斷層破碎帶TBM施工卡機(jī)處置技術(shù)研究

摘要：斷層破碎帶圍巖地質(zhì)松散，巖體穩(wěn)定性差，容易導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）發(fā)生卡機(jī)事故，而且處理TBM卡機(jī)故障難度較大，不僅使掘進(jìn)效率降低，還會(huì)對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。首先通過多案例調(diào)研，總結(jié)了一般卡機(jī)類型及原因機(jī)理，然后結(jié)合新疆某水利工程Ⅷ標(biāo)隧洞工程地質(zhì)情況，提出了針對(duì)斷層破碎帶引起的卡機(jī)事故處置措施：先利用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)勘察地質(zhì)情況，再采用錨桿、超前管棚和固結(jié)灌漿等措施加固已有支護(hù)段?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，在花崗巖地層中該方法卡機(jī)處置效果較好，同時(shí)耗時(shí)也相對(duì)合理。

關(guān) 鍵 詞：卡機(jī)脫困；TBM；斷層破碎帶；花崗巖地層；引水隧洞

中圖法分類號(hào)：U25 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.034

0 引言

中國(guó)地形廣闊、地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道（洞）開挖過程中常常會(huì)遇到斷層破碎帶、富水、高地應(yīng)力等不良地質(zhì)，尤其是埋深較大的隧道往往會(huì)遇到較多斷層破碎地段。相較于傳統(tǒng)的鉆爆法施工，隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工具有自動(dòng)化程度高、施工效率高、作業(yè)環(huán)境好等特點(diǎn)^［1］，被廣泛應(yīng)用于引水隧洞建設(shè)^［2-3］。引水隧洞通常具有長(zhǎng)距離、埋深大且沿線地層條件復(fù)雜等特點(diǎn)^［4］。在引水隧洞修建過程中，經(jīng)常會(huì)遇到不良地質(zhì)地段，給TBM掘進(jìn)施工帶來具有挑戰(zhàn)性的事故。在這些事故中，斷層破碎帶引發(fā)的TBM卡機(jī)情況尤為突出。TBM卡機(jī)事故處置工序繁多，關(guān)乎施工工期和成本，因此采取合適的處置措施和技術(shù)至關(guān)重要。

關(guān)于TBM卡機(jī)處置措施，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多研究，宋天田等^［5］對(duì)昆明上公山隧洞TBM卡機(jī)事故進(jìn)行分析，總結(jié)了不良地質(zhì)地段卡機(jī)原因規(guī)律，并提出了超前地層加固、適當(dāng)降低TBM掘進(jìn)參數(shù)等方式處理卡機(jī)；尚彥軍等^［6］對(duì)巖體變形規(guī)律和護(hù)盾受壓變形破壞臨界點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出采取人工擴(kuò)挖旁洞、鋼拱架加強(qiáng)支撐和超前導(dǎo)洞等措施配合解決卡機(jī)問題；鄧青力^［7］以中天山隧道為依托，探討了高地應(yīng)力花崗巖地層中通過采用自進(jìn)式錨桿及化學(xué)注漿的方法處置TBM卡機(jī)問題；孫峰梅^［8］依托廣佛環(huán)線東環(huán)隧道工程，討論了關(guān)于深埋軟巖地質(zhì)中雙模盾構(gòu)機(jī)卡機(jī)問題，提出了采取預(yù)支護(hù)、選用適宜的盾構(gòu)設(shè)備類型和控制圍巖挖掘量等措施來減少風(fēng)險(xiǎn)的策略。上述研究可為TBM安全施工和成功脫困提供科學(xué)指導(dǎo)，但由于實(shí)際工程中地質(zhì)差異性和卡機(jī)事故復(fù)雜多變，對(duì)TBM卡機(jī)處置技術(shù)研究仍然需要依托具體工程。同時(shí)，現(xiàn)有研究中針對(duì)堅(jiān)硬破碎富水花崗巖地層中TBM卡機(jī)脫困處置措施的報(bào)道較少，TBM卡機(jī)事故處置難度較大。

基于此，本文通過總結(jié)TBM卡機(jī)類型及典型案例分析，并依托新疆某水利工程Ⅷ標(biāo)隧洞TBM卡機(jī)事故，分析卡機(jī)原因，有針對(duì)性地提出了TBM快速脫困及事故妥善處置措施，研究結(jié)果可為類似TBM隧道（洞）工程在堅(jiān)硬地層中穿越軟弱破碎帶引起的卡機(jī)事故處置積累經(jīng)驗(yàn)、提供參考。

