引水隧洞雙護盾TBM卡機分析及脫困技術

王江

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

0 引言

由于我國水資源分布不均，為了合理有效調配水資源，引水隧洞的修建成為目前國內水資源調配的一個重要基建內容。引水隧洞的修建具有長、大、深埋及地質條件復雜等特點。TBM以其作業環境好、信息化程度高、施工高效等優點［1］，被廣泛應用于我國引水隧洞建設中［2－6］。

當雙護盾TBM穿越較差圍巖，尤其是穿越深埋長大隧洞的斷層破碎帶時，圍巖變形大、易塌方，且當圍巖的徑向位移大于盾殼與開挖輪廊面之間預留間隙，或大塊塌方將刀盤與掌子面之間距離填滿時，致使盾殼被卡死或者刀盤無法轉動，TBM無法挪動，稱之為卡機。卡機會對工程進度造成嚴重影響，例如昆明市掌鴆河引水供水工程上公山隧洞TBM施工中由于卡機造成的停機時間占1—4月總時間的53%［7］。通過國內一些TBM施工遇到的卡機事故表明，卡機事故的及時脫困對于工程安全、進度非常重要。針對工程實際提出脫困措施，國內已有一些成功的嘗試，例如宋天田等［7］針對上公山隧洞TBM卡機進行分析，指出圍巖快速大變形及大塊巖石強度較高及地應力上下盤分布不均等因素造成卡機，并提出了超前地質加強、改變TBM施工參數等方法解決卡機;尚彥軍等［8］提出了圍巖蠕變發生條件和護盾變形破壞機制，提出人工擴挖旁洞、鋼拱架支撐和超前導洞等工程處理措施;李久平等［9］結合遼寧省大伙房水庫輸水工程TBM標段施工過程中出現的設備卡機提出塌腔回填、上導洞開挖、反向超前支護等措施;范以田等［10］采用LW水溶性聚氨酯類灌漿材料加固隧洞塌方洞段解決卡機;張新偉等［11］針對陜西引紅濟石調水工程的卡機事故提出超高壓換步、人工擴挖、化學灌漿加固等解決措施。上述研究大多針對某一原因進行分析，反映的問題不夠系統，沒有細致地給出解決措施。本文結合青海引大濟湟、山西引黃入晉、陜西引紅濟石及云南上公山引水隧洞等長大引水隧洞雙護盾TBM施工實例，對常見卡機類型進行歸納，并細致地給出常用卡機處理技術。

1 雙護盾TBM卡機類型及原因分析

1.1 卡機類型

1.1.1 卡刀盤

卡刀盤是TBM在施工中由于刀盤被卡住，不能轉動，進而導致TBM無法前進直至被卡死。主要有以下2種原因:

1)掌子面圍巖破碎，大塊巖體坍塌將刀盤卡死。青海引大濟湟調水總干渠工程雙護盾TBM穿越F4與F5交叉壓密性斷層，圍巖整體性差，容易塌方，自2008年4月至今連續發生9次TBM卡機事件，其中8次是由于刀盤在轉動時擾動掌子面圍巖導致大塊圍巖坍塌將刀盤與掌子面之間空隙填滿，大塊巖體與刀盤之間的摩擦力遠大于TBM刀盤的脫困扭矩，將刀盤卡死。

2)掌子面突泥涌砂將TBM刀盤淹沒，致使刀盤無法轉動。云南上公山隧道圍巖以變質或淺變質的粉砂質板巖(70%)為主，泥質板巖為輔，兩者為層狀或互層狀結構，巖體極其破碎。在雙護盾TBM開挖過程中，掌子面突泥涌砂造成TBM刀盤乃至整機被淹沒，最終剩余工程采用鉆爆法并就地拆機。

1.1.2 卡護盾

1)圍巖坍塌將盾殼卡死。青海引大濟湟、陜西引紅濟石引水隧洞圍巖破碎，穩定性極差，在TBM施工中圍巖發生坍塌，導致盾殼上部巖體將護盾掩埋，致使盾殼被卡死。

2)圍巖收斂將盾殼抱死。青海引大濟湟、陜西引紅濟石等引水隧洞均出現過在TBM通過軟弱斷層帶時由于地應力較大，軟弱圍巖塑性收斂變形過快，在TBM護盾還沒有通過該段圍巖時將盾殼抱死現象。

