蘭州市水源地建設工程輸水隧洞雙護盾TBM破碎帶受阻處理經(jīng)驗

(黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南 鄭州 450003)

雙護盾TBM可滿足開挖與襯砌同步作業(yè)，隧洞一次成型，滿足快速施工的要求。同時，雙護盾TBM具有雙護盾和單護盾兩種掘進模式，與開敞式TBM相比對地質(zhì)變化適應能力更強,廣泛應用于水利、公路、鐵路、地鐵等工程[1]。

雙護盾TBM設備施工封閉性好、施工環(huán)境好、人員和設備安全性高。但正是由于雙護盾TBM良好的封閉性，在遇到破碎帶時處理方法有限，施工難度大，尤其是當TBM設備整體進入破碎帶刀盤或盾體被卡時，脫困周期長，經(jīng)濟損失大，甚至造成設備損壞[2]。為避免卡機事件發(fā)生，往往需要對破碎帶進行超前加固處理，然后TBM再掘進，并根據(jù)破碎帶長度，按照“超前加固→掘進→超前加固→掘進”的多循環(huán)模式通過破碎帶。本文針對蘭州市水源地建設工程施工Ⅲ標TBM2在樁號T19+747.838位置遇破碎帶時的處理問題，提出關于雙護盾TBM通過破碎帶的建議，可供今后處理類似工程問題時參考。

1 工程概況

1.1 工程設計狀況

蘭州市水源地建設工程輸水主洞為有壓引水洞，最大水頭約73m，全長 31.57km，采用TBM和鉆爆法聯(lián)合施工。TBM施工段總長 22.50km，其中 TBM2掘進段長度12.33km，滑行段長度0.93km。TBM2自輸水主洞出口向上游逆坡掘進，洞軸線坡度為1‰，開挖洞徑 5.49m。隧洞采用平行四邊形管片(5+1)襯砌，襯砌后內(nèi)徑 4.60m，管片厚度30cm，環(huán)寬1.50m，隧洞開挖面與管片襯砌環(huán)之間采用豆礫石填充，之后再進行回填灌漿，施工布置如圖1所示。

圖1 TBM2施工布置示意圖 (單位：m)

1.2 工程地質(zhì)狀況

TBM2施工洞段埋深多在300～700m之間，局部洞段埋深超過700m，沿線地層巖性主要有白堊系下統(tǒng)河口組泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖和奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群變質(zhì)安山巖。根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，在樁號T24+430附近存在一條斷層(F3)，通過常規(guī)鉆爆法進行預處理，TBM安裝預制混凝土管片滑行通過，降低卡機風險。

結(jié)合前期勘察資料，經(jīng)洞內(nèi)觀察孔觀察、TBM掘進參數(shù)和渣料形態(tài)分析，T19+752m—T19+747m段隧洞埋深約700m，地層巖性為奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群中段安山質(zhì)凝灰?guī)r、變質(zhì)安山巖，顏色為黑灰色～青灰色，淺～中變質(zhì)，新鮮～微風化，巖石較堅硬；受構(gòu)造影響，該段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，掌子面上前部出現(xiàn)較大范圍塌方。掌子面及洞壁存在多處出水點，呈線流狀態(tài)，總出水量約80m3/h，目前，水量有衰減趨勢。該處地表位于牌路溝上部，溝內(nèi)無常流水，初步判斷地下水為基巖裂隙水，與地表無水力聯(lián)系。該段外運巖渣巖屑與粉末狀居多，約占70%，片塊狀巖渣約占30%。TBM掘進該段的推力約為1600～3000kN，貫入度多為14～18mm/r。綜合判斷，該段圍巖穩(wěn)定性極差，為Ⅴ類圍巖。

根據(jù)超前地質(zhì)預報結(jié)果，掌子面前方30m范圍內(nèi)，圍巖地質(zhì)條件與掌子面類似，巖體破碎，出現(xiàn)塌方的風險仍較大。

2 破碎帶處理措施及過程分析

2.1 刀盤脫困

2017年9月13日凌晨5:50，TBM2掘進至樁號T19+747.838位置，由于連續(xù)皮帶故障停機，導致掘進中斷，經(jīng)1.5h處理后連續(xù)皮帶恢復運行，但經(jīng)過多次嘗試，刀盤無法重新啟動，且不能后退，初步判斷刀盤及前盾被巖渣壓住，施工現(xiàn)場立即組織人員拆除部分刀具，進行掌子面的積渣清理工作(刀盤內(nèi)清渣情況如圖2所示，圍巖情況如圖3所示)。

圖2 刀盤內(nèi)清渣

圖3 圍巖狀態(tài)

