TBM引水隧洞卡機原因分析與處理方法

李吉艷

(新疆水利水電勘測設計研究院勘測總隊，新疆 昌吉 831100)

1 概述

隨著我國深部工程快速發展，超長、超深埋隧洞工程數量快速上升[1-2]，TBM集開挖、支護于一體，自動化程度相對較高，能夠達到邊掘進邊支護，圍巖剛出護盾就進行初支，有效保證圍巖支護的及時性。另外，TBM在掘進速率方面有顯著優勢，相比鉆爆法開挖，掘進速率至少提升3倍以上，在深埋隧洞施工方面應用越來越廣[3-4]。TBM卡機是影響TBM隧道掘進速率的重要因素，開展TBM卡機的處理及預測方法有重要意義。

學者們在TBM卡機的因素及處理方面進行了研究。如吳斐等[5]研究了節理巖體力學參數對雙護盾TBM卡機的影響，發現巖體彈性模量對TBM接觸壓力影響最為顯著。徐艷群等[6]分析了在工程施工過程中不同巖層傾角以及擴挖間隙下各種圍巖作用在護盾上時，其所承受壓力值的影響變化問題。崔光耀等[7]介紹了雙護盾 TBM 在斷層破碎帶段時采用超前大管棚支護，軟巖大變形段采用環形擴挖法解決卡機事故問題的效果。王亞鋒[8]結合高黎貢山隧道TBM施工情況，針對多種不良地質條件，研究分析了地質預報、掘進參數控制、初期支護、防卡機措施、卡機脫困技術、不良地質超前加固及改良等關鍵技術。王飛等[9]基于BIM技術，將TBM設備管理、智能通風、智能鉆爆、智慧工地、應急管理與安全監測、會商決策、知識庫等深度融合的綜合管控模式，是將隧洞工程TBM卡機問題由傳統管理模式向數字化、信息化、智慧化轉變的新理念與新模式。

新疆某引水工程年輸水量為10億m3，工程等級為大(1)型Ⅰ等工程。沿線長500多km，1/3為埋涵管、明渠段，2/3為隧洞段，隧洞段埋深一般在300～500 m、最深達780 m，隧洞外徑為7～7.5 m、內徑為6～6.5 m[10-11]。超長、超深隧洞段采用TBM掘進，TBM掘進施工效率較高，日進尺在20～30 m，但由于TBM卡機，導致掘進速率降低，本文以其中1條隧洞卡機為例，分析總結其地質影響因素，介紹采取的處理措施，為類似工程提供依據。

2 TBM卡機的一般事故現象

2.1 卡刀盤

在隧洞的挖掘過程中通過不良地質段既圍巖破碎段，刀盤轉動擾動周邊圍巖，使隧洞上方破碎圍巖出現較大的塌方，TBM的刀盤在轉動時被破碎巖體夾帶泥水進入刀盤內，周邊破碎巖體大范圍急速掉落，TBM刀盤扭矩和電機電流急劇上升，電機自身動力無法帶動刀盤，致使刀盤被碎石卡住，難以轉動。

2.2 卡前護盾

在隧洞施工TBM掘進中刀盤的轉動使洞徑范圍內的圍巖發生破壞、較大變形，破碎后的圍巖應力作用在盾殼上，前盾應力作用極大，造成前護盾徹底抱死，難以向前移動，不加處理的情況下，進行TBM掘進甚至會導致連接螺栓斷裂。

2.3 卡支撐盾

TBM掘進過程中易使周邊圍巖發生非常大的變形之后擠壓支撐盾，在進行換步的時候，支撐盾壓力過大使推油缸壓力不斷的增大，致使TBM支撐盾被卡死，無法移動換步。

3 TBM引水隧洞卡機地質原因分析

3.1 塌方引起卡機情況簡介

2021年8月18日早晨TBM掘至樁號231+240時，護盾末端231+234左側(10:00—11:30)范圍發生塌方，并向護盾內延伸，隨TBM向前掘進，塌方范圍延伸至231+247，塌腔呈向左傾倒的楔形，最深為5 m，塌腔內局部有滴滲水(見圖1)。

圖1 樁號231+234～231+247段塌方示意

2021年8月28日15:40，TBM掘進至樁號231+277時，護盾末端231+272右側(13:00—15:30)范圍及相鄰護盾內圍巖發生塌方，塌方體為碎塊石夾巖屑、泥質，從一次支護鋼筋排空隙間流出，并迅速堆積于鋼筋排上，護盾內圍巖塌方情況不可見。當日夜班TBM又向下游掘進1 m，至29日早上交接班時，TBM刀盤上部和下部因有渣泥堆積，無法轉動。

