高黎貢山隧道TBM不良地質(zhì)條件下卡機(jī)脫困施工關(guān)鍵技術(shù)

王亞鋒

(中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，采用機(jī)械化進(jìn)行地下交通運(yùn)輸和大型輸水工程的施工正在蓬勃發(fā)展[1-2]。我國(guó)在20世紀(jì)70年代首次使用TBM施工，時(shí)至今日TBM已在我國(guó)地下工程建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。TBM機(jī)械化兼?zhèn)浒踩?、速度快等多種優(yōu)點(diǎn)，是今后長(zhǎng)大隧道施工的趨勢(shì)[4-5]。但TBM在長(zhǎng)大隧道施工中一般會(huì)穿越斷層破碎帶等各種不良地質(zhì)段，其對(duì)于不良地質(zhì)條件適應(yīng)性差，極易造成卡機(jī)[6-7]。因TBM無(wú)法適應(yīng)不良地質(zhì)而導(dǎo)致施工失敗的情況國(guó)內(nèi)外時(shí)有發(fā)生,如昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞、臺(tái)灣坪林公路隧道、印度Dul Hasti水電工程引水隧洞[8],其中大多數(shù)都是TBM通過不良地質(zhì)段時(shí)發(fā)生了突水、塌方、卡機(jī)等工程難題,嚴(yán)重影響了工程安全、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[9]。

由于卡機(jī)的部位及地質(zhì)條件不盡相同，所采取的脫困處理技術(shù)也不相同。梁峰[10]針對(duì)TBM卡機(jī)采用化學(xué)灌漿加固進(jìn)行TBM脫困施工進(jìn)行了詳細(xì)論述； 秦銀平等[11]依托高黎貢山隧道，針對(duì)TBM卡機(jī)原因分析及采用導(dǎo)洞法脫困施工進(jìn)行了論述； 劉曉瑞[12]以引漢濟(jì)渭工程為例，對(duì)TBM卡機(jī)采用導(dǎo)洞反向加固脫困進(jìn)行了論述； 徐虎城[13]以新疆某引水工程為例, 通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和化學(xué)灌漿相結(jié)合的方法使TBM順利脫困； 馬聘[14]針對(duì)涌水造成TBM卡機(jī)問題，采用導(dǎo)洞法輔以泄水及注漿加固進(jìn)行脫困； 鄧青力[15]以中天山隧道為例，采用自進(jìn)式錨桿及化學(xué)注漿方法處理TBM卡機(jī)問題。

目前關(guān)于TBM不良地質(zhì)下卡機(jī)脫困施工相關(guān)研究主要針對(duì)某一個(gè)案例的不良地質(zhì)處理，不同的案例包含了卡機(jī)原因分析、化學(xué)灌漿改良地質(zhì)、導(dǎo)洞法脫困、不良地質(zhì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等方面，單個(gè)針對(duì)性的案例適用范圍較??； 同時(shí)，現(xiàn)有研究對(duì)掘進(jìn)參數(shù)與卡機(jī)的關(guān)系、掘進(jìn)參數(shù)控制措施、防卡機(jī)掘進(jìn)控制措施、不同規(guī)模不良地質(zhì)卡機(jī)脫困處治措施等方面研究相對(duì)較少。本文結(jié)合大瑞鐵路高黎貢山隧道TBM施工案例，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)次卡機(jī)受阻情況，提出掘進(jìn)參數(shù)與卡機(jī)的關(guān)系、掘進(jìn)參數(shù)控制措施以及防卡機(jī)掘進(jìn)控制措施等；同時(shí)，針對(duì)不同規(guī)模的不良地質(zhì)，研究刀盤清理法、循環(huán)管棚法、小導(dǎo)洞法、迂回導(dǎo)坑法等處治方法，并對(duì)不良地質(zhì)下TBM施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

大理至瑞麗鐵路位于云南省西部地區(qū)，東起廣大鐵路終點(diǎn)大理站，向西經(jīng)永平、保山、潞西等市縣，跨越漾濞江、順濞河、銀江大河、瀾滄江、怒江等大江大河，西至瑞麗，線路全長(zhǎng)約330 km。其中，高黎貢山隧道位于保山與龍陵之間，全長(zhǎng)34.538 km，是全線的重點(diǎn)控制性工程，全隧均位于直線上，隧道內(nèi)線路縱坡為人字坡，最大線路坡度為23.5‰，隧道最大埋深為1 155 m。

