引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术

王江

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

0 引言

由于我国水资源分布不均，为了合理有效调配水资源，引水隧洞的修建成为目前国内水资源调配的一个重要基建内容。引水隧洞的修建具有长、大、深埋及地质条件复杂等特点。TBM以其作业环境好、信息化程度高、施工高效等优点［1］，被广泛应用于我国引水隧洞建设中［2－6］。

当双护盾TBM穿越较差围岩，尤其是穿越深埋长大隧洞的断层破碎带时，围岩变形大、易塌方，且当围岩的径向位移大于盾壳与开挖轮廊面之间预留间隙，或大块塌方将刀盘与掌子面之间距离填满时，致使盾壳被卡死或者刀盘无法转动，TBM无法挪动，称之为卡机。卡机会对工程进度造成严重影响，例如昆明市掌鸩河引水供水工程上公山隧洞TBM施工中由于卡机造成的停机时间占1—4月总时间的53%［7］。通过国内一些TBM施工遇到的卡机事故表明，卡机事故的及时脱困对于工程安全、进度非常重要。针对工程实际提出脱困措施，国内已有一些成功的尝试，例如宋天田等［7］针对上公山隧洞TBM卡机进行分析，指出围岩快速大变形及大块岩石强度较高及地应力上下盘分布不均等因素造成卡机，并提出了超前地质加强、改变TBM施工参数等方法解决卡机;尚彦军等［8］提出了围岩蠕变发生条件和护盾变形破坏机制，提出人工扩挖旁洞、钢拱架支撑和超前导洞等工程处理措施;李久平等［9］结合辽宁省大伙房水库输水工程TBM标段施工过程中出现的设备卡机提出塌腔回填、上导洞开挖、反向超前支护等措施;范以田等［10］采用LW水溶性聚氨酯类灌浆材料加固隧洞塌方洞段解决卡机;张新伟等［11］针对陕西引红济石调水工程的卡机事故提出超高压换步、人工扩挖、化学灌浆加固等解决措施。上述研究大多针对某一原因进行分析，反映的问题不够系统，没有细致地给出解决措施。本文结合青海引大济湟、山西引黄入晋、陕西引红济石及云南上公山引水隧洞等长大引水隧洞双护盾TBM施工实例，对常见卡机类型进行归纳，并细致地给出常用卡机处理技术。

1 双护盾TBM卡机类型及原因分析

1.1 卡机类型

1.1.1 卡刀盘

卡刀盘是TBM在施工中由于刀盘被卡住，不能转动，进而导致TBM无法前进直至被卡死。主要有以下2种原因:

1)掌子面围岩破碎，大块岩体坍塌将刀盘卡死。青海引大济湟调水总干渠工程双护盾TBM穿越F4与F5交叉压密性断层，围岩整体性差，容易塌方，自2008年4月至今连续发生9次TBM卡机事件，其中8次是由于刀盘在转动时扰动掌子面围岩导致大块围岩坍塌将刀盘与掌子面之间空隙填满，大块岩体与刀盘之间的摩擦力远大于TBM刀盘的脱困扭矩，将刀盘卡死。

2)掌子面突泥涌砂将TBM刀盘淹没，致使刀盘无法转动。云南上公山隧道围岩以变质或浅变质的粉砂质板岩(70%)为主，泥质板岩为辅，两者为层状或互层状结构，岩体极其破碎。在双护盾TBM开挖过程中，掌子面突泥涌砂造成TBM刀盘乃至整机被淹没，最终剩余工程采用钻爆法并就地拆机。

1.1.2 卡护盾

1)围岩坍塌将盾壳卡死。青海引大济湟、陕西引红济石引水隧洞围岩破碎，稳定性极差，在TBM施工中围岩发生坍塌，导致盾壳上部岩体将护盾掩埋，致使盾壳被卡死。

2)围岩收敛将盾壳抱死。青海引大济湟、陕西引红济石等引水隧洞均出现过在TBM通过软弱断层带时由于地应力较大，软弱围岩塑性收敛变形过快，在TBM护盾还没有通过该段围岩时将盾壳抱死现象。

