敞開式TBM斷層破碎帶脫困技術(shù)

董泗龍

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州　450001)

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敞開式TBM斷層破碎帶脫困技術(shù)

董泗龍

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州450001)

摘要：某供水工程敞開式TBM掘進(jìn)在穿越斷層時發(fā)生坍塌，刀盤被掌子面坍塌體掩埋，護(hù)盾被壓住，TBM被困。為安全、快速地使TBM脫困，迅速恢復(fù)生產(chǎn)，在脫困過程中首先加固已施工段支護(hù)，在保證后方安全的前提下，進(jìn)行前方掌子面和護(hù)盾上部加固，采用化學(xué)注漿法固結(jié)刀盤前方圍巖和護(hù)盾上方中管棚超前支護(hù)法進(jìn)行圍巖超前支護(hù)、加固，然后清除刀盤刮渣孔及切口環(huán)內(nèi)虛渣，使TBM順利脫困，總用時20.5 d。通過這些方法的使用，達(dá)到了TBM安全快速脫困，迅速恢復(fù)生產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：供水隧洞； 敞開式TBM； 斷層破碎帶； 化學(xué)注漿； 管棚； 掏渣； 脫困

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會的進(jìn)步，為保護(hù)環(huán)境和節(jié)約土地資源，交通運(yùn)輸和大型輸水工程施工向著地下方向發(fā)展，因而隧道也越來越長[1]。我國在20世紀(jì)70年代云南西洱河一級電站引水隧道首次使用TBM施工，目前已有多種樣式的TBM應(yīng)用于地下工程的各種領(lǐng)域[2]。TBM施工具有速度快、安全、可靠和對環(huán)境影響小等多種優(yōu)點(diǎn)[3]，必將成為今后長大隧道快速施工的趨勢[4]。

采用TBM施工的長大隧道在施工中一般會穿越斷層破碎帶等不良地質(zhì)段，極易遇到破碎巖層坍塌，造成TBM被困[5]。

以往TBM被困后，大多采用側(cè)面導(dǎo)坑法進(jìn)入TBM刀盤前方清理塌方松散體[6]，或者從護(hù)盾上方通過導(dǎo)坑清理刀盤前方松散體[7]。施工過程中要在斷層帶內(nèi)形成新的導(dǎo)坑，安全風(fēng)險大[8]；大型設(shè)備不能用于脫困施工作業(yè)，多數(shù)情況下采用人工操作，TBM脫困處理時間長[9]。

某供水工程隧洞采用敞開式TBM施工穿越F64斷層時，隧道發(fā)生坍塌，護(hù)盾及刀盤上部最大坍塌高度約8 m，刀盤前方坍塌3 m，塌方體將護(hù)盾和刀盤壓死，TBM被困。首先采用刀盤前方化學(xué)注漿固結(jié)坍塌松散體[10-11]和護(hù)盾上部施作中管棚超前預(yù)支護(hù)[12]承住護(hù)盾上部松散體的方法，然后收部分護(hù)盾后退刀盤，人工在刀盤內(nèi)清理刮渣孔附近虛渣，減小刀盤轉(zhuǎn)動阻力，順利使TBM脫困。該方法的采用使TBM脫困總計用時20.5 d，大大縮短了TBM脫困時間，脫困施工過程的安全也得到了保障。

1TBM被困概況

1.1F64斷層概況

施工中揭示F64斷層為壓扭性，斷層走向268～285°，傾角為70°，傾向下游，與隧洞軸線夾角為40～56°。主斷層寬40 m(119+485～+525)。斷層巖性為斷層角礫巖，微風(fēng)化，肉紅色，軟巖-極軟巖，巖石受力擠壓明顯，圍巖松散，強(qiáng)度低，綠泥石等動力變質(zhì)礦物普遍存在，局部出露巖脈。隧洞段巖體破碎，呈散體結(jié)構(gòu)，地下水呈滴水-線流狀，圍巖自穩(wěn)性差，極不穩(wěn)定。隧洞埋深為141 m，Ⅴ級圍巖。

