引漢濟渭輸水隧洞TBM卡機處理方案研究

王新

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西西安710100）

引漢濟渭輸水隧洞TBM卡機處理方案研究

王新

（陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西西安710100）

引漢濟渭工程秦嶺隧洞全長98.3 km，越嶺段地質復雜，TBM卡機事故成為了阻礙隧洞順利施工的一大障礙。結合秦嶺隧洞此次卡機事故的特點，利用鉆孔電視勘測以及三維地震法超前地質勘測對卡機段地質進行了詳細的勘明；根據超前地質預報結果結合工程實際制定護盾后方收斂變形區加固方案以及護盾前方斷層帶處理方案；根據處理方案制定可行的施工措施，為TBM脫困創造了有利條件。

輸水隧洞；TBM卡機；三維地震法；處理方案

0 引言

引漢濟渭工程是從陜南的漢江流域調水到渭河流域的關中地區，是解決關中水資源短缺，實現陜西省內水資源的優化配置，促進全省經濟協調發展的跨流域調水工程。

秦嶺輸水隧洞是引漢濟渭工程的唯一輸水工程。秦嶺隧洞總長98.3 km，設計流量70 m3/s，規劃向關中調水15億m3。越嶺段約40 km為TBM施工，其余支洞、主洞均為傳統的鉆爆法施工。秦嶺隧洞施工具有埋深大，地質情況復雜，施工難度大等特點。2016年5月，TBM掘進時遇到了軟弱地層致使TBM卡機，為隧洞的順利施工帶來了巨大的挑戰。

尚彥軍[1]在萬家寨引黃工程的TBM卡機事故中對卡機地段的巖性(包括工程性質)、構造、地應力及其在TBM施工條件下的變化等方面進行工程地質力學進行了詳細的研究，針對性的提出了相應的處理意見和建議。李久平[3]、楊曉迎[4]等針對遼寧大伙房輸水隧洞中的卡機事故，給出了斷層不良地質情況下的隧洞卡機的處理方式。趙鵬濤[5]、郭毅[6]等針對引紅濟石中遭遇不良地層的多次卡機事故規律，提出了多套卡機脫困的方案。此外，大量學者[7-12]針對雙護盾TBM在軟弱地層下的卡機以及化學漿液加固隧洞進行了大量的研究。

1 地層情況及卡機原因分析

1.1 地層情況

2016年05月31日上午7點32分時，TBM掘進至K51+597.6時，護盾后方K51+603.2處拱頂圍巖松散，左側護盾下方有砂礫狀渣體不斷涌出，考慮到人員和設備的安全，決定停止TBM掘進作業，護盾后方渣體堆積高度超過TBM主梁后停止外流，涌出渣量約有近百方，刀盤內流渣已填充刀盤2/3空間，且右側拱頂1點鐘方向有線狀流水。本處原設計為Ⅲ類圍巖，巖性為千枚巖夾變砂巖，實際揭露巖性多為千枚巖，少量變砂巖、碎裂巖、糜棱巖及少量斷層泥礫。

鑒于此種情況，項目部人員立即通知參建各方相關人員進洞勘察，經現場會勘后，設計院地質專業人員對已開挖段圍巖進行分析，認為K51+616~K51+604段（未完全揭示）發育一斷層，初步判斷為逆斷層，大致產狀為N55°W/46° N，K51+616～K51+605段巖性主要為千枚巖和少量變砂巖，有少量糜棱巖和斷層泥礫夾層，K51+605開始進入斷層主帶，巖性主要為碎裂巖、糜棱巖和斷層泥礫，巖石膠結差，自穩能力差，本段地下水不發育，多干燥，在掌子面右上部有線狀水發育。

受該斷層影響，已開挖段部分鋼拱架及鋼筋排有明顯擠壓變形現象，護盾壓力監控數據顯示，護盾頂部壓力已達到設備極限值，刀盤無法轉動，四方一致認為，需及時對該段加強支護，制定TBM脫困方案，并進行超前地質預報，指導下步施工。

1.2 超前地質預報

1.2.1 鉆孔電視勘測

為了探測引漢濟渭秦嶺隧洞嶺北TBM卡機段前方地質條件，在管棚工作間（樁號K51+581.3）端墻，沿隧洞軸向往小里程方向打兩個超前鉆孔，分左、右兩孔。采用鉆孔電視方法探測前方地質條件變化，測試深度分別為:左孔31.2 m，右孔35.6 m。