1 TBM卡機(jī)類型及成功處置案例分析

TBM在斷層破碎帶掘進(jìn)出現(xiàn)卡機(jī)的主要原因有洞室自穩(wěn)能力弱、隧洞掌子面易塌方、破碎渣塊與刀盤間的相互擠壓作用、圍巖收斂引起的護(hù)盾所受阻力過大或圍巖收斂導(dǎo)致盾殼變形等。TBM卡機(jī)主要有刀盤被卡、護(hù)盾被卡及刀盤和護(hù)盾都被卡3種類型。

1.1 刀盤被卡

在掘進(jìn)地段地層條件較差且?guī)r體破碎的情況下，隧洞開挖過程中掌子面因無(wú)法自穩(wěn)而導(dǎo)致塌落大量巖塊、巖渣夾帶泥水卡進(jìn)刀盤，導(dǎo)致刀盤扭矩增加、電機(jī)供應(yīng)電流急劇上升。隨后皮帶機(jī)因出渣量突然增加難以適應(yīng)，導(dǎo)致渣土運(yùn)輸效率降低。渣土大量堆積導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，刀盤受阻力矩大幅增加并遠(yuǎn)超過TBM刀盤的主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，最終導(dǎo)致刀盤卡住并造成卡機(jī)事故，如圖1所示。

1.2 護(hù)盾被卡

當(dāng)TBM穿越高地應(yīng)力或斷層破碎帶地層時(shí)，圍巖塑性收斂過快、變形過大，導(dǎo)致形成的收斂應(yīng)力直接作用在TBM盾殼上，因此TBM掘進(jìn)過程中護(hù)盾會(huì)受到較大的摩擦力。當(dāng)摩擦力大于TBM系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)力時(shí)，掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾會(huì)受阻、無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。若TBM護(hù)盾未能及時(shí)通過該段圍巖，盾殼將受困于破碎巖體中，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致護(hù)盾過度變形，護(hù)盾被卡如圖2所示。針對(duì)此情況，雙護(hù)盾TBM在隧道施工中出現(xiàn)較為頻繁，而敞開式TBM隧道中護(hù)盾被卡的情況相對(duì)較少，一旦發(fā)生護(hù)盾被卡，處置難度極大。本文僅對(duì)敞開式TBM施工隧道護(hù)盾被卡進(jìn)行闡述。

引起護(hù)盾被卡情況主要有兩方面因素^［9-10］：盾殼縱向范圍L和隧洞預(yù)留量ΔR。

（1）盾殼縱向范圍L的影響。隨著護(hù)盾縱向范圍的增大，圍巖對(duì)護(hù)盾的摩擦阻力也增大。若護(hù)盾縱向范圍較小，可使TBM與圍巖能夠接觸的面積減小，從而降低圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓作用，減小TBM掘進(jìn)時(shí)護(hù)盾所受的摩擦力，進(jìn)而降低卡機(jī)情況的發(fā)生率。

（2）隧洞預(yù)留量ΔR的影響。隧洞預(yù)留量影響的卡機(jī)情況主要是由于圍巖徑向位移超過了盾殼與開挖輪廓面之間的預(yù)留變形量所導(dǎo)致的。掌子面附近圍巖收斂變形小，遠(yuǎn)離掌子面處（如盾尾處）圍巖收斂變形大。增大隧洞超挖量，為圍巖留出空間以便變形，可以減少護(hù)盾被卡的情況發(fā)生。當(dāng)護(hù)盾長(zhǎng)度一定時(shí)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)，若預(yù)留量ΔR越大，且圍巖收斂程度相同，則圍巖與護(hù)盾的接觸范圍越小，進(jìn)而圍巖對(duì)護(hù)盾的擠壓作用就越弱。因此護(hù)盾前移所受的摩阻力越小，卡機(jī)概率就會(huì)越低。

TBM卡機(jī)狀態(tài)判據(jù)如下：

F_r+F_b+F_W≥F_I，卡機(jī)（1）

F_r+F_b+F_Wlt;F_I，不卡機(jī)（2）

式中：F_r為圍巖擠壓作用到盾殼上的摩擦力；F_b為TBM正常運(yùn)行時(shí)工作阻力；F_W為TBM自重產(chǎn)生的摩阻力，F(xiàn)_W=μW，W為TBM質(zhì)量，μ為盾殼與圍巖間摩擦系數(shù)；F_I為TBM主動(dòng)推力。

