敞開式TBM穿越斷層帶卡機處理措施

楊剛

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊830000）

1 引言

TBM以其快速、高效、環(huán)保等優(yōu)點[1]被廣泛應(yīng)用于水工隧洞建設(shè)中，但是在斷層破碎帶常常發(fā)生卡機情況。本文介紹了采用化學(xué)灌漿和管棚超前支護的方式使周邊圍巖形成可靠整體，從而TBM安全順利脫困的措施。

2 工程概況

本工程為新疆某引水隧洞的5#隧洞的第一段，長度8 806m，隧洞直徑7.8m，采用北方重工生產(chǎn)的敞開式TBM掘進，全長8 806m，該段位于阿爾泰山南坡低山丘陵區(qū)，地形略起伏、開闊，分布高程678～770m，相對高差約100m，地形為剝蝕丘陵地貌，地形略起伏。巖性主要為華力西期花崗巖、黑云母角閃斜長巖，次塊狀-塊狀構(gòu)造，巖石中石英含量一般為15%～25%，巖石堅硬，較完整[2]。洞內(nèi)出水主要以裂隙水為主，個別地段存在少量涌水，設(shè)計最大出水量約540m3/h。2019年10月7日，TBM掘進至138+207處突遇斷層破碎帶，刀盤及刀具被泥沙黏住，刀盤前方有大塊孤石，刀盤被卡死無法掘進。

3 地質(zhì)情況

該段設(shè)計巖性為華力西期花崗巖，Ⅱ類圍巖，未顯示為斷層帶。實際揭示圍巖為華力西期粗粒花崗巖，肉紅色，塊狀結(jié)構(gòu)，堅硬巖。樁號138+220至上游處發(fā)育一條與洞軸線小角度相交的斷層，產(chǎn)狀10°～15°NW∠60°～70°，帶寬3.0～5.0m，帶內(nèi)主要為斷層角礫巖和碎裂巖，夾少量斷層泥，結(jié)構(gòu)松散，影響帶寬20～30m，地下水發(fā)育，圍巖遇水軟化作用明顯。斷層出現(xiàn)在水流方向右側(cè)邊墻撐靴部位，向掌子面方向延伸，此段地下水發(fā)育，呈線狀流水狀態(tài)，約10～20m3/h。TBM卡機后采用地震波法對TBM前方地質(zhì)進行超前地質(zhì)預(yù)報，結(jié)合探測區(qū)域的地震波成像圖、隧道地震俯視圖以及地質(zhì)分析，推斷解釋如表1所示。

表1 138+210～138+110段地質(zhì)預(yù)報結(jié)論

4 處理方案

處理方案的具體內(nèi)容為：

1）在護盾后5m范圍內(nèi)采用CG-P106型注漿材料，錨桿長6m，打設(shè)角度與錨桿鉆機打設(shè)角度一致，錨桿縱向3排，間排距0.4m梅花形布置，頂拱180°范圍布設(shè)，預(yù)注漿深度為距護盾5.4m。注漿錨桿后1m不開孔，前部5m開孔，開孔間距為25cm，梅花形布置。

2）護盾周圍采用自進式中空錨桿配合CG-P106型注漿材料進行固結(jié)灌漿，錨桿縱向3排，間排距0.4m梅花形布置，頂拱240°范圍布設(shè)，預(yù)注漿深度為距護盾4m。

3）塌腔范圍為TBM刀盤頂部上方9m，刀盤前方7m，采用90A管棚鉆機，鉆頭直徑為φ108mm，從護盾尾部向前方塌腔施鉆回填孔。初始鉆孔外傾角為30°，二次鉆孔外傾角為45°，孔內(nèi)埋設(shè)φ108mm回填管，回填管內(nèi)埋設(shè)φ42mm排氣管，采用輕型混凝土（珍珠巖）對塌腔進行回填。

