双护盾TBM不良地质段卡机脱困技术研究*

崔光耀，麻建飞，王明胜

(1.北方工业大学 土木工程学院，北京 100144；2.中铁城市发展投资集团有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是国际上最先进的隧洞全机械化施工设备，因其设计理念独有的优越性被广泛应用于山岭隧洞施工[1-2]。但TBM在断层破碎带、富水软弱围岩段、软弱大变形段等不良地质段经常遭遇TBM卡刀盘、卡盾体被困等事故，严重影响施工安全和工程进度。TBM遭遇卡机被困事故后如何安全、快速脱困是目前亟需解决的问题。

针对TBM施工中频繁出现的卡机被困事故，学者开展大量工作：杨晓迎等[3]采用导洞法和灌浆法对某工程中TBM从断层破碎带脱困技术进行研究；王焕明等[4]采用小导洞开挖方式对某水电站引水工程富水区软弱围岩段TBM成功脱困案例进行分析；陈兴龙等[5]提出利用冻结法减小地层变形后进行TBM脱困；刘宁等[6]对某水电站排水洞工程进行研究发现，采用先导洞释放变形量可有效降低TBM施工中卡机风险；董泗龙[7]采用管棚超前支护法对敞开式TBM穿越断层被卡刀盘进行围岩加固，顺利脱困；杨继华等[8]采用导洞顶拱扩挖法成功使TBM卡机脱困。此外，部分文献还对TBM卡机被困事故机理、TBM被困后机械改造和卡机风险预测等进行研究[9-15]。

目前研究为TBM隧洞安全施工和成功脱困提供科学指导，但由于实际工程中地质差异性和卡机事故复杂性，对TBM卡机脱困技术的研究仍需依托具体工程。本文以某引水隧洞工程为研究背景，通过对TBM施工中卡机事故进行分析，对双护盾TBM在不良围岩地质段卡机事故及采用的超前大管棚及软岩大变形环向开挖脱困措施进行研究。研究结果可为类似TBM卡机脱困施工提供工程借鉴。

1 引水隧洞双护盾TBM卡机事故及原因分析

1.1 工程简介

该引水隧洞全长19 795 m，洞室最大埋深420 m，采用双护盾TBM(下文统称“TBM”)独头掘进，成洞断面直径3 m。引水隧洞自关山进口至五里坡东出口，由西向东穿越侵蚀中山和太白山间盆地2大地貌单元，穿越秦岭群上亚群片麻岩，中亚群大理岩，下亚群片片麻岩及燕山期花岗岩等岩层。其中，大理岩带和断层破碎带地下水较丰富，部分隧洞段受F1和F21分支断裂的影响，岩体破碎，成洞条件差。

引水隧洞TBM施工段围岩地质条件复杂，需穿越长距离巨厚富水冰碛层、断层破碎带(15条)、岩爆地段、石墨大理岩大变形段及煤系瓦斯地层等不良地质，围岩收敛变形速度快，施工难度大。

1.2 断层破碎带段卡机事故

1)卡机概况

TBM施工进入太白盆地冰碛层后，受右侧富水破碎围岩的F27断层带影响，卡机现象频发，基本处于“卡机-脱困-卡机”循环状态，施工进度严重受阻。当掘进至某里程时，突泥涌水事故再次发生，泥化严重的洞周破碎围岩坍塌，围岩碎屑挤压抱紧盾体，刀盘无法转动，引发TBM卡机事故。

采用小导洞开挖脱困时，伸缩盾顶部天窗右侧发生多次突发性突泥涌水事件，渣体涌出将伸缩盾及该位置的1#皮带、水泵等全部掩埋。盾体右上方坍腔内产生高压水囊，小导洞钢架在右侧地应力、高水压作用下发生严重扭曲变形，拱架最大收敛达0.08 m，局部方木撑出现折断。采用超前化学灌浆加固破碎围岩、施作排水孔引排水、小导洞开挖脱困施工等在控制TBM顶部原坍塌腔的围岩垮塌和突泥涌水方面收效甚微，卡机脱困失败。