高黎貢山隧道位于喜馬拉雅地震帶，受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓，地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，具有高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度、活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動(dòng)力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程等“三高”、“四活躍”的特征。全隧共分布17套地層巖性、19條斷層，不良地質(zhì)條件主要有高地溫、軟巖大變形、涌水、斷層破碎帶、巖爆、巖溶、蝕變巖及節(jié)理密集帶、活動(dòng)斷裂帶、高烈度地震帶、放射性物質(zhì)、有害氣體、滑坡、偏壓等，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質(zhì)和重大風(fēng)險(xiǎn)，堪稱隧道建設(shè)“地質(zhì)博物館”。施工難度極大，工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)突出，其工程規(guī)模、建設(shè)難度與工程風(fēng)險(xiǎn)，在目前國(guó)內(nèi)隧道施工領(lǐng)域較為罕見。

高黎貢山隧道出口段主要采用TBM+鉆爆法聯(lián)合施工，正洞、平導(dǎo)TBM段分別采用1臺(tái)開挖直徑9.03、6.39 m的敞開式TBM掘進(jìn)施工，其中，正洞TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度為12 546 m，平導(dǎo)為10 623 m。出口施工段設(shè)計(jì)主要地層巖性為燕山期花崗巖(8 810 m)，中泥盆系回賢組白云巖(290 m)，斷層角礫(90 m)，物探Ⅴ級(jí)異常帶(840 m)，志留系中上統(tǒng)灰?guī)r、白云巖夾石英砂巖(460 m)?；◢弾r地段石英體積分?jǐn)?shù)為35%～60%，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為4.6～65.2 MPa。主要發(fā)育廣林坡斷層(50 m)、老董坡斷層(50 m)、塘房斷層(50 m)、傈粟田斷裂(50 m)4條斷層和2段蝕變巖帶(347 m)。預(yù)測(cè)軟巖大變形段總長(zhǎng)410 m，輕微巖爆段長(zhǎng)180 m。

TBM掘進(jìn)段地下水以基巖裂隙水為主，出口段預(yù)測(cè)最大涌水量約4.53×104m3/d。高黎貢山隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 高黎貢山隧道地質(zhì)縱斷面圖

2 TBM卡機(jī)及處理概況

高黎貢山隧道出口TBM段受深大活動(dòng)斷裂及多期巖漿侵入蝕變等影響，巖體遭受多重地質(zhì)構(gòu)造的破壞，陡傾節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，區(qū)內(nèi)降雨量大，地下水下滲深度大，隧道洞身節(jié)理密集破碎風(fēng)化帶發(fā)育，其分布不規(guī)律、不連續(xù)，圍巖變化頻繁。節(jié)理密集破碎帶巖體呈強(qiáng)風(fēng)化碎塊狀、碎石、角礫狀或全風(fēng)化砂礫狀，部分風(fēng)化蝕變成黏土，圍巖穩(wěn)定性差，遇水易掉塊或垮塌，呈松散碎塊狀堆積體或礫砂質(zhì)渾濁泥石流狀，易造成掉塊坍塌、失穩(wěn)溜坍等情況。

受制于極端復(fù)雜不良地質(zhì)條件影響，截至2020年6月，2臺(tái)TBM掘進(jìn)累計(jì)發(fā)生卡機(jī)多達(dá)19次。TBM卡機(jī)主要由于圍巖整體破碎、糜棱化嚴(yán)重，遇水呈流塑狀大量流出，致使TBM無(wú)法掘進(jìn)； 之后隨著巖塊掉落，壓死刀盤、盾殼及皮帶機(jī)，導(dǎo)致TBM被卡。

根據(jù)卡機(jī)時(shí)遇到的地質(zhì)情況，可將其劃分為巖性接觸帶卡機(jī)、斷層破碎帶卡機(jī)、全風(fēng)化花崗巖粉細(xì)砂地層卡機(jī)、涌水卡機(jī)、高壓富水軟弱破碎蝕變構(gòu)造帶卡機(jī)等。結(jié)合不同的處治方法，典型案例如下。

2.1 巖性接觸帶卡機(jī)

平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至里程PDZK225+287處時(shí)，掌子面周邊圍巖失穩(wěn)垮塌，刀盤被坍塌巖體卡住無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。該位置為白云巖、砂巖與花崗巖接觸帶，巖性接觸帶受擾動(dòng)后沿接觸面結(jié)合位置滑塌，大塊狀巖塊堆積在刀盤上，巖塊與刀盤咬合交錯(cuò)形成極大阻力，造成刀盤轉(zhuǎn)矩過大不能轉(zhuǎn)動(dòng)，致使卡機(jī)。

