軟弱地質(zhì)條件下雙護盾TBM 脫困技術(shù)

楊 壘

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

隨著交通運輸、引水等工程項目的開展，越來越多的山嶺隧道項目采用全斷面硬巖掘進機（以下簡稱TBM）進行開挖作業(yè)[1]。雙護盾TBM 對比傳統(tǒng)的鉆爆法具備快速掘進、支護便捷、安全環(huán)保等優(yōu)勢，其越來越多地被應(yīng)用于大直徑、深埋、長距離隧洞的施工。但雙護盾TBM 本身主機部分長，在破碎圍巖、富水地層等不良地質(zhì)條件下易發(fā)生卡機現(xiàn)象。一旦發(fā)生卡機問題，處理耗時普遍較長，短則幾日長達數(shù)月，對施工進度會造成嚴重影響，甚至有的工點平均進度低于類似地層的鉆爆法施工。本文將羅列出雙護盾TBM 卡機事故的幾種類型，并根據(jù)不同的成因提出解決方案，希望能夠?qū)︻愃祈椖吭谠O(shè)備選型和現(xiàn)場施工提供借鑒。

1 工程概況及設(shè)備簡介

引洮一期供水工程9 號隧洞位于甘肅省定西市內(nèi)管營鎮(zhèn)，該項目采用一臺雙護盾TBM 進行施工，其開挖直徑為5.75m。在設(shè)備卡機地段的巖層為V 類圍巖，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)過測定原狀單向抗壓強度僅為2-3.5MPa，圍巖自穩(wěn)性差，變形破壞嚴重，強度很難滿足TBM 掘進要求。在施工過程中，TBM 尾盾后半部頂部變形比原設(shè)計回縮了28～30mm，多次出現(xiàn)TBM無法正常脫困現(xiàn)象。

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

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

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

2 雙護盾TBM 卡機類型及原因分析

通過該雙護盾TBM 項目施工過程，總結(jié)發(fā)現(xiàn)卡機事故通常有以下幾種類型：

2.1 卡刀盤

當(dāng)TBM 經(jīng)過破碎帶時，掌子面自穩(wěn)性較差，同時在刀盤擠壓的擾動下，圍巖會自動坍塌，大量的渣石會從前方涌進刀盤內(nèi)。此時刀盤底部會大量堆渣，造成刀盤扭矩和電流過大，最后導(dǎo)致刀盤扭矩超過限定值而無法啟動，皮帶機也因為輸送能力限制而過載無法轉(zhuǎn)動。

2.2 卡護盾

造成卡護盾的原因有兩種類型：

（1）當(dāng)圍巖的自穩(wěn)性極差時，剛開挖出來盾殼上部的間隙會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 通過此類地層時，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 護盾還沒有通過該段圍巖時出現(xiàn)盾殼抱死現(xiàn)象。

在引洮項目中，其易卡機隧道圍巖均為V 級圍巖，圍巖塑性變形較大，經(jīng)試驗巖石的單軸抗壓強度在10Mpa 以下，其各項力學(xué)強度較低。頂部尾巖由于自重，在其層間結(jié)合部易開裂和下沉，造成護盾頂部承受的壓力超過了設(shè)計的載荷值，致使護盾產(chǎn)生變形，TBM 無法自主脫困[3]。

3 脫困的處理方案

目前國內(nèi)外針對TBM 卡機問題，主要采取以下處理方案：

3.1 改變TBM 掘進參數(shù)

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

3.2 刀盤清理法

當(dāng)大量渣石落入刀盤無法轉(zhuǎn)動時，可以采用人工刀盤清理的辦法，達到快速脫困的目的。首先通過刀孔及尾盾向掌子面和盾體周邊頂部注入化學(xué)漿液進行加固，然后對刀盤及周邊堆積的渣石進行人工掏渣清理，減少刀盤啟動扭矩直至其正常轉(zhuǎn)動。當(dāng)TBM 能夠正常掘進后，及時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，在護盾兩側(cè)腰線以上的位置進行人工開挖作業(yè)，同時進行有效的支護，逐步減小圍巖與護盾之間的擠壓力。具體方法為：根據(jù)現(xiàn)場盾殼抱死情況，在尾盾后方適當(dāng)位置鑿開一個高度1.2m 的弧形導(dǎo)洞。要邊開挖邊支護，采用16#工字鋼進行支護，其支護間距為1.0m。為了防止破碎的渣石脫落至導(dǎo)洞內(nèi)，及時用厚度20mm 的木板安插在工字鋼外側(cè)作為擋板，降低對導(dǎo)洞開挖的影響。