1.1.3 姿态偏差造成卡机

青海引大济湟在完成第3次脱困后，刀盘前开挖完成7.5 m，TBM开始往前步进，在步进过程中，由于底部仰拱经水浸泡后已丧失承载力，同时盾壳周边围岩已清理，撑靴未起到有效作用，无法将刀盘抬起，TBM在掘进中向右下方向栽头;待掘进围岩后，由于TBM偏向趋势过大，仍无法有效将刀盘抬起及往左回调;TBM掘进至K17+117.984时，其姿态已严重偏离设计位置(刀盘面水平方向偏右600 mm，竖直方向偏下770 mm)，较大的姿态偏差导致管片安装困难，且质量较差，致使TBM无法继续掘进，同时围岩发生收敛变形，进而造成TBM被困。

1.2 原因分析

1.2.1 卡刀盘

1)由于TBM在开挖过程中刀盘扰动，破坏了掌子面围岩的平衡，致使岩体应力重新分布，掌子面岩体由稳定变为不稳定，破碎围岩向自由面坍塌，而TBM的出碴速度是一定的，于是破碎围岩在掌子面越积越多，最终坍塌体与刀盘之间的摩擦力大于刀盘脱困扭矩，造成TBM卡机。

2)当隧洞围岩构造强烈，岩体极为破碎，且遇水易软化、崩解，围岩自稳性差，在掌子面易塌方，且地层中地下水较多，在临空面喷涌而出，并夹带大量泥沙，形成涌砂现象，若突泥涌砂十分剧烈且量较大，将TBM掩埋。

1.2.2 卡护盾

1)由于围岩稳定性差，TBM在掘进过程中掌子面围岩出现塌方，出碴量远大于正常量，在掌子面及前盾附近形成临空面，直至在护盾上方形成自由拱(或护盾上方岩体破碎，受到刀盘扰动后出现大范围坍塌直至形成自由拱)，最终由于盾壳上方堆积大量岩体，其与盾壳之间的摩擦力大于TBM最大推力进而将盾壳卡死。

2)据工程实例统计，此种现象主要发生在软弱断层破碎带中，由于双护盾TBM盾壳较长(基本大于12 m)、隧洞埋深大，围岩受到开挖扰动发生快速的塑性变形(据观测，青海引大济湟平均收敛值达到20 mm/h)，在较短时间内，TBM通过破碎带之前，围岩收敛值大于隧洞开挖轮廓与盾壳间距，将盾壳抱死。

1.2.3 姿态偏差造成的TBM卡机

由于刀盘前方开挖空间底部仰拱经水浸泡后已丧失承载力，为了防止围岩发生大量收敛及人员进入护盾外进行钻爆作业，增加了预留变形量及人员、材料运输通道，只能采用单护盾模式进行步进，导致TBM无法进行有效调向，致使后续管片无法有效安装，最终造成TBM卡机。

实践证明，TBM卡机不是某一种原因造成的，而是以上几种原因的综合作用结果。

2 双护盾TBM卡机脱困技术

2.1 侧导坑法

在盾壳一侧或两侧开孔，人工进入护盾外开挖岩体并施作支护［12］，减小盾壳上部岩体作用在盾壳上的压力。具体方法为:根据TBM设备结构的不同，在盾壳上开一个进料方便的60～80 cm孔洞，并保证不影响盾壳受力结构，根据TBM护盾受卡范围，在空间允许的情况下纵向(可以前后进行)开挖。侧导坑施工见图1。为了保证开挖人员、设备的安全，必须选取合理的支护参数及架设临时支撑，同时为了防止TBM整机上浮，临时支撑垂直于盾壳均匀分布在盾壳上。侧导坑法在青海引大济湟双护盾TBM第1次卡机时采用并成功脱困。