圖2 巖性接觸帶刀盤被卡

現(xiàn)場(chǎng)采用的主要措施為對(duì)掌子面周邊破碎圍巖循環(huán)加固(單循環(huán)2～5 m)，使其具有自穩(wěn)能力后清除卡刀盤渣體，降低轉(zhuǎn)矩后使TBM掘進(jìn)通過。掌子面周邊采用玻璃纖維錨桿作為注漿管，通過刀孔打入刀盤周邊巖體注化學(xué)漿液加固； 盾體上方采用超前管棚化學(xué)灌漿加固。超前注漿加固后，人工通過刀孔對(duì)刀盤周邊積渣清理后脫困。本次卡機(jī)處理時(shí)長(zhǎng)為20 d，處理不良地質(zhì)長(zhǎng)度為30 m。

2.2 斷層破碎帶卡機(jī)

平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至里程PDZK221+781處時(shí)，TBM推進(jìn)轉(zhuǎn)矩持續(xù)增大、推進(jìn)速度緩慢，盾尾處揭露圍巖為花崗巖，強(qiáng)—全風(fēng)化，圍巖完整性差，整體破碎，呈角礫狀?yuàn)A雜細(xì)渣，如圖3所示。刀孔處為泥沙狀松散渣體，刀孔均被堵塞，地下水發(fā)育，掌子面局部股狀出水，大面積線狀出水，出水量約為100 m3/h，巖體強(qiáng)風(fēng)化，遇水軟化，有流塑狀渣體從刀孔內(nèi)涌出，大量軟弱破碎圍巖堆積在刀盤周邊造成刀盤被卡。

圖3 斷層破碎帶揭示圍巖

針對(duì)地下水發(fā)育的現(xiàn)狀，主要處置方案為超前泄水+超前加固?？紤]拱部泄水對(duì)掌子面圍巖的影響，泄水孔布設(shè)在盾尾下部，在隧底仰拱位置斜向上方施作泄水孔，孔徑為90 mm，長(zhǎng)度為50～70 m。如鉆孔后存在塌孔現(xiàn)象，可及時(shí)在孔內(nèi)安裝鋼制泄水導(dǎo)管，泄水孔數(shù)量的確定依據(jù)為掌子面股狀出水全部分流。泄水后即采用掌子面循環(huán)化學(xué)灌漿及盾尾超前管棚注漿加固，本次化學(xué)灌漿采用的堵水型化學(xué)漿液，有效改善了掌子面圍巖情況，加固完成后通過盾體周邊清渣脫困恢復(fù)了掘進(jìn)。本次卡機(jī)處理時(shí)長(zhǎng)為13 d，處理不良地質(zhì)長(zhǎng)度為30 m。

2.3 全風(fēng)化花崗巖粉細(xì)砂地層卡機(jī)

正洞TBM掘進(jìn)至里程D1K224+212處時(shí)，掌子面揭示圍巖整體呈粉細(xì)砂狀，如圖4所示。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中掌子面持續(xù)溜坍不能自穩(wěn)，造成TBM刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，轉(zhuǎn)矩增大，出渣量難以控制。隨著地下水的逐步滲透，粉細(xì)砂狀圍巖遇水泥沙化，發(fā)展成為流沙狀，大量涌入刀盤，造成皮帶機(jī)壓力過大，且掘進(jìn)轉(zhuǎn)矩持續(xù)增大，推進(jìn)異常困難，TBM掘進(jìn)受阻。經(jīng)鉆探驗(yàn)證，本次不良地質(zhì)范圍較大，同時(shí)掌子面流沙后，護(hù)盾區(qū)域圍巖發(fā)生沉降錯(cuò)動(dòng)，造成護(hù)盾被卡，致使TBM卡機(jī)。因此，本次處理方案為超前泄水+掌子面超前化學(xué)灌漿+導(dǎo)洞法脫困+超前加固，泄水及掌子面加固與前述不良地質(zhì)處理類似，不再贅述。

