管棚与化学灌浆在TBM卡机脱困中的应用

2016-04-06罗毅

水利规划与设计 2016年2期

关键词：管棚

罗毅

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

管棚与化学灌浆在TBM卡机脱困中的应用

罗毅

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110006）

摘要：TBM具有施工速度快，对环境影响小，可以开挖、支护、衬砌同步进行等优点，在隧洞施工中应用越来越广泛。但在地质条件较差的洞段，TBM刀盘容易被卡住，若处理方法不得当，导致长期不能脱困影响工期或者TBM刀盘受损。本文通过辽宁省重点输水工程中TBM卡机的处理，介绍采用管棚与化学灌浆联合施工的在TBM中的应用。

关键词：TBM卡机；化学灌浆；管棚

1　概述

本工程在桩号116 +956～128 +426范围内采用开敞式TBM施工，从下游向上游施工，开挖洞径8.5m。在桩号119 +431～119 +546范围内为F64断层或断层影响带。F64断层洞顶埋深90m，产状150°∠50°，为压扭性断层，断层带由断层角砾岩及碎裂岩组成，受压力挤压作用明显，洞室围岩破碎—较破碎，呈散体结构—碎裂结构，地下水呈滴水—线流状，围岩自稳时间很短，极不稳定，为Ⅴ-Ⅳ类围岩。当TBM掘进到119 +508桩号时，TBM掘进前方发生大面积塌方，TBM卡住而不能转动。

2　卡机原因分析

TBM卡机后，进入TBM刀盘内部，通过TBM刀盘前方探孔探测，发现在TBM刀盘前方3m和上部5～8m范围内发生大面积塌方。巨大的塌方体压住刀盘，使刀盘被卡出。刀盘前方3m及刀盘上部8m范围内全部为塌方下来的松散体。为了达到刀盘脱困的目的，应先清理刀盘上部的塌方体，但塌方体巨大，如果采用人工清理，刀盘内部施工位置狭小，不能够组织大量的人力进行清理，因此要想TBM脱困时，需要先加固塌方体，再清理刀盘上部的渣体，然后转动刀盘。

3　刀盘脱困措施

在对掌子面前方塌方体的大小和范围进行初步分析、判断的基础上，采用以下方案解决TBM卡机问题：（1）掌子面前方采用化学灌浆加固破碎围岩；（2）护盾上部采用超前管棚支护加固上部散落岩体，并进行化学灌浆；（3）清理刀盘上部压住的岩体，恢复刀盘转动。

3.1 管棚施工

3.1.1 管棚布置

隧洞中心线左侧30°至中心线右侧60°拱部范围内施作Φ76超前管棚，布置管棚16根，管棚长15m，管棚环向间距30cm，外插角控制在10～15°，管棚布置及范围见下图1。

图1　管棚布置示意图

根据上述管棚设计，管棚全部位于松散岩体内。松散岩体内成孔困难，若采用跟管钻进进行管棚施工，钻机机体大，TBM刀盘上部作业空间小；若采用前进式注浆逐段加固松散体施作管棚，则施工时间太长。经综合比选，决定采用普通地质钻机进行管棚施工，利用地质钻的中空钻杆作为注浆通道，进行注浆加固，钻头和钻杆直接埋在松散体内。

3.1.2 注浆

考虑到管棚施工距离TBM护盾较近，灌注普通水泥浆凝固较慢，浆液容易扩散到护盾和刀盘上，将刀盘和护盾与岩体固结在一起，使刀盘转动更加困难。因此选用化学浆液进行化学灌浆。因管棚管体在松散体内，注浆前用麻丝掺锚固剂将管棚和孔口之间缝隙堵塞牢固，防止注浆时漏浆，管棚口与闸阀焊接牢固，注浆终结时关闭，防止漏浆。

