斷層破碎帶TBM施工卡機處置技術研究

摘要：斷層破碎帶圍巖地質松散，巖體穩定性差，容易導致隧道掘進機（TBM）發生卡機事故，而且處理TBM卡機故障難度較大，不僅使掘進效率降低，還會對工程建設產生嚴重影響。首先通過多案例調研，總結了一般卡機類型及原因機理，然后結合新疆某水利工程Ⅷ標隧洞工程地質情況，提出了針對斷層破碎帶引起的卡機事故處置措施：先利用超前地質預報勘察地質情況，再采用錨桿、超前管棚和固結灌漿等措施加固已有支護段?，F場實踐表明，在花崗巖地層中該方法卡機處置效果較好，同時耗時也相對合理。

關 鍵 詞：卡機脫困；TBM；斷層破碎帶；花崗巖地層；引水隧洞

中圖法分類號：U25 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.034

0 引言

中國地形廣闊、地質條件復雜，在隧道（洞）開挖過程中常常會遇到斷層破碎帶、富水、高地應力等不良地質，尤其是埋深較大的隧道往往會遇到較多斷層破碎地段。相較于傳統的鉆爆法施工，隧道掘進機（TBM）施工具有自動化程度高、施工效率高、作業環境好等特點^［1］，被廣泛應用于引水隧洞建設^［2-3］。引水隧洞通常具有長距離、埋深大且沿線地層條件復雜等特點^［4］。在引水隧洞修建過程中，經常會遇到不良地質地段，給TBM掘進施工帶來具有挑戰性的事故。在這些事故中，斷層破碎帶引發的TBM卡機情況尤為突出。TBM卡機事故處置工序繁多，關乎施工工期和成本，因此采取合適的處置措施和技術至關重要。

關于TBM卡機處置措施，國內外學者做了許多研究，宋天田等^［5］對昆明上公山隧洞TBM卡機事故進行分析，總結了不良地質地段卡機原因規律，并提出了超前地層加固、適當降低TBM掘進參數等方式處理卡機；尚彥軍等^［6］對巖體變形規律和護盾受壓變形破壞臨界點進行了分析和總結，提出采取人工擴挖旁洞、鋼拱架加強支撐和超前導洞等措施配合解決卡機問題；鄧青力^［7］以中天山隧道為依托，探討了高地應力花崗巖地層中通過采用自進式錨桿及化學注漿的方法處置TBM卡機問題；孫峰梅^［8］依托廣佛環線東環隧道工程，討論了關于深埋軟巖地質中雙模盾構機卡機問題，提出了采取預支護、選用適宜的盾構設備類型和控制圍巖挖掘量等措施來減少風險的策略。上述研究可為TBM安全施工和成功脫困提供科學指導，但由于實際工程中地質差異性和卡機事故復雜多變，對TBM卡機處置技術研究仍然需要依托具體工程。同時，現有研究中針對堅硬破碎富水花崗巖地層中TBM卡機脫困處置措施的報道較少，TBM卡機事故處置難度較大。

基于此，本文通過總結TBM卡機類型及典型案例分析，并依托新疆某水利工程Ⅷ標隧洞TBM卡機事故，分析卡機原因，有針對性地提出了TBM快速脫困及事故妥善處置措施，研究結果可為類似TBM隧道（洞）工程在堅硬地層中穿越軟弱破碎帶引起的卡機事故處置積累經驗、提供參考。

1 TBM卡機類型及成功處置案例分析

TBM在斷層破碎帶掘進出現卡機的主要原因有洞室自穩能力弱、隧洞掌子面易塌方、破碎渣塊與刀盤間的相互擠壓作用、圍巖收斂引起的護盾所受阻力過大或圍巖收斂導致盾殼變形等。TBM卡機主要有刀盤被卡、護盾被卡及刀盤和護盾都被卡3種類型。

1.1 刀盤被卡

在掘進地段地層條件較差且巖體破碎的情況下，隧洞開挖過程中掌子面因無法自穩而導致塌落大量巖塊、巖渣夾帶泥水卡進刀盤，導致刀盤扭矩增加、電機供應電流急劇上升。隨后皮帶機因出渣量突然增加難以適應，導致渣土運輸效率降低。渣土大量堆積導致刀盤轉動受阻，刀盤受阻力矩大幅增加并遠超過TBM刀盤的主動轉動扭矩，最終導致刀盤卡住并造成卡機事故，如圖1所示。

