軟弱地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM 脫困技術(shù)

楊 壘

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

隨著交通運(yùn)輸、引水等工程項(xiàng)目的開(kāi)展，越來(lái)越多的山嶺隧道項(xiàng)目采用全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TBM）進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)[1]。雙護(hù)盾TBM 對(duì)比傳統(tǒng)的鉆爆法具備快速掘進(jìn)、支護(hù)便捷、安全環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，其越來(lái)越多地被應(yīng)用于大直徑、深埋、長(zhǎng)距離隧洞的施工。但雙護(hù)盾TBM 本身主機(jī)部分長(zhǎng)，在破碎圍巖、富水地層等不良地質(zhì)條件下易發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象。一旦發(fā)生卡機(jī)問(wèn)題，處理耗時(shí)普遍較長(zhǎng)，短則幾日長(zhǎng)達(dá)數(shù)月，對(duì)施工進(jìn)度會(huì)造成嚴(yán)重影響，甚至有的工點(diǎn)平均進(jìn)度低于類(lèi)似地層的鉆爆法施工。本文將羅列出雙護(hù)盾TBM 卡機(jī)事故的幾種類(lèi)型，并根據(jù)不同的成因提出解決方案，希望能夠?qū)︻?lèi)似項(xiàng)目在設(shè)備選型和現(xiàn)場(chǎng)施工提供借鑒。

1 工程概況及設(shè)備簡(jiǎn)介

引洮一期供水工程9 號(hào)隧洞位于甘肅省定西市內(nèi)管營(yíng)鎮(zhèn)，該項(xiàng)目采用一臺(tái)雙護(hù)盾TBM 進(jìn)行施工，其開(kāi)挖直徑為5.75m。在設(shè)備卡機(jī)地段的巖層為V 類(lèi)圍巖，地層有多種巖性地層交織沉淀在一起，包括砂巖、泥質(zhì)粉細(xì)砂巖與砂礫巖，結(jié)構(gòu)為中厚-厚層狀。該段圍巖巖相不夠穩(wěn)定，巖性變化繁多，以軟弱圍巖為主，經(jīng)過(guò)測(cè)定原狀單向抗壓強(qiáng)度僅為2-3.5MPa，圍巖自穩(wěn)性差，變形破壞嚴(yán)重，強(qiáng)度很難滿(mǎn)足TBM 掘進(jìn)要求。在施工過(guò)程中，TBM 尾盾后半部頂部變形比原設(shè)計(jì)回縮了28～30mm，多次出現(xiàn)TBM無(wú)法正常脫困現(xiàn)象。

雙護(hù)盾TBM 的護(hù)盾部分由前護(hù)盾、伸縮盾、后護(hù)盾組成，其長(zhǎng)度為12.6m，護(hù)盾的最大外徑比刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑小10cm。為了適應(yīng)不同的巖層變化，雙護(hù)盾TBM 可以采用兩種掘進(jìn)方式，分別是雙護(hù)盾模式和單護(hù)盾模式。

在地質(zhì)條件比較好的時(shí)候，TBM 采用雙護(hù)盾掘進(jìn)模式，此時(shí)將后護(hù)盾上的撐靴伸出，與巖壁貼緊以提供推進(jìn)的反力和扭矩，后護(hù)盾固定不動(dòng)，隨著主推進(jìn)油缸的伸出，刀盤(pán)和前護(hù)盾平移向前。當(dāng)推進(jìn)完成后，前護(hù)盾上的支撐靴伸出并嵌入巖壁，后護(hù)盾上的撐靴回收，隨后主推進(jìn)油缸回收，帶動(dòng)后護(hù)盾及后配套前移，完成換步作業(yè)。在此模式下，推進(jìn)與管片安裝可以同時(shí)進(jìn)行，掘進(jìn)效率很高，施工速度快。

在經(jīng)歷破碎帶、軟弱圍巖等不良地層時(shí)，洞壁不能提供足夠的支撐反力，TBM 就需要采用單護(hù)盾掘進(jìn)模式，此時(shí)主推進(jìn)油缸閉合鎖死，護(hù)盾部分成為一個(gè)整體，采用輔助推進(jìn)油缸撐緊已拼裝完成的管片以提供推進(jìn)的反力和扭矩，使整個(gè)主機(jī)部分整體前移。如果圍巖的變形量大時(shí)，輔助推進(jìn)油缸的最大推力不能克服圍巖對(duì)TBM 摩擦阻力，那么TBM 就會(huì)發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象，此時(shí)需分析卡機(jī)的原因并運(yùn)用不同的解決方案[2]。