掘進參數能反映TBM工作過程的地質信息與施工信息，將采用TBM掘進參數反映卡機情況[12]。TBM通過樁號231+240～231+247段時，推力為 5 350～8 610 kN，貫入度為8～17.2 mm/r，刀盤扭矩為650～980 kN·m。TBM通過樁號231+272～231+277段時，推力在5 530～7 950 kN，貫入度為9.2～17 mm/r，刀盤扭矩為1 170～2 140 kN·m。對比2次TBM掘進參數可知，TBM掘進231+277時，推力及貫入度比較接近的情況下，刀盤扭矩達到前者的2倍以上，發生TBM卡機。

3.2 塌方段(231+240～231+272)圍巖地質情況調查

經調查，塌方段地質情況如下：① 樁號231+195～231+234段為Ⅲsb類圍巖，樁號231+234～231+272段為Ⅳ類圍巖，圍巖不穩定。② 樁號231+230～231+262段有斷層f255從洞室左側斜穿至右側通過，產狀為1°～10°NW∠40°～50°，與洞軸線夾角為12°～21°，斷層寬為2～3 cm，在樁號231+250頂中附近寬為0.1～0.2 m，斷層帶內為含灰白色鈣質的灰色、磚紅色斷層泥(泡水2 h完全崩解)。上盤影響帶寬為3～6 m，下盤影響帶未揭穿，出露厚度已大于8 m。斷層影響帶內巖石蝕變強烈，巖石強度中硬～堅硬，巖體較破碎，沿結構面附近有滴滲水，局部有小股線狀流水。③ 樁號231+268～231+274段拱頂附近有斷層f270(見圖2)，向下游延伸至護盾內，向上游被石渣遮擋，推測其與斷層f255相交。④ 樁號231+234～231+247左側塌方由f255斷層及其影響帶內的節理組合切割形成，在塌腔內可見若干個與f255斷層近平行的節理光面;樁號231+272右側塌方段僅出露2 m，且均被石渣覆蓋，在拱腰下部僅可見3組節理，不是本次塌方的主因。

圖2 樁號231+270處拱頂f270斷層示意

3.3 卡機段(231+272～231+287)的地質原因分析

后續開挖揭露樁號231+272～231+287段圍巖由于部分破碎巖體被化學材料充填,以及鋼拱架和鋼筋排支護在拱頂上部，部分節理及斷層可見斷續出現。

樁號231+272～231+287段圍巖為磚紅色夾少量灰白色黑云母花崗巖，巖體塊狀結構。該段發育5條短小斷層：① f270斷層產狀為330°SW∠45°～50°，與洞軸線夾角為19°，斷層寬為3～10 cm，斷層帶內為磚紅色斷層泥。f270斷層從該段洞頂中線左側1.2～1.5 m通過，在樁號231+278被f231+278斷層截斷；② f278斷層產狀為70°NW∠70°～80°，與洞軸線夾角為81°，斷層在上半洞寬為0.5 m左右，均被化學灌漿材料充填，在底板右側寬為0.1～0.2 m，斷層帶內主要為蝕變的花崗巖角礫和少量斷層泥。f278斷層從樁號231+277～231+279間通過，在洞室左側10點位置被f276斷層截斷；③ f272斷層產狀為30°NW∠35°，與洞軸線夾角為41°，斷層寬為2～3 cm，斷層帶內為磚紅色斷層泥。f272斷層從樁號231+273～231+285.5間通過，在樁號231+273頂中線左側1.3m被f270斷層截斷；④ f276斷層產狀為25°NW∠50°～60°，與洞軸線夾角為36°，斷層寬為1～2 cm，斷層帶內為磚紅色斷層泥。f276斷層從樁號231+276～231+285.5間通過，在樁號231+276洞室左側拱腰附近尖滅，在樁號231+285洞頂中線右側1.3 m交于f272斷層；⑤ f282斷層產狀為20°NW∠53°，與洞軸線夾角為31°，斷層為1～2 cm，斷層帶內為磚紅色斷層泥。f282斷層從樁號231+278.5～231+282段右側1～3點范圍通過，被f278斷層截斷。

受上述5條短小斷層影響，樁號231+272～231+287段洞室10～16點范圍巖石蝕變強烈，中硬，圍巖完整性差～較破碎，節理發育，連續掉塊，在邊界附近局部沿結構面有滴滲水現象，該范圍以外的巖石蝕變較輕，巖體較完整。綜合評定該段為Ⅴ類圍巖，該段TBM推力為5 340～9 110 kN、貫入度為6～17 mm/rev、刀盤扭矩為1 160～1 920 kN·m。

樁號231+279處的TBM卡機，主要是f278斷層與走向330°～350°傾SW和走向30°～54°傾NW(或SE)的中等傾角節理組合切割形成塌方造成(見圖3～圖4)。