1.1.3 姿態偏差造成卡機

青海引大濟湟在完成第3次脫困后，刀盤前開挖完成7.5 m，TBM開始往前步進，在步進過程中，由于底部仰拱經水浸泡后已喪失承載力，同時盾殼周邊圍巖已清理，撐靴未起到有效作用，無法將刀盤抬起，TBM在掘進中向右下方向栽頭;待掘進圍巖后，由于TBM偏向趨勢過大，仍無法有效將刀盤抬起及往左回調;TBM掘進至K17+117.984時，其姿態已嚴重偏離設計位置(刀盤面水平方向偏右600 mm，豎直方向偏下770 mm)，較大的姿態偏差導致管片安裝困難，且質量較差，致使TBM無法繼續掘進，同時圍巖發生收斂變形，進而造成TBM被困。

1.2 原因分析

1.2.1 卡刀盤

1)由于TBM在開挖過程中刀盤擾動，破壞了掌子面圍巖的平衡，致使巖體應力重新分布，掌子面巖體由穩定變為不穩定，破碎圍巖向自由面坍塌，而TBM的出碴速度是一定的，于是破碎圍巖在掌子面越積越多，最終坍塌體與刀盤之間的摩擦力大于刀盤脫困扭矩，造成TBM卡機。

2)當隧洞圍巖構造強烈，巖體極為破碎，且遇水易軟化、崩解，圍巖自穩性差，在掌子面易塌方，且地層中地下水較多，在臨空面噴涌而出，并夾帶大量泥沙，形成涌砂現象，若突泥涌砂十分劇烈且量較大，將TBM掩埋。

1.2.2 卡護盾

1)由于圍巖穩定性差，TBM在掘進過程中掌子面圍巖出現塌方，出碴量遠大于正常量，在掌子面及前盾附近形成臨空面，直至在護盾上方形成自由拱(或護盾上方巖體破碎，受到刀盤擾動后出現大范圍坍塌直至形成自由拱)，最終由于盾殼上方堆積大量巖體，其與盾殼之間的摩擦力大于TBM最大推力進而將盾殼卡死。

2)據工程實例統計，此種現象主要發生在軟弱斷層破碎帶中，由于雙護盾TBM盾殼較長(基本大于12 m)、隧洞埋深大，圍巖受到開挖擾動發生快速的塑性變形(據觀測，青海引大濟湟平均收斂值達到20 mm/h)，在較短時間內，TBM通過破碎帶之前，圍巖收斂值大于隧洞開挖輪廓與盾殼間距，將盾殼抱死。

1.2.3 姿態偏差造成的TBM卡機

由于刀盤前方開挖空間底部仰拱經水浸泡后已喪失承載力，為了防止圍巖發生大量收斂及人員進入護盾外進行鉆爆作業，增加了預留變形量及人員、材料運輸通道，只能采用單護盾模式進行步進，導致TBM無法進行有效調向，致使后續管片無法有效安裝，最終造成TBM卡機。

實踐證明，TBM卡機不是某一種原因造成的，而是以上幾種原因的綜合作用結果。

2 雙護盾TBM卡機脫困技術

2.1 側導坑法

在盾殼一側或兩側開孔，人工進入護盾外開挖巖體并施作支護［12］，減小盾殼上部巖體作用在盾殼上的壓力。具體方法為:根據TBM設備結構的不同，在盾殼上開一個進料方便的60～80 cm孔洞，并保證不影響盾殼受力結構，根據TBM護盾受卡范圍，在空間允許的情況下縱向(可以前后進行)開挖。側導坑施工見圖1。為了保證開挖人員、設備的安全，必須選取合理的支護參數及架設臨時支撐，同時為了防止TBM整機上浮，臨時支撐垂直于盾殼均勻分布在盾殼上。側導坑法在青海引大濟湟雙護盾TBM第1次卡機時采用并成功脫困。

