厄瓜多爾CCS項目雙護盾TBM不良地質段施工

周 江 鋒， 張 長 萬

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

近年來，隧洞掘進機TBM(Tunnel Boring Machine)以其高效、安全、環保的優點，越來越多地被國內許多大型交通、水利隧洞工程項目所采用。但在實踐中，TBM施工法是有其使用條件的。以中國水利水電第十工程局有限公司為例，其在厄瓜多爾CCS項目引水隧洞施工中，曾創造出月最高進尺1 000.41 m，最高日進尺45 m的輝煌業績，但是在TBM掘進中也遇到了許多困難。自2012年9月TBM進洞正式開始掘進以來，由于不良地質條件造成的種種問題始終困擾著TBM效率的發揮，在項目部領導以及員工的共同努力下，不惜一切代價，在施工第一年即達到月平均進尺700 m，創造了奇跡。

在TBM掘進過程中，也遇到了各種各樣的巖石問題。在此有必要對雙護盾TBM施工中遇到的問題進行分析與研究，以尋求對策，盡快解難；同時，總結經驗，為在建和擬建工程提供參考。筆者以厄瓜多爾CCS項目引水隧洞為例，對雙護盾TBM在不良地質條件洞段進行的施工進行分析與研究。

2 CCS項目

2.1 工程概況

厄瓜多爾CCS項目引水隧洞工程是中國在海外項目中的一個重點工程，全長24 km，同時有兩臺TBM掘進，其中中國水電十局承擔其中的13.77 km,采用一臺海瑞克公司生產的雙護盾全斷面掘進機，TBM開挖直徑為9 m，成洞直徑為8.8 m，開挖后采用預制管片襯砌和豆礫石回填灌漿。

2.2 地質情況

CCS項目引水隧洞巖石主要為海底火山噴發出來的巖漿堆積而成的火山島，至今已有很久的歷史，該條塊巖石古老，歷經構造變動并在強烈的近東西向的構造應力作用下出現巖石涌水、巖體破碎，地質條件比較復雜。

2.3 掘進機的基本情況

該掘進機的主要技術參數如表1所示。為了應對開挖中不可預見的斷層等地質條件，采用了雙護盾設計，同時配備了超前鉆機，可以對機頭前方30 m進行地質鉆孔勘測，也可以用來對掌子面前方進行注漿加固。

表1 技術參數表

3 施工中遇到的主要問題及采取的對策

3.1 大量涌水

厄瓜多爾CCS項目引水隧洞在TBM施工時，遇見了較大的地下水問題。地下水給施工帶來了很大的困難，特別是在圍巖破碎的情況下，形勢會更加糟糕，嚴重影響施工進度并增加工程成本。項目部對地下涌水采取的有效措施為：

3.1.1 超前排水

超前將前方地下水釋放。采取TBM自帶的超前鉆機打排水孔，視水量大小可打數量不同和管徑不同的排水孔；同時，增加洞內排水泵的數量，及時將釋放的水排出洞內。

3.1.2 超前注漿堵水

在施工過程中并不是所有隧洞的涌水都能通過鉆孔排水和輔助坑排水達到目的。對于深埋長隧洞，其涌水量往往較大、水壓較高，若采用排水法使含水圍巖中的地下水排出或水壓降低，一方面需要較長時間，而且局部地帶因高壓水的噴射還會誘發大規模的崩塌或產生巖爆；另一方面，由于上覆土層中地下水位下降還會產生一系列的環境問題，如地面坍塌、水源枯竭等。在這些情況下，必須采用注漿方式堵塞住圍巖中地下水的活動通道，以保證施工順利進行。TBM使用自帶的超前鉆機在TBM前上方連續打孔，環狀排列，然后采用高壓灌注水泥漿或聚氨酯材料進行化學注漿，待注漿材料凝固后，可在TBM前上方形成環狀止水環，因此而止水或改變水流的效果。TBM掘進時掌子面遇到涌水時的情況見圖1。

圖1 涌水洞段照片

3.2 斷層破碎帶

斷層是地殼在構造運動中巖體所受構造應力作用超過其強度而發生較大錯斷和明顯位移的地質現象。因此，破裂面兩側的巖體構造裂隙發育、巖體十分破碎、完整性差且巖石強度還相應降低，透水性急劇增強，斷裂面還常構成危險的滑動面。TBM在掘進過程中，由于遇到圍巖坍塌，擠壓圍巖等，使得圍巖體容易卡住TBM刀盤，使TBM刀盤無法轉動，機身無法向前掘進。CCS項目曾遇到多次斷層帶，有時1 d僅掘進10 m左右；又如TBM在斷裂構造帶上掘進時，因卡機和躲閃塌方，造成TBM停機兩次，好在均很快解決了卡機問題，加大推力，使得TBM向前掘進。斷層破碎圍巖見圖2。

