软岩洞段单护盾隧洞掘进机（TBM）主要施工问题及对策

卜武华 田娟娟

（山西省水利水电工程建设监理公司 太原 030002）

1 工程概况

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞位于甘肃省渭源县境内，隧洞全长17.286 km，其中单护盾隧洞掘进机（TBM）施工段长16.986 km，圆形断面，开挖直径为5.75 m，成洞内径为4.96 m;衬砌采用C45预制钢筋混凝土六边形管片拼装而成，衬砌管片厚280 mm、宽1 600 mm;衬砌管片背部底拱90°范围回填M15水泥砂浆，边顶拱270°范围豆砾石回填灌浆。

隧洞最大埋深368.00 m，Ⅳ类围岩洞段长2.468 km，Ⅴ类围岩洞段长14.518 km；隧洞经过地层岩性较复杂，主要由砂质泥岩、砂砾岩、上第三系临夏组N2L2泥质粉砂岩和N2L2S疏松砂岩构成，围岩岩性软弱，强度低，单轴饱和抗压强度0.99～2MPa，遇水易软化，崩解，具流变性，属极不稳定的Ⅴ类围岩；隧洞开挖后围岩易出现塑性变形、坍塌及地下水潜蚀引起流砂、涌砂等地质问题。

2 施工概况

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞选用了一台由法国NFM公司设计、北方重工制造的全断面单护盾隧洞掘进机TBM，同时也是国内首台首条单护盾TBM施工隧洞，2009年底正式开始掘进。通过对单护盾TBM已完成掘进2.8 km隧洞施工情况分析，现场揭示围岩多数为极软岩，强度低，自稳性差；围岩坍塌、流砂及涌砂等地质问题导致单护盾TBM掘进多次受阻，严重影响TBM施工质量和施工进度。

3 单护盾TBM主要施工问题及对策

单护盾TBM在甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞软岩洞段掘进施工时碰到了许多问题，而处理这些问题不仅花费了大量的人力、物力和财力，且消耗时间长；通过多年TBM施工，总结了一些软岩洞段单护盾TBM施工经验，为今后TBM遇到类似围岩地质条件下掘进施工提供一些借鉴和帮助。

3.1 衬砌管片错台、滚动、裂缝及破损

3.1.1 原因分析

①底部围岩软弱，承载力低，底拱管片下沉导致错台和破损。②围岩坍塌，管片背部豆砾石充填困难，导致侧拱管片前倾、后仰，出现错台和破损。③侧拱管片与顶拱管片无限位措施，顶拱管片下沉导致错台和破损。④管片结构不能自锁，尤其管片纵向连接处未设置类似导向杆的稳定装置，易产生错台。⑤围岩软硬不均，单护盾TBM掘进姿态难以控制，导致管片与盾尾贴死，造成管片挤压破损。⑥围岩坍塌积压、收敛变形以及单护盾TBM主推力过大，导致管片出现裂缝、错台和破损。⑦与双护盾TBM相比，单护盾TBM无防滚动装置，掘进时刀盘转动产生的扭矩全部由盾体与围岩、管片及围岩的摩擦力矩提供，当刀盘扭矩过大时，盾体与管片均会出现滚动。⑧单护盾TBM主推进油缸斜撑于管片，且作用力很不均匀，导致管片出现滚动。