圖1 側壁導坑施工示意圖Fig.1 Sketch of side drift excavation to release jammed TBM

2.2 超前化學灌漿法

化學灌漿是對不良地質洞段進行處理的重要手段之一。利用灌漿泵壓力將化學灌漿材料灌注到巖體裂隙中，使松散或破碎的圍巖結成整體，提高圍巖完整性，有利于TBM施工通過。一般采用聚氨酯類(PUR)和硅酸鹽改性聚氨酯類(Silicate Modified PUR)灌漿材料［13］。在陜西引紅濟石項目及山西萬家寨項目采用化學灌漿法均取得了成功。

化學灌漿注漿孔分為淺孔和深孔2種，淺孔直徑為50mm，布置在刀盤全斷面范圍內，施工深度為4～5 m，在隧洞開挖輪廓線內縮約50 cm的位置布孔，通過滾刀刀孔或刮板孔人工點動刀盤確定孔位;深孔沿刀盤人工轉動輪廓線在掌子面全斷面范圍內鉆孔，通過人工點動刀盤確定孔位，施工最大深度為15 m。

由于化學灌漿材料完全固化反應時間非常快，采用自進式鉆桿作為孔內灌漿管時，無需專用的封孔設備，停止灌漿后拆除可曲撓管即可;當用PVC塑料管作為孔內灌漿管時，采用孔內自封孔技術，封孔器在下管路時安放，一次使用，不再周轉。

2.3 輔助坑道法

青海引大濟湟雙護盾TBM在第6次卡機后經過專家論證，考慮到此段斷層破碎帶距離長，采用其他輔助工法無法保證TBM順利脫困。為此，在隧洞里程K17+093.96處進行輔助坑道進口開口，出口開口里程K17+045.47，繞洞與正洞進出口交角約40°，繞正洞軸線距離15 m。輔助坑道平面布置圖見圖2。

圖2 輔助坑道平面布置圖(單位:m)Fig.2 Plan layout of auxiliary gallery(m)

采用拆除4環管片作為輔助坑道進口。管片拆除時采用先拆除中間2環，進洞并將洞口鎖口支護穩定后，再拆除開口兩側管片。開挖至正洞邊墻位置后停止開挖，施作鎖口處理。輔助坑道洞身采用城門洞型斷面(見圖3)，根據地質情況，采用短臺階法開挖，臺階長2～3 m，前段采用人工手持風鎬開挖，進洞20 m后，采用爆破開挖。

圖3 輔助導坑斷面圖Fig.3 Cross-section of auxiliary gallery

繞洞施工完成后，進行正洞開挖，其中K17+ 064.39～+035采用鵝蛋形斷面(見圖4)，K17+035～K16+920采用馬蹄形斷面(見圖5)。正洞自刀盤前上斷面開挖，上斷面通過繞洞出口與正洞交點里程后，自繞洞開挖正洞下斷面，交叉口處下斷面開挖完成后，分2個掌子面同時施工。

圖4 鵝蛋形斷面圖Fig.4 Oval-shaped cross-section of tunnel

2.4 設備技術改造法

無法滿足出碴需要及收斂變形速率快是造成雙護盾TBM卡機的原因之一，可以從以下2個方面對TBM進行技術改造:

1)增加刀盤開口率，滿足軟弱圍巖在掘進中出碴量的需要，在掌子面出現坍塌時能夠及時將刀盤與掌子面之間的碴料出凈。為了防止高刀位刀具多次破碎洞碴造成弦磨，對刀盤刮碴口進行適當地增大。

2)增加邊刀行程或在設備設計階段擴大刀盤，在維持盾殼不變的情況下增大開挖輪廓面，增加圍巖與盾殼之間的空間，在圍巖塑性變形未抵達盾殼的情況下快速通過。

圖5 馬蹄形斷面圖Fig.5 Horse-shoe-shaped cross-section of tunnel

2.5 設備后退法

青海引大濟湟工程TBM在步進及掘進過程中姿態失控，掘進趨勢偏向過大，無法采用常規方法進行TBM姿態回調。在刀盤前方澆筑鋼筋混凝土導向臺，進行TBM調向，將TBM后退，具體見圖6。