4）護盾與刀盤上方灌漿施工完成后，安設(shè)管棚鉆機，同時采用YT-28鉆機鉆進1m，通過鉆頭反復(fù)沖擊巖體形成孔洞，安裝φ127mm導(dǎo)向管，導(dǎo)向管長度為1m，外傾角4°，環(huán)向間距為40cm，安裝完成后采用模具復(fù)核，無誤后采用錨固劑對孔壁與巖體周圍的間隙進行充填。導(dǎo)向管與巖壁間充填物終凝后采用90A管棚鉆機進行安設(shè)管棚施工，管棚布置范圍為頂拱120°，管棚為φ108mm跟管管棚（鉆頭直徑108mm），管棚材料為外徑φ108mm熱處理調(diào)質(zhì)管，單根長度為30m，環(huán)向間距為40cm，鉆孔過程中如發(fā)現(xiàn)卡鉆應(yīng)降低推力提高轉(zhuǎn)速。管棚注漿漿液為水泥漿+水玻璃材料，孔口注漿壓力為0～2MPa，終壓2MPa。

5）刀盤滾刀孔向刀盤前方打設(shè)φ32mm纖維錨桿，打設(shè)深度2～3m，注CG-P106型化學(xué)漿液對刀盤前方360°范圍內(nèi)松散巖體進行固結(jié)加固，充分調(diào)動或提高圍巖自承能力[3]，不對刀盤形成擠壓，使刀盤脫困。

6）在護盾尾部左下方位置開設(shè)小導(dǎo)洞，小導(dǎo)洞采用HW150型回形鋼拱架進行支護，拱架間距0.3～0.5m，拱架左側(cè)和上方安裝3mm厚鐵板，鐵板與門架進行焊接，以防止碎石掉落。小導(dǎo)洞開挖至刀盤前方0.5m處，停止向前施工。根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況，在刀盤位置開始沿護盾方向進行環(huán)形開挖，開挖寬度1.2m，保證刀盤及刀盤與護盾連接處碎石清理干凈，使刀盤與周圍巖石之間形成一個寬10～20cm的空間，從而減少刀盤瞬間啟動阻力，增大刀盤力矩[4]。開挖過程中，兩邊支立2榀HW150環(huán)形拱架，一次開挖長度不超過0.3m，2榀拱架間通過HW150型鋼進行連接，間距0.3m，并在拱架外側(cè)安裝3mm厚鐵板，鐵板與拱架進行焊接，以防止碎石掉落。

7）超前管棚及超前纖維錨桿系統(tǒng)固結(jié)灌漿，以及刀盤周圍的渣料全部清理完成后開始嘗試轉(zhuǎn)動刀盤，刀盤轉(zhuǎn)動后，刀盤轉(zhuǎn)速控制在小于1r/min，貫入度小于5mm/r。同時，需時刻關(guān)注刀盤扭矩的變化幅度，變化幅度需控制在10%以內(nèi)，防止出現(xiàn)刀具偏磨和刀刃崩裂。

8）刀盤脫困后開始向前掘進，對刀盤前方破碎圍巖繼續(xù)采用超前預(yù)固結(jié)的、低轉(zhuǎn)速、短進尺、強支護、連續(xù)均衡的施工方法通過斷層破碎帶。

5 結(jié)論與建議

本次TBM卡機采用管棚超前支護和化學(xué)灌漿法進行脫困處理，首先采用化學(xué)灌漿將刀盤前方及護盾周圍的巖石進行固結(jié)，之后管棚超前支護，固結(jié)拱頂?shù)钠扑閲鷰r，使之形成相對安全可靠的整體，從而保證TBM安全、順利的脫困。本次脫困刀盤及護盾周圍化學(xué)注漿20.3t，共布置管棚24根，達到了固結(jié)周圍巖石的作用，為本次TBM脫困起到了關(guān)鍵性作用。希望為日后施工規(guī)避或及時處理不良地質(zhì)洞段以保證TBM順利通過提供施工經(jīng)驗,也為其他TBM設(shè)備出現(xiàn)類似卡機問題提供借鑒。