復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)原因及脫困措施研究

秦銀平,孫振川,陳 饋,張 兵

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司,廣州 511458)

引言

TBM作為硬巖開挖的先進(jìn)工程機(jī)械設(shè)備，當(dāng)前TBM已經(jīng)逐步推廣應(yīng)用于鐵路工程、水利工程以及煤礦工程等眾多的工程領(lǐng)域[1-3]。

TBM同傳統(tǒng)的鉆爆法施工相比具有開挖速度快、成型效果好、工作效率高以及對周邊環(huán)境擾動小等眾多優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于長大山嶺隧道的開挖。所以，隧道開挖時(shí)，在追求環(huán)境保護(hù)的情況下TBM成為了一種隧道開挖的新趨勢[4-5]。

TBM掘進(jìn)過程中難免遇到復(fù)雜地質(zhì)情況，尤其是穿越深埋長大隧洞的斷層破碎帶時(shí)，圍巖變形大、刀盤出渣量加大引起塌方或者大面積塌方造成刀盤無法轉(zhuǎn)動卡死的情況[7-8]。刀盤卡機(jī)不但引起施工的延誤，同時(shí)對施工安全構(gòu)成一定的影響[9-12]。因此，能夠采用有效避免或者快速使TBM脫困的施工措施，將對整個(gè)工程會產(chǎn)生巨大的意義[13-20]。針對高黎貢山隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，并對其采用的脫困措施進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，對今后類似工程具有一定的參考借鑒意義。

1 工程概況

高黎貢山隧道位于云南省西部，全長約34.5 km，是大瑞鐵路全線的控制性工程，最大埋深達(dá)1 155 m，隧道內(nèi)人字坡最大設(shè)計(jì)坡度為23.5%。TBM掘進(jìn)段穿越的地層巖性主要有3種，分別為白云巖夾石英砂巖、花崗巖和板巖、片巖；TBM掘進(jìn)段各級圍巖長度比為 16.9%(Ⅱ級圍巖)、43.33%(Ⅲ級圍巖)、29.99%(Ⅳ級圍巖)和9.78%(Ⅴ級圍巖)，該TBM施工段內(nèi)地質(zhì)具有“三高”(高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運(yùn)動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件、活躍的岸坡淺表改造過程)的特征，其中在施工段內(nèi)巖體破碎-極破碎地段有20段累計(jì)長度1 280 m。TBM施工平面如圖1所示。

圖1 高黎貢山TBM平面施工平面(單位：m)

2 TBM卡機(jī)情況及原因分析

2.1 TBM卡機(jī)情況

正洞TBM掘進(jìn)至里程D1K224+212.467處時(shí)，TBM掘進(jìn)參數(shù)推力和扭矩發(fā)生突變，扭矩出現(xiàn)較大幅度跳動，掘進(jìn)異常困難；同時(shí)刀盤發(fā)生超量出渣現(xiàn)象堆積皮帶機(jī)上，出現(xiàn)皮帶被壓死的情況；在圍巖左側(cè)拱腰位置伴隨線狀出水，圍巖其他位置存在滴狀出水情況。TBM啟動掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)掌子面圍巖坍塌，巖渣擠壓刀盤，刀盤無法轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)TBM卡機(jī)情況，該位置距離始發(fā)位置1 914 m處。TBM發(fā)生卡機(jī)前后圍巖特性及掘進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 TBM卡機(jī)前后圍巖級別及相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)

2.2 TBM卡機(jī)原因分析

TBM掘進(jìn)里程D1K224+370～224+120段設(shè)計(jì)圍巖等級為IVb，但實(shí)際從里程D1K224+344段開始揭示圍巖特性即為強(qiáng)～全風(fēng)化的V級花崗巖，巖體出現(xiàn)破碎狀呈現(xiàn)塊狀堆積在支護(hù)鋼筋排上，在掘進(jìn)受阻位置的頂護(hù)盾前方5 m左右出露圍巖巖體較為完整且具有一定強(qiáng)度，從該受阻位置開始出現(xiàn)了持續(xù)巖體破碎情況，如圖2所示。TBM掘進(jìn)接近里程D1K224+212位置前，刀盤掌子面持續(xù)存在不同程度的垮塌，垮塌范圍0.3～2 m，圍巖具有一定強(qiáng)度，垮塌后臨空面較為穩(wěn)定；掘進(jìn)至該位置后掌子面的圍巖破碎、圍巖強(qiáng)度較低呈泥沙狀不斷涌入刀盤，在臨空情況下發(fā)生持續(xù)性坍塌，刀盤下部刀孔被巖渣大量阻塞，掘進(jìn)扭矩加大，造成了TBM卡機(jī)，如圖3所示。