3.1.2 对策

①底拱管片底部预先铺设一层干硬性混凝土，增大管片与底部围岩之间的接触面积，同时管片底部垫设硬质木板进行安装调节，必要时对底部围岩进行固结灌浆，以提高底部围岩承载力，防止底拱管片下沉出现错台和破损。②根据单护盾TBM掘进进度，及时对管片背部进行豆砾石回填灌浆和水泥砂浆回填，必要时对管片背部进行固结灌浆，防止管片前倾、后仰及下沉出现错台和破损。③侧拱管片与顶拱管片间内弧面安装临时限位钢板，防止顶拱管片下沉出现错台和破损；管片结构设计和管片预制时应考虑在底拱、顶拱管片纵向边背部预埋钢板，安装前焊接限位钢板，避免由于限位钢板临时安装于迎水面而造成以后限位钢板、膨胀螺栓的拆除及螺栓孔处的防水处理等一系列问题。④加强对管片与盾尾间隙、管片纵环缝间隙的监控量测，单护盾TBM掘进姿态应采用勤调、缓调的方式进行调向，降低主推进油缸对管片的不均匀受力，防止管片出现挤压破损和滚动。⑤对单护盾TBM设备进行改进，在尾盾内安装2个类似撑靴的防滚动装置，以减少盾体和管片滚动。⑥优化管片结构设计，提高管片承重等级，减少因围岩坍塌、收敛变形引起高地应力对管片结构的破坏；增加钢结构管片设计并重复使用，单护盾TBM掘进时，主推进油缸通过直接接触钢结构管片并间接传力于混凝土预制管片，防止预制管片出现裂缝和破损。⑦对衬砌管片错台、裂缝和破损部位按设计及技术规范要求及时进行修补处理。⑧对管片滚动导致钢轨面不平，在较低侧钢轨底部垫设硬质塑料板调整钢轨高差，确保轨道运输正常进行。

3.2 衬砌管片M型复合式遇水膨胀止水条扭曲、撕裂及脱落

3.2.1 原因分析

①管片前倾、后仰及下沉，导致管片间错台加大、接缝变宽，止水条出现扭曲、撕裂及脱落，止水条失效。②管片滚动、挤压破损，导致止水条出现扭曲、撕裂及脱落，止水条失效。

3.2.2 对策

①控制管片安装质量，提高管片错台、缝宽检测合格率，防止止水条出现扭曲、撕裂及脱落，保证止水条粘贴、接触紧密。②优化止水条结构设计，加宽、加厚复合止水条遇水膨胀橡胶部分，以加大止水条间接触面积，减少因管片错台、缝宽超标对止水条止水效果的不利影响。③对止水条失效部位按设计及技术规范要求及时进行更换、修补处理。

3.3 豆砾石充填困难，回填灌浆质量差

3.3.1 原因分析

围岩软弱，自稳性差，坍塌松散岩体侵占管片与围岩间隙，导致豆砾石充填困难，甚至无法充填，虽经过回填灌浆，但大部分没有豆砾石充填处不能形成完整的充填区域，只形成水泥和软岩的结石体，致使回填灌浆取芯质量差，多处不满足设计及技术规范要求。

3.3.2 对策

①充分发挥单护盾TBM自带超前钻机和超前地质预报系统的作用，加强综合超前地质预报工作，在通过软岩不良地质洞段时，应及早采取超前钻探等手段予以揭示。②对隧洞掌子面上部120°范围软弱围岩进行超前灌浆加固，灌浆材料、参数根据现场灌浆试验效果选定。③对围岩坍塌洞段管片背部松散岩体进行插钢花管固结灌浆加固，并对坍塌空腔一定范围内进行回填灌浆。

3.4 TBM栽头、盾体下沉及盾尾变形

3.4.1 原因分析

①底部围岩软弱，积水泥化，承载力低，导致单护盾TBM掘进姿态难以控制，出现TBM栽头、盾体下沉。②围岩坍塌积压、收敛变形过大，导致TBM盾尾钢板变形，影响管片安装。

3.4.2 对策

①单护盾TBM软岩洞段掘进时应重视和严格遵循“三低”即低推力、低转速和低贯入度，机头宁高勿低，必要时通过刀盘开口对底部围岩超前灌浆加固。②对隧洞掌子面围岩进行超前排水降水，同时加大TBM盾尾管片安装区的清渣、排水力度，降低底部围岩积水泥化程度，减缓TBM栽头、盾体下沉趋势。③对单护盾TBM刀盘进行优化设计，减轻刀盘重量以适应软弱围岩。④对隧洞掌子面上部120°范围软弱围岩进行超前灌浆加固，降低因围岩坍塌、收敛变形导致盾尾钢板变形程度。⑤对单护盾TBM盾尾变形严重的钢板进行修整或割除更换。

3.5 TBM主驱动变频电机、主推进油缸等设备损坏

3.5.1 原因分析

①围岩坍塌，TBM刀盘被压、被卡，刀盘启动扭矩增大，主驱动变频电机频繁尝试启动进行脱困导致部件发热损坏。②单护盾TBM长期在低转速、大扭矩及大推力非正常状态下掘进，导致主驱动变频电机部件发热损坏及主推进油缸缸体弯曲变形，同时对主轴承使用寿命产生不利影响。

