌方的可能，應(yīng)當(dāng)迅速進(jìn)行相應(yīng)的處理。

①掘進(jìn)速度下降，加大推力，效果不明顯；

②后護(hù)盾移動(dòng)困難；

③后支撐和前支撐不能正常伸出；

④豆礫石回填明顯變少。

4 問題產(chǎn)生的原因及分析

(1)厄瓜多爾位于赤道上的島嶼都是遠(yuǎn)古時(shí)代由海底火山噴發(fā)出來的巖漿堆積而成的火山島，至今已有很久的歷史，該條塊巖石古老，歷經(jīng)構(gòu)造變動(dòng)眾多，巖石涌水、破碎，地質(zhì)條件比較復(fù)雜，對(duì)隧洞的穩(wěn)定非常不利，因此，巖體的完整性及強(qiáng)度表現(xiàn)較差；另一方面，在構(gòu)造和溶蝕的共同作用下，巖石整體結(jié)構(gòu)破壞加上地下水的作用，使得圍巖變得十分松散，圍巖體的地質(zhì)條件更差，從而給TBM掘進(jìn)施工過程造成了許多困難，在項(xiàng)目部領(lǐng)導(dǎo)及員工的共同努力下，解決了TBM在施工過程中的種種問題，使TBM恢復(fù)了正常運(yùn)行。

(2)由于前期提供的地形地質(zhì)資料與TBM掘進(jìn)時(shí)遇到的巖石情況有所差異以及對(duì)該地質(zhì)條件的了解不夠充分，沒有及時(shí)采取措施，故在遇到不良巖石情況時(shí)，要及時(shí)了解巖石情況，避免TBM出現(xiàn)各種問題，以保證TBM正常運(yùn)行。

5 結(jié) 語

筆者在厄瓜多爾CCS項(xiàng)目工作1年時(shí)間里，根據(jù)雙護(hù)盾TBM的施工實(shí)踐，得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)TBM施工是一種新型、先進(jìn)的隧洞施工機(jī)械，已被越來越多的大型交通、水利隧洞工程項(xiàng)目所采用。

(2)雙護(hù)盾TBM隧洞掘進(jìn)機(jī)雖然具有安全、優(yōu)質(zhì)高效等很多優(yōu)點(diǎn)，但也存在對(duì)地質(zhì)條件較為敏感的問題，所以，在隧洞施工前期，一定要從本地區(qū)地質(zhì)條件的客觀實(shí)際出發(fā)，做好各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的分析及比較，選擇合理的施工開挖方法，順利并且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成工程項(xiàng)目。

(3)在遇到地質(zhì)條件較差時(shí)，應(yīng)盡量多的采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，時(shí)刻了解掌子面前方的地質(zhì)情況，采取合理的掘進(jìn)參數(shù)以及掘進(jìn)方法，以保證TBM快速通過不良地質(zhì)洞段。

(4)由于TBM涉及很多知識(shí)，如機(jī)械、液壓、PLC控制、地質(zhì)等，因此，在TBM施工過程中，需要各個(gè)專業(yè)緊密配合，解決TBM在掘進(jìn)當(dāng)中遇到的各種問題。

(5)對(duì)于雙護(hù)盾TBM，在其掘進(jìn)施工過程中，應(yīng)盡量縮短掘進(jìn)機(jī)機(jī)身和刀頭，通過增設(shè)擴(kuò)挖設(shè)備等措施來減少護(hù)盾摩擦力，防止卡機(jī)事故發(fā)生。

作者簡(jiǎn)介:

周江鋒(1989-)，男，河南安陽人，技術(shù)員，從事水利水電工程施工技術(shù)工作；

張長萬(1965-)，男，四川大竹人，副總經(jīng)理，高級(jí)工程師，學(xué)士，從事國際工程施工技術(shù)與管理工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)