2017年9月19日下午17:33刀盤成功啟動并進行掘進，至9月20日早7:05總共掘進1.20m，出渣量約700m3，是正常出渣量的16倍(正常出渣量43m3)，掌子面伴隨大量滲水。結(jié)合洞內(nèi)巖渣情況、掘進參數(shù)及三維地震預報結(jié)果分析，推測前方存在30m左右的破碎帶。參建單位各方分析討論，認為繼續(xù)掘進存在一定風險，決定暫時停止掘進,進行破碎帶加固處理。

2.2 破碎帶灌漿加固處理

2017年9月21日，邀請具有類似工程問題處理經(jīng)驗的TBM專家現(xiàn)場召開討論會，確定了先對掌子面前上方破碎巖體進行灌漿加固，再掘進的處理思路[3]。

2017年9月22—27日，通過刀盤頂部鏟斗和邊刀，采用錘擊法沿斜上方打入自制灌漿管，進行化學灌漿，灌注化學漿液2.15t。由于灌漿管進入巖體深度有限(2～3m)，且掌子面滲水嚴重，化灌材料反應時間過長，造成大部分化灌材料被水流沖出，未達到理想的加固效果(造孔灌漿實施情況如圖4、圖5所示)。

圖4 刀盤打孔

圖5 刀盤內(nèi)灌漿管

2017年9月30—10月4日，通過對部分鏟斗齒和刀孔進行封堵后，嘗試掘進通過破碎帶。TBM2試掘進了3m，出渣量約500m3，掘進期間主機皮帶多次因渣量超載，溢出皮帶，且刀盤內(nèi)積渣過多，被迫再次停機。

2017年10月5—11日，通過刀盤內(nèi)鏟斗、邊刀、面刀與刀座間的空隙，利用手風鉆(YT-18)對掌子面及其上方破碎巖體進行鉆孔，孔深2～8m，灌注化學漿液4.18t(鉆孔布置示意圖如圖6所示)。

圖6 刀盤內(nèi)鉆孔示意圖

2017年10月12—13日，召開專家討論會，對制定方案進行細化完善，形成了“化灌止?jié){墻+超前注漿”的加固方案，即先通過刀盤內(nèi)刀孔，利用手風鉆鉆孔進行化學灌漿，在刀盤前方3～5m形成止?jié){墻；止?jié){墻形成后，通過撐緊盾預留孔位，利用TBM設備超前鉆機造孔，采用化學灌漿和水泥灌漿相結(jié)合的方式加固前方破碎巖體，然后TBM掘進。

2017年10月14—11月10日，現(xiàn)場根據(jù)方案對掌子面和前方破碎巖體進行灌漿加固，使用灌注化學灌漿材料6.05t，水泥38.10t。在進行刀盤內(nèi)化學灌漿材料及巖渣清理后，啟動刀盤，但多次因主機皮帶渣量超載而停機。

2017年11月15—12月2日，經(jīng)分析討論，判斷刀盤上方為灌漿加固薄弱部位，需要再次進行加密鉆孔，補強灌漿效果。通過刀盤頂部邊刀、鏟斗，利用鑿巖機沿與洞軸線成約80°角方向鉆孔，實施化學灌漿，同時前盾尾殼左右兩側(cè)開孔進行化學灌漿，合計灌注化學材料23.50t(鉆孔灌漿布置示意圖如圖7所示)。

2017年12月3—10日，刀盤內(nèi)灌漿錨桿拆除，化學灌漿材料清理，成功啟動刀盤，TBM順利掘進，出渣量及掘進參數(shù)均正常。2017年12月13日TBM2通過該破碎帶。

圖7 鉆孔灌漿布置示意圖

3 破碎帶處理的建議

3.1 地質(zhì)勘查及預報工作

3.1.1 地質(zhì)勘查

建議在工期、技術(shù)、經(jīng)濟等條件允許的情況下，對施工區(qū)域的地質(zhì)情況進行詳細的勘查，針對探明的破碎帶等不良地質(zhì)段采用科學合理的預處理措施，降低雙護盾TBM通過不良地質(zhì)段的風險和難度。

3.1.2 地質(zhì)預報工作

根據(jù)雙護盾TBM設備特點和施工條件，選擇有效的超前預報方法，對掌子面前方圍巖情況進行超前預報。結(jié)合巖渣形態(tài)、掘進參數(shù)等數(shù)據(jù)，對超前地質(zhì)預報結(jié)果進行分析，提高對前方圍巖情況判斷的精準度，進一步指導TBM施工[2]。