左側孔:左孔的裂隙密集段為0~5 m，該段共含裂隙21條，平均每米鉆孔含裂隙5.25條;縫寬均值為4.48 mm，裂隙最寬達40 mm。左孔的裂隙稀疏段為5~25 m，該段共含裂隙44條，平均每米鉆孔含裂隙2.2條;縫寬均值為2.79 mm，裂隙最寬僅為7 mm。左孔的巖體完整段為2531.2 m，該段共含裂隙4條，平均每米鉆孔含裂隙0.6條。

右側孔:右孔的裂隙密集段為0~5 m，該段共含裂隙21條，平均每米鉆孔含裂隙5.25條;縫寬均值為2.62 mm，裂隙最寬達18 mm。右孔的裂隙稀疏段為5~24 m，該段共含裂隙29條，平均每米鉆孔含裂隙1.5條;縫寬均值為2.5 mm，裂隙最寬僅為5 mm。右孔的巖體完整段為24 m~35.6 m，該段共含裂隙4條，平均每米鉆孔含裂隙0.3條。

鉆孔的裂隙密集段存在大量明顯裂隙，且裂隙與鉆孔夾角較大，縫寬偏大，巖體張開度較大、結合較差、穩定性較差;裂隙稀疏段存在少量明顯裂隙，裂隙較短穩定性一般;巖體完整段不存在明顯裂隙，右孔的裂隙條數，縫寬較小，巖體結合一般、巖體張開度很小、結合較好、穩定性較強。裂隙寬度，縫寬均值等明顯小于左孔，且右孔巖體結合度好于左孔同等深度巖體。

1.2.2 三維地震法超前地質勘測

通過勘測區域的地震波反射掃描成像三維圖、掌子面地質觀測的信息，可以得出如下結論（見表1）。

表1 三維地震波超前預報結果

2 總體加固方案

結合電視物探以及超前地質預報的成果，本機卡機處理的總體思路為：從護盾后方右側穩定巖體開挖小導洞，逐步向左側不穩定巖體擴挖，最終解除TBM護盾上方沉積的虛碴；然后利用護盾上方空間向刀盤前方破碎帶實施超前注漿加固后開挖，刀盤中心線以上部分采用人工分臺階分區開挖，兩側撐靴位置施做撐靴梁，TBM緩慢掘進通過此斷層帶。主要的方案可以分為護盾后方收斂變形區加固以及護盾前方斷層帶處理。

2.1 護盾后方收斂變形區加固方案

K51+630～K51+603段，為防止已拼裝的H150型鋼拱架及鋼筋排變形加劇，首先人工噴射混凝土封閉巖面，部分變形嚴重段落利用TBM主梁作為支撐，用H150型鋼加固拱架，再施作徑向鋼花管并注漿加固。在塌方處理期間，根據圍巖及鋼架受力情況在原有兩榀鋼架之間增設I20a鋼架噴錨支護，加強變形段支護受力，保證施工安全。

待護盾頂塌方段處理完畢且此段收斂穩定后，對護盾尾部至操作室段支護變形且侵入襯砌施工界限的區段進行換拱處理，TBM通過此段后及時施做二次襯砌。

2.2 護盾前方斷層帶處理方案

由護盾后方施工縱向導洞至適宜洞段后再施作橫向導洞并形成管棚工作間，管棚支護后以臺階法挖除護盾前方斷層帶，TBM緩慢通過。施工順序為：（1）在護盾后方圍巖條件較好的洞壁上開挖縱向小導洞；（2）縱向小導洞越過坍塌影響區3 m~5 m后，在相對穩定的圍巖中施作橫向小導洞，擴挖形成管棚工作間；（3）超前地質預報探測前方（小里程端）和后方（大里程端）地質條件；（4）向后方（大里程端）施工大管棚，管棚長度以越過護盾后方不小于1.5 m為宜；（5）向后方（大里程端）開挖上導洞并及時支護加固；（6）臺階法開挖刀盤前方斷層及其影響帶；（7）利用縱向小導洞以礦山法向左右側開挖護盾頂部；（8）護盾至操作室段換拱施工；（9）在人工開挖段施作撐靴梁；（10）TBM緩慢掘進通過人工開挖段；（11）TBM正式恢復掘進；（12）斷層帶二次襯砌。