2 雙護(hù)盾TBM 卡機(jī)類(lèi)型及原因分析

通過(guò)該雙護(hù)盾TBM 項(xiàng)目施工過(guò)程，總結(jié)發(fā)現(xiàn)卡機(jī)事故通常有以下幾種類(lèi)型：

2.1 卡刀盤(pán)

當(dāng)TBM 經(jīng)過(guò)破碎帶時(shí)，掌子面自穩(wěn)性較差，同時(shí)在刀盤(pán)擠壓的擾動(dòng)下，圍巖會(huì)自動(dòng)坍塌，大量的渣石會(huì)從前方涌進(jìn)刀盤(pán)內(nèi)。此時(shí)刀盤(pán)底部會(huì)大量堆渣，造成刀盤(pán)扭矩和電流過(guò)大，最后導(dǎo)致刀盤(pán)扭矩超過(guò)限定值而無(wú)法啟動(dòng)，皮帶機(jī)也因?yàn)檩斔湍芰ο拗贫^(guò)載無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 卡護(hù)盾

造成卡護(hù)盾的原因有兩種類(lèi)型：

（1）當(dāng)圍巖的自穩(wěn)性極差時(shí)，剛開(kāi)挖出來(lái)盾殼上部的間隙會(huì)被破碎的渣石迅速填充。隨著頂部圍巖不斷坍塌，最終導(dǎo)致盾殼被卡死。

（2）軟弱斷裂層帶的圍巖所受的地應(yīng)力較大，其圍巖的塑性收斂變形較快。當(dāng)TBM 通過(guò)此類(lèi)地層時(shí)，盾殼不斷受到周邊圍巖的擠壓，導(dǎo)致摩擦阻力不斷加大，最終TBM 護(hù)盾還沒(méi)有通過(guò)該段圍巖時(shí)出現(xiàn)盾殼抱死現(xiàn)象。

在引洮項(xiàng)目中，其易卡機(jī)隧道圍巖均為V 級(jí)圍巖，圍巖塑性變形較大，經(jīng)試驗(yàn)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度在10Mpa 以下，其各項(xiàng)力學(xué)強(qiáng)度較低。頂部尾巖由于自重，在其層間結(jié)合部易開(kāi)裂和下沉，造成護(hù)盾頂部承受的壓力超過(guò)了設(shè)計(jì)的載荷值，致使護(hù)盾產(chǎn)生變形，TBM 無(wú)法自主脫困[3]。

3 脫困的處理方案

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)TBM 卡機(jī)問(wèn)題，主要采取以下處理方案：

3.1 改變TBM 掘進(jìn)參數(shù)

引洮項(xiàng)目TBM 配備超高壓系統(tǒng)，壓力可達(dá)到510Bar，總推力可達(dá)40575kN，當(dāng)操作手感覺(jué)掘進(jìn)和換步比較困難時(shí)，可進(jìn)行推進(jìn)模式的轉(zhuǎn)換，利用單護(hù)盾模式進(jìn)行掘進(jìn)，但只適合在護(hù)盾輕微卡住情況。

3.2 刀盤(pán)清理法

當(dāng)大量渣石落入刀盤(pán)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以采用人工刀盤(pán)清理的辦法，達(dá)到快速脫困的目的。首先通過(guò)刀孔及尾盾向掌子面和盾體周邊頂部注入化學(xué)漿液進(jìn)行加固，然后對(duì)刀盤(pán)及周邊堆積的渣石進(jìn)行人工掏渣清理，減少刀盤(pán)啟動(dòng)扭矩直至其正常轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)TBM 能夠正常掘進(jìn)后，及時(shí)向管片后方注入豆礫石砂漿回填。