2)卡机原因分析

由现场情况和工程资料综合判定，造成此次卡机事故的主要原因包括以下2个方面：

①围岩性质较差。太白盆地断层破碎带内多为强风化破碎围岩，在地下水冲刷作用下极易软化、泥化，易发生大规模围岩涌泥、坍塌(脱困过程中共发生5次)。

②地下水活动强烈，补给充足。隧道内涌水直接与地表水相连通，盆地内灌溉水持续往隧洞中渗透，掌子面出水量最大上升至606 m3/h，产生的高压水囊使小导洞支护变形严重；地下水涌出量无衰减现象，采用排水孔方案引排水效果甚微，现场涌水如图1所示。

图1 现场涌水Fig.1 On-site water gushing

1.3 软岩大变形段卡机事故

1)卡机概况

TBM掘进至软岩时，突然遭受围岩的强收敛变形，推进压力达到液压系统极限也不能推进，尝试前盾、支撑盾后退失败。注入废弃黄油后同样无法实现TBM推进。经观察，前盾、支撑盾和尾盾与围岩之间均无间隙，TBM护盾被围岩抱死，TBM卡机。

与普通围岩收敛变形造成的卡机不同，此次被困后设备姿态开始呈现刀盘低头、支撑盾、尾盾向上翘起的状态，尾盾位置往后1～9环管片开裂，如图2(a)所示，1～4环尤其严重，已成为碎裂结构，且有逐步往后延伸的趋势。高地应力致使围岩持续收敛变形，TBM混凝土管片侵入净空，部分管片出现结构破坏，进而出现管片挤压设备区域门架、皮带梁现象，造成门架整体倾斜、门架支撑开裂、2#皮带无法启动和后配套无法拖动等恶性现象，如图2(b)所示。

图2 围岩挤压管片和设备区Fig.2 Areas of segments and equipments extruded by surrounding rock

围岩持续收敛变形对管片和设备区的强力挤压表明，此次TBM卡机并不是简单的围岩收敛变形导致，而是遭遇罕见的软岩大变形地质灾害。

2)卡机原因分析

经现场资料调研，判定导致该引水隧洞发生软岩挤压大变形主要包括以下3个原因：

①围岩性质较差且流变效应明显。大变形段围岩主要是强风化二长花岗片麻岩及风化岩脉，力学性能差，隧洞开挖后自稳能力差。

②构造应力影响。隧道地质秦岭山脉腹地，大变形段位于东西向的太白～桃川河向斜南翼，区域南北应力场产生的右旋运动形成一系列NE～NEE向、NW～NWW向的平移-逆冲断层，以及南北向张性正断层，相互交接、切割构成基本构造格架。软弱围岩在高地应力作用下很容易出现较大挤压变形。

③地下水富集。隧道开挖后，软弱岩层及夹层在地下水作用下出现软化，呈流塑状，导致围岩自稳能力进一步降低，加剧围岩大变形发展。

2 引水隧洞TBM卡机脱困技术

对该引水隧洞TBM施工中断层破碎带段、软岩大变形段和富水超风化破碎围岩段等不良地质段，设计卡机脱困方案。

2.1 超前大管棚脱困施工技术

经专家研判，将在太白盆地断层破碎带段采用超前大管棚脱困技术。该方案主要施工工艺如图3所示，超前大管棚开挖支护如图4所示。

图3 超前大管棚脱困施工工艺Fig.3 Construction technology of advanced large pipe shed

图4 大管棚开挖支护示意Fig.4 Schematic diagram of large pipe shed excavation support

超前大管棚脱困技术施工主要包括以下4个步骤：

1)由于前期小导洞开挖位置处已发生多次突泥涌水，故将开口处选至盾尾倒数第1环管片处。尾盾管棚挑口前采用化学浆液对周围围岩进行加压径向注浆预加固，为避免钻孔串浆，注浆顺序应遵循“钻一控注一孔，自上而下，对称交叉作业”原则，对进行注浆效果检查和评估。注浆完成后，以渐变的方式挑口进入管片背部，向刀盘方向管棚操作间开挖。

2)管棚钻机选用YG-60型液压驱动动力头式钻机。人工手持风镐开挖管棚工作室，环形开挖预留核心土法施工，遵循“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。采用I16钢架@0.5 m+钢筋网+锚杆+0.2 m厚模筑混凝土衬砌对工作室进行支护。