圖2 護(hù)盾出露圍巖

圖3 刀孔渣體堵塞

3 TBM卡機(jī)處理措施

對于TBM掘進(jìn)中圍巖掌子面出現(xiàn)松散泥沙狀的巖渣涌進(jìn)刀孔發(fā)生阻塞伴隨刀盤出渣過量掌子面坍塌并發(fā)生TBM出現(xiàn)卡機(jī)的情況，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面護(hù)盾周邊注漿加固、刀盤及盾體周邊清渣、刮渣口處焊接筋板相結(jié)合的方法，改變了刀盤刮渣口密度，增加了掌子面及盾體周邊破碎圍巖的穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上采用小導(dǎo)洞開挖與掌子面化學(xué)注漿的方法實(shí)現(xiàn)TBM脫困。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為了恢復(fù)TBM掘進(jìn)施工，TBM卡機(jī)后需準(zhǔn)確判定前方地質(zhì)情況，采用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，對底護(hù)盾左、右兩側(cè)超前水平鉆孔共施作25 m進(jìn)行地質(zhì)特性判別，根據(jù)1號、2號孔鉆進(jìn)速率、返渣、返水、孔內(nèi)攝像情況進(jìn)行地質(zhì)判定，如表2所示。

表2 TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)情況

3.2 護(hù)盾后方加固

針對出露圍巖采用應(yīng)急噴混凝土及時(shí)封閉，盾尾縱向拱架采取縮短立拱間距，環(huán)向焊接型鋼支撐拱架及拱架間鋼筋排加密的措施，如圖4所示。盾尾周邊在時(shí)鐘10:00～1:00位置之間打孔灌注化學(xué)漿液，如圖5所示。同時(shí)在盾尾鋼拱架變形的拱頂部位進(jìn)行徑向注漿加固，然后對護(hù)盾后方進(jìn)行淺孔加密化學(xué)灌漿加固，并在盾尾處進(jìn)行關(guān)模注漿加固。

圖4 鋼拱架支撐

圖5 盾尾注漿加固

3.3 盾體周邊及掌子面實(shí)施注漿加固

3.3.1 盾體周邊注漿加固

(1)護(hù)盾上方加固

針對護(hù)盾上方的破碎圍巖，在盾體上方與圍巖夾角成35°～45°，孔深為2.5～3 m且孔間距成1.5 m進(jìn)行打孔注漿，采取雙液漿進(jìn)行化學(xué)灌漿。通過對護(hù)盾上方破碎圍巖進(jìn)行化學(xué)灌漿處理，促使破碎圍巖形成具有一定強(qiáng)度及穩(wěn)定能力的封閉殼體巖層，同時(shí)促使護(hù)盾上方空腔圍巖體發(fā)生凝固形成一定的穩(wěn)定性，有效地穩(wěn)固了盾體上方圍巖，并避免了后續(xù)的注漿體同護(hù)盾及刀盤發(fā)生凝固。如圖6所示。

圖6 護(hù)盾上方注漿加固

(2)護(hù)盾前方加固

作業(yè)人員借助風(fēng)鉆在護(hù)盾前方沿隧道掘進(jìn)方向與圍巖巖面夾角10°～15°，環(huán)向間距為0.4 m，并按時(shí)鐘11:00～1:00點(diǎn)鐘的位置鉆孔，施作φ35 mm長5 m的超前小導(dǎo)管，注漿超前加固護(hù)盾前方圍巖，同時(shí)對刀盤的11：00點(diǎn)鐘位置進(jìn)行45°角度打孔注漿并灌注化學(xué)漿液。如圖7所示。

圖7 護(hù)盾前方注漿加固示意

3.3.2 掌子面注漿加固

根據(jù)現(xiàn)場情況，采用單雙液注漿+玻璃纖維錨桿注漿+化學(xué)灌漿的方式對掌子面破碎圍巖進(jìn)行加固處理。如表3所示。

表3 掌子面注漿加固措施

3.4 巖渣清理及設(shè)備改進(jìn)

3.4.1 洞內(nèi)巖渣清理

TBM刀盤試掘進(jìn)中掌子面左右兩側(cè)出露兩股約7 m3/h股狀出水，大量巖渣以泥沙狀從連續(xù)皮帶接口外泄，皮帶機(jī)發(fā)生漏渣的主要原因是皮帶機(jī)接頭位置帶仰角，富水段皮帶機(jī)上水倒流，攜帶泥渣掉落；經(jīng)過護(hù)盾周邊及掌子面固結(jié)注漿完全加固后，施工現(xiàn)場對刀盤底部巖渣進(jìn)行清理，對連續(xù)皮帶漏渣進(jìn)行增加檔板和控制出渣量的方法進(jìn)行了處理，情況得到一定改觀后對巖渣進(jìn)行了集中清理，如圖8所示。