圖4 掌子面揭示粉細(xì)砂狀圍巖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)盾體周邊化學(xué)注漿后，在正拱頂施作小導(dǎo)洞釋放刀盤阻力，并通過導(dǎo)洞擴(kuò)挖進(jìn)行超前加固后通過。本次導(dǎo)洞法除超前加固外，兼顧護(hù)盾脫困，小導(dǎo)洞開挖至掌子面之后清理刀盤前方積渣，并就護(hù)盾區(qū)域進(jìn)行環(huán)向擴(kuò)挖，擴(kuò)挖范圍為120°，達(dá)到了釋放刀盤、護(hù)盾的目的。同時(shí)，利用該擴(kuò)挖范圍施作水平超前管棚，管棚注漿后有效改善了地質(zhì)條件，TBM脫困后掘進(jìn)通過該不良地質(zhì)。本次卡機(jī)處理時(shí)長(zhǎng)為42 d，處理不良地質(zhì)長(zhǎng)度為39 m。

2.4 涌水卡機(jī)

正洞TBM掘進(jìn)至里程D1K226+014.773處，停機(jī)支護(hù)期間掌子面突發(fā)涌水，地下水裹挾巖渣進(jìn)入刀艙后分別自防塵盾底部、主大梁刀盤出入口、1#皮帶機(jī)處涌出，涌水量約500 m3/h，如圖5所示。涌水致使拱部形成高度約10 m的塌腔，TBM掘進(jìn)受阻。

圖5 涌水

本工程為上坡掘進(jìn)，不良地質(zhì)處治方法主要為涌水引排、塌腔回填。對(duì)于集中涌水點(diǎn)，采用自制漏斗形收集器集中引排至仰拱區(qū)域； 對(duì)于散水，在該區(qū)域均勻布設(shè)直徑50 mm透水盲管引排至仰拱區(qū)域。塌腔回填在預(yù)埋灌漿管后進(jìn)行，安裝拱架及噴射混凝土封閉完成后采用輸送泵泵送C25細(xì)石混凝土進(jìn)行塌腔回填直至完成。本次卡機(jī)處理時(shí)長(zhǎng)為8 d，處理不良地質(zhì)長(zhǎng)度為43 m。

2.5 高壓富水軟弱破碎蝕變構(gòu)造帶卡機(jī)

平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至PDZK221+481處，圍巖收斂變形造成護(hù)盾被卡，隨后出現(xiàn)掌子面溜坍、盾尾已支護(hù)段初期支護(hù)變形。在后續(xù)處治過程中出現(xiàn)鉆孔無(wú)法穿透不良地質(zhì)體(孔內(nèi)壓力大頂鉆、泥漿裹鉆、卡鉆等)、鉆孔內(nèi)高壓噴涌泥漿、涌水?dāng)y帶渣體掩埋TBM等異常情況，造成TBM被困，如圖6所示。

圖6 突泥涌水造成TBM被埋

現(xiàn)場(chǎng)采用在TBM尾部增設(shè)迂回導(dǎo)坑超前后進(jìn)行超前泄水降壓改良地質(zhì)，泄水降壓后在TBM護(hù)盾尾部增設(shè)管棚工作室施作超前管棚加固，之后對(duì)TBM盾體及刀盤區(qū)域進(jìn)行拱部180°擴(kuò)挖，TBM脫困恢復(fù)掘進(jìn)。本次卡機(jī)處理時(shí)長(zhǎng)為256 d，處理不良地質(zhì)長(zhǎng)度為152 m。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

TBM卡機(jī)均由不良地質(zhì)引起，不良地質(zhì)表現(xiàn)為軟弱破碎圍巖不能自穩(wěn)，持續(xù)垮塌，遇水后即形成溜坍，輕則造成隧底積渣、刀盤內(nèi)及周邊積渣，致使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，皮帶機(jī)壓力增大，掘進(jìn)參數(shù)異常； 重則持續(xù)垮塌，壓死刀盤及護(hù)盾，甚至形成突涌掩埋設(shè)備。為降低TBM在不良地質(zhì)條件下被卡及突涌造成設(shè)備被埋風(fēng)險(xiǎn)，TBM在不良地質(zhì)條件下施工需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

不良地質(zhì)段掘進(jìn)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為指導(dǎo)施工的一種手段，受地質(zhì)復(fù)雜性、TBM設(shè)備本身信號(hào)干擾與屏蔽、超前預(yù)報(bào)技術(shù)限制等因素影響，現(xiàn)有TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)還不足以精確探明前方地質(zhì)情況，對(duì)不良地質(zhì)不能“定量”分析，各項(xiàng)預(yù)報(bào)技術(shù)仍在總結(jié)探索。