進(jìn)一步，可通過TBM所受阻力情況進(jìn)行卡機(jī)狀態(tài)分級(jí)^［10］，繼而對(duì)卡機(jī)程度作出判別，如表1所列。

1.3 典型成功處置案例分析

本文調(diào)研總結(jié)了10個(gè)TBM隧道（洞）發(fā)生卡機(jī)事故成功處置的典型案例，如表2所列。通過分析可知，高地應(yīng)力、高磨蝕性、斷層破碎帶、富水等地質(zhì)條件的存在使得TBM施工面臨重大工程風(fēng)險(xiǎn)，易導(dǎo)致TBM卡機(jī)、裝備故障等事故，不僅對(duì)工程進(jìn)度造成重大影響，也對(duì)施工安全、工程質(zhì)量以及工程成本產(chǎn)生極大影響。

2 實(shí)例分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

新疆某水利工程Ⅷ標(biāo)隧洞沿線設(shè)計(jì)總里程約35 km，選取TBM掘進(jìn)與人工鉆爆施工相結(jié)合的方式進(jìn)行隧洞開挖，其中TBM掘進(jìn)約26 km，沿線選用開挖洞徑為7.83 m敞開式TBM進(jìn)行掘進(jìn)。該地區(qū)總體上呈現(xiàn)出貧瘠、陡峭的地形地貌，主要為華力西期花崗巖和黑云母角閃斜長(zhǎng)巖，形成次塊狀—塊狀結(jié)構(gòu)，巖石通常含有15%～25%的石英，質(zhì)地堅(jiān)硬，巖體較完整。

TBM從出口向進(jìn)口方向掘進(jìn)至XE138+207.7處時(shí)出現(xiàn)了卡機(jī)現(xiàn)象。卡機(jī)處的掘進(jìn)區(qū)段揭示巖體為華力西期粗?；◢弾r，呈現(xiàn)為堅(jiān)硬的肉紅色塊狀結(jié)構(gòu)?？C(jī)區(qū)段地下水發(fā)育并向掌子面方向延伸，呈線狀流水。樁號(hào)XE138+220至地下水上游處有以小角度交于洞軸線的斷層破碎帶，地層產(chǎn)狀為5°～10°NW∠60°～70°，斷層寬度5.0～8.0 m，影響范圍為15.0～25.0 m。斷層破碎帶內(nèi)部巖性以斷層角礫巖和碎裂巖為主，結(jié)構(gòu)軟弱、整體性差，圍巖受水影響大、軟化作用顯著。

2.2 卡機(jī)情況

當(dāng)TBM掘進(jìn)至樁號(hào)XE138+207.7處時(shí)，由于扭矩激增，大量肉色黏土樣的淤泥噴發(fā)。緊接著，刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)法繼續(xù)掘進(jìn)。如圖3所示，護(hù)盾機(jī)底部、刀具倉(cāng)室及排渣口均被淤積物封堵。同時(shí)，倒塌的巨石碎塊也在刀盤前側(cè)部分沉積，不同程度地造成阻礙。盡管前方坍塌具體情況和空腔大小尚不明確，但經(jīng)過多次嘗試啟動(dòng)刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)后未能成功，最終確認(rèn)為卡機(jī)事故，導(dǎo)致TBM被困。

3 TBM卡機(jī)原因分析

當(dāng)TBM發(fā)生卡機(jī)時(shí)，掘進(jìn)參數(shù)會(huì)發(fā)生突變，TBM推力由5 000～8 000 kN驟降至1 000～2 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速由1.3 r/min驟降至0.2 r/min，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，扭矩增大，掘進(jìn)速度也在驟降，參數(shù)變化異常，具體變化情況如圖4所示。TBM掘進(jìn)過程中可能遇到地質(zhì)條件突變，例如遇到硬巖層、巖石夾雜物或地層變異等。這些不利的地質(zhì)條件會(huì)導(dǎo)致刀盤受阻，增加推力需求，進(jìn)而使TBM的掘進(jìn)參數(shù)發(fā)生突變。TBM設(shè)備可能發(fā)生刀具損壞、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)故障等，導(dǎo)致刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)受阻，使刀盤轉(zhuǎn)速下降，扭矩增大，從而使TBM的推力和掘進(jìn)速度下降。

斷層破碎帶的巖層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其脆弱性和可塑性導(dǎo)致洞室自穩(wěn)能力較差。當(dāng)TBM掘進(jìn)進(jìn)入該區(qū)段時(shí)，容易遇到斷層、節(jié)理和脆弱巖層等不穩(wěn)定因素，使得隧道掌子面容易發(fā)生局部塌方，造成刀盤無(wú)法正常進(jìn)行切削。同時(shí)在斷層破碎帶掘進(jìn)區(qū)段，巖石破碎會(huì)導(dǎo)致大量渣塊的生成。這些渣塊與刀盤之間的相互擠壓作用會(huì)增加刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，從而影響刀盤的工作效率。此外，斷層破碎帶附近的圍巖受到劇烈變形的影響，掘進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的收斂變形。這種收斂變形會(huì)對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生較大的阻力，甚至導(dǎo)致盾殼發(fā)生形變，進(jìn)而增加TBM掘進(jìn)難度。