3 施工方法

3.1 護盾后方區域加固（K51+667～K51+603）

3.1.1 支護加強加固

K51+625～K51+603段，為防止已拼裝的H150型鋼拱架及鋼筋排變形繼續加大，利用TBM主梁作為支撐，用H150型鋼對已拼裝拱架進行豎向及斜向支撐。相鄰拱架間用H150型鋼代替縱向連接筋，型鋼間距1m。

在鋼架支撐加固完畢后，在現有每兩榀鋼架間根據實際斷面增設1榀全斷面I20a型鋼鋼架，加密后鋼架間距不小于45 cm/榀。鋼架與圍巖間空隙采用鋼楔塊填塞，楔塊環向間距不大于0.5 m，相鄰鋼架之間利用H150型鋼連接，間距0.5 m/根，并立即對鋼架與圍巖間空隙補噴混凝土以保證鋼架的整體受力條件。

3.1.2 噴錨支護

K51+640～K51+603段，為防止已拼裝的H150型鋼拱架及鋼筋排變形繼續加大，對該段全斷面施作Φ42鋼化管并注漿加固，錨管長4.5 m，間距0.4 m×0.45 m（環×縱），鋼花管靠近拱架施做，與拱架焊接連接。對于成孔困難部位，注漿采用Φ32自進式注漿錨管，錨管長4.5 m，間距0.4 m×0.45 m（環×縱），注漿采用雙液漿，注漿壓力根據現場實際情況調整。并及時采用人工噴射C20混凝土，配合鋼拱架及鋼筋網片（鋼筋排）形成聯合支護體系，混凝土厚度20 cm。

K51+640～K51+667段，為防止護盾前方斷層帶應力重分布，對該段造成影響，對其已拼裝的H150型鋼拱架及鋼筋排采用人工超前噴射混凝土進行支護。混凝土厚度20 cm。

3.2 護盾前方斷層帶處理（K51+603.2～K51+581.1）

3.2.1 爬坡孔

考慮到右側圍巖有一定自穩能力，左側圍巖破碎，現場選取右側偏設計中線1.1 m處設置爬坡孔，對爬坡孔位置處原有兩榀拱架進行加固，具體措施為：在每側拱架開口部位采用4根Φ32自進式注漿錨管進行鎖腳，錨管長6.0 m。將靠近護盾兩榀拱架用兩根H150型鋼與護盾連接，長度為150 cm，在爬坡孔三側施作Φ32自進式注漿錨管進行注漿加固，錨管長度為4.5 m，防止在掏孔過程中周邊坍塌。加固后人工使用風鎬開挖孔爬坡，完成后在爬坡孔四周設置四根H150立柱框架，底部與護盾和鋼拱架連接，頂部利用角鐵和Φ22鋼筋封頂，并噴錨支護。

3.2.2 縱向小導洞

爬坡段開挖完成后，向前開挖導洞，為避免一次性開挖跨度過大導致開挖與支護間隔時間過長出現坍塌范圍擴大到右側，右側開挖時預留部分完整巖體。開挖前先施作雙層Φ32自進式注漿錨管，錨管長4.5 m，環向間距30 cm，縱向0.9 m/環，外插角按25°、45°控制，采用風鎬人工開挖，護盾上方開挖循環長度為45 cm。開挖完成后，再架設H150鋼架，鋼架間距為45 cm,拱架外緣內側焊接鋼筋排，鋼架內側焊接6 mm鋼板加固，內灌混凝土回填密實。鋼架采用H150型鋼作為臨時支撐，型鋼底部焊接在護盾頂部。

刀盤前方導洞施工斷面，由于圍巖強度較低，開挖前先施作雙層Φ32自進式注漿錨管（或Φ42鋼花管），錨管長4.5 m，環向間距30 cm，縱向0.9 m/環，外插角按25°、45°控制。采用風鎬人工開挖，開挖循環長度為45 cm，開挖完成后，再架設H150鋼架，鋼架間距為45 cm（凈間距30 cm）。拱架立柱底部焊接25 cm×25 cm，厚10 mm鋼板增大立柱支撐面積，相鄰鋼架之間增設槽鋼縱向連接，槽鋼間距0.5 m，底部采用H150型鋼進行橫向連接，形成封閉拱架支護體系。拱架施工完成后，拱架外緣內側焊接鋼筋排，拱架內側采用6 mm鋼板加固拱架，鋼板背后灌注C30混凝土，防止導洞底部及局部破碎區域坍塌。隨后再進行下一循環作業。