1.2 護盾被卡

當TBM穿越高地應力或斷層破碎帶地層時，圍巖塑性收斂過快、變形過大，導致形成的收斂應力直接作用在TBM盾殼上，因此TBM掘進過程中護盾會受到較大的摩擦力。當摩擦力大于TBM系統的最大設計驅動力時，掘進機護盾會受阻、無法繼續掘進。若TBM護盾未能及時通過該段圍巖，盾殼將受困于破碎巖體中，嚴重時會導致護盾過度變形，護盾被卡如圖2所示。針對此情況，雙護盾TBM在隧道施工中出現較為頻繁，而敞開式TBM隧道中護盾被卡的情況相對較少，一旦發生護盾被卡，處置難度極大。本文僅對敞開式TBM施工隧道護盾被卡進行闡述。

引起護盾被卡情況主要有兩方面因素^［9-10］：盾殼縱向范圍L和隧洞預留量ΔR。

（1）盾殼縱向范圍L的影響。隨著護盾縱向范圍的增大，圍巖對護盾的摩擦阻力也增大。若護盾縱向范圍較小，可使TBM與圍巖能夠接觸的面積減小，從而降低圍巖對護盾的擠壓作用，減小TBM掘進時護盾所受的摩擦力，進而降低卡機情況的發生率。

（2）隧洞預留量ΔR的影響。隧洞預留量影響的卡機情況主要是由于圍巖徑向位移超過了盾殼與開挖輪廓面之間的預留變形量所導致的。掌子面附近圍巖收斂變形小，遠離掌子面處（如盾尾處）圍巖收斂變形大。增大隧洞超挖量，為圍巖留出空間以便變形，可以減少護盾被卡的情況發生。當護盾長度一定時，在一定時間范圍內，若預留量ΔR越大，且圍巖收斂程度相同，則圍巖與護盾的接觸范圍越小，進而圍巖對護盾的擠壓作用就越弱。因此護盾前移所受的摩阻力越小，卡機概率就會越低。

TBM卡機狀態判據如下：

F_r+F_b+F_W≥F_I，卡機（1）

F_r+F_b+F_Wlt;F_I，不卡機（2）

式中：F_r為圍巖擠壓作用到盾殼上的摩擦力；F_b為TBM正常運行時工作阻力；F_W為TBM自重產生的摩阻力，F_W=μW，W為TBM質量，μ為盾殼與圍巖間摩擦系數；F_I為TBM主動推力。

進一步，可通過TBM所受阻力情況進行卡機狀態分級^［10］，繼而對卡機程度作出判別，如表1所列。

1.3 典型成功處置案例分析

本文調研總結了10個TBM隧道（洞）發生卡機事故成功處置的典型案例，如表2所列。通過分析可知，高地應力、高磨蝕性、斷層破碎帶、富水等地質條件的存在使得TBM施工面臨重大工程風險，易導致TBM卡機、裝備故障等事故，不僅對工程進度造成重大影響，也對施工安全、工程質量以及工程成本產生極大影響。

2 實例分析

2.1 工程簡介

新疆某水利工程Ⅷ標隧洞沿線設計總里程約35 km，選取TBM掘進與人工鉆爆施工相結合的方式進行隧洞開挖，其中TBM掘進約26 km，沿線選用開挖洞徑為7.83 m敞開式TBM進行掘進。該地區總體上呈現出貧瘠、陡峭的地形地貌，主要為華力西期花崗巖和黑云母角閃斜長巖，形成次塊狀—塊狀結構，巖石通常含有15%～25%的石英，質地堅硬，巖體較完整。

TBM從出口向進口方向掘進至XE138+207.7處時出現了卡機現象。卡機處的掘進區段揭示巖體為華力西期粗粒花崗巖，呈現為堅硬的肉紅色塊狀結構。卡機區段地下水發育并向掌子面方向延伸，呈線狀流水。樁號XE138+220至地下水上游處有以小角度交于洞軸線的斷層破碎帶，地層產狀為5°～10°NW∠60°～70°，斷層寬度5.0～8.0 m，影響范圍為15.0～25.0 m。斷層破碎帶內部巖性以斷層角礫巖和碎裂巖為主，結構軟弱、整體性差，圍巖受水影響大、軟化作用顯著。