1.2斷層段施工支護(hù)參數(shù)

主斷層段為Ⅴ級圍巖。支護(hù)采用HW150型鋼拱架支撐，拱架全圓形，間距90 cm，每榀拱架分5節(jié)，每節(jié)拱架用2根φ25砂漿錨桿鎖定；拱部120°范圍內(nèi)布設(shè)鋼筋排，每個鋼筋排采用3根并排的φ22螺紋鋼橫向連接而成，長4.7 m；噴射C30W10混凝土15 cm；固結(jié)注漿，注漿孔深3.5 m，環(huán)、縱向間距3 m；二次襯砌混凝土為C35W10F200，厚度為30 cm。

1.3TBM被困經(jīng)過

自2015年6月17日進(jìn)入斷層后，洞壁右上側(cè)一直出現(xiàn)小規(guī)模的掉塊坍塌。2015年6月24日刀盤里程為119+508.4，18：30立拱完成后開始正常掘進(jìn)，至18：34，刀盤無法轉(zhuǎn)動，致使主電機(jī)安全閥損壞，停機(jī)7 h 30 min更換安全閥后，重新啟動刀盤， TBM主司機(jī)發(fā)現(xiàn)扭矩大，主機(jī)電流急速升高，刀盤不轉(zhuǎn)動，現(xiàn)場判斷停機(jī)時隔艙內(nèi)渣量較大，且積水多，造成轉(zhuǎn)動所需的力大大增加，且掌子面坍塌圍巖將刀盤刀孔和刮渣孔堵塞，造成刀盤轉(zhuǎn)動阻力增大，致使刀盤無法轉(zhuǎn)動。現(xiàn)場組織人員將刀盤隔艙內(nèi)積水抽排，并清理隔艙和刮渣孔內(nèi)虛渣。2015年6月25日13：25刀盤積水及虛渣清理干凈，重新嘗試啟動刀盤，啟動時情況無好轉(zhuǎn)。通過護(hù)盾上部空隙觀察發(fā)現(xiàn)，護(hù)盾上部圍巖發(fā)生坍塌，坍塌體將護(hù)盾壓住；從刀盤人孔觀察到掌子面圍巖發(fā)生坍塌，破碎圍巖將刀盤壓住，無法轉(zhuǎn)動，致使TBM被困。

2掌子面及護(hù)盾上部坍塌情況

通過探測得知，刀盤及護(hù)盾上部坍塌高度約8 m，范圍為10:30～04:00方向，護(hù)盾上部松散體厚度約3.5 m，刀盤前方掌子面坍塌長度約3 m。塌方情況如圖1和圖2所示。

3刀盤脫困處理方法及措施

3.1護(hù)盾后方加固及前方坍塌情況探測

3.1.1護(hù)盾后方已支護(hù)段加固

根據(jù)現(xiàn)場斷層段圍巖自穩(wěn)性差無法形成自然拱的實際情況，結(jié)合以往類似施工經(jīng)驗，按以下原則進(jìn)行處理：

1)對護(hù)盾后方至119+530已支護(hù)段進(jìn)行加固處理，確保后方支護(hù)體系的穩(wěn)定和人機(jī)安全；

2)在碎落圍巖未加固前不動刀盤，防止破壞目前的臨時自穩(wěn)狀態(tài)，造成新的坍塌和臨空面擴(kuò)大；

3)對目前護(hù)盾上方已坍落松散體進(jìn)行固結(jié)注漿和空腔的回填注漿，使其達(dá)到一定的自穩(wěn)能力后，再根據(jù)超前地質(zhì)鉆探和物探探明斷層規(guī)模，然后進(jìn)行刀盤脫困工作。

具體實施方案如下：

1)拱架間增加I12工字鋼縱向聯(lián)接。對護(hù)盾后方119+514～+530已安裝拱架段，在拱架間增加I12縱向聯(lián)接，縱向聯(lián)接工字鋼范圍為拱部180°，以增加該段拱架的整體剛度，形成穩(wěn)定的受力結(jié)構(gòu)。工字鋼縱向聯(lián)接環(huán)向間距1 m(視現(xiàn)場情況局部加密)，前后鋼架交錯布置。

