降低大直徑雙護盾TBM在不良地質洞段卡機風險的對策研究

袁 艷 斌， 陳 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著國民經濟的不斷發展，越來越多的“大”“長”“深”山嶺隧洞項目需要建設。雙護盾硬巖掘進機(以下簡稱TBM)憑借其掘進速度快、安全、利于環保、可實現傳統鉆爆法難以實現的復雜地質情況深埋長隧洞的施工、綜合效益高等優點越來越多地被用于深埋長隧洞的施工。但是，雙護盾TBM在不良地質洞段掘進時常常面臨著非常大的卡機風險。一旦發生卡機事故， TBM的工作效率將會受到非常大的影響；卡機事故若不能得到快速、有效的處理，建設施工企業將會蒙受很大的經濟損失。由此可見，雙護盾TBM掘進期間的卡機風險是制約雙護盾TBM發揮其施工優越性的重要因素。據統計，目前國內在卡機脫困技術方面的研究很深入且很廣泛，但是，對降低卡機風險的研究卻很少。筆者以西藏某公路隧洞雙護盾TBM施工卡機事故為例，就如何降低大直徑雙護盾TBM穿越不良地質洞段遭遇的卡機風險進行了對策研究，希望能對后續類似項目施工提供借鑒。

西藏某公路隧洞全長4.7 km，使用德國海瑞克直徑9.13 m的雙護盾TBM進行掘進施工，預制鋼筋混凝土管片襯砌。隧洞最小埋深10 m，最大埋深超過700 m。TBM掘進施工從2016年5月初開始，于2017年8月底到達預定停機掌子面，TBM掘進隧洞總長4.6 km，TBM隧洞掘進總歷時16個月(包括不良地質洞段四次卡機脫困耗時3個月，暴雪停工3個月)。

該隧洞位于東喜馬拉雅構造印度大陸楔入和俯沖到歐亞大陸的前緣，由于強構造擠壓應力持續作用，該地區自新生代以來發生過多期強烈構造變形，地質構造背景復雜，主要巖性為片巖和片麻巖，洞身總體以堅硬巖為主，但部分洞身段因巖體中節理裂隙發育、巖層擠壓揉皺強烈，巖體破碎且強度較低，為軟巖。該隧洞埋深超過300 m的洞段長約3 000 m，最大埋深超過700 m，最大主應力均超過30 MPa，屬高地應力洞段。

2 卡機事故的發生

2016年8月初至2016年10月底，在該隧洞TBM掘進過程中共發生了四次卡機事故，期間累計掘進123 m，卡機事故發生情況記錄如下：

2016年8月1日，在K10+144樁號位置，TBM無法繼續掘進被迫停機，通過TBM動作情況判斷TBM伸縮護盾、撐靴盾及尾護盾被卡，在采取伸縮護盾至尾護盾頂部開挖卸荷的方式并配合調高TBM主油缸推力的方式脫困；

2016年8月14日，在K10+209樁號位置，TBM無法繼續掘進被迫停機，停機后，通過進入刀盤查看掌子面情況，發現掌子面巖石情況較為良好，判斷可能是由于不良地質洞段塌方導致伸縮盾及部分前盾被壓，同時，由于前盾至掌子面部分巖石情況較好但地應力較高，長時間停機期間圍巖洞室變形導致前盾頂部及兩側位置被變形圍巖抱死。項目部采用上述同樣的方式進行脫困，在脫困的同時更換了刀盤、鏟牙并采用加大擴挖半徑的方式降低了后續TBM掘進施工卡機風險。

2016年8月30日，在K10+242樁號位置，TBM可以向前掘進但無法換步，同時伸縮護盾內盾油缸被拉斷2根。根據TBM盾體外側圍巖情況及TBM動作情況，判斷此次卡機主要是因圍巖大面積塌方(前盾及伸縮護盾右側)及局部洞室圍巖收斂變形(尾盾位置)所致。

2016年10月9日，在K10+253樁號位置，TBM刀盤頂部及右側出現塌方，伸縮護盾及前盾上部出現大塊塌方體，造成伸縮護盾及前盾上部及右側被壓，尾護盾位置圍巖變形且貼緊護盾，無法繼續掘進被迫停機。

上述四個洞段管片錯臺嚴重且管片內側表面均出現多處沿隧洞軸線方向發育的裂縫，部分洞段管片甚至出現表面片狀剝裂、鋼筋外露的現象(該現象主要發生在第三次卡機洞段)。

3 卡機原因分析

根據上述四次卡機過程記錄進行綜合分析得知，該隧洞TBM掘進過程中發生卡機的主要原因為：

(1)高地應力洞段，軟弱圍巖快速變形，其變形量到達大于圍巖與盾體之間的空隙值所需的時間遠遠短于TBM盾體通過該位置的時間，最終導致TBM盾體被卡。以第一次和第二次卡機為例，TBM在正常掘進過程中，由于在高地應力影響下圍巖快速變形，導致TBM盾體在一個行程時間內迅速被卡而無法換步，必須停機處理卡機、脫困；