高黎貢山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用物探輔以鉆探的方式相互印證，指導(dǎo)TBM施工。其中，物探手段主要采用激發(fā)極化法、地震波反射法、TBM破巖震源地震波超前探測(cè)、水平超聲波反射法，優(yōu)缺點(diǎn)相互補(bǔ)充，以期達(dá)到最佳預(yù)報(bào)效果(如激發(fā)極化對(duì)探測(cè)地下水比較準(zhǔn)確，地震波反射法對(duì)節(jié)理裂隙探測(cè)比較準(zhǔn)確，水平超聲波反射法對(duì)破碎帶探測(cè)較為準(zhǔn)確)。除此之外，掘進(jìn)過程中需注重現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描，包含盾尾揭示圍巖地質(zhì)素描、通過刀孔查看掌子面圍巖情況、渣樣查看等方面，為掘進(jìn)提供參考，必要時(shí)增設(shè)超前鉆孔輔以孔內(nèi)成像辨識(shí)地質(zhì)情況。

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，如物探顯示掌子面前方地下水發(fā)育，則可采用增設(shè)泄水孔/泄水洞的方式進(jìn)行超前泄水改善地質(zhì)條件。如物探顯示圍巖完整性差持續(xù)段落長(zhǎng)，可補(bǔ)充超前鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。鉆探驗(yàn)證TBM掘進(jìn)難度大時(shí)，應(yīng)采取必要的超前加固等措施。對(duì)于存在異常反射的區(qū)段，掘進(jìn)過程中需重點(diǎn)關(guān)注掘進(jìn)參數(shù)的變化并進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整。

3.2 掘進(jìn)控制技術(shù)

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)與卡機(jī)的關(guān)系

不良地質(zhì)掘進(jìn)過程中需控制掘進(jìn)參數(shù)。結(jié)合高黎貢山TBM施工情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)分析總結(jié)(見表1)，出現(xiàn)以下幾種情況時(shí)卡機(jī)的概率增大：

1)高黎貢山隧道強(qiáng)—全風(fēng)化花崗巖、節(jié)理裂隙發(fā)育地層，正洞TBM推力低于8 000 kN，平導(dǎo)TBM推力低于5 000 kN，說明圍巖強(qiáng)度極低，若地下水發(fā)育、圍巖整體性差，則極易出現(xiàn)掌子面溜坍卡機(jī)。

2)高黎貢山隧道強(qiáng)—全花崗巖、掌子面圍巖巖體破碎、易掉塊垮塌、完整性差、穩(wěn)定性差，正洞TBM轉(zhuǎn)矩大于9 000 kN·m，平導(dǎo)TBM轉(zhuǎn)矩大于3 500 kN·m時(shí)卡刀盤概率大。

3)高黎貢山隧道花崗巖地層圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎、易掉塊坍塌段，當(dāng)正洞TBM頂護(hù)盾壓力大于180 MPa、平導(dǎo)TBM頂護(hù)盾壓力大于150 MPa時(shí)，如不能穩(wěn)定持續(xù)上漲，則卡護(hù)盾概率大。

表1 掘進(jìn)參數(shù)與卡機(jī)關(guān)系

例如： 平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至里程PDZK224+313.8處遭遇卡機(jī)，該段掘進(jìn)推力為4 000～5 500 kN且護(hù)盾壓力較大，TBM推進(jìn)過程中轉(zhuǎn)矩突然增大至3 000～4 500 kN·m，隨后刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)困難遭遇卡機(jī)。進(jìn)入刀盤查看時(shí)發(fā)現(xiàn)刀孔、刮渣口均被粉細(xì)砂夾塊石堵死，掌子面出現(xiàn)溜塌。又例如正洞TBM掘進(jìn)至里程D1K223+342處遭遇卡機(jī)，該段掘進(jìn)推力為6 500～8 000 kN,TBM掘進(jìn)過程中轉(zhuǎn)矩突然大幅度跳動(dòng)增大至9 000～10 500 kN·m，且頂護(hù)盾壓力持續(xù)上升，隨后遭遇卡機(jī)。進(jìn)入刀盤查看發(fā)現(xiàn)掌子面圍巖垮塌，刀盤周邊及前方為塊石、細(xì)渣堆積，刀孔均被堵塞。

