天水曲溪城鄉供水工程超長隧洞 TBM施工破碎帶處理施工技術

陳桂萍

本文從工程地質等方面對天水曲溪城鄉供水工程輸水隧洞采用雙護盾TBM施工的適宜性進行了詳細的分析，針對斷層破碎帶，在TBM施工中采用“鉆孔+化學灌漿+掘進”的施工方法，效果好、速度快、成功率100%；采用這種方法，共實施了25個循環的破碎帶處理，成功通過跨度達298m的斷層破碎帶，達到了快速處理破碎帶、TBM快速脫困的目的。

一、工程概況

1.工程簡介

天水曲溪城鄉供水工程位于甘肅省天水市，是一項跨流域調水工程，由水庫、輸水隧洞、引水管線、調蓄水池等組成；工程規模為中型Ⅲ等；輸水隧洞全長21.6㎞，TBM施工控制段長21.162㎞，隧洞埋深在103～620m之間，具有洞線長、斷面小、地質條件復雜等施工特點。

隧洞為無壓洞，設計流量1.44m3/s，縱坡比1∶800；采用2臺φ4m的雙護盾TBM相向掘進，為目前國內開挖直徑最小的雙護盾TBM；襯砌采用六邊形管片，管片厚度0.26m，環寬1.2m，襯砌后洞徑為3.2m；管片壁后與圍巖之間的空隙，采用豆礫石充填并進行回填灌漿。

2.施工布置

輸水主隧洞采用兩臺同型號雙護盾TBM相向掘進，進口TBM1順坡掘進13.363㎞，出口TBM2逆坡掘進7.777㎞。

為改善TBM1施工期的通風條件，確保施工安全，距隧洞進口7.973㎞處布置通風豎井；為滿足洞內拆機需要，距隧洞出口7.777㎞處布置拆機豎井。

二、工程地質情況

隧洞圍巖巖性主要為：混合巖化片巖、角閃斜長片巖、綠泥角閃片巖、大理巖、砂巖夾礫巖、綠泥千枚巖、花崗閃長巖、二云母花崗巖等。

隧洞沿線要通過兩個次級褶皺、正斷層6條，破碎帶寬度在40～150m，個別寬300～500m，巖體較破碎，多呈碎裂結構；次級斷層68條，圍巖節理裂隙發育。

輸水隧洞進口TBM1掘進段較適宜TBM掘進；出口TBM2掘進段主要為Ⅳ、Ⅴ圍巖，掘進過程中需穿越大小斷層34條，次級斷層或小構造帶27條、2處次級褶皺，斷層跨度大、埋深淺；地表多為沖溝，存在較大的卡機風險，TBM掘進適宜性較差。

三、TBM被困經過

TBM掘進施工中，破碎巖渣從刀箱或鏟斗進入刀盤造成轉矩超限、皮帶機過載而無法掘進，我們稱為TBM被困；同樣，由于掌子面圍巖破碎埋壓刀盤及主機盾體造成刀盤無法啟動或無法推進，我們稱之為卡機；采取對掌子面及盾體上方圍巖灌漿固結處理、控制進入接渣斗及刀盤內的渣量，以降低刀盤轉矩及推力是處理TBM卡機、脫困、恢復正常掘進的有效手段。

2021年9月5日，當掘進過程中，貫入度突然增大、主機皮帶進渣量異常增大、刀盤轉矩增大，停機檢查，發現掌子面圍巖破碎，節理裂隙發育，局部有塌腔，且掌子面有線狀流水，與巖渣、不穩定碎塊混合呈流體狀，初步確定TBM被困。

根據類似工程施工經驗，采取封堵部分鏟斗、邊滾刀、控制進入接渣斗及刀盤內巖渣量的方法恢復掘進。

四、處理方案

因無法正常恢復掘進，決定采取對掌子面及盾體上方松散巖體采用超前預處理、TBM再進行掘進通過該破碎帶的脫困措施。

1.花管造孔

根據現場實際情況，決定先采用釘入花管的方式，利用刀廂與刀具間隙，在刀盤上前部120°范圍對掌子面非穩定圍巖釘入花管，入巖深度4～6m，角度為30°～45°，實施化學灌漿，對掌子面前方、刀盤上方的圍巖裂隙及塌腔進行填充，并對松散巖體進行固結處理。

4#鏟斗手動轉至12點鐘方向，利用4#鏟斗、6#-8#中心刀、2#-4#中心刀、12#面刀、22#邊刀，選擇合適的角度和便于操作的空間，呈放射狀釘入花管；各釘入2根，其中淺孔入巖深度要求2～4m，深孔入巖深度要求5～7m，詳細記錄每根花管的入巖深度，并進行編號。

TBM設備在設計選型時，施工方考慮到地質圍巖情況復雜，設備制造是在前盾尾殼距刀盤3m處的頂部預留有7個超前預處理預留孔，利用120°范圍內的5個預留孔，向刀盤前方呈20～30°各釘入2根花管，淺孔入巖深度要求3～4m，深孔入巖深度要求6～7m。

