引水隧洞TBM施工穿越斷層破碎帶卡機原因及脫困技術

韓 強

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，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35.996 km，包括隧洞進口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TBM施工，開挖斷面直徑7800 mm，是目前國內單臺TBM掘進距離最長的水工隧洞。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、石炭系凝灰質砂巖、黑云長英角巖等，基巖大多裸露，主要為戈壁荒漠地貌。工程在區域構造上處于褶皺系(I)中部的地槽褶皺帶(I3)和擠壓帶(I4)內，北部的地槽褶皺帶和南部擠壓帶兩個二級構造單元以斷裂為界。與工程有關的區域性斷裂：發育有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，帶內以糜棱巖及碎裂巖為主。工程區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，未發現有灰巖溶裂隙水出露。

引水隧洞掘進至138+210時，揭露一條與洞軸線小角度相交的斷層，產狀5°～10°NW<60°～70°，斷層寬度初步判定為5.0 m～8.0 m，斷層帶內主要為斷層角礫巖和碎裂巖，夾少量斷層泥，結構松散，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。地下水一般發育，斷層出現在水流方向右側邊墻撐靴部位，向掌子面方向延伸，地下水呈線狀流水狀態，約10 m3/h～20 m3/h。刀盤內部泥沙照片見圖1。

圖1 刀盤內部泥沙現場照片

2 超前地質預報

為進一步查明該段落地質情況，開展了超前地質預報工作，采用地震波法進行超前探構造，采用電法進行超前探水。地震探測技術的基本原理在于當地震波遇到波阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射進入前方介質。波阻抗的變化通常發生在地質巖層界面或巖體內不連續界面，從而確定不良地質體的位置。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，出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較破碎，節理裂隙發育，易發生掉塊或塌腔。

(2)138+176～138+158段，在反射圖像上，出現零星的正負反射，推斷該段落圍巖完整性差，節理裂隙較發育，局部可能發生掉塊或塌腔。

(3)138+158～138+110段，在反射圖像上，未出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖較完整，局部可能發生掉塊，應及時支護。

電法勘探主要以圍巖和含水地質構造的電性參數差異為物理基礎。通過在掌子面布置一定數量的電極，在掌子面上布置測量電極和供電電極，同時在邊墻上布置多圈供電電極。探測時，供電電極供入直流電(A、B電極)，測量電極(M、N電極)測量兩個電極間的電勢差，從而計算出視電阻率剖面。激發極化法三維成像圖見圖3。

圖3 激發極化法三維成像圖

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，推斷該區域易出現線狀水。

(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，推斷該區域易出現滴滲水，局部可能出現線狀水。

根據超前地質預報結果，掌子面前方34 m范圍內為斷層破碎帶及其影響帶的范圍，且發育地下水。

3 TBM塌方卡機與脫困方案

3.1 施工方案

引水隧洞138+210揭露的斷層位于某盆地東側的低山丘陵區，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，圍巖自穩能力差，變更為V類圍巖。根據超前地質預報的結果，及確保TBM后續的安全掘進，經業主、設計、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 塌方卡機過程

現場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掘進過程中，不斷有流沙通過管棚之間空隙掉落，掘進2 m后，刀盤前方突然聽到大塊巖石掉落的聲音，同時刀盤扭矩報警，刀盤停止轉動。現場施工人員立即到主機位置并進入刀盤查看，刀盤內松散泥沙已經充盈鏟斗。隨后現場施工人員通過對TBM設備檢查發現，7#電機剪切銷損壞，更換完成后，刀盤仍無法正常轉動，判定TBM卡機。隧洞左頂拱～右側頂拱圍巖整體破碎，拱頂整體失穩，坍塌軸線長度約2 m，環向寬度5 m～6 m，徑向深度3 m～4 m。

3.3 現場脫困方案

TBM卡機后，現場通過咨詢相關專家以及相鄰標段類似情況處理方式，根據本不良地質段情況，擬定如下施工措施[1-5]：①對護盾尾部至樁號138+207的部分用高強注漿材料對拱頂180°范圍進行注漿加固；②對護盾頂部240°范圍塌方的碎石用高強注漿材料進行注漿加固；③對塌方空腔回填高強度輕質材料；④從護盾后打設超前管棚，用1∶1水泥漿對前方不穩定巖體進行加固；⑤通過刀盤刀孔及進料口對刀盤前方松散體采用高強注漿加固；⑥從護盾左下方開設小導洞，并在刀盤位置環形開挖導洞，通過導洞清理刀盤周圍松散碎石，使刀盤脫困；⑦不良地質段處理完成后TBM加強支護，安全緩速掘進通過；⑧若左側小導洞開挖過程中，圍巖過于松散、破碎，無法完成對刀盤周圍覆渣的清理，則在右側繼續開設小導洞施工。

在對圍巖進行注漿加固，并開挖小導洞清理塌落的塊石后，TBM成功脫困。脫困方案實施步驟見圖4。

圖4 脫困方案實施步驟示意圖

3.4 塌腔其他處理措施

(1)發泡混凝土施工

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

(2)涌水處理

防止水位升高后淹機，護盾尾端配備2臺180 m3/h排水泵，4臺50 m3/h排水泵，加強排水。出水點先進行遮擋，具備封堵條件后，立即進行封堵，減少外排水量。

(3)加強超前地質預報

結合超前地質預報與超前探孔綜合分析，準確判斷掌子面前方圍巖變化，提前進行預加固處理。

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。經多方研判后，根據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通過刀盤刀孔及進料口對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打設管棚與之前管棚形成雙層管棚，用1∶1∶1水泥漿+水玻璃雙液漿對前方不穩定巖體進行加固；③對護盾尾部至刀盤前方3 m范圍，采用CG-P106雙液加固灌漿材料對拱頂150°范圍進行注漿加固。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可以進行掘進施工。但由于地質條件不明朗，需采用低扭矩、低轉速緩慢通過，刀盤轉速≯1r/min，貫入度≯5 mm/r；掘進時需時刻關注刀盤扭矩的變化幅度，變化幅度需控制在10%以內，防止出現刀具偏磨和刀刃崩裂。待掌子面磨平后，逐步提高刀盤轉速和推進力。撐靴的撐緊力控制在12000 kN以內，推進力控制在8000 kN以內。在掘進過程中，撐靴通過密排鋼拱架支護段之前，采用模筑混凝土對撐靴區域進行換填。對于掘進完成的里程段及時采取加密鋼拱架和加密鋼筋排進行支護，并對圍巖沉降變形情況進行實時監測，及時報告異常情況，采取相應處理措施。

5 結論

本文以新疆某引水工程為研究背景，針對TBM穿越斷層破碎帶，進行了超前地質預報工作。分析了TBM穿越斷層破碎帶塌方卡機的原因，并制定了卡機脫困及后續穿越斷層破碎帶的方案，得到如下結論：

(1)通過注漿加固和開挖小導洞清理殘渣的方法使得TBM成功脫困，相應的施工方案對類似工程具有借鑒意義。

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