除推力、轉(zhuǎn)矩、頂護(hù)盾壓力外，從掘進(jìn)參數(shù)控制方面，還需要關(guān)注的掘進(jìn)參數(shù)有刀盤轉(zhuǎn)速、電機(jī)電流、貫入度、掘進(jìn)速度、皮帶機(jī)壓力、撐靴壓力等。例如出渣量大、皮帶機(jī)壓力高時(shí)應(yīng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，出渣均勻、貫入度低時(shí)應(yīng)提高刀盤轉(zhuǎn)速，加快掘進(jìn)速度； 電機(jī)電流增大時(shí)說明刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大，同步轉(zhuǎn)矩也會(huì)上升； 皮帶機(jī)壓力大時(shí)多伴隨出渣不均勻或出渣量大，應(yīng)降低刀盤轉(zhuǎn)速； 撐靴壓力反應(yīng)了撐靴穩(wěn)定狀態(tài)，壓力被動(dòng)降低說明撐靴處巖軟弱易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象等。

3.2.2 掘進(jìn)參數(shù)控制措施

對(duì)于掘進(jìn)參數(shù)的控制，有以下幾方面的措施。

3.2.2.1 TBM操作手

主要掘進(jìn)參數(shù)控制原則應(yīng)為： 完整圍巖段高刀盤轉(zhuǎn)速并根據(jù)貫入度及掘進(jìn)速度調(diào)整推力快速掘進(jìn)； 對(duì)于軟弱破碎圍巖，應(yīng)采用低轉(zhuǎn)速； 掘進(jìn)速度快、出渣量大時(shí)，應(yīng)降低推力； 掘進(jìn)速度慢時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加推力提高掘進(jìn)速度，防止原地出渣。

3.2.2.2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)

目前中鐵隧道局使用的盾構(gòu)、TBM均應(yīng)用了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)可通過網(wǎng)絡(luò)傳送至手機(jī)APP上，管理人員可隨時(shí)查看掘進(jìn)參數(shù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)及管控。

3.2.2.3 預(yù)警管理及對(duì)應(yīng)措施

針對(duì)不同的TBM，針對(duì)性地制定掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警值，當(dāng)掘進(jìn)參數(shù)達(dá)到預(yù)警值時(shí)，采取相應(yīng)的處治措施。例如推力降低或轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，及時(shí)進(jìn)入刀盤查看掌子面圍巖情況，確定是否需要采取超前加固等措施； 當(dāng)護(hù)盾壓力增大，應(yīng)查看護(hù)盾油缸位移及護(hù)盾周邊圍巖情況，對(duì)應(yīng)地增設(shè)護(hù)盾限位裝置及加固盾體周邊圍巖，降低護(hù)盾被卡風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.3 防卡機(jī)措施

關(guān)于防卡機(jī)，從TBM掘進(jìn)控制方面有以下幾點(diǎn)管控措施，但對(duì)于特別復(fù)雜的地質(zhì)條件作用有限，且對(duì)設(shè)備損傷較大。

1)不良地質(zhì)段停機(jī)期間，護(hù)盾需撐緊巖面，每30 min轉(zhuǎn)1次刀盤，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)超過1圈如無(wú)異常即可停止，避免超量出渣。

2)地下水發(fā)育時(shí)，刀盤內(nèi)需持續(xù)抽排水，防止積水浸泡造成掌子面垮塌。轉(zhuǎn)動(dòng)前將刀盤內(nèi)積渣清除，如轉(zhuǎn)動(dòng)困難則采用脫困模式。

3)如發(fā)生刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)困難，即刻按照順序采取如下措施： ①刀盤反轉(zhuǎn)，如果轉(zhuǎn)矩降低則刀盤正轉(zhuǎn)，循環(huán)持續(xù)至刀盤可正常轉(zhuǎn)動(dòng)； ②刀盤正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)后，立即增加轉(zhuǎn)速，0.5 r/min以下轉(zhuǎn)矩很難下降； ③在前2步失效的情況下，嘗試后退刀盤2～5 cm，然后按照前2步操作進(jìn)行。

4)推進(jìn)困難且護(hù)盾壓力大時(shí)，多數(shù)情況可能出現(xiàn)護(hù)盾被卡，需要通過油缸適當(dāng)回收護(hù)盾(0.5～1 cm)，之后加大推力快速推進(jìn)，但存在的問題是不良地質(zhì)段護(hù)盾極易被圍巖快速擠壓至限位處無(wú)法進(jìn)一步回收，該問題除快速通過外，護(hù)盾油缸支撐力方面也需進(jìn)一步研究提升。護(hù)盾回收會(huì)造成初期支護(hù)侵限，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)要求，侵限處治方法如下： ①對(duì)設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行調(diào)整，縮小內(nèi)凈空； ②鑿除侵限初期支護(hù)混凝土，如仍不能滿足則需在徑向注漿后進(jìn)行既有初期支護(hù)拆換。