圖8 皮帶機(jī)溢出渣體

3.4.2 刀盤刮渣口改進(jìn)

刀盤出渣量過大是造成TBM卡機(jī)的重要原因之一。掌子面巖體風(fēng)化較為嚴(yán)重呈現(xiàn)泥沙狀，刮渣口間隙過大，TBM掘進(jìn)過程中，刀盤出現(xiàn)了超量出渣情況，圍巖失穩(wěn)，大量巖渣經(jīng)過刮渣口后從溜渣槽不斷進(jìn)入皮帶機(jī)入口處，導(dǎo)致皮帶機(jī)傳輸巖渣困難發(fā)生被壓死現(xiàn)象。為此，在刀盤的刮渣口部位采取加密刮渣口的方法焊接筋板，以此來阻擋過量的出渣量而引起圍巖坍塌失穩(wěn)情況，并在TBM順利通過該段地層后，再將加密刮渣筋板切割掉，恢復(fù)刀盤刮渣口原有開口大小。如圖9所示。

圖9 刮渣口加密

3.5 小導(dǎo)洞開挖

針對刀盤前方圍巖破碎，刀盤出渣量過大壓死皮帶機(jī)致使TBM無法正常掘進(jìn)的情況，通過前期采用的TBM脫困處理措施未使TBM完全脫困；為實(shí)現(xiàn)脫困，在前期處理措施的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)施了小導(dǎo)洞開挖及掌子面化學(xué)注漿的方法，成功實(shí)現(xiàn)了TBM正常掘進(jìn)。

3.5.1 小導(dǎo)洞開口

在TBM盾尾后的兩榀鋼拱架處進(jìn)行導(dǎo)洞開挖，開挖小導(dǎo)洞高度為1.5 m，拱寬1.2 m，長度6.22 5 m，采用化灌周邊固結(jié)+方木臨時(shí)支撐+HW150型鋼支撐架+140 mm槽鋼縱連+鎖腳錨管+超前小導(dǎo)管+噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)，如圖10所示。

圖10 小導(dǎo)洞結(jié)構(gòu)示意(單位：m)

3.5.2 小導(dǎo)洞擴(kuò)挖

根據(jù)TBM頂護(hù)盾長度以及所采用的支撐架固定位置，對小導(dǎo)洞擴(kuò)挖，并在距離掌子面3.28 m左右采取導(dǎo)洞兩側(cè)擴(kuò)挖措施，隧洞拱部外延1.32 8 m處將導(dǎo)洞開挖成了帽檐形狀，在后部門架處采用斜撐進(jìn)行固定，具體的擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 小導(dǎo)洞擴(kuò)挖俯視(單位：mm)

3.5.3 小導(dǎo)洞化學(xué)注漿

在D1K224+203.919掌子面12:00點(diǎn)鐘位置進(jìn)行30°角度打孔進(jìn)行化學(xué)注漿，11:00點(diǎn)鐘位置打孔注單液漿，并對小導(dǎo)洞巖壁進(jìn)行木板關(guān)模加固；采用潛孔鉆打設(shè)角度15°、深度3 m左右的注漿孔進(jìn)行單雙液及化學(xué)注漿加固。并在小導(dǎo)洞第三榀拱架12:00點(diǎn)鐘位置打設(shè)長度3.8 m玻璃纖維管進(jìn)行注漿加固；同時(shí)對擴(kuò)挖小導(dǎo)洞進(jìn)行化學(xué)灌漿加固處理。

3.5.4 小導(dǎo)洞超前管棚支護(hù)

對小導(dǎo)洞打設(shè)長度23.5 m的超前管棚，先注單液漿，然后進(jìn)行化學(xué)注漿加固。小導(dǎo)洞掌子面右上方超前鉆打孔25 m，在D1K224+203.694位置打設(shè)長度為25 m的φ76 mm管棚。對小導(dǎo)洞進(jìn)行化學(xué)灌漿，打泄水孔；小導(dǎo)洞左右側(cè)進(jìn)行擴(kuò)挖立拱，尾盾處D1K224+215位置打設(shè)φ76 mm管棚15 m，按時(shí)鐘的1:00點(diǎn)鐘位置打設(shè)泄水孔18 m。同時(shí)，小導(dǎo)洞中部及左右側(cè)化學(xué)灌漿加固，如圖12所示。

圖12 超前管棚支護(hù)