2)鎖腳錨桿施工。采用手持風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，119+514～+548段進(jìn)一步增加拱架鎖腳錨桿，保證單節(jié)拱架鎖腳錨桿數(shù)量不少于2根。錨桿采用φ25砂漿錨桿，長3 m，錨桿與拱架焊接牢固。

3)噴混凝土封閉。對噴漿橋前方圍巖破碎段進(jìn)行噴漿封閉，因噴漿橋前方無法用TBM自帶機(jī)械手進(jìn)行噴漿作業(yè)，在設(shè)備橋下方增加2臺移動式噴漿機(jī)，人工進(jìn)行噴漿封閉作業(yè)，噴漿厚度不小于15 cm，分層噴射。

(a)

(b)

(c)

Fig. 1Schematic diagram of collapse above shield and detection hole

(a) 119+508

(b) 119+510

(c) 119+513

4)護(hù)盾上方回填固結(jié)。為保證護(hù)盾上部松散體形成有自穩(wěn)能力的隔層，穩(wěn)定空腔上部圍巖，且能承受上部新坍塌松散體重力，對護(hù)盾上部空腔進(jìn)行M15砂漿回填。采用鉆機(jī)從盾尾將φ76無縫鋼管頂入松散體內(nèi)，管口高出松散體面不低于1.5 m，共設(shè)置3根，中間1根，左右兩側(cè)各1根，回填鋼管環(huán)向間距2 m，中間注漿管高于其他2根管，作為排氣孔和觀察孔，兼作回填砂漿注漿孔。

3.1.2前方地質(zhì)情況探測

為了探明刀盤前方的地質(zhì)情況，在護(hù)盾后方已支護(hù)段進(jìn)行加固的同時，采用鉆探和物探的方法進(jìn)行超前探測。

1)鉆探。對于TBM護(hù)盾后方仰拱部位，在兩側(cè)各設(shè)置2個縱向超前地質(zhì)鉆孔，進(jìn)行超前取巖芯判斷前方圍巖情況，鉆孔長度不小于50 m。

2)物探。采用TSP長距離預(yù)報，爆破孔在隧道左側(cè)邊墻施作。

3.2護(hù)盾上部及刀盤前方坍塌圍巖加固

在探明坍塌范圍和前方斷層剩余長度后，根據(jù)斷層內(nèi)圍巖不能擾動的情況，采取掌子面前方化學(xué)注漿加固松散體和超前中管棚注漿加固護(hù)盾上部及回填砂漿之間松散體的方法，防止在刀盤掏渣時再次坍塌，同時減小掏渣量。

3.2.1超前中管棚施工

拱部100°范圍內(nèi)施作φ76超前中管棚，根據(jù)坍塌情況探測及計算，施作15 m長管棚，管棚前端進(jìn)入未擾動圍巖5 m。管棚環(huán)向間距30 cm，根據(jù)現(xiàn)場實際情況和拱架間距，管棚外插角控制在10～15°。

根據(jù)探測松散體范圍及管棚設(shè)計外插角度判斷，管棚管體全部位于松散巖體內(nèi)。松散巖體內(nèi)成孔困難，若采用跟管鉆機(jī)施作管棚，則跟管鉆機(jī)體積大，TBM上部作業(yè)空間小，無法作業(yè)；若采用前進(jìn)式注漿逐段加固松散體施作管棚，則時間太長。綜合考慮比較，決定采用普通地質(zhì)鉆機(jī)施作管棚，直接將φ76地質(zhì)鉆機(jī)鉆桿作為管棚，利用中空鉆桿作為注漿通道，進(jìn)行注漿加固，鉆頭鉆桿直接埋到松散體內(nèi)。

考慮到管棚距離護(hù)盾較近，注普通水泥漿凝固慢，容易擴(kuò)散到護(hù)盾和刀盤上，將刀盤和護(hù)盾與巖體固結(jié)在一起，故超前管棚注漿選用化學(xué)漿液進(jìn)行注漿。由于管棚管體在松散體內(nèi)，不再進(jìn)行注水試驗，以防止松散體泥化。