3.3 初期支護(hù)

不良地質(zhì)段掘進(jìn)支護(hù)，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境差、工作量大、工序復(fù)雜，突發(fā)或不可預(yù)判情況多，安全風(fēng)險(xiǎn)高。結(jié)合高黎貢山隧道施工情況，就幾點(diǎn)非常規(guī)技術(shù)進(jìn)行介紹。

3.3.1 卸渣

TBM使用鋼筋排支護(hù)，背部往往會(huì)堆積大量松散破碎圍巖，如果圍巖整體穩(wěn)定，局部侵限，可以局部清理保證凈空滿足要求。如果圍巖整體穩(wěn)定性差，則不可卸渣，否則會(huì)持續(xù)垮塌，甚至掩埋TBM，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。對(duì)于類似情況，可先對(duì)該處進(jìn)行徑向注漿加固，確定其具有自穩(wěn)能力后，再對(duì)嚴(yán)重侵限處進(jìn)行鑿除，之后進(jìn)行網(wǎng)片、鋼拱架、噴射混凝土等初期支護(hù)作業(yè)。

3.3.2 超前泄水

對(duì)于軟弱破碎地層，超前泄水可以有效降低掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，改善前方地質(zhì)環(huán)境，但泄水的關(guān)鍵點(diǎn)在于泄水位置(掌子面及周邊)圍巖完整程度。如圍巖軟弱破碎，需謹(jǐn)慎布置泄水孔，避免出水導(dǎo)致掌子面富水后失穩(wěn)溜坍，甚至卡機(jī)。類似地質(zhì)條件下泄水，可選擇增設(shè)泄水洞、拱腰以下設(shè)置泄水孔等，如圖7所示。

圖7 循環(huán)泄水洞方案示意圖(單位： m)

3.3.3 超前預(yù)加固

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合實(shí)際揭示圍巖情況。當(dāng)判定掌子面前方存在TBM難以掘進(jìn)通過的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行超前預(yù)加固。預(yù)加固包括通過刀盤向掌子面打設(shè)玻璃纖維錨桿并灌注化學(xué)漿液、在盾尾拱部施作超前管棚等方式，具體需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況確定。

3.3.4 后期加固

對(duì)于TBM掘進(jìn)揭示的不良地質(zhì)，在采用初期支護(hù)系統(tǒng)封閉后，必須徑向深孔注漿加固，尤其是富水段。若僅封閉表層，會(huì)造成地下水?dāng)y帶渣土流失，存在塌方冒頂、突涌等風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 卡機(jī)脫困施工

3.4.1 刀盤清理法

3.4.1.1 適用條件

圍巖弱風(fēng)化具有一定強(qiáng)度，掌子面圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，局部破碎掉塊垮塌，具有一定自穩(wěn)能力的小規(guī)模破碎帶施工。

3.4.1.2 施工方案

通過刀孔、盾尾向掌子面及刀盤盾體周邊頂部注化學(xué)漿液進(jìn)行加固，之后對(duì)刀盤內(nèi)及周邊(前方)堆積渣體采用人工掏渣方式清理，減少刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力直至脫困。破碎圍巖自盾尾出露后，采用鋼筋排支護(hù)，并對(duì)存在較大空腔、較厚松散體的位置預(yù)埋注漿管，最后應(yīng)急噴射混凝土封閉，控制掘進(jìn)參數(shù)緩慢掘進(jìn)通過，待通過該段不良地質(zhì)后，在后配套處對(duì)存在空腔及松散段落進(jìn)行注漿回填密實(shí)。

破碎段噴漿封閉后徑向注漿加固，富水區(qū)域打設(shè)泄水孔，撐靴部位模筑混凝土。

3.4.2 循環(huán)管棚法

3.4.2.1 適用條件

圍巖弱—中風(fēng)化，具有一定強(qiáng)度，局部圍巖垮塌自穩(wěn)能力差，整體圍巖具有一定自穩(wěn)能力的一般規(guī)模軟弱、富水破碎帶。

3.4.2.2 施工方案

采用盾尾循環(huán)管棚+掌子面玻璃纖維管循環(huán)加固的方式進(jìn)行超前加固，如圖8所示。為防止?jié){液固結(jié)損壞刀盤及主軸承，TBM盾體周邊注漿漿液應(yīng)為化學(xué)漿液。注漿加固后清理刀盤周邊積渣并恢復(fù)掘進(jìn)，期間輔助施作超前泄水孔或超前泄水洞，初期支護(hù)為鋼筋排+拱架+應(yīng)急噴混凝土封閉+徑向初期支護(hù)背后注漿。