管棚施工工艺流程见下图：3.1.3 注浆参数

图2　管棚注浆施工工艺流程图

为防止管棚注浆浆液渗至护盾和刀盘位置，导致护盾刀盘与岩体固结，选用扩散系数低，凝固快的浆液，注浆时采用低压注浆，浆液采用聚氨酯类，DH-500亲水型（A）和DH-510疏水型（B）。初始注浆压力为0.1MPa，终压注浆压力为0.5MPa。

3.2 刀盘前化学灌浆施工

先清理刀盘内部积水及渣体，做好刀盘内施工用作业平台及相关安全防护工作，化学灌浆浆液采用聚氨酯类：DH-500亲水型（A）和DH-510疏水型（B）。

3.2.1 钻孔

（1）化学灌浆的注浆孔采用改造过的YT28风钻，钻杆采用自进式玻璃钢钻杆。钻孔布置在刀盘全断面范围内，钻孔深度3～4m，通过中心刀刀孔或刮渣板孔人工点动刀盘确定孔位，上部180°范围内均布8个，下部左右两侧布置2个。利用刀盘进人孔在掌子面前方布置3个孔，钻孔角度约60°左右；通过中心刀及附近刀孔向掌子面前方进行水平钻6个孔，钻孔的位置尽量在进人孔和中心刀孔施工比较方便的位置进行，一共布置18个钻孔。

（2）钻孔及注浆顺序为先实施TBM刀盘前方上下左右钻4个孔后，然后进行中间的6个孔，最后是其余的孔。

3.2.2 安装注射管路

（1）钻杆梅花型钻孔的长度小于2m，孔间距30～40cm。

（2）注浆时，在距孔口1.0～1.5m范围内放置封孔器。

（3）在注浆管路上做好标记，始终做到每次注浆管路与出浆口连接相互对应。

3.2.3 灌浆施工

（1）安装好灌浆泵后，检查油雾化器、空气凝结器、气动二联件等部件是否能够工作正常，进行试验灌注。

（2）缓慢开启注浆泵进风控制阀，使A、B（比例为1∶1）两种灌浆液分别在两个物料桶中循环，待A、B进料管中气泡排净后，检查进料系统部件和进料配比，确保整个系统能够正常运行。

（3）灌浆系统运行正常后，停泵，按照规定的方式连接灌浆系统，如图3。灌浆时应先低速，再逐部提高灌浆速度，当灌注快完成时降低灌注速度，直至闭浆停泵。

图3　化学灌浆示意图

（4）当达到以下条件之一时，停止灌浆：

①注浆压力升高至0.6MPa。

②掌子面前方表面其他位置有浆液溢出。

③单孔灌浆量达到0.2t/m。

（5）注浆结束后，用A组份料冲洗混合口，约10s左右后停止灌浆。

3.3 刀盘脱困

采用化学灌浆和管棚加固周围岩体后，可以尝试启动刀盘，然后退刀盘10cm，查看护盾是否卡住，尝试转动刀盘。若刀盘不能启动，通过刀盘进人孔及中心刀部位进入刀盘前方，人工清渣，若刀盘仍然不能启动，继续后退10cm，边清渣边支护，直到刀盘转动。

在刀盘前方形成空间后，及时采用方木（15cm×15cm）与木板（厚5cm）进行支护，将木板紧贴前方围岩，方木横撑在刀盘和木板之间，扒钉固定方木和木板。方木横撑的竖向间距不超过50cm，横向间距不超过100cm。空间上方在横撑之间搭设木板满铺，防止上部掉块。围岩较差时可适当加密支撑，或采用型钢加强支护。

4　结语

在本次TBM卡机事故中，在TBM后退了90cm后，TBM刀盘终于能够转动，并顺利掘进。从卡机到再次顺利掘进，本次事故处理仅花了20天。管棚施工与化学灌浆的处理方法，能够达到加固TBM刀盘上部与前方围岩的作用，同时，清理刀盘周边的岩体，减少TBM初始转动扭矩，使TBM能够再次顺利启动。本次事故处理的经验可以为其他类似工程提供参考。

参考文献

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作者简介：罗毅（1984年—），男，工程师。

收稿日期：2015-11-17

中图分类号：TV554