4 TBM卡機(jī)處置

通過對(duì)TBM卡機(jī)不同情況進(jìn)行原因分析，結(jié)合典型卡機(jī)處置成功案例的經(jīng)驗(yàn)，采取了如下針對(duì)性措施加固周圍巖體，保障TBM順利通過斷層破碎帶。

（1）通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)隧道掌子面的地質(zhì)條件、地應(yīng)力狀態(tài)、水文地質(zhì)條件等進(jìn)行充分的研究和分析，以預(yù)測(cè)隧道掌子面的穩(wěn)定性，從而采取相應(yīng)的支護(hù)措施，保證隧道的安全施工。

（2）確定卡機(jī)原因，并對(duì)TBM進(jìn)行全面的故障排查。如果TBM卡機(jī)是由于圍巖穩(wěn)定性不佳導(dǎo)致的，可以采取加強(qiáng)支護(hù)措施，如使用鋼拱架、噴射混凝土等方式來增強(qiáng)洞室的穩(wěn)定性。其次根據(jù)卡機(jī)原因可以適當(dāng)調(diào)整TBM的推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以減小破碎渣塊與刀盤之間的擠壓作用，從而避免過大阻力對(duì)TBM的影響。

（3）排除設(shè)備故障，修復(fù)設(shè)備，以確保TBM的正常運(yùn)行。具體流程為：超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確認(rèn)卡機(jī)原因，圍巖加固措施，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，TBM脫困。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了準(zhǔn)確描述TBM卡機(jī)處前方坍塌情況和空腔大小，依助于山東大學(xué)地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)卡機(jī)處前方地質(zhì)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。根據(jù)分析，推測(cè)塌腔范圍為TBM刀盤頂部上方9 m，刀盤前方7 m。根據(jù)對(duì)探測(cè)區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，得知塌腔前方的地質(zhì)分析結(jié)果如表3所列，同時(shí)還可參考圖5中的地震波成像圖和地震波俯視圖進(jìn)行詳細(xì)查看。

4.2 圍巖加固措施

為了預(yù)防TBM護(hù)盾周圍巖體進(jìn)一步變形并減少變形引起的阻力，可以采取打設(shè)錨桿、安裝管棚和固結(jié)灌漿等措施。這些措施能夠有效地確保TBM隧道凈空不被周圍巖體過度侵占。此外，通過設(shè)置小導(dǎo)洞，可以清除塌落石渣。這樣，TBM護(hù)盾能夠減小受到因圍巖收斂引起的摩阻力，也能夠更快地恢復(fù)正常掘進(jìn)狀態(tài)。

4.2.1 護(hù)盾后方拱頂加固布置措施

在護(hù)盾后5 m區(qū)段，采用YT-28手風(fēng)鉆配合TBM錨桿鉆機(jī)打設(shè)Φ25 mm自進(jìn)式中空注漿錨桿，具體加固措施如表4所列。

4.2.2 護(hù)盾上方拱頂加固措施

護(hù)盾體周圍自進(jìn)式中空注漿錨桿布設(shè)在拱頂240°范圍內(nèi)，具體布設(shè)情況如表5所列。

為了保證護(hù)盾體周圍巖體的穩(wěn)定，防止巖體進(jìn)一步變形，采用了CG-P106型注漿材料進(jìn)行錨桿固結(jié)灌漿。預(yù)注漿的深度是距離護(hù)盾體4 m范圍內(nèi)。為了確保注漿的擴(kuò)散效果，防止孔間串漿現(xiàn)象的發(fā)生，在護(hù)盾周圍采用了四序孔布置的施工方式。這樣注漿材料能夠在巖體中均勻分布，更好地固結(jié)巖體。徑向注漿的固結(jié)范圍約為護(hù)盾體外2 m范圍。通過這些措施，能夠有效保護(hù)護(hù)盾周圍的巖體，減少變形并提高整體的穩(wěn)定性。

4.2.3 塌腔處理及其前方圍巖加固

通過對(duì)已塌方區(qū)域進(jìn)行固結(jié)回填加固，可以避免后期施工中由于塌腔未填充導(dǎo)致受力不均而引起開裂，同時(shí)也能消除后期運(yùn)營(yíng)中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合超前管棚及注漿措施對(duì)塌腔區(qū)域圍巖進(jìn)行再加固，使刀盤周圍巖體形成整體，保證圍巖的整體性，使TBM順利脫困并安全通過斷層破碎帶。