图1 侧壁导坑施工示意图Fig.1 Sketch of side drift excavation to release jammed TBM

2.2 超前化学灌浆法

化学灌浆是对不良地质洞段进行处理的重要手段之一。利用灌浆泵压力将化学灌浆材料灌注到岩体裂隙中，使松散或破碎的围岩结成整体，提高围岩完整性，有利于TBM施工通过。一般采用聚氨酯类(PUR)和硅酸盐改性聚氨酯类(Silicate Modified PUR)灌浆材料［13］。在陕西引红济石项目及山西万家寨项目采用化学灌浆法均取得了成功。

化学灌浆注浆孔分为浅孔和深孔2种，浅孔直径为50mm，布置在刀盘全断面范围内，施工深度为4～5 m，在隧洞开挖轮廓线内缩约50 cm的位置布孔，通过滚刀刀孔或刮板孔人工点动刀盘确定孔位;深孔沿刀盘人工转动轮廓线在掌子面全断面范围内钻孔，通过人工点动刀盘确定孔位，施工最大深度为15 m。

由于化学灌浆材料完全固化反应时间非常快，采用自进式钻杆作为孔内灌浆管时，无需专用的封孔设备，停止灌浆后拆除可曲挠管即可;当用PVC塑料管作为孔内灌浆管时，采用孔内自封孔技术，封孔器在下管路时安放，一次使用，不再周转。

2.3 辅助坑道法

青海引大济湟双护盾TBM在第6次卡机后经过专家论证，考虑到此段断层破碎带距离长，采用其他辅助工法无法保证TBM顺利脱困。为此，在隧洞里程K17+093.96处进行辅助坑道进口开口，出口开口里程K17+045.47，绕洞与正洞进出口交角约40°，绕正洞轴线距离15 m。辅助坑道平面布置图见图2。

图2 辅助坑道平面布置图(单位:m)Fig.2 Plan layout of auxiliary gallery(m)

采用拆除4环管片作为辅助坑道进口。管片拆除时采用先拆除中间2环，进洞并将洞口锁口支护稳定后，再拆除开口两侧管片。开挖至正洞边墙位置后停止开挖，施作锁口处理。辅助坑道洞身采用城门洞型断面(见图3)，根据地质情况，采用短台阶法开挖，台阶长2～3 m，前段采用人工手持风镐开挖，进洞20 m后，采用爆破开挖。

图3 辅助导坑断面图Fig.3 Cross-section of auxiliary gallery

绕洞施工完成后，进行正洞开挖，其中K17+ 064.39～+035采用鹅蛋形断面(见图4)，K17+035～K16+920采用马蹄形断面(见图5)。正洞自刀盘前上断面开挖，上断面通过绕洞出口与正洞交点里程后，自绕洞开挖正洞下断面，交叉口处下断面开挖完成后，分2个掌子面同时施工。

图4 鹅蛋形断面图Fig.4 Oval-shaped cross-section of tunnel

2.4 设备技术改造法

无法满足出碴需要及收敛变形速率快是造成双护盾TBM卡机的原因之一，可以从以下2个方面对TBM进行技术改造:

1)增加刀盘开口率，满足软弱围岩在掘进中出碴量的需要，在掌子面出现坍塌时能够及时将刀盘与掌子面之间的碴料出净。为了防止高刀位刀具多次破碎洞碴造成弦磨，对刀盘刮碴口进行适当地增大。

2)增加边刀行程或在设备设计阶段扩大刀盘，在维持盾壳不变的情况下增大开挖轮廓面，增加围岩与盾壳之间的空间，在围岩塑性变形未抵达盾壳的情况下快速通过。

图5 马蹄形断面图Fig.5 Horse-shoe-shaped cross-section of tunnel

2.5 设备后退法

青海引大济湟工程TBM在步进及掘进过程中姿态失控，掘进趋势偏向过大，无法采用常规方法进行TBM姿态回调。在刀盘前方浇筑钢筋混凝土导向台，进行TBM调向，将TBM后退，具体见图6。