圖3 樁號231+278塌腔代表性斷面示意

圖4 樁號231+230～231+287段示意

上述2段地質情況對比說明：從圍巖等級來看，V類圍巖更容易引起卡機。從地質構造產狀來看，中等傾角條件下的斷層更容易引起卡機。

4 TBM引水隧洞卡機處理措施及效果

4.1 TBM施工引水隧洞卡機的處理措施

4.1.11次支護措施

盾尾圍巖出護盾后已完成1次支護，Ⅳ類圍巖段采用頂拱270°范圍內Φ22砂漿錨桿，L=3.0 m，灌注M25水泥砂漿，頂拱180°范圍內每排布置12根，腰線以下每排布置4根，排距為90 cm。拱頂中心相鄰兩根錨桿間距為1.3 m，其余間距均為97 cm；頂拱270°鋼筋排結合鋼筋網支護，其中鋼筋排為Φ16(5～20 cm)范圍頂拱為140°，剩余130°范圍布置Φ8@200 cm×200 cm鋼筋網，鋼筋排與鋼拱架采用點焊固定，鋼筋排搭接長度為20 cm；系統鋼拱架HW150間距為90 cm；連接筋為Φ22，頂拱為270°，環向間距為1 m，連接筋長度為0.9 m，塌空區或穩定性較差洞段環向間距加密至0.5 m或用10#槽鋼代替Φ22連接筋；鎖定錨桿每榀拱架鎖定3點，鎖定錨桿長度為3.15 m，入巖深度為 2.85 m，L型焊接拱架翼板外側。

Ⅴ類圍巖拱頂為270°進行系統Φ22砂漿錨桿(L=3 m、每排為16根，環向間距為0.9 m，拱頂中心相鄰2根錨桿間距為1.3 m，其余縱向排距為0.9 m)，頂拱為270°鋼筋排結合鋼筋網支護，其中鋼筋排Φ20(5～20 cm)范圍頂拱為140°，剩余130°范圍布置Φ8@鋼筋網(長150 cm×寬150 cm)，鋼筋排與鋼拱架采用點焊固定，鋼筋排搭接長度為20 cm；系統鋼拱架HW150(間距為45～120 cm)；連接筋Φ22，頂拱為270°，環向間距為1 m，連接筋長度根據拱架榀距自行調整，塌空區或穩定性較差洞段環向間距加密至0.5 m或用10#槽鋼代替Φ22連接筋；鎖定錨桿每榀拱架鎖定3點，鎖定錨桿長度為3.15 m，入巖深度為2.85 m，L型焊接拱架翼板外側。

4.1.2化學灌漿

由于刀盤被大量石渣涌入，掘進方向掌子面至盾尾段上部(樁號231+272～231+278段)有大量松散破碎巖體堆積在護盾上方。由塌方造成卡刀盤，目前2種處理方案：① 水泥漿固結灌漿，強度高，但是固結時間長，難于在短時間內將破碎巖石形成一相對穩定的巖體、影響施工進度，增加施工成本；② 化學灌漿，凝固速度快、但是強度偏低，可用于卡機事故中的緊急處理方案[13]。為縮短事故處理時間、加快施工進度，采用化學灌漿處理護盾上方的松散破碎巖體。

2021年8月30日開始在盾尾樁號231+266～231+260段上半洞鋼筋排下方包鐵皮，同時預埋注漿管，樁號231+266～231+272段往掌子面方向打超前錨桿，快速將化學材料分多次從打好的超前錨桿孔由盾尾頂部向護盾和刀盤的上方進行有壓灌漿，化學材料能夠快速凝固膨脹，凝固時間幾分鐘到十幾分鐘，盾尾至掌子面上部圍巖迅速形成一個比較穩定的保護殼，避免再次塌方。盾尾后方的圍巖采用水泥砂漿進行灌漿，空腔深度大于0.6 m采用分多次灌漿，以達到固結巖體的目的。

4.1.3噴混

采用機車+混凝土罐車從洞內拌合站運輸至現場，TBM配備的輸送泵進行噴混，多次進行，每次噴混厚度為5 cm左右，噴混時間間隔超過4 h。Ⅳ類圍巖段拱頂在270°范圍噴C30混凝土，厚為15 cm；Ⅴ類圍巖段拱頂在270°范圍噴C30混凝土，厚為18 cm。

4.2 卡機處理效果

9月10日完成圍巖固結灌漿、清理完刀盤內石渣，1次支護+化學灌漿+噴混以封閉周邊圍巖，開始緩慢掘進，觀測掘進參數，調整掘進姿態，掘進穩定后正常施工，卡機前后的TBM參數對比見表1。

表1 卡機及處理后的TBM參數對比

5 結語

TBM出現卡機嚴重阻礙施工進度，處理時間較長，同時存在較大的安全隱患。本文通過對比塌方段和卡機段工程地質條件，分析了引起卡機的主要原因。發現TBM通過V類圍巖及中等傾角條件下的斷層更容易引起卡機。采用1次支護+化學灌漿+噴混的綜合處理方式，有效解決了TBM卡機問題，使TBM恢復正常施工，保證了施工的正常進行。