3.2.2掌子面化學(xué)注漿加固

清理刀盤內(nèi)積水及碎渣，做好刀盤內(nèi)施工用作業(yè)平臺及相關(guān)安全防護(hù)工作。

化學(xué)注漿漿液采用聚氨酯類堵水固結(jié)材料，由DH-500親水型(A)和DH-510疏水型(B)2種材料配置。DH-500親水型(A)化學(xué)注漿材料遇水膨脹，主要作用是在松散體內(nèi)發(fā)泡；DH-510疏水型(B)化學(xué)注漿材料遇空氣凝固，可加強(qiáng)發(fā)泡材料的黏性和強(qiáng)度。A、B型化學(xué)注漿材料可以將松散體固結(jié)在一起，提高自穩(wěn)能力。

3.2.2.1鉆孔

鉆孔采用改造的YT28風(fēng)鉆，自進(jìn)式玻璃鋼鉆桿。布置在刀盤全斷面范圍內(nèi)，深度3～4 m，通過滾刀刀孔或刮渣孔人工點(diǎn)動刀盤確定孔位，上部180°范圍內(nèi)均勻分布8個，下部約5點(diǎn)和7點(diǎn)位置2個。利用刀盤人孔在掌子面前方11點(diǎn)、1點(diǎn)及6點(diǎn)位置再布置3個孔，鉆孔角度約60°，通過中心刀及附近刀孔向掌子面前方進(jìn)行水平鉆孔6個。

3.2.2.2注漿

現(xiàn)場安裝好管路，檢查各系統(tǒng)正常工作后開始注漿。分別把A料缸和B料缸的進(jìn)料管和出料管置于各自的料桶內(nèi)，開動注漿泵開始工作，此時A、B(質(zhì)量比1∶1)2種液料分別在2個料桶中循環(huán)，盡量使A、B進(jìn)料管中的氣泡排凈，檢查進(jìn)料系統(tǒng)和進(jìn)料配比，確保整個系統(tǒng)正常。當(dāng)系統(tǒng)正常后，停泵，按規(guī)定的連接方式組裝槍頭，管路連接到混合器，開始注漿。先低速，當(dāng)工作面未出現(xiàn)跑、漏漿等異常情況時，根據(jù)實際情況提高注漿速度，達(dá)到閉漿條件時再降低速度，直至閉漿停泵(見圖3)。

1—雙組分漿液A； 2—雙組分漿液B； 3—比例進(jìn)漿氣動注漿泵； 4—漿液輸出管路(承壓大于35 MPa)； 5—單向控制閥； 6—三通； 7—混合器； 8—可撓曲金屬管； 9—封孔器； 10—玻璃纖維自進(jìn)鉆桿。

圖3化學(xué)注漿示意圖

Fig. 3Chemical grouting

當(dāng)注漿結(jié)束后，用A組分料沖洗混合器與出料口，約10 s左右；然后用丙酮清洗注漿泵及配件，檢查清點(diǎn)附件數(shù)量及功能。

3.2.2.3化學(xué)注漿參數(shù)

注漿時自上而下進(jìn)行，利用化學(xué)漿液在松散體內(nèi)的流動性將松散體內(nèi)縫隙填滿固結(jié)。自進(jìn)式玻璃纖維注漿管尾部2 m范圍內(nèi)不設(shè)出漿孔，鉆頭后部1～2 m段鉆桿設(shè)出漿孔，間距30 cm，梅花形布置。A、B組漿液配置質(zhì)量比為1∶1。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)如下： 1)掌子面表面有漿液溢出； 2)注漿壓力達(dá)到0.5 MPa或注漿壓力突然大幅增大； 3)單孔進(jìn)漿量達(dá)到1 t。