圖2 斷層破碎帶

在施工過程中，由于沒有很好地對開挖前方的地質條件進行預報，因此出現了許多不可預見的斷層破碎帶，給工程帶來了很大的困難。

對于TBM在斷層破碎帶中的施工采取的不當施工措施有：

(1)施工中不對前方進行超前勘探，因此而沒有超前采取措施，從而造成TBM通過時受阻。

(2)TBM在通過斷層破碎帶的推進參數不合理，對前方巖體擾動過大。

(3)TBM受阻后沒有立即采取措施，造成刀盤前方坍塌進一步發展，最終導致TBM受阻。

因此，在TBM被困后，應根據出渣情況及TBM的施工參數判斷該地層的基本特點、斷層破碎帶的規模，做出判斷是否需要進行人工開挖還是采取超前處理措施，分別采取加固措施或人工開挖脫困。

3.3 雙護盾TBM被壓、卡機采取的脫困技術方案與分析

雙護盾TBM掘進的最大特點就是掘進速度快，施工環境安全，而且掘進、出渣、襯砌和回填灌漿等多道工序同步進行，隧洞一次成型。但如果地質條件復雜，所遇到的圍巖不穩定而導致快速變形或大體積塌方時，TBM機頭就會被卡住，從而嚴重影響施工進度和成洞質量，若采用的處理方法不當，解困不及時，TBM機身在長期受力的情況下必然會變形、受損，從而造成重大的經濟損失，也會給以后的工作帶來巨大的困難。在厄瓜多爾CCS項目施工中，突遇圍巖快速變形，導致TBM被圍巖緊緊抱住而不能移動，后因處理恰當正確，在短時間內即使TBM恢復了正常掘進，避免了重大損失。

厄瓜多爾CCS項目在遇到塌方情況時巖石結構松散，強度極低，在TBM全斷面掘進中，很有可能出現卡機故障。

(1)事故發生情況及解決方案。

在2013年4月，TBM在無明顯異常情況下，突然機身不能向前移動，在檢查完機械、液壓、電氣方面等都沒有問題的情況下，立即在剛脫離護盾的幾環管片上從灌漿孔處量測管片與圍巖的間隙，發現幾環管片間隙很小，遂確認卡機，最后改變了掘進參數，加大了推力，解決了TBM卡機問題，使TBM順利通過。

(2)TBM被困后采取的初步判斷方法。

根據其他工程TBM卡機經驗及此次TBM被卡情況，在施工中，工程技術員應當密切注意TBM各系統的運轉情況，若發現有以下幾種情況出現，應當初步確定有圍巖快速變形或大體積塌方的可能，應當迅速進行相應的處理。

①掘進速度下降，加大推力，效果不明顯；

②后護盾移動困難；

③后支撐和前支撐不能正常伸出；

④豆礫石回填明顯變少。

4 問題產生的原因及分析

(1)厄瓜多爾位于赤道上的島嶼都是遠古時代由海底火山噴發出來的巖漿堆積而成的火山島，至今已有很久的歷史，該條塊巖石古老，歷經構造變動眾多，巖石涌水、破碎，地質條件比較復雜，對隧洞的穩定非常不利，因此，巖體的完整性及強度表現較差；另一方面，在構造和溶蝕的共同作用下，巖石整體結構破壞加上地下水的作用，使得圍巖變得十分松散，圍巖體的地質條件更差，從而給TBM掘進施工過程造成了許多困難，在項目部領導及員工的共同努力下，解決了TBM在施工過程中的種種問題，使TBM恢復了正常運行。

(2)由于前期提供的地形地質資料與TBM掘進時遇到的巖石情況有所差異以及對該地質條件的了解不夠充分，沒有及時采取措施，故在遇到不良巖石情況時，要及時了解巖石情況，避免TBM出現各種問題，以保證TBM正常運行。

5 結 語

筆者在厄瓜多爾CCS項目工作1年時間里，根據雙護盾TBM的施工實踐，得到了以下幾點認識：

(1)TBM施工是一種新型、先進的隧洞施工機械，已被越來越多的大型交通、水利隧洞工程項目所采用。

(2)雙護盾TBM隧洞掘進機雖然具有安全、優質高效等很多優點，但也存在對地質條件較為敏感的問題，所以，在隧洞施工前期，一定要從本地區地質條件的客觀實際出發，做好各項技術指標的分析及比較，選擇合理的施工開挖方法，順利并且在規定的時間內完成工程項目。

(3)在遇到地質條件較差時，應盡量多的采取超前地質預報，時刻了解掌子面前方的地質情況，采取合理的掘進參數以及掘進方法，以保證TBM快速通過不良地質洞段。

(4)由于TBM涉及很多知識，如機械、液壓、PLC控制、地質等，因此，在TBM施工過程中，需要各個專業緊密配合，解決TBM在掘進當中遇到的各種問題。

(5)對于雙護盾TBM，在其掘進施工過程中，應盡量縮短掘進機機身和刀頭，通過增設擴挖設備等措施來減少護盾摩擦力，防止卡機事故發生。

作者簡介:

周江鋒(1989-)，男，河南安陽人，技術員，從事水利水電工程施工技術工作；

張長萬(1965-)，男，四川大竹人，副總經理，高級工程師，學士，從事國際工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)