3.5.2 对策

①对隧洞掌子面上部120°范围软弱围岩进行超前灌浆加固，稳定围岩，降低围岩坍塌程度。②TBM刀盘顶部120°范围内焊接钢板进行前盾延伸改造，防止刀盘顶部围岩坍塌。③加强TBM设备日常检修、保养；主驱动变频电机、主推进油缸等损坏部件应及时进行维修、更换。

3.6 刀盘、刀具异常磨损，泥裹刀现象严重

3.6.1 原因分析

①围岩松散，单护盾TBM掘进时达不到滚刀启动扭矩，导致滚刀弦磨破坏；掘进过程中整个刀盘面板与掌子面围岩紧密接触，加快了刀盘的磨损。②围岩软弱泥化，TBM刀盘内的铲牙、料仓及刀座全部被泥渣料包裹堵塞，刀盘出渣困难。

3.6.2 对策

①优化刀具选型和配置，将部分滚刀更换成撕裂刀，降低换刀频率，减轻刀具磨损；合理控制贯入度，减轻刀盘面板磨损。②将部分滚刀更换为刮刀，减轻泥裹刀现象。③发生泥裹刀，人工及时进入刀盘内进行掏挖清理、换刀。

3.7 出渣量过大，主皮带机被压无法启动

3.7.1 原因分析

①隧洞掌子面围岩瞬间坍塌，出渣量大幅度增加，大量渣土将主皮带机压死无法启动。②单护盾TBM掘进参数选取不合理，调整不及时。

3.7.2 对策

①对隧洞掌子面上部120°范围软弱围岩进行超前灌浆加固，稳定围岩，减少因刀盘扰动围岩坍塌量。②对单护盾TBM设备进行改进，适当封堵铲牙，将实际出渣量控制在理论出渣量的3倍以内；TBM刀盘顶部120°范围内焊接钢板进行前盾延伸改造，防止刀盘顶部围岩坍塌。③强化单护盾TBM掘进参数的控制，降低刀盘转速，控制掘进速度，减少出渣量。④主皮带机被压部位及时进行人工清除。

3.8 流沙、涌沙严重，TBM施工无法进行

3.8.1 原因分析

单护盾TBM进入疏松砂岩洞段，因疏松砂岩局部含承压水，强度低，基本无自稳能力，掘进开挖中掌子面多处出现线状、股状流水，大量泥沙涌入刀盘、主皮带机、盾体内及盾尾管片安装区，部分TBM主机设备被埋，导致TBM施工无法进行；同时衬砌管片工作孔、接缝处出现流沙，对管片环整体结构稳定产生不利影响。

3.8.2 对策

①疏松砂岩岩体透水性弱、可灌性差，采用常规灌浆加固围岩或地表钻孔排水方案可能难以达到预期效果，应及时采取主洞内开侧导洞方案对该主洞疏松砂岩段进行人工开挖处理及支护、TBM空推通过后继续掘进。②对于隧洞其余含水疏松砂岩段，在合理位置研究布置斜井、竖井及平支洞，提前进行人工开挖处理及支护，以接应TBM空推通过。③对涌沙部位及时采取措施进行抢救，降低地质灾害损失，恢复TBM设备原状。④对衬砌管片背部及时反复进行回填灌浆，以控制流沙和稳定管片；同时安装钢拱架、限位钢板等对管片环进行临时加固，确保管片环整体结构稳定。

4 结束语

通过单护盾TBM在甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞的应用可知，针对软弱围岩不良地质，目前国内尚无非常成熟的TBM施工经验，仍处于进一步探索总结阶段。在今后选择TBM工法施工时，应充分重视、保证工程地质详勘资料的准确性，为TBM正确选型、优化性能设计提供有力保障；同时在TBM施工阶段，应充分重视、挖掘TBM设备潜力，不断进行技术更新和设备改进，提高TBM设备与围岩地质条件的相互适应性，充分发挥TBM机械化施工优势和效益。