3.6 TBM脫困方案

3.6.1 TBM脫困前準(zhǔn)備

(1)檢查皮帶機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，清理周圍的巖渣，確保皮帶機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)維保人員對TBM進(jìn)行系統(tǒng)檢查，確保能夠達(dá)到最佳的運(yùn)行狀態(tài)。

(3)對TBM刀盤的刮渣口進(jìn)行加密焊接筋板，控制刮渣口的除渣量。

(4)工程人員先對周邊加固后的圍巖地質(zhì)情況進(jìn)行判別后再進(jìn)行掘進(jìn)。

3.6.2 刀盤脫困

(1)首先人工清除刀盤周邊化學(xué)注漿形成的保護(hù)殼及碎石，在刀盤與周邊圍巖之間形成寬為20～30 cm的間隙后啟動刀盤仍舊無法轉(zhuǎn)動情況下，人工借助風(fēng)鎬對巖渣進(jìn)行撬挖來實(shí)現(xiàn)刀盤松動。

(2)當(dāng)?shù)侗P發(fā)生松動后，先使刀盤緩慢后退12 cm左右，嘗試轉(zhuǎn)動刀盤查看刀盤是否能夠轉(zhuǎn)動；如果仍舊無法轉(zhuǎn)動，需拆除盾尾第一榀鋼拱架，確保刀盤能夠轉(zhuǎn)動。

(3)刀盤開啟后對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行控制，其中刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度以及掘進(jìn)速度分別控制在2 r/min、7 mm/r、10 mm/min左右，其他控制參數(shù)視具體掘進(jìn)情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4)刀盤成功脫困后，需要對刀盤前方破碎地層采取超前預(yù)加固、加強(qiáng)支護(hù)措施并進(jìn)行短進(jìn)尺，確保TBM能夠順利通過斷層破碎帶。

3.6.3 護(hù)盾脫困

(1)先由主司機(jī)通過點(diǎn)動按鈕轉(zhuǎn)動TBM刀盤，并配合人工對護(hù)盾周邊破碎圍巖進(jìn)行撬動來降低TBM推進(jìn)阻力。

(2)在方法(1)無法實(shí)施脫困的情況下，從護(hù)盾后進(jìn)行開孔由人持風(fēng)鎬進(jìn)行脫困，然后在護(hù)盾上方開孔打小導(dǎo)洞同時(shí)進(jìn)行左右擴(kuò)挖，并進(jìn)行鋼拱架支護(hù)，帽檐處型鋼加固，擴(kuò)挖高度50～60 cm，從TBM機(jī)頭擴(kuò)大到機(jī)尾長度為6 m左右，寬度根據(jù)具體情況確定。最終借助小導(dǎo)洞對圍巖進(jìn)行化學(xué)注漿加固，歷時(shí)50 d左右實(shí)現(xiàn)TBM脫困。

4 結(jié)論

(1)TBM掘進(jìn)過程中，若出現(xiàn)推力大幅變化、圍巖溢水變大的情況，要及時(shí)分析地質(zhì)突變因素是否遭遇破碎斷層，同時(shí)結(jié)合皮帶機(jī)出渣量來分析掌子面情況，如果突遇出渣量激增狀況，要當(dāng)即停機(jī)排查掌子面是否坍塌，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行處理。

(2)TBM發(fā)生卡機(jī)后，要及時(shí)對前面圍巖特性進(jìn)行地質(zhì)探測，可采用TSP超前地質(zhì)探測技術(shù)進(jìn)行探測，同時(shí)借助鉆孔成像的措施來對探測結(jié)果進(jìn)行修正，為快速處理卡機(jī)事故提供參考依據(jù)。

(3)對護(hù)盾前方周邊圍巖破碎體可采用超前小導(dǎo)管支護(hù)與單雙液注漿+化學(xué)灌漿的方法進(jìn)行加固，使塌方體能夠自穩(wěn)；掌子面采用玻璃纖維錨桿+化學(xué)灌漿方法進(jìn)行注漿加固，采用人工清除刀盤前方和護(hù)盾上面部分虛渣減輕刀盤啟動荷載的方法，嘗試恢復(fù)刀盤的啟動和采取加密刮渣口的方法焊接筋板降低皮帶出渣量。

(4)對于采用破碎圍巖加固和人工清渣措施后TBM仍然無法掘進(jìn)的情況，可在破碎巖體內(nèi)人工開挖小導(dǎo)洞的方法進(jìn)入刀盤前方來克服刀盤脫困困難的狀況，借助門形拱架進(jìn)行導(dǎo)洞圍巖支護(hù)，同時(shí)在門形拱架下設(shè)置環(huán)形鋼架，并進(jìn)行化學(xué)注漿、管棚支護(hù)，以實(shí)現(xiàn)TBM成功脫困。