2.2 卡機情況

當TBM掘進至樁號XE138+207.7處時，由于扭矩激增，大量肉色黏土樣的淤泥噴發。緊接著，刀盤停止轉動，無法繼續掘進。如圖3所示，護盾機底部、刀具倉室及排渣口均被淤積物封堵。同時，倒塌的巨石碎塊也在刀盤前側部分沉積，不同程度地造成阻礙。盡管前方坍塌具體情況和空腔大小尚不明確，但經過多次嘗試啟動刀盤運轉后未能成功，最終確認為卡機事故，導致TBM被困。

3 TBM卡機原因分析

當TBM發生卡機時，掘進參數會發生突變，TBM推力由5 000～8 000 kN驟降至1 000～2 000 kN，刀盤轉速由1.3 r/min驟降至0.2 r/min，刀盤轉動受阻，扭矩增大，掘進速度也在驟降，參數變化異常，具體變化情況如圖4所示。TBM掘進過程中可能遇到地質條件突變，例如遇到硬巖層、巖石夾雜物或地層變異等。這些不利的地質條件會導致刀盤受阻，增加推力需求，進而使TBM的掘進參數發生突變。TBM設備可能發生刀具損壞、刀盤轉動系統故障等，導致刀盤轉動受阻，使刀盤轉速下降，扭矩增大，從而使TBM的推力和掘進速度下降。

斷層破碎帶的巖層結構復雜，其脆弱性和可塑性導致洞室自穩能力較差。當TBM掘進進入該區段時，容易遇到斷層、節理和脆弱巖層等不穩定因素，使得隧道掌子面容易發生局部塌方，造成刀盤無法正常進行切削。同時在斷層破碎帶掘進區段，巖石破碎會導致大量渣塊的生成。這些渣塊與刀盤之間的相互擠壓作用會增加刀盤的轉動阻力，從而影響刀盤的工作效率。此外，斷層破碎帶附近的圍巖受到劇烈變形的影響，掘進過程中會產生較大的收斂變形。這種收斂變形會對護盾產生較大的阻力，甚至導致盾殼發生形變，進而增加TBM掘進難度。

4 TBM卡機處置

通過對TBM卡機不同情況進行原因分析，結合典型卡機處置成功案例的經驗，采取了如下針對性措施加固周圍巖體，保障TBM順利通過斷層破碎帶。

（1）通過超前地質預報對隧道掌子面的地質條件、地應力狀態、水文地質條件等進行充分的研究和分析，以預測隧道掌子面的穩定性，從而采取相應的支護措施，保證隧道的安全施工。

（2）確定卡機原因，并對TBM進行全面的故障排查。如果TBM卡機是由于圍巖穩定性不佳導致的，可以采取加強支護措施，如使用鋼拱架、噴射混凝土等方式來增強洞室的穩定性。其次根據卡機原因可以適當調整TBM的推力、刀盤轉速等參數，以減小破碎渣塊與刀盤之間的擠壓作用，從而避免過大阻力對TBM的影響。

（3）排除設備故障，修復設備，以確保TBM的正常運行。具體流程為：超前地質預報，確認卡機原因，圍巖加固措施，優化掘進參數，TBM脫困。

4.1 超前地質預報

為了準確描述TBM卡機處前方坍塌情況和空腔大小，依助于山東大學地震波法超前地質預報技術對卡機處前方地質進行超前地質預報。根據分析，推測塌腔范圍為TBM刀盤頂部上方9 m，刀盤前方7 m。根據對探測區域的地震波反射成像圖和地質分析，得知塌腔前方的地質分析結果如表3所列，同時還可參考圖5中的地震波成像圖和地震波俯視圖進行詳細查看。

4.2 圍巖加固措施

為了預防TBM護盾周圍巖體進一步變形并減少變形引起的阻力，可以采取打設錨桿、安裝管棚和固結灌漿等措施。這些措施能夠有效地確保TBM隧道凈空不被周圍巖體過度侵占。此外，通過設置小導洞，可以清除塌落石渣。這樣，TBM護盾能夠減小受到因圍巖收斂引起的摩阻力，也能夠更快地恢復正常掘進狀態。