如花管釘入深度較淺，灌漿效果達不到預期，再考慮采用YT-28手風鉆鉆孔作業的備選方案。

2.化學灌漿

采用發泡型雙組份高分子無機充填加固材料（組合聚醚多元醇）對刀盤及前盾尾殼釘入的淺孔花管逐根進行灌漿，利用材料反應后體積快速膨脹（膨脹率高達30～50倍）的特點，自行填充掌子面松散巖體裂隙及圍巖塌腔，從而形成初步固結；對深孔花管灌注加固型高分子煤巖體無機加固材料，對掌子面的破碎、松散巖體進行進一步處理，壓實并固結周圍的松散介質；施灌過程中，漿液在較高的灌注壓力下（≤15MPa）能滲透到圍巖裂隙深處，達到治理破碎、松散圍巖及局部塌方的目的，而傳統的水泥固結灌漿技術是通過壓力將水泥漿液壓入脫空體中，灌注壓力較小（0.3～2.0MPa），且水泥漿液固結硬化時間較長。

這兩種化灌材料均為雙組份（A、B組合料），兩種材料的體積配比為1∶1，一般反應時間在20秒左右，必要時添加約3%催化劑，可加快反應時間。

五、處理過程

1.第一階段

由于掌子面破碎巖渣堆積密度較大，加之空間位置受限，無法使用錘擊的手段釘入花管，將風鎬改造，使用纖尾沖擊的方法，僅能將花管釘入0.6m左右。

因花管入巖深度有限，導致漿液漏漿嚴重，無法灌注，采用錘擊花管、化灌的方法無法有效實施。

2.第二階段

為保證入巖深度和成孔質量，選擇采用YT-28手風鉆，在4#鏟斗內，采用φ28中空自進式錨桿鉆孔2個，入巖深度分別為2m、4m；前盾尾殼5個預留孔鉆孔10個，淺孔入巖2～4m不等、深孔入巖5m～8m不等。

采用氣動雙組份灌漿泵灌漿，通過采用限壓灌注的方法，最高注漿壓力控制在9～14MPa以內，根據灌漿壓力控制灌漿量，成功實施了第1個循環的灌漿處理。

化學灌漿結束后，重新進行了超前地質預報，對化灌前后的地質圍巖情況進行對比，根據成像顯示，化灌前后掌子面圍巖整體趨勢基本一致；化灌后掌子面前方20m范圍內形成較為均勻的正負反射波形。

第1循環化學灌漿處理結束后TBM首次恢復掘進，共掘進5.116m，通過掘進參數監測，刀盤轉矩明顯下降，由化灌前的2000KN·m以上降至200～300KN.m的正常值，推力維持在9000～10000KN之間，推力雖然較大，但經過分析是由于化灌材料固結體與盾體存在一定的摩擦力導致，該設備的額定推力在16724KN（正常壓力315bar），最大推力18583KN（最大工作壓力350bar），推力在正常范圍內，因掌子面剛支護完成，為避免對掌子面造成大的擾動，再次造成坍塌，導致轉矩增大、出渣異常，轉速控制在0.8～1.84rpm、貫入度0.4～16.4mm/r之間，采取低轉速、小貫入度的掘進參數，是保證在破碎帶內緩慢掘進的前提條件。

采用這種方法陸續進行了3個循環的化學灌漿處理，共掘進8.6m后，刀盤扭矩再次超限，最大達到3000kN.m，巖渣破碎、巖粉、巖泥含量高、粘性大，堵塞鏟斗，刀盤頂部圍巖破碎、松散，腰中及以下含有斷層泥、糜棱巖等破碎帶的產出物，夾雜少量碎裂巖，地下水呈線狀～面狀流水，碎裂巖塊占出渣量的40～50%，泥狀物質占50～60%，掌子面呈中等透水，巖渣呈泥狀，形成泥裹刀現象，造成刀盤轉矩增大。

3.第三階段

根據前階段化灌處理的效果分析，如果在每個孔位都打2個孔，即一個深孔、一個淺孔，分別灌注發泡型及加固型材料，處理時間長，相鄰的2個管口由于位置較近，經常發生先灌注淺孔發泡型材料時竄漿導致深孔錨桿孔口堵塞，無法灌注；另外，前盾尾殼的錨桿鉆進深度過深，達掌子面上方時，掌子面灌漿時竄漿會導致前盾尾殼的灌漿管路堵塞，導致廢孔。

六、處理效果

工藝優化后，采取 “短支護、短進尺”處理方法，加快了鉆灌進度，整個處理過程耗時8～10小時，處理完成后即可恢復掘進，達到快速處理、TBM快速掘進通過的效果，截至2021年11月29日，共進行了25個循環的“鉆孔+化灌+掘進”處理過程，成功通過長達298m的斷層破碎帶。

七、結語

結果表明，采用化學灌漿處理破碎帶，優于傳統的水泥固結灌漿工藝，處理效果好、速度快、成功率達100%；做到了“鉆孔+灌漿+掘進”的快速處理，使TBM快速脫困。

后續掘進過程中，需加強對掌子面圍巖、巖渣的觀察以及掘進參數變化情況的監測，結合超前地質預報，增強地質預判的準確性，做好常態化地質超前處理的人員、設備、材料的準備，不斷總結經驗、優化工藝，實現TBM安全掘進、快速脫困。