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

圖1 開挖斷面示意圖

當(dāng)開挖至撐緊盾的撐靴位置時，可以嘗試啟動TBM，如果能夠啟動，開挖到此為止。如果不能重啟，還需繼續(xù)向前開挖伸縮盾上部圍巖，開挖的斷面與尾盾一致，開挖距離的長度要依據(jù)TBM 啟動為準。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，主要用于對松散圍巖的固結(jié)，確保主機周邊圍巖的穩(wěn)定[2]。一般采用聚氨酯類材料向掌子面進行鉆孔灌漿（灌漿點位如圖3 所示），然后再注入水泥漿液，該種方法也被叫做“短注長支”法[4-5]。

圖3 掌子面化學(xué)灌漿點位示意圖

灌漿材料由A、B 兩組構(gòu)成，其體積比按照1∶1 來配比。灌漿完成1h 后，其強度即可滿足要求，人員可以進入刀盤內(nèi)部清理底部堆積的渣石。灌漿完成48h 內(nèi)，基本可以將刀盤脫困。此時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，可以抵抗掘進時擾動力。當(dāng)前盾、撐緊盾和尾盾被卡死，破碎的渣石較多時，可以采用化學(xué)灌漿的方法進行前期固定，然后再進行局部擴挖，以保證施工時的作業(yè)安全。

如遇到長距離的地質(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，具有長鏈結(jié)構(gòu)、易溶于水，水泥基漿體具有較好的黏附性能，無泌水，抗水流分散能力強，凝結(jié)時間可調(diào)控、早期強度高，在大黏度值的情況下仍然具備良好的流動度，滿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，采用導(dǎo)坑法無法進行施工作業(yè)時，可以采用迂回導(dǎo)坑法進行TBM 脫困。首先在已成型的隧洞中確定最佳開口位置，然后利用風(fēng)鎬及爆破方式進行開挖迂回導(dǎo)洞至TBM 刀盤前方，對斷層斷裂帶進行注漿、泄水、加固等礦山法施工。施工完畢后，TBM 步進通過此區(qū)間，逐步恢復(fù)正常掘進施工[6]。該方案施工周期長、成本高、施工風(fēng)險較大，是否實施此方案應(yīng)綜合進行考慮。

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

4 防止卡機事故的預(yù)防措施

4.1 增大開挖直徑

在通過地質(zhì)圍巖情況不良的地段，可以采用加大刀盤邊刀開挖直徑等擴挖手段，使開挖的圍巖與護盾的間隙加大20～30mm。在圍巖還沒有來得及接觸護盾時，快速掘進通過。

4.2 加強地質(zhì)勘探的準確性

雙護盾TBM 施工工法越來越離不開地質(zhì)勘測的準確性，一份詳細的勘測報告決定了施工的進度，同時也能大大降低施工的風(fēng)險。從多個雙護盾TBM 的項目實踐證明，該工法對地質(zhì)的依賴性很強。在青海引大濟湟、陜西引紅濟石等工程中，TBM 多次出現(xiàn)卡機事故，其原因為地質(zhì)勘測不夠準確；而引黃入晉工程前期地質(zhì)勘探較為詳盡，在施工時提前對不良地段進行了處理，大大降低了雙護盾TBM 在通過時的風(fēng)險，很少出現(xiàn)卡機現(xiàn)象[3]。

4.3 適當(dāng)縮短尾盾加強潤滑

尾盾與管片的接觸距離過長，極易造成尾盾卡在圍巖和管片之間，無法自主脫困。根據(jù)引洮項目現(xiàn)場的使用情況，將尾盾割除了一部分，同時在安裝管片時在尾盾內(nèi)側(cè)涂抹油脂，降低了摩擦阻力。在伸縮盾和前護盾上增加注脂孔，采用氣動多點泵往盾殼與巖壁之間注入廉價油脂，以減小TBM 前進時的摩擦阻力。

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。圍巖與護盾接觸面積逐漸減低，雙護盾TBM 推進所需克服摩擦阻力也會一定程度減小，豆礫石快速回填工序，能夠降低雙護盾TBM 卡機的風(fēng)險，但對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

雙護盾TBM 施工存在長護盾的防護，提高了施工人員的安全性，但是圍巖也被護盾和管片所遮擋，而無法實時觀察圍巖的變化。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 卡機故障，因此及時地根據(jù)現(xiàn)場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，采用人工開挖處理卡機故障及不良地質(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)強度也很高。因此，不斷提升TBM 自身通過斷裂破碎帶、富水地層的綜合開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)揮出掘進效率高的優(yōu)勢，讓其將來的山嶺隧道工程產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。