3.4.3 導(dǎo)洞法

3.4.3.1 適用條件

圍巖強(qiáng)—全風(fēng)化、強(qiáng)度低、垮塌范圍大、自穩(wěn)能力差且存在較大卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)的較大規(guī)模破碎帶施工，或已發(fā)生卡機(jī)進(jìn)行脫困施工。

(a) 正視圖

(b) 側(cè)視圖(第2次管棚施作后)

3.4.3.2 施工方案

在護(hù)盾上方開挖小導(dǎo)洞至掌子面，根據(jù)管棚施作空間需求及護(hù)盾脫困需求，對(duì)導(dǎo)洞進(jìn)行環(huán)向擴(kuò)挖，形成管棚工作室并同步釋放護(hù)盾，超前管棚施作完成后對(duì)刀盤進(jìn)行清理，恢復(fù)TBM掘進(jìn)。導(dǎo)洞法橫縱斷面如圖9所示。

(a) 橫斷面圖

(b) 縱斷面圖

3.4.4 迂回導(dǎo)坑法

3.4.4.1 適用條件

大規(guī)模斷層破碎帶、地質(zhì)條件復(fù)雜、TBM通過安全風(fēng)險(xiǎn)高、導(dǎo)洞法等方法無(wú)法通過的不良地質(zhì)條件。

3.4.4.2 施工方案

自TBM后部增設(shè)迂回導(dǎo)坑，繞行至TBM前方，通過迂回導(dǎo)坑向TBM側(cè)施作高位支洞，利用高位支洞進(jìn)行高位注漿及泄水改良地質(zhì)； 導(dǎo)坑開挖至TBM掌子面前方后，迂回繞行至平導(dǎo)，采用鉆爆法對(duì)TBM掌子面前方不良地質(zhì)進(jìn)行開挖處理后，TBM步進(jìn)通過。該方案施工規(guī)模大、成本投入高、處治周期長(zhǎng)，除非常規(guī)手段無(wú)法處理，否則不建議采用。

4 結(jié)論及建議

隨著TBM的發(fā)展及施工領(lǐng)域的拓展，越來(lái)越多的TBM被應(yīng)用在不良地質(zhì)條件下。關(guān)于敞開式TBM預(yù)加固后再掘進(jìn)的思路，從理論上來(lái)說并無(wú)不當(dāng)，但存在明顯缺陷： 1)預(yù)加固效果不佳(無(wú)法有效封閉帶壓注漿)； 2)處理時(shí)間長(zhǎng)，TBM停機(jī)降效； 3)預(yù)處理易將地下水引過來(lái)，加劇掌子面惡化； 4)地質(zhì)預(yù)報(bào)手段尚達(dá)不到準(zhǔn)確定位停機(jī)預(yù)加固位置的效果。

結(jié)合高黎貢山隧道TBM施工實(shí)例，在遭遇不良地質(zhì)后，一般松散破碎圍巖采用超前預(yù)加固可保證TBM順利掘進(jìn)通過不良地質(zhì)段。但對(duì)于巖性接觸帶、蝕變構(gòu)造帶、富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)，采用超前預(yù)加固，其效果已無(wú)法滿足TBM施工條件，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取管棚結(jié)構(gòu)棚護(hù)、超前泄水、掌子面循環(huán)加固等綜合掘進(jìn)措施，盡量保證TBM連續(xù)緩慢掘進(jìn)，避免停機(jī)加固； 如已發(fā)生卡機(jī)，則采用刀盤清理法、循環(huán)管棚法、導(dǎo)洞法、迂回導(dǎo)坑法等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下脫困恢復(fù)掘進(jìn)。上述幾種方法，可以根據(jù)具體情況單一或組合使用，輔以必要的超前泄水、掘進(jìn)參數(shù)控制以及初期支護(hù)加強(qiáng)等措施，能有效解決TBM在軟弱破碎富水條件下的施工需求。

受空間及設(shè)備保護(hù)方面的限制，采用人工輔助的方法處理TBM卡機(jī)脫困及不良地質(zhì)超前加固等雖然可行，但施工難度大、作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工效率低。因此，還需在TBM設(shè)備性能提升、輔助機(jī)械設(shè)備優(yōu)化等方面進(jìn)一步研究，使TBM具備更強(qiáng)的超前加固能力以及防卡脫困能力。

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