图6 TBM反力支座Fig.6 Support to provide reaction force for TBM

3 脱困技术的适用范围

实践证明，无论采用何种卡机脱困措施，在一定程度上具有局限性，科学合理地选择卡机处理措施是保证双护盾TBM顺利脱困的关键。

侧壁导坑法适用于无水或少量渗水的小型断层破碎带，根据现场经验，断层破碎带不能超过TBM盾壳长度。遇见较大的涌水情况时，可结合超前化学灌浆法进行止水加固。超前化学灌浆法适用范围较为广泛，适用于节理裂隙较为发育的有水或无水不良地质洞段。由于施钻长度与TBM空间受限制，基本加固范围为40～50m，但是由于施钻时间长，在进度上较为缓慢。根据青海引大济湟现场经验，在压密性断层破碎带中灌浆效果非常不理想。辅助坑道法适用于规模较大的断层破碎带，可以结合化学灌浆进行有效堵水，但是遇见高埋深、高地应力软弱围岩时则不适用。根据青海引大济湟初支背后土压力测试，钢架承受的压应力为547 MPa，远远大于I 22工字钢本身的屈服强度235 MPa，初期支护出现较大的收敛，个别部位已经侵入TBM轮廓。

4 双护盾TBM卡机预防措施

1)加强地质勘探的准确性。详细准确的地质勘探是决定双护盾TBM施工工法选择成功的关键，无论是在设计阶段还是在施工阶段均能有效地降低TBM施工风险。从国内使用双护盾TBM实践证明，双护盾TBM对地质的适应性非常敏感。在青海引大济湟、陕西引红济石等工程中，由于地质勘探不详细，造成多次卡机现象;而引黄入晋工程前期地质勘探较为详尽，在设计阶段就将不适应双护盾TBM施工的隧洞段进行了处理，在施工期间很少出现卡机现象。

2)优化设计。①土建设计优化，工程前期采集详尽的资料，选用合适工法，通过土建设计优化提前做好预案，有效降低双护盾TBM施工风险。②设备设计优化，预防双护盾TBM卡机不仅可以在实施阶段，也可以在设备设计阶段，通过对地质条件的了解可以在设计阶段对设备的各项参数进行调整，如可扩大刀盘、增加边刀行程、增加TBM的总推力、脱困扭矩等。通过一系列的设备优化，能够有效地降低TBM施工的风险。

3)快速掘进。施工高效是双护盾TBM的优点之一，由于不良地质洞段围岩坍塌和塑性变形在发生时间上具有一定的间隔，保持设备的快速掘进在一定程度上能够降低卡机风险，这要求设备机况良好、合理操作。

5 结论与建议

对于深埋长大引水隧洞，其地应力较大、围岩地质条件复杂，双护盾TBM施工中常发生卡机事故。因条件复杂，卡机产生的深层次机制尚未完全明确，卡机原因、脱困措施也有待进一步整理归纳。

本文结合青海引大济湟等工程实例，归纳了双护盾TBM施工中常见的卡机类型及其产生的原因，总结了常用的脱困措施，为类似工程提供较详细的参考。取得了以下几点认识:

1)隧洞地质条件对双护盾TBM施工具有决定性的影响，不良地质段隧洞围岩较差、发生坍塌、突泥涌砂以及围岩变形过大均是造成双护盾TBM卡机的原因。

2)双护盾TBM卡机的类型包括:卡刀盘、卡护盾以及姿态偏差造成的卡机。

3)双护盾TBM卡机常用的脱困措施主要有:侧壁导坑法、超前化学灌浆法、辅助坑道法、设备技术改造法及设备后退法，施工中应根据工程实际合理选用。

4)详细、可靠的地质水文资料是工程成功的基本条件，要加强地质勘探的准确性，并在土建、设备选型设计阶段做好预防卡机的预案，以便安全、高效、经济地完成工程任务。

鉴于采用双护盾TBM施工的引水隧洞较多，而本文针对的只是几个工程实例，得出的结论尚有一定局限性。建立各种复杂地质条件下的各类地下工程(包括引水隧洞)双护盾TBM卡机数据库，综合分析卡机原因，进而建立专家系统，对各种卡机提出具有针对性较强的脱困措施，方便地解决工程实际问题，将是下一步的研究方向。

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