在塌腔回填過程中，利用管棚鉆機(jī)對(duì)前方的塌腔進(jìn)行鉆孔回填。初次鉆孔的外傾角為30°，二次鉆孔的外傾角為45°，在鉆孔內(nèi)埋設(shè)了Φ108回填管，并在回填管內(nèi)安裝了排氣管。在預(yù)估的塌腔范圍內(nèi)，采用輕型混凝土進(jìn)行了3次回填，如圖6所示，保證塌腔填充密實(shí)及后續(xù)動(dòng)態(tài)變化情況的監(jiān)測(cè)和有效記錄。

管棚布置在拱頂120°范圍內(nèi)，采用隔孔施作，材料選用長(zhǎng)30 m、外徑Φ108熱處理調(diào)質(zhì)管。在補(bǔ)強(qiáng)過程中，內(nèi)設(shè)了Φ20小鋼管和3Φ25鋼筋束。管棚安裝完畢后，使用錨固劑封堵管棚與Φ127導(dǎo)向管之間的空隙，旨在確保至少50 cm的封堵長(zhǎng)度，以避免后續(xù)漿液注入深度過淺導(dǎo)致圍巖中的漿液回流。

4.2.4 護(hù)盾與管棚間小導(dǎo)洞施工措施

小導(dǎo)洞開挖至刀盤前方0.5 m處，采用HW125型鋼拱架進(jìn)行支護(hù)。拱架間距為0.3～0.5 m，視圍巖破碎情況及時(shí)進(jìn)行疏密設(shè)置，保證圍巖的有效加固。為防止碎石掉落，拱架的兩側(cè)和上方安裝了3 mm厚的鐵板，并與門架焊接為一體。根據(jù)掘進(jìn)區(qū)圍巖情況，沿著護(hù)盾方向進(jìn)行環(huán)形開挖，開挖寬度為2.0 m，確保刀盤位置以及刀盤與護(hù)盾連接處的碎石被清理干凈。開挖完成后，環(huán)向立兩榀HW150鋼拱架，具體布置如圖7所示。

4.2.5 刀盤前部掌子面加固措施

采用玻璃纖維型自進(jìn)式中空注漿錨桿對(duì)刀盤前方松散巖體進(jìn)行固結(jié)加固，使松散巖體形成一個(gè)整體，并具備一定的持續(xù)自穩(wěn)能力，以減少刀盤瞬間啟動(dòng)阻力，利于刀盤脫困，也能有效防止掌子面前方圍巖的再次松動(dòng)坍塌。

5 卡機(jī)處置效果

TBM安全通過斷層破碎帶后，為評(píng)估斷層破碎帶加固效果，對(duì)已加固區(qū)拱頂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)拱頂沉降量及沉降速率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（圖8）。由拱頂變形累積量與變形速率曲線趨勢(shì)可知，通過卡機(jī)處置措施對(duì)圍巖的加固作用，已加固區(qū)拱頂在較短的時(shí)間內(nèi)（約7 d）即達(dá)到變形收斂穩(wěn)定，同時(shí)拱頂變形累計(jì)量（52.8 mm）也在安全范圍內(nèi)。通過與前述典型TBM卡機(jī)處置成功案例比較，可以發(fā)現(xiàn)在此處置措施中，卡機(jī)處置時(shí)間及圍巖變形控制相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)。由此，脫困處置措施的可行性及施工效果得到較好驗(yàn)證。

6 結(jié)論

（1）在堅(jiān)硬花崗巖地層中，TBM卡機(jī)處置采用了多種有效措施。其中塌腔回填與斷層破碎帶加固效果顯著，確保了圍巖的穩(wěn)定性，使得TBM能夠成功脫困并安全通過斷層破碎帶。

（2）基于對(duì)TBM卡機(jī)原因的分析可知，掘進(jìn)過程中根據(jù)地層情況選取合適的掘進(jìn)參數(shù)是確保TBM安全掘進(jìn)的前提。正確選擇掘進(jìn)參數(shù)可有效預(yù)防卡機(jī)事故的發(fā)生，因此對(duì)掘進(jìn)地層的巖性等情況進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)至關(guān)重要。

（3）本文所選工程不良地質(zhì)地層卡機(jī)脫困處置總工期用時(shí)28 d，與既有成功案例相比，采用多種處置措施結(jié)合較為有效，脫困速度也較合理，同時(shí)確保了人員和設(shè)備的安全，可為未來類似TBM卡機(jī)快速脫困處置提供經(jīng)驗(yàn)參考。

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（編輯：胡旭東）