3.2 破碎帶處理的準備工作

3.2.1 破碎帶處理預案

鑒于地下隧洞工程地質(zhì)條件具有不可預見性及雙護盾TBM對破碎帶等不良地質(zhì)的敏感性，建議在使用雙護盾TBM進行地下工程施工前根據(jù)現(xiàn)場情況，充分考慮設備、地質(zhì)等因素，編制科學合理并具有可實施性的破碎帶處理預案。

3.2.2 設備、材料采購及儲備

根據(jù)破碎帶處理預案，提前采購并儲備適量的設備、材料，避免因缺少設備材料造成現(xiàn)場破碎帶處理工作無法開展。

3.3 破碎帶處理的實施

3.3.1 鉆孔作業(yè)

在破碎帶處理過程中，務必安排專業(yè)人員實施鉆孔作業(yè)。根據(jù)刀盤內(nèi)施工條件，經(jīng)驗豐富的鉆孔作業(yè)人員可快速判斷使用什么鉆孔設備來滿足鉆孔需求，并根據(jù)鉆孔過程中鉆桿的壓力、行進速度、聲音及巖粉等推斷前方巖石情況。超前鉆機應該由具有相關經(jīng)驗的人員進行操作，并要求超前鉆機廠家技術(shù)人員進行現(xiàn)場指導，以發(fā)揮超前鉆機的最佳工作性能。

3.3.2 化學灌漿作業(yè)

化學灌漿與常規(guī)水泥灌漿有所不同，不同的化學灌漿材料之間也存在差異，所以化學灌漿施工前需要對化學灌漿材料進行現(xiàn)場試驗，確定漿液配比、凝結(jié)時間等參數(shù)。化學灌漿施工過程中，建議材料廠家的技術(shù)人員在現(xiàn)場對化學灌漿施工進行技術(shù)指導，針對材料的性能、配比調(diào)整、操作過程、注意事項等進行詳細的交底，確保化學灌漿材料使用的安全和固結(jié)的效果。

3.3.3 刀盤啟動

在化學灌漿結(jié)束后，需要對灌漿錨桿進行拆除，并對化學灌漿材料進行清理，以便啟動刀盤。在施工過程中由于刀盤長期未轉(zhuǎn)動，可能存在化學灌漿材料過度擴散，包裹刀盤，造成刀盤啟動困難的情況發(fā)生，耗費大量時間進行處理。建議在施工條件允許的情況下，在破碎帶灌漿加固期間，定期轉(zhuǎn)動刀盤，以確保刀盤未被灌漿材料包裹。

3.4 雙護盾TBM改進設計

3.4.1 刀盤改進

對刀盤進行優(yōu)化設計，精簡刀盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得刀盤內(nèi)具有良好的鉆孔施工空間，滿足通過刀盤對前方破碎巖體鉆孔施工的要求。比如在不影響刀盤功能的前提下，可以考慮在刀盤上預留孔位等。

3.4.2 盾體設計

雙護盾TBM的盾體包括前盾、伸縮盾、支撐盾和尾盾，采用階梯式設計，直徑依次縮小，有效降低了護盾被卡的風險[4]。在滿足盾體功能的情況下，盡量縮短盾體長度，一定程度上可以降低卡機風險。支撐盾尾部的超前鉆機預留孔位盡量考慮在頂部180°的范圍內(nèi)密集布置，通過鉆孔灌漿形成完整的頂拱，以增強對刀盤頂部破碎巖體的加固效果。

3.4.3 超前鉆機設計

超前鉆機的主要作用是在TBM設備遇到不良地質(zhì)條件時，進行超前鉆孔灌漿，由于不良地質(zhì)的成孔條件一般較差，所以超前鉆機應具成孔深、鉆灌一體的特點，以滿足不良地質(zhì)加固處理的施工要求。超前鉆機在廠內(nèi)和施工現(xiàn)場都應進行組裝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，以確保其在洞內(nèi)可以正常使用。

4 總 結(jié)

蘭州市水源地建設工程TBM2破碎帶處理遵循先對破碎巖體進行灌漿加固、再掘進的基本思路開展處理工作。邀請國內(nèi)外知名專家到施工現(xiàn)場進行指導，論證施工方案的可行性。由于缺乏對類似問題的處理經(jīng)驗，破碎帶加固處理進展不順，存在設備材料短缺、方案執(zhí)行力不足、無專業(yè)技術(shù)人員指導等問題，增加了破碎帶處理時間。在推斷前方存在破碎帶后，應立即組織人員設備進行灌漿加固處理，而不是嘗試掘進通過破碎帶，可大大降低破碎帶處理的施工難度，提高施工效率。蘭州市水源地建設工程TBM2歷時89天，通過灌漿加固處理，順利通過該破碎帶。