(2)斷層破碎帶與高地應力綜合作用導致TBM在該類區段掘進時TBM前盾至刀盤區域往往會先遭受塌方而導致TBM掘進不正常，進而導致TBM將會有較正常掘進期間更長的檢修維護時間，在高地應力作用下，撐靴盾至尾護盾區域會因軟弱圍巖變形而被卡，在圍巖塌方及高地應力圍巖變形的共同作用下，TBM將無法繼續掘進被迫停機處理卡機脫困，與此同時，此類卡機脫困處理的難度將大幅度增加，第三次和第四次卡機均為此類情況。

(3)超前地質預報沒有很好地為TBM掘進施工提供地質情況參考。據統計，幾乎所有的雙護盾TBM隧洞施工項目均配有超前地質預報裝置，但是，由于目前超前地質預報技術尚處于發展過程中，地質預報結果的解讀人員素質參差不齊，地質預報成果往往會有很大的偏差，對TBM掘進施工基本沒有起到很好的指導作用。

(4)大多數TBM隧洞施工單位對超前地質預報及地質解讀重視程度不夠，施工項目部地質專業力量配置薄弱。另外，目前大多數TBM施工單位都具有很豐富的卡機脫困經驗，故其根本不重視TBM卡機的預防，導致TBM卡機預防知識及措施儲備不足，往往導致TBM施工班組在掘進過程中遇到不良地質洞段時不能及時采取有效的應對措施，只能憑經驗和運氣快速通過不良地質洞段，進而導致TBM卡機的幾率大大提升。

(5)TBM配套設備的性能在進行設備選型時未充分考慮TBM卡機風險，導致部分設備性能不能夠滿足TBM在不良地質洞段運行的要求，導致故障頻發，不能夠保證TBM快速通過不良地質洞段，導致TBM卡機。以前述TBM第四次卡機為例，第四次卡機前，由于刀盤頂部及右側出現塌方，刀盤出渣量突然增大，超出3#皮帶機的額定運輸能力，導致3#皮帶機跳停且無法恢復。在處理3#皮帶機故障期間，高地應力導致軟弱圍巖變形、尾護盾被卡。經事故后分析發現：圍巖塌方并未導致刀盤被卡，TBM前盾位置塌方體不足以限制TBM掘進，此次卡機的主要原因是3#皮帶停機故障處理時間太長，尾護盾位置圍巖變形而導致TBM被卡。

4 降低大直徑雙護盾TBM在不良地質洞段卡機風險的對策

根據上述對TBM卡機原因進行的分析，筆者認為：TBM施工項目應采取以下對策用于降低大直徑雙護盾TBM在不良地質洞段的卡機風險。

(1)在TBM設備選型階段，應充分考慮并結合新項目TBM掘進過程中可能遇到的不良地質洞段情況確定TBM配套設備的相關參數并設置一定的富余，盡可能地保證設備選型配置滿足TBM在該項目不良地質洞段掘進的需求，降低因不良地質洞段設備故障或設備性能無法滿足極端脫困情況需求而導致的TBM卡機風險。

(2)在進行TBM隧洞項目施工時，TBM施工單位應提高對TBM卡機預防的重視程度并培養足夠的、懂TBM施工的地質工程師，能夠根據設計提供的地質資料及超前地質預報結果提前評估不良地質洞段通行風險，策劃TBM通行措施，使施工項目部有充分準備地面對不良地質洞段，降低因施工單位本身對不良地質洞段認識不足、超前處理措施準備不足、實施不到位而導致的TBM通過不良地質洞段時的卡機風險。

(3)應該選擇超前地質預報業界水平較高的企業并甄選有責任心的超前地質預報工作人員進行項目超前地質預報工作，確保超前地質預報結果有較高的準確度和可信度，以保證其對TBM后續掘進施工具有指導作用。同時，超前地質預報還應根據項目實際地質情況盡可能多地包括圍巖完整情況、涌水情況、地應力情況等可能對TBM掘進和TBM設備有不良影響因素的結果，綜合多方面結果確定TBM的掘進參數，降低TBM卡機風險。

5 結 語

當TBM從斷層破碎帶及其影響帶中穿過或從斷層和高地應力區軟弱圍巖同時存在的復雜地質洞段通過時，圍巖的持續擠壓作用和快速大變形一旦超過護盾與圍巖之間預留的空隙量時會導致TBM卡機事故的發生。卡機脫困處理將嚴重影響工程工期，影響施工單位履約。如果我們能夠從TBM設備選型、超前地質預報解讀以及不良地質洞段超前處理等方面做好應對TBM通過不良地質洞段的準備，TBM卡機的幾率一定會得到有效遏制。因此，我們必須不斷總結雙護盾TBM順利通過不良地質洞段的實踐經驗，不斷探索降低雙護盾TBM不良地質洞段卡機風險的對策。雙護盾TBM具有的掘進速度快、安全、利于環保、可實現傳統鉆爆法難以實現的復雜地質條件下的深埋長隧洞施工、綜合效益高等優點才會得到更好地發揮。