3.3TBM脫困

當(dāng)掌子面化學(xué)注漿和護(hù)盾上部管棚施工完成后，開始TBM脫困工作。TBM脫困分為以下4步：

1)收護(hù)盾。將護(hù)盾回收1～2 cm，確定護(hù)盾未被注漿固結(jié)。

2)后退刀盤。拆除靠近盾尾的一榀拱架，將刀盤后退90 cm，掌子面已經(jīng)注漿固結(jié)，松散體不會坍塌壓緊刀盤，僅護(hù)盾和管棚之間松散體部分散落在刀盤和掌子面之間的縫隙，極大減少清渣量。

3)清渣。將中心刀拆除一把，通過拆除的中心刀孔、人孔和刮渣孔清理松散體，特別是刮渣孔位置和切口環(huán)內(nèi)必須清理干凈，以減小刀盤啟動阻力。

4)啟動刀盤。在全部刮渣孔和切口環(huán)處清理干凈后，啟動刀盤。通過多次試啟動，刀盤于2015年7月15日8：30順利啟動。

4結(jié)論與體會

某供水工程敞開式TBM通過F64斷層遇卡機(jī)，TBM脫困采用合適的綜合性處理方法，脫困用時短，速度快。從TBM被困到脫困歷時20.5 d，其中包括制定處理方案、探測坍塌情況和刀盤前方斷層帶規(guī)模及已支護(hù)段加固處理用時7 d，實際脫困施工僅13.5 d。

本次TBM在斷層軟弱圍巖段脫困根據(jù)現(xiàn)場的實際坍塌情況和圍巖情況，采用掌子面化學(xué)注漿加固松散體、從護(hù)盾后方施作中管棚注漿和后退刀盤后清渣等綜合快速處理方法，在施工中采取護(hù)盾后方已支護(hù)段加固和前方探測平行作業(yè)、護(hù)盾后方施作超前中管棚和刀盤前方掌子面化學(xué)注漿平行作業(yè)、刀盤后退后再行清渣等方式，極大地縮短了脫困工作時間和工作量，較以往處理方法及項目預(yù)計脫困時間減少了30 d，節(jié)約了時間、人工和設(shè)備成本； 同時,采取先加固的處理方式，保證了施工過程人員和設(shè)備的安全。

探明卡機(jī)前方地質(zhì)情況，采取正確、有針對性的施工方案是TBM快速脫困的關(guān)鍵。本次敞開式TBM在斷層破碎圍巖帶的快速脫困施工，會給類似圍巖段TBM快速脫困施工提供借鑒和啟迪。

建議在以后類似工程采用化學(xué)注漿時，選擇無毒無味的化學(xué)漿液,刀盤內(nèi)空間狹小，注漿、掏渣時作業(yè)人員密集，要加強(qiáng)刀盤內(nèi)通風(fēng)，且現(xiàn)場作業(yè)人員實行輪班制，每30 min輪換一次，以防止出現(xiàn)中毒或身體不適的情況發(fā)生。

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Jam Releasing Technologies for Open-type TBM Bored in Fault and Fracture Zones

DONG Silong

(ChinaRailwayTunnelStockCo.,Ltd.,Zhengzhou450001,Henan,China)

Abstract:The tunnel boring machine(TBM) is jammed when boring in fault and fracture zones of a water-diversion project. In order to release the TBM safely and rapidly, a series of technologies, i.e. strengthening the support of constructed sections, reinforcing the area ahead the tunneling face and the upper shield of TBM, reinforcing the surrounding rocks ahead the cutterhead by means of chemical grouting method, advance supporting and reinforcing the upper shield by means of pipe roof method and clearing the muck on the cutterhead, are adopted. Finally, the TMB is successfully released after 20.5 days.

Keywords:water-diversion tunnel; open-type TBM; fault and fracture zone; chemical grouting; pipe roof; mucking; jam releasing

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)03-0326-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.013

作者簡介：董泗龍(1981—)，男，山東菖南人，2003年畢業(yè)于山東科技大學(xué),土木工程專業(yè),本科，工程師，現(xiàn)從事隧道施工技術(shù)管理工作。E-mail: 35255329@qq.com。

收稿日期：2015-09-06； 修回日期： 2016-01-28