3.2.3 橫向導洞

縱向小導洞穿過塌腔影響區3～5 m進入原狀巖層內再行開挖橫向導洞，橫向導洞利用縱向導洞進行開挖、支護。橫向導洞開挖時，先開挖右側，拱頂采用雙層Φ32自進式超前注漿錨管，錨管長4.5 m，環向間距30 cm，角度分別為25°、45°，為防止頂部松散物由掌子面滑落，超前錨管縱向間距1.2 m/環。橫向導洞開挖斷面采用梯形斷面，頂寬1.64 m，底寬2.0 m，高度根據現場實際情況進行調整，采用人工風鎬進行，開挖循環控制在60 cm，拱架采用H150門架型鋼，門架凈間距45 cm/榀，門架架設時，立柱底部需焊制25 cm×25 cm鋼板增大立柱支撐面積，底部橫向采用H150型鋼進行連接，形成封閉拱架支護體系。門架外緣內側焊接鋼筋排，門架間采用槽鋼連接，槽鋼間距0.5 m，拱架內側封焊6 mm鋼板，鋼板背后灌注C30混凝土。待橫向導洞右側開挖、支護完畢后，開挖左側，完成橫向導洞的開挖支護。

3.2.4 管棚工作間（含支護體系轉換）

橫向導洞開挖、支護完成后，在門架頂部型鋼下方拼接、焊制H150環形拱架，環形拱架兩側端頭需焊制25 cm×25 cm鋼板增大立柱支撐面積，鋼架外緣內側焊接鋼筋排，拱架間采用槽鋼連接，槽鋼間距0.5 m，拱架內側封焊6 mm鋼板，鋼板背后灌注C30混凝土。在環向拱架每節接頭及端頭處均施作2根Φ42鎖腳錨管注漿錨管，錨管長4.5 m，對其進行鎖腳固定。拱架內側回填混凝土強度達到設計要求后，切除門架立柱，完成橫向導洞支護體系轉換。利用橫向導洞擴挖形成管棚工作間。然后在管棚工作間兩端導向管位置下方分別再拼接、焊制兩環H150拱架，拱架間距25 cm，作為固定管棚導向管之用，導向管采用Φ22鋼筋焊接固定在拱架上。

3.2.5 管棚施工

在完成管棚導向墻施工后，向大里程側施作大管棚。大管棚選用Φ108跟進式注漿鋼管，大里程方向大管棚長度暫定為25 m，環向間距40 cm，外插角5°。

3.2.6 護盾區域開挖與支護（K51+603.2～K51+597.6）

管棚工作間向大里程端上導洞開挖至刀盤后，為避免護盾頂部開挖時坍塌，利用上導洞底部平臺向護盾左上方向塌腔內施作Φ32自進式超前注漿錨管，錨管長4.5 m，環向間距30 cm，角度分別為25°、45°。超前小導管預支護，根據現場圍巖情況注單液漿（水泥漿液）、雙液漿（水泥-水玻璃漿液）或化學漿液，加固圍巖并止水。

護盾頂利用已開挖完的導洞向兩側開挖，開挖時，先開挖左側，再開挖右側。拱頂采用雙層Φ32超前小導管，錨管長4.5 m，環向間距30 cm，為防止頂部松散物由掌子面滑落，超前小導管縱向間距0.6 m/環。采用人工風鎬進行，開挖循環控制在60 cm，采用H150型鋼門架，門架凈間距45 cm/榀，門架架設時，立柱底部牢固焊接在護盾上，相鄰拱架采用H150型鋼橫向連接，間距50 cm，頂部采用槽鋼和鋼板封閉，形成封閉拱架支護體系。門架施作完畢后，兩側采用噴射C20混凝土進行封閉，厚度為20 cm，頂部采用C30混凝土回填密實。