圖6 TBM反力支座Fig.6 Support to provide reaction force for TBM

3 脫困技術的適用范圍

實踐證明，無論采用何種卡機脫困措施，在一定程度上具有局限性，科學合理地選擇卡機處理措施是保證雙護盾TBM順利脫困的關鍵。

側壁導坑法適用于無水或少量滲水的小型斷層破碎帶，根據現場經驗，斷層破碎帶不能超過TBM盾殼長度。遇見較大的涌水情況時，可結合超前化學灌漿法進行止水加固。超前化學灌漿法適用范圍較為廣泛，適用于節理裂隙較為發育的有水或無水不良地質洞段。由于施鉆長度與TBM空間受限制，基本加固范圍為40～50m，但是由于施鉆時間長，在進度上較為緩慢。根據青海引大濟湟現場經驗，在壓密性斷層破碎帶中灌漿效果非常不理想。輔助坑道法適用于規模較大的斷層破碎帶，可以結合化學灌漿進行有效堵水，但是遇見高埋深、高地應力軟弱圍巖時則不適用。根據青海引大濟湟初支背后土壓力測試，鋼架承受的壓應力為547 MPa，遠遠大于I 22工字鋼本身的屈服強度235 MPa，初期支護出現較大的收斂，個別部位已經侵入TBM輪廓。

4 雙護盾TBM卡機預防措施

1)加強地質勘探的準確性。詳細準確的地質勘探是決定雙護盾TBM施工工法選擇成功的關鍵，無論是在設計階段還是在施工階段均能有效地降低TBM施工風險。從國內使用雙護盾TBM實踐證明，雙護盾TBM對地質的適應性非常敏感。在青海引大濟湟、陜西引紅濟石等工程中，由于地質勘探不詳細，造成多次卡機現象;而引黃入晉工程前期地質勘探較為詳盡，在設計階段就將不適應雙護盾TBM施工的隧洞段進行了處理，在施工期間很少出現卡機現象。

2)優化設計。①土建設計優化，工程前期采集詳盡的資料，選用合適工法，通過土建設計優化提前做好預案，有效降低雙護盾TBM施工風險。②設備設計優化，預防雙護盾TBM卡機不僅可以在實施階段，也可以在設備設計階段，通過對地質條件的了解可以在設計階段對設備的各項參數進行調整，如可擴大刀盤、增加邊刀行程、增加TBM的總推力、脫困扭矩等。通過一系列的設備優化，能夠有效地降低TBM施工的風險。

3)快速掘進。施工高效是雙護盾TBM的優點之一，由于不良地質洞段圍巖坍塌和塑性變形在發生時間上具有一定的間隔，保持設備的快速掘進在一定程度上能夠降低卡機風險，這要求設備機況良好、合理操作。

5 結論與建議

對于深埋長大引水隧洞，其地應力較大、圍巖地質條件復雜，雙護盾TBM施工中常發生卡機事故。因條件復雜，卡機產生的深層次機制尚未完全明確，卡機原因、脫困措施也有待進一步整理歸納。

本文結合青海引大濟湟等工程實例，歸納了雙護盾TBM施工中常見的卡機類型及其產生的原因，總結了常用的脫困措施，為類似工程提供較詳細的參考。取得了以下幾點認識:

1)隧洞地質條件對雙護盾TBM施工具有決定性的影響，不良地質段隧洞圍巖較差、發生坍塌、突泥涌砂以及圍巖變形過大均是造成雙護盾TBM卡機的原因。

2)雙護盾TBM卡機的類型包括:卡刀盤、卡護盾以及姿態偏差造成的卡機。

3)雙護盾TBM卡機常用的脫困措施主要有:側壁導坑法、超前化學灌漿法、輔助坑道法、設備技術改造法及設備后退法，施工中應根據工程實際合理選用。

4)詳細、可靠的地質水文資料是工程成功的基本條件，要加強地質勘探的準確性，并在土建、設備選型設計階段做好預防卡機的預案，以便安全、高效、經濟地完成工程任務。

鑒于采用雙護盾TBM施工的引水隧洞較多，而本文針對的只是幾個工程實例，得出的結論尚有一定局限性。建立各種復雜地質條件下的各類地下工程(包括引水隧洞)雙護盾TBM卡機數據庫，綜合分析卡機原因，進而建立專家系統，對各種卡機提出具有針對性較強的脫困措施，方便地解決工程實際問題，將是下一步的研究方向。

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