3.3 導(dǎo)坑法

引洮工程TBM 脫困技術(shù)主要采用側(cè)向坑法，在護(hù)盾兩側(cè)腰線以上的位置進(jìn)行人工開(kāi)挖作業(yè)，同時(shí)進(jìn)行有效的支護(hù)，逐步減小圍巖與護(hù)盾之間的擠壓力。具體方法為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)盾殼抱死情況，在尾盾后方適當(dāng)位置鑿開(kāi)一個(gè)高度1.2m 的弧形導(dǎo)洞。要邊開(kāi)挖邊支護(hù)，采用16#工字鋼進(jìn)行支護(hù)，其支護(hù)間距為1.0m。為了防止破碎的渣石脫落至導(dǎo)洞內(nèi)，及時(shí)用厚度20mm 的木板安插在工字鋼外側(cè)作為擋板，降低對(duì)導(dǎo)洞開(kāi)挖的影響。

首先完成尾盾上部弧形區(qū)域的開(kāi)挖及支護(hù)，其次再進(jìn)行撐緊盾處的開(kāi)挖，保證前后開(kāi)挖的斷面一致。開(kāi)挖斷面示意圖如圖1。

圖1 開(kāi)挖斷面示意圖

當(dāng)開(kāi)挖至撐緊盾的撐靴位置時(shí)，可以嘗試啟動(dòng)TBM，如果能夠啟動(dòng)，開(kāi)挖到此為止。如果不能重啟，還需繼續(xù)向前開(kāi)挖伸縮盾上部圍巖，開(kāi)挖的斷面與尾盾一致，開(kāi)挖距離的長(zhǎng)度要依據(jù)TBM 啟動(dòng)為準(zhǔn)。導(dǎo)洞挖掘示意圖如圖2。

圖2 導(dǎo)洞挖掘示意圖

3.4 化學(xué)灌漿法

由于原裝的圍巖（膨脹泥巖）的可灌性差，主要用于對(duì)松散圍巖的固結(jié)，確保主機(jī)周邊圍巖的穩(wěn)定[2]。一般采用聚氨酯類(lèi)材料向掌子面進(jìn)行鉆孔灌漿（灌漿點(diǎn)位如圖3 所示），然后再注入水泥漿液，該種方法也被叫做“短注長(zhǎng)支”法[4-5]。

圖3 掌子面化學(xué)灌漿點(diǎn)位示意圖

灌漿材料由A、B 兩組構(gòu)成，其體積比按照1∶1 來(lái)配比。灌漿完成1h 后，其強(qiáng)度即可滿(mǎn)足要求，人員可以進(jìn)入刀盤(pán)內(nèi)部清理底部堆積的渣石。灌漿完成48h 內(nèi)，基本可以將刀盤(pán)脫困。此時(shí)凝固的漿液將在掌子面的頂部和前方結(jié)成厚度2m 的拱圈，可以抵抗掘進(jìn)時(shí)擾動(dòng)力。當(dāng)前盾、撐緊盾和尾盾被卡死，破碎的渣石較多時(shí)，可以采用化學(xué)灌漿的方法進(jìn)行前期固定，然后再進(jìn)行局部擴(kuò)挖，以保證施工時(shí)的作業(yè)安全。

如遇到長(zhǎng)距離的地質(zhì)不良地層，在化學(xué)灌漿的基礎(chǔ)上，也可以在掌子面的前方25m 進(jìn)行水泥灌漿，這樣能夠保證施工連續(xù)性。水泥灌漿采用P.O42.5 硅酸鹽水泥，絮凝劑為KGM－2 型，具有長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)、易溶于水，水泥基漿體具有較好的黏附性能，無(wú)泌水，抗水流分散能力強(qiáng)，凝結(jié)時(shí)間可調(diào)控、早期強(qiáng)度高，在大黏度值的情況下仍然具備良好的流動(dòng)度，滿(mǎn)足了灌漿施工的需要。

3.5 迂回導(dǎo)坑法

當(dāng)TBM 遭遇大規(guī)模（寬度一般大于30m）的斷層破碎帶、整體自穩(wěn)性極差地帶、富水地層時(shí)，采用導(dǎo)坑法無(wú)法進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，可以采用迂回導(dǎo)坑法進(jìn)行TBM 脫困。首先在已成型的隧洞中確定最佳開(kāi)口位置，然后利用風(fēng)鎬及爆破方式進(jìn)行開(kāi)挖迂回導(dǎo)洞至TBM 刀盤(pán)前方，對(duì)斷層斷裂帶進(jìn)行注漿、泄水、加固等礦山法施工。施工完畢后，TBM 步進(jìn)通過(guò)此區(qū)間，逐步恢復(fù)正常掘進(jìn)施工[6]。該方案施工周期長(zhǎng)、成本高、施工風(fēng)險(xiǎn)較大，是否實(shí)施此方案應(yīng)綜合進(jìn)行考慮。