3.2.7 塌腔處理

在上導坑開挖至刀盤處，根據5月31日左側護盾下方以及6月2日刀盤左側刮渣孔流出的渣體情況分析，護盾頂部坍塌體基本為松散小粒徑渣體，在開挖過程中，該段采用雙層Φ42超前小導管注漿固結，導管長度4.5 m，傾角控制在25°、45°，布孔間距30 cm，梅花形布置，注漿材料根據現場圍巖情況注單液漿（水泥漿液）、雙液漿（水泥-水玻璃漿液）或化學漿液，對坍塌體加固并止水。

3.2.8 換拱

待護盾頂塌方段處理完畢且此段收斂穩定后，對護盾尾部至操作室段支護變形且侵入襯砌施工界限的區段進行換拱處理。

K51+603.2（護盾尾部）至K51+625.0段圍巖出現變形，拱架全部或是部分部位侵入襯砌施工限界，采用全斷面換拱施工，換拱施工采用先立后拆施工順序，拱架間距（中心間距）30 cm。換拱擴挖半徑4.36 m，采用I20 a鋼拱架，拱架預留變形量35 cm。

擴挖前，在拱部180°施做雙層Φ42超前小導管，錨管長4.5 m，環向間距30 cm，縱向間距1.2 m/環，錨管角度25°和45°，注漿采用雙液漿。在拱架每側均勻設置3組（6根）長4.5 mΦ42鎖腳錨管，并注漿，鎖腳錨管與鋼架之間采用L型Φ22鋼筋焊接連接。

3.2.9 臨時支撐拆除

待TBM前方斷層全部處理完畢后，且護盾頂雙層鋼架回填的混凝土強度達到設計強度，拆除護盾頂豎向鋼支撐，并對護盾頂進行打磨防銹處理。并對刀盤前方臨時型鋼仰拱及豎向鋼支撐等臨時材料進行清除，防止對刀盤造成損壞。

護盾后方換拱完畢，拱架間回填混凝土達到設計強度及變形觀測穩定后即可拆除焊接在主梁上的支撐，首先拆除斜向支撐，而后拆除豎向支撐，拆除過程中實時進行收斂監測。

3.2.10 TBM緩慢掘進通過斷層帶

待護盾尾部換拱施工、護盾頂及刀盤前方臨時支撐等材料全部清理完畢，所有影響TBM掘進施工的因素消除后，開始啟動TBM，緩慢向前推進，利用TBM開挖刀盤前方剩余石方。由于此段圍巖較差，在TBM緩慢推進期間，重點關注TBM機頭標高及方向問題，保證掘進方向準確，避免出現機頭下栽情況。

隨著TBM向前推進，及時支立H150鋼拱架，拱架間距0.9 m/榀，鋼架之間采用［10槽鋼連接（撐靴梁區間采用H150型鋼），槽鋼間距0.5 m，新立鋼架與外層鋼架之間采用H150型鋼支撐加固，鋼支撐間距1.0 m。按照正常程序安裝仰拱預制塊，并灌注C20細石混凝土回填密實。

3.2.11 二次襯砌

待TBM恢復掘進并且后配套完全通過斷層帶，具備邊頂拱襯砌作業空間后，依據設計院出具的最終變更圖紙及時施作二次襯砌。拱部兩層拱架之間采用襯砌混凝土回填密實。

3.2.12 TBM掘進通過斷層帶、正式恢復掘進

TBM采用緩慢掘進方式通過斷層破碎帶，由撐靴梁為撐靴提供可靠支撐。進入人工開挖小里程掌子面后（K51+581.1），按照V類圍巖組織施工，開挖后及時進行支護，并采用人工進行超前噴錨支護，保證施工安全。待設計院地質人員確定斷層通過后再按照最新圍巖情況組織施工。

4 方案效果

經過各種加固處理措施之后的護盾頂解壓后的斷面如圖8所示。

圖8護盾頂部解壓后截面

進過歷時近半年的處治，首先通過鉆孔電視探測方法以及三維地震法超前地質預報對工程卡機部位的地層進行詳細的探測分析，在此基礎之上針對引漢濟渭輸水隧洞的工程特點制定了相應的護盾后方收斂變形區加固方案以及護盾前方斷層帶處理方案。為隧洞TBM脫困創造了有利條件，為類似工程提供有益借鑒。

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TV554

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1673-9000（2017）03-0155-04

2017-04-05

王新（1980-），男，陜西富平人，工程師，主要水利水電工程建設管理。