敞开式TBM穿越断层带卡机处理措施

杨刚

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐830000）

1 引言

TBM以其快速、高效、环保等优点[1]被广泛应用于水工隧洞建设中，但是在断层破碎带常常发生卡机情况。本文介绍了采用化学灌浆和管棚超前支护的方式使周边围岩形成可靠整体，从而TBM安全顺利脱困的措施。

2 工程概况

本工程为新疆某引水隧洞的5#隧洞的第一段，长度8 806m，隧洞直径7.8m，采用北方重工生产的敞开式TBM掘进，全长8 806m，该段位于阿尔泰山南坡低山丘陵区，地形略起伏、开阔，分布高程678～770m，相对高差约100m，地形为剥蚀丘陵地貌，地形略起伏。岩性主要为华力西期花岗岩、黑云母角闪斜长岩，次块状-块状构造，岩石中石英含量一般为15%～25%，岩石坚硬，较完整[2]。洞内出水主要以裂隙水为主，个别地段存在少量涌水，设计最大出水量约540m3/h。2019年10月7日，TBM掘进至138+207处突遇断层破碎带，刀盘及刀具被泥沙黏住，刀盘前方有大块孤石，刀盘被卡死无法掘进。

3 地质情况

该段设计岩性为华力西期花岗岩，Ⅱ类围岩，未显示为断层带。实际揭示围岩为华力西期粗粒花岗岩，肉红色，块状结构，坚硬岩。桩号138+220至上游处发育一条与洞轴线小角度相交的断层，产状10°～15°NW∠60°～70°，带宽3.0～5.0m，带内主要为断层角砾岩和碎裂岩，夹少量断层泥，结构松散，影响带宽20～30m，地下水发育，围岩遇水软化作用明显。断层出现在水流方向右侧边墙撑靴部位，向掌子面方向延伸，此段地下水发育，呈线状流水状态，约10～20m3/h。TBM卡机后采用地震波法对TBM前方地质进行超前地质预报，结合探测区域的地震波成像图、隧道地震俯视图以及地质分析，推断解释如表1所示。

表1 138+210～138+110段地质预报结论

4 处理方案

处理方案的具体内容为：

1）在护盾后5m范围内采用CG-P106型注浆材料，锚杆长6m，打设角度与锚杆钻机打设角度一致，锚杆纵向3排，间排距0.4m梅花形布置，顶拱180°范围布设，预注浆深度为距护盾5.4m。注浆锚杆后1m不开孔，前部5m开孔，开孔间距为25cm，梅花形布置。

2）护盾周围采用自进式中空锚杆配合CG-P106型注浆材料进行固结灌浆，锚杆纵向3排，间排距0.4m梅花形布置，顶拱240°范围布设，预注浆深度为距护盾4m。

3）塌腔范围为TBM刀盘顶部上方9m，刀盘前方7m，采用90A管棚钻机，钻头直径为φ108mm，从护盾尾部向前方塌腔施钻回填孔。初始钻孔外倾角为30°，二次钻孔外倾角为45°，孔内埋设φ108mm回填管，回填管内埋设φ42mm排气管，采用轻型混凝土（珍珠岩）对塌腔进行回填。

4）护盾与刀盘上方灌浆施工完成后，安设管棚钻机，同时采用YT-28钻机钻进1m，通过钻头反复冲击岩体形成孔洞，安装φ127mm导向管，导向管长度为1m，外倾角4°，环向间距为40cm，安装完成后采用模具复核，无误后采用锚固剂对孔壁与岩体周围的间隙进行充填。导向管与岩壁间充填物终凝后采用90A管棚钻机进行安设管棚施工，管棚布置范围为顶拱120°，管棚为φ108mm跟管管棚（钻头直径108mm），管棚材料为外径φ108mm热处理调质管，单根长度为30m，环向间距为40cm，钻孔过程中如发现卡钻应降低推力提高转速。管棚注浆浆液为水泥浆+水玻璃材料，孔口注浆压力为0～2MPa，终压2MPa。

5）刀盘滚刀孔向刀盘前方打设φ32mm纤维锚杆，打设深度2～3m，注CG-P106型化学浆液对刀盘前方360°范围内松散岩体进行固结加固，充分调动或提高围岩自承能力[3]，不对刀盘形成挤压，使刀盘脱困。

6）在护盾尾部左下方位置开设小导洞，小导洞采用HW150型回形钢拱架进行支护，拱架间距0.3～0.5m，拱架左侧和上方安装3mm厚铁板，铁板与门架进行焊接，以防止碎石掉落。小导洞开挖至刀盘前方0.5m处，停止向前施工。根据现场围岩情况，在刀盘位置开始沿护盾方向进行环形开挖，开挖宽度1.2m，保证刀盘及刀盘与护盾连接处碎石清理干净，使刀盘与周围岩石之间形成一个宽10～20cm的空间，从而减少刀盘瞬间启动阻力，增大刀盘力矩[4]。开挖过程中，两边支立2榀HW150环形拱架，一次开挖长度不超过0.3m，2榀拱架间通过HW150型钢进行连接，间距0.3m，并在拱架外侧安装3mm厚铁板，铁板与拱架进行焊接，以防止碎石掉落。

7）超前管棚及超前纤维锚杆系统固结灌浆，以及刀盘周围的渣料全部清理完成后开始尝试转动刀盘，刀盘转动后，刀盘转速控制在小于1r/min，贯入度小于5mm/r。同时，需时刻关注刀盘扭矩的变化幅度，变化幅度需控制在10%以内，防止出现刀具偏磨和刀刃崩裂。

8）刀盘脱困后开始向前掘进，对刀盘前方破碎围岩继续采用超前预固结的、低转速、短进尺、强支护、连续均衡的施工方法通过断层破碎带。

5 结论与建议

本次TBM卡机采用管棚超前支护和化学灌浆法进行脱困处理，首先采用化学灌浆将刀盘前方及护盾周围的岩石进行固结，之后管棚超前支护，固结拱顶的破碎围岩，使之形成相对安全可靠的整体，从而保证TBM安全、顺利的脱困。本次脱困刀盘及护盾周围化学注浆20.3t，共布置管棚24根，达到了固结周围岩石的作用，为本次TBM脱困起到了关键性作用。希望为日后施工规避或及时处理不良地质洞段以保证TBM顺利通过提供施工经验,也为其他TBM设备出现类似卡机问题提供借鉴。