3)导向拱施设于管棚工作室初期支护内轮廓线，拱架采用2榀I16型钢钢架，导向拱与大管棚工作室支护结构进行可靠连接并浇砼套拱。

4)盾顶超前大管棚采用Φ108 mm×8 mm热轧无缝钢管，施作于拱顶120°范围内。每根管棚长30 m，开孔位置至9 m处为实心管，9～30 m段为花管，作为散浆孔。超前大管棚施工如图5所示。

图5 超前大管棚脱困施工技术Fig.5 Construction technology of advanced large pipe shed releasing

大管棚施工完成后，在其棚护作用下，对TBM前盾及刀盘进行半断面开挖作业，期间对围岩松散或注浆加固薄弱位置采用化学浆液加固；当前盾及刀盘开挖完成后，实现TBM能推能转，为确保TBM始发安全，对半断面开挖掌子面采用C40混凝土进行浇筑封闭。至此，超前大管棚脱困方案处理TBM卡机事故完成，TBM继续前方围岩掘进，超前大管棚脱困效果如图6所示。

图6 超前大管棚脱困效果Fig.6 Releasing effect of advanced large pipe shed method

针对大管棚钻进过程中出现钻孔超量出渣、卡钻、注浆效率低的难题，须在实际地质条件下不断试验跟管及顶管工艺，及时购置钻具进行现场钻孔试验，优化注浆流程。对于大量地下水水涌出这一难题，采取“以排为主、以堵为辅”的整治原则，衬砌施工时集中预留排水，于开挖段后方采用机械强排的方式抽至洞外。

2.2 软岩大变形段全环断面开挖脱困

为解除高地应力对TBM设备和成洞段管片造成结构永久性破坏的重大风险，参照兰渝铁路木寨岭隧道的软岩大变形控制施工经验，决定采用“环形开挖+刚性支护”的TBM脱困方案,施工工艺如图7所示。

图7 全断面开挖脱困施工工艺Fig.7 Construction technology of full-section excavation releasing

1)采用5T导链将已破损管片进行拆除，同时对内部挤压变形设备进行解救校正处理；人工手持风镐对施工断面进行扩挖，断面开挖成形后采用3层H150型钢拱架进行全环封闭支护，纵向采用U12槽钢连接，环向间距1 m，双层Φ10 mm@100×100 mm钢筋铺设，Φ22螺纹钢将锚杆与钢架焊接，灌注C40混凝土及时封闭初支结构，如图8所示。

图8 全断面开挖支护Fig.8 Full-section excavation support

2)为防止持续地应力对已安装结构造成安全风险，采用Φ159 mm、厚14 mm的无缝钢管进行斜向、横向支撑加固，如图9所示。开挖脱困期间需针对围岩的持续收敛变形进行监测，纵向每隔2 m布置1组测点，每个断面3个测点，分别对拱顶沉降、两侧拱腰收敛进行监测，以确保支护结构稳定。

图9 无缝钢管支护Fig.9 Seamless steel pipe support

该引水隧洞软岩大变形段通过环向开挖扩大工作面，对该段持续高地应力作用下的软质石墨大理岩采用“3层H150型钢+仰拱封闭+Φ159无缝钢管”刚性支护的方式，可以有效遏制围岩收敛变形，防止围岩逐步延伸和持续对支护结构和设备的破坏。TBM软岩大变形段成功脱困如图10所示。

图10 环形开挖法脱困效果Fig.10 Releasing effect of annular expanding excavation method

对软岩大变形段采用环形开挖法前，需对隧洞围岩岩性进行分析，探明围岩时效变形特性，对遭遇卡机事故进行反演，确定卡机事故风险等级，在充分探明围岩变形、应力规律及施工风险基础上进行TBM环形开挖脱困。脱困过程中需在开挖后及时采用刚性支护遏制围岩收敛变形，并对围岩收敛变形进行监测，保证支护结构稳定性，确保脱困施工安全。

3 结论

1)TBM穿越断层破碎带且地下水发育地段，易发生围岩坍塌、涌泥涌水地质灾害，造成TBM卡刀盘事故，可采用盾顶大管棚脱困方法处置。

2)TBM穿越高应力软岩大变形地层，易发生TBM卡机后刀盘低头、支撑盾及尾盾向上翘起、管片破碎且侵限，危及洞室结构和施工安全，可采用全断面环形开挖脱困技术处置。