引水隧洞TBM施工穿越斷層破碎帶卡機(jī)原因及脫困技術(shù)

韓 強(qiáng)

(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 工程概況

以新疆某引水工程為依托，引水隧洞全長(zhǎng)35.996 km，包括隧洞進(jìn)口50 m明挖段、34.751 km的主洞段，其中26.041 km為TBM施工，釆用1臺(tái)TBM施工，開挖斷面直徑7800 mm，是目前國(guó)內(nèi)單臺(tái)TBM掘進(jìn)距離最長(zhǎng)的水工隧洞。工程海拔髙程650 m～800 m，地形起伏不大，多為剝蝕殘丘，一般高差10 m～20 m，局部高差70 m，沿線分布華力西期花崗巖、石炭系凝灰質(zhì)砂巖、黑云長(zhǎng)英角巖等，基巖大多裸露，主要為戈壁荒漠地貌。工程在區(qū)域構(gòu)造上處于褶皺系(I)中部的地槽褶皺帶(I3)和擠壓帶(I4)內(nèi)，北部的地槽褶皺帶和南部擠壓帶兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元以斷裂為界。與工程有關(guān)的區(qū)域性斷裂：發(fā)育有f43、f55、f58～f61、f73～f75、f106～F127等共54條斷層，破碎帶寬度一般5 m～30 m，帶內(nèi)以糜棱巖及碎裂巖為主。工程區(qū)地下水類型主要有第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水兩類，未發(fā)現(xiàn)有灰?guī)r溶裂隙水出露。

引水隧洞掘進(jìn)至138+210時(shí)，揭露一條與洞軸線小角度相交的斷層，產(chǎn)狀5°～10°NW<60°～70°，斷層寬度初步判定為5.0 m～8.0 m，斷層帶內(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，圍巖遇水軟化作用明顯，斷層影響帶寬度初步判定為15 m～25 m。地下水一般發(fā)育，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，地下水呈線狀流水狀態(tài)，約10 m3/h～20 m3/h。刀盤內(nèi)部泥沙照片見圖1。

圖1 刀盤內(nèi)部泥沙現(xiàn)場(chǎng)照片

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為進(jìn)一步查明該段落地質(zhì)情況，開展了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用地震波法進(jìn)行超前探構(gòu)造，采用電法進(jìn)行超前探水。地震探測(cè)技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅讲ㄗ杩共町惤缑鏁r(shí)，一部分信號(hào)被反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。波阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面，從而確定不良地質(zhì)體的位置。地震波反射成像圖見圖2。

圖2 地震波反射成像圖

由圖2可知：

(1)138+210～138+176段，在反射圖像上，出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊或塌腔。

(2)138+176～138+158段，在反射圖像上，出現(xiàn)零星的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖完整性差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部可能發(fā)生掉塊或塌腔。

(3)138+158～138+110段，在反射圖像上，未出現(xiàn)明顯的正負(fù)反射，推斷該段落圍巖較完整，局部可能發(fā)生掉塊，應(yīng)及時(shí)支護(hù)。

電法勘探主要以圍巖和含水地質(zhì)構(gòu)造的電性參數(shù)差異為物理基礎(chǔ)。通過在掌子面布置一定數(shù)量的電極，在掌子面上布置測(cè)量電極和供電電極，同時(shí)在邊墻上布置多圈供電電極。探測(cè)時(shí)，供電電極供入直流電(A、B電極)，測(cè)量電極(M、N電極)測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極間的電勢(shì)差，從而計(jì)算出視電阻率剖面。激發(fā)極化法三維成像圖見圖3。

圖3 激發(fā)極化法三維成像圖

由圖3可知：

(1)138+210～138+230段：三維電阻率圖像中掌子面前方電阻率整體較低，推斷該區(qū)域易出現(xiàn)線狀水。

(2)138+230～138+240段：三維電阻率圖像中掌子面前方電阻率較前一段整體偏高，推斷該區(qū)域易出現(xiàn)滴滲水，局部可能出現(xiàn)線狀水。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，掌子面前方34 m范圍內(nèi)為斷層破碎帶及其影響帶的范圍，且發(fā)育地下水。

3 TBM塌方卡機(jī)與脫困方案

3.1 施工方案

引水隧洞138+210揭露的斷層位于某盆地東側(cè)的低山丘陵區(qū)，隧洞沿NW向山梁下部通過，地表基巖多裸露，隧洞埋深約95 m，巖性華力西期花崗巖。隧洞巖體較破碎～破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，變更為V類圍巖。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的結(jié)果，及確保TBM后續(xù)的安全掘進(jìn)，經(jīng)業(yè)主、設(shè)計(jì)、咨詢及施工單位共同討論研究后，采用單層管棚加超前錨桿灌漿的方式加固掌子面前方圍巖。

3.2 塌方卡機(jī)過程

現(xiàn)場(chǎng)采用單層管棚加超前錨桿灌漿的方式加固掌子面前方圍巖，但在TBM掘進(jìn)過程中，不斷有流沙通過管棚之間空隙掉落，掘進(jìn)2 m后，刀盤前方突然聽到大塊巖石掉落的聲音，同時(shí)刀盤扭矩報(bào)警，刀盤停止轉(zhuǎn)動(dòng)?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員立即到主機(jī)位置并進(jìn)入刀盤查看，刀盤內(nèi)松散泥沙已經(jīng)充盈鏟斗。隨后現(xiàn)場(chǎng)施工人員通過對(duì)TBM設(shè)備檢查發(fā)現(xiàn)，7#電機(jī)剪切銷損壞，更換完成后，刀盤仍無法正常轉(zhuǎn)動(dòng)，判定TBM卡機(jī)。隧洞左頂拱～右側(cè)頂拱圍巖整體破碎，拱頂整體失穩(wěn)，坍塌軸線長(zhǎng)度約2 m，環(huán)向?qū)挾? m～6 m，徑向深度3 m～4 m。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)脫困方案