以上處理TBM 脫困的處理方案中除了迂回導(dǎo)坑法，其他方法均在本項(xiàng)目中實(shí)施過(guò)。在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)TBM 卡機(jī)時(shí)地層情況、卡機(jī)位置等采取一種或者幾種方案共同實(shí)施，以達(dá)到快速脫困的目的。

4 防止卡機(jī)事故的預(yù)防措施

4.1 增大開(kāi)挖直徑

在通過(guò)地質(zhì)圍巖情況不良的地段，可以采用加大刀盤(pán)邊刀開(kāi)挖直徑等擴(kuò)挖手段，使開(kāi)挖的圍巖與護(hù)盾的間隙加大20～30mm。在圍巖還沒(méi)有來(lái)得及接觸護(hù)盾時(shí)，快速掘進(jìn)通過(guò)。

4.2 加強(qiáng)地質(zhì)勘探的準(zhǔn)確性

雙護(hù)盾TBM 施工工法越來(lái)越離不開(kāi)地質(zhì)勘測(cè)的準(zhǔn)確性，一份詳細(xì)的勘測(cè)報(bào)告決定了施工的進(jìn)度，同時(shí)也能大大降低施工的風(fēng)險(xiǎn)。從多個(gè)雙護(hù)盾TBM 的項(xiàng)目實(shí)踐證明，該工法對(duì)地質(zhì)的依賴(lài)性很強(qiáng)。在青海引大濟(jì)湟、陜西引紅濟(jì)石等工程中，TBM 多次出現(xiàn)卡機(jī)事故，其原因?yàn)榈刭|(zhì)勘測(cè)不夠準(zhǔn)確；而引黃入晉工程前期地質(zhì)勘探較為詳盡，在施工時(shí)提前對(duì)不良地段進(jìn)行了處理，大大降低了雙護(hù)盾TBM 在通過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，很少出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象[3]。

4.3 適當(dāng)縮短尾盾加強(qiáng)潤(rùn)滑

尾盾與管片的接觸距離過(guò)長(zhǎng)，極易造成尾盾卡在圍巖和管片之間，無(wú)法自主脫困。根據(jù)引洮項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的使用情況，將尾盾割除了一部分，同時(shí)在安裝管片時(shí)在尾盾內(nèi)側(cè)涂抹油脂，降低了摩擦阻力。在伸縮盾和前護(hù)盾上增加注脂孔，采用氣動(dòng)多點(diǎn)泵往盾殼與巖壁之間注入廉價(jià)油脂，以減小TBM 前進(jìn)時(shí)的摩擦阻力。

4.4 加快銜接豆礫石回填工序

在圍巖收斂較大的地層，可以加快豆礫石回填的速度。圍巖與護(hù)盾接觸面積逐漸減低，雙護(hù)盾TBM 推進(jìn)所需克服摩擦阻力也會(huì)一定程度減小，豆礫石快速回填工序，能夠降低雙護(hù)盾TBM 卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，但對(duì)于擠壓變形較大的地層，可與考慮與其他防控措施一起使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

雙護(hù)盾TBM 施工存在長(zhǎng)護(hù)盾的防護(hù)，提高了施工人員的安全性，但是圍巖也被護(hù)盾和管片所遮擋，而無(wú)法實(shí)時(shí)觀察圍巖的變化。軟弱圍巖的塑性變形不易被設(shè)備監(jiān)控，操作人員操作依據(jù)較匱乏，很難避免TBM 卡機(jī)故障，因此及時(shí)地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選擇脫困方案就極其重要了。

受隧洞空間及TBM 設(shè)備布置的限制，TBM 本身的脫困能力有限，采用人工開(kāi)挖處理卡機(jī)故障及不良地質(zhì)超前灌漿加固等措施雖然可行，但是施工成本較高、效率低下，人員作業(yè)強(qiáng)度也很高。因此，不斷提升TBM 自身通過(guò)斷裂破碎帶、富水地層的綜合開(kāi)挖能力是下一步需要研究的課題，使TBM 能夠不斷適應(yīng)地層的變化，發(fā)揮出掘進(jìn)效率高的優(yōu)勢(shì)，讓其將來(lái)的山嶺隧道工程產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。