4.2.1 護盾后方拱頂加固布置措施

在護盾后5 m區段，采用YT-28手風鉆配合TBM錨桿鉆機打設Φ25 mm自進式中空注漿錨桿，具體加固措施如表4所列。

4.2.2 護盾上方拱頂加固措施

護盾體周圍自進式中空注漿錨桿布設在拱頂240°范圍內，具體布設情況如表5所列。

為了保證護盾體周圍巖體的穩定，防止巖體進一步變形，采用了CG-P106型注漿材料進行錨桿固結灌漿。預注漿的深度是距離護盾體4 m范圍內。為了確保注漿的擴散效果，防止孔間串漿現象的發生，在護盾周圍采用了四序孔布置的施工方式。這樣注漿材料能夠在巖體中均勻分布，更好地固結巖體。徑向注漿的固結范圍約為護盾體外2 m范圍。通過這些措施，能夠有效保護護盾周圍的巖體，減少變形并提高整體的穩定性。

4.2.3 塌腔處理及其前方圍巖加固

通過對已塌方區域進行固結回填加固，可以避免后期施工中由于塌腔未填充導致受力不均而引起開裂，同時也能消除后期運營中的潛在風險。結合超前管棚及注漿措施對塌腔區域圍巖進行再加固，使刀盤周圍巖體形成整體，保證圍巖的整體性，使TBM順利脫困并安全通過斷層破碎帶。

在塌腔回填過程中，利用管棚鉆機對前方的塌腔進行鉆孔回填。初次鉆孔的外傾角為30°，二次鉆孔的外傾角為45°，在鉆孔內埋設了Φ108回填管，并在回填管內安裝了排氣管。在預估的塌腔范圍內，采用輕型混凝土進行了3次回填，如圖6所示，保證塌腔填充密實及后續動態變化情況的監測和有效記錄。

管棚布置在拱頂120°范圍內，采用隔孔施作，材料選用長30 m、外徑Φ108熱處理調質管。在補強過程中，內設了Φ20小鋼管和3Φ25鋼筋束。管棚安裝完畢后，使用錨固劑封堵管棚與Φ127導向管之間的空隙，旨在確保至少50 cm的封堵長度，以避免后續漿液注入深度過淺導致圍巖中的漿液回流。

4.2.4 護盾與管棚間小導洞施工措施

小導洞開挖至刀盤前方0.5 m處，采用HW125型鋼拱架進行支護。拱架間距為0.3～0.5 m，視圍巖破碎情況及時進行疏密設置，保證圍巖的有效加固。為防止碎石掉落，拱架的兩側和上方安裝了3 mm厚的鐵板，并與門架焊接為一體。根據掘進區圍巖情況，沿著護盾方向進行環形開挖，開挖寬度為2.0 m，確保刀盤位置以及刀盤與護盾連接處的碎石被清理干凈。開挖完成后，環向立兩榀HW150鋼拱架，具體布置如圖7所示。

4.2.5 刀盤前部掌子面加固措施

采用玻璃纖維型自進式中空注漿錨桿對刀盤前方松散巖體進行固結加固，使松散巖體形成一個整體，并具備一定的持續自穩能力，以減少刀盤瞬間啟動阻力，利于刀盤脫困，也能有效防止掌子面前方圍巖的再次松動坍塌。

5 卡機處置效果

TBM安全通過斷層破碎帶后，為評估斷層破碎帶加固效果，對已加固區拱頂進行現場監測，并對拱頂沉降量及沉降速率進行了統計（圖8）。由拱頂變形累積量與變形速率曲線趨勢可知，通過卡機處置措施對圍巖的加固作用，已加固區拱頂在較短的時間內（約7 d）即達到變形收斂穩定，同時拱頂變形累計量（52.8 mm）也在安全范圍內。通過與前述典型TBM卡機處置成功案例比較，可以發現在此處置措施中，卡機處置時間及圍巖變形控制相對更有優勢。由此，脫困處置措施的可行性及施工效果得到較好驗證。

6 結論

（1）在堅硬花崗巖地層中，TBM卡機處置采用了多種有效措施。其中塌腔回填與斷層破碎帶加固效果顯著，確保了圍巖的穩定性，使得TBM能夠成功脫困并安全通過斷層破碎帶。

（2）基于對TBM卡機原因的分析可知，掘進過程中根據地層情況選取合適的掘進參數是確保TBM安全掘進的前提。正確選擇掘進參數可有效預防卡機事故的發生，因此對掘進地層的巖性等情況進行準確的探測至關重要。

（3）本文所選工程不良地質地層卡機脫困處置總工期用時28 d，與既有成功案例相比，采用多種處置措施結合較為有效，脫困速度也較合理，同時確保了人員和設備的安全，可為未來類似TBM卡機快速脫困處置提供經驗參考。

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（編輯：胡旭東）