TBM卡機(jī)后，現(xiàn)場(chǎng)通過咨詢相關(guān)專家以及相鄰標(biāo)段類似情況處理方式，根據(jù)本不良地質(zhì)段情況，擬定如下施工措施[1-5]：①對(duì)護(hù)盾尾部至樁號(hào)138+207的部分用高強(qiáng)注漿材料對(duì)拱頂180°范圍進(jìn)行注漿加固；②對(duì)護(hù)盾頂部240°范圍塌方的碎石用高強(qiáng)注漿材料進(jìn)行注漿加固；③對(duì)塌方空腔回填高強(qiáng)度輕質(zhì)材料；④從護(hù)盾后打設(shè)超前管棚，用1∶1水泥漿對(duì)前方不穩(wěn)定巖體進(jìn)行加固；⑤通過刀盤刀孔及進(jìn)料口對(duì)刀盤前方松散體采用高強(qiáng)注漿加固；⑥從護(hù)盾左下方開設(shè)小導(dǎo)洞，并在刀盤位置環(huán)形開挖導(dǎo)洞，通過導(dǎo)洞清理刀盤周圍松散碎石，使刀盤脫困；⑦不良地質(zhì)段處理完成后TBM加強(qiáng)支護(hù)，安全緩速掘進(jìn)通過；⑧若左側(cè)小導(dǎo)洞開挖過程中，圍巖過于松散、破碎，無法完成對(duì)刀盤周圍覆渣的清理，則在右側(cè)繼續(xù)開設(shè)小導(dǎo)洞施工。

在對(duì)圍巖進(jìn)行注漿加固，并開挖小導(dǎo)洞清理塌落的塊石后，TBM成功脫困。脫困方案實(shí)施步驟見圖4。

圖4 脫困方案實(shí)施步驟示意圖

3.4 塌腔其他處理措施

(1)發(fā)泡混凝土施工

拱頂空腔高度較大處采用泡沫混凝土從預(yù)留泵送管注入，填充完成后灌注水泥砂漿或水泥漿并確保充填密實(shí)，以減少一次支護(hù)及二次支護(hù)荷載。

(2)涌水處理

防止水位升高后淹機(jī)，護(hù)盾尾端配備2臺(tái)180 m3/h排水泵，4臺(tái)50 m3/h排水泵，加強(qiáng)排水。出水點(diǎn)先進(jìn)行遮擋，具備封堵條件后，立即進(jìn)行封堵，減少外排水量。

(3)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前探孔綜合分析，準(zhǔn)確判斷掌子面前方圍巖變化，提前進(jìn)行預(yù)加固處理。

4 斷層破碎帶注漿加固方案

考慮到本段地層的特殊巖性，花崗巖存在蝕變砂化，單層管棚加超前錨桿灌漿的方式難以通過本段地層。經(jīng)多方研判后，根據(jù)斷層破碎帶具體情況，擬采用雙層管棚加全斷面注漿加固的方式，以確保TBM的安全施工，具體施工工藝流程[6-10]：①通過刀盤刀孔及進(jìn)料口對(duì)刀盤前方松散體采用CG-P106雙液漿加固；②從原管棚工作坑位置繼續(xù)打設(shè)管棚與之前管棚形成雙層管棚，用1∶1∶1水泥漿+水玻璃雙液漿對(duì)前方不穩(wěn)定巖體進(jìn)行加固；③對(duì)護(hù)盾尾部至刀盤前方3 m范圍，采用CG-P106雙液加固灌漿材料對(duì)拱頂150°范圍進(jìn)行注漿加固。注漿工藝流程見圖5。

圖5 注漿工藝流程圖

注漿加固完成后，TBM可以進(jìn)行掘進(jìn)施工。但由于地質(zhì)條件不明朗，需采用低扭矩、低轉(zhuǎn)速緩慢通過，刀盤轉(zhuǎn)速≯1r/min，貫入度≯5 mm/r；掘進(jìn)時(shí)需時(shí)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。待掌子面磨平后，逐步提高刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)力。撐靴的撐緊力控制在12000 kN以內(nèi)，推進(jìn)力控制在8000 kN以內(nèi)。在掘進(jìn)過程中，撐靴通過密排鋼拱架支護(hù)段之前，采用模筑混凝土對(duì)撐靴區(qū)域進(jìn)行換填。對(duì)于掘進(jìn)完成的里程段及時(shí)采取加密鋼拱架和加密鋼筋排進(jìn)行支護(hù)，并對(duì)圍巖沉降變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)報(bào)告異常情況，采取相應(yīng)處理措施。

5 結(jié)論

本文以新疆某引水工程為研究背景，針對(duì)TBM穿越斷層破碎帶，進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。分析了TBM穿越斷層破碎帶塌方卡機(jī)的原因，并制定了卡機(jī)脫困及后續(xù)穿越斷層破碎帶的方案，得到如下結(jié)論：

(1)通過注漿加固和開挖小導(dǎo)洞清理殘?jiān)姆椒ㄊ沟肨BM成功脫困，相應(yīng)的施工方案對(duì)類似工程具有借鑒意義。

(2)針對(duì)花崗巖蝕變砂化地層，采用超前管棚注漿對(duì)圍巖進(jìn)行加固，采取加密鋼拱架和加密鋼筋排對(duì)圍巖進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，最終使得TBM順利通過斷層破碎帶，為類似工程積累了經(jīng)驗(yàn)。