极软弱破碎富水地层TBM脱困应对方法与措施研究

2022-08-09李晓斌

岩土工程技术 2022年4期

李晓斌

（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714099）

0 引言

全断面隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）作为岩石隧道最先进的开挖装备，在我国已广泛应用于铁路、水利水电、城市轨道工程以及煤矿巷道工程等领域[1]。与传统钻爆法相比，TBM工法能同时完成破岩、出渣和支护等作业，可实现连续掘进，其掘进速度一般为常规钻爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、对周边环境影响小、作业安全及节省劳动力等优点，特别适合于深埋长隧道的施工[2−5]。然而，在长大深埋隧道掘进过程中，断层、构造发育、节理密集带、岩爆以及突泥涌水等不良地质状况给TBM施工造成巨大的风险，尤其是极软弱破碎富水地层，极易造成TBM卡机和被埋的灾难[6]。

针对TBM卡机脱困的方法与措施，国内外专家进行了大量研究。赵毅[7]、罗毅[8]、徐虎城[9]研究了化学浆液的使用方法和管棚支护措施，解决了陕西、云南、辽宁等地TBM施工引水隧洞卡机事故。胡新朋等针对敞开式TBM穿越富水砂化断层破碎带施工技术进行研究，总结了TBM穿越该种地层时可能被卡机/停机的施工标准，建立了TBM穿越富水砂化断层破碎带卡机/停机预警模型。刘晓瑞[11]研究了小导洞迂回反向支护在TBM卡机脱困中的应用，在辅助坑道法的理念上有所创新。以上研究给TBM在复杂地质条件下的卡机脱困提供了借鉴和参考。

某铁路隧道工程平导洞TBM在穿越软弱破碎富水地层时出现涌水溜坍，在地质探测和管棚施工过程中存在钻孔压力过大、泥浆裹钻、孔内喷涌等异常情况，盾尾左侧突发涌水并携带大量泥沙涌出，造成盾体及主梁区域围岩变形，TBM被困，风险极大，处理不好可能造成TBM被淹和被埋的风险。本次TBM脱困在借鉴以往施工经验和研究的基础上，采取了极软弱破碎富水地层的超前探测、主梁区域径向注浆加固及掌子面超前加固、高位支洞泄水、安装双速减速机以及超前管棚支护和护盾周边扩挖等综合措施，经过施工人员的不懈努力，使TBM安全脱困，避免了TBM被淹、被埋事故的发生。

1 工程概况

某铁路隧道是目前中国第一铁路长隧，全长34.538 km，隧道最大埋深1155 m，位于喜马拉雅地震带，受印度洋板块与亚欧板块碰撞挤压，地形地质条件极为复杂。不良地质条件主要有高地温、软岩大变形、涌水、断层破碎带、岩爆、岩溶、蚀变岩及节理密集带、活动断裂带、高烈度地震带、放射性、有害气体、滑坡、偏压等多种地质条件，几乎涵盖了所有隧道施工不良地质和重大风险，堪称隧道建设“地质博物馆”。其中设计Ⅳ级、Ⅴ级围岩占比52%，实际揭示为58%，用TBM施工存在较大风险。本项目在Ⅳ级、Ⅴ级围岩占比较高的情况下，在隧道出口正洞和平导施工段分别采用一台开挖直径9.03 m 的国产TBM和一台开挖直径6.36 m的罗宾斯敞开式TBM施工，主要出于以下考量：（1）隧道洞线地质条件复杂，但地质围岩整体条件相对较好，岩层的自稳能力较强，只需进行锚网喷支护，局部进行钢架支护，与传统钻爆法的施工进度相比效率仍较高，但TBM选型时要注重超前地质预报和排涌水的能力；（2）我国TBM技术研究起步较晚，在核心关键技术掌握及应用水平上较国外还有较大差距，本项目正洞使用的TBM开挖直径9.03 m，是当时国产最大直径TBM，将该设备用于软弱围岩变形、断层破碎、高地应力、高岩温、高岩爆、高承压水及涌水等不良地质地段进行施工，对我国针对复杂地质情况下TBM技术的发展具有重大推动作用；（3）使用TBM施工是保护高黎贡山生态环境和安全高效推进“一带一路”铁路建设的需要。图1为某铁路隧道地质纵断面图。

图1 隧道地质纵断面图

2 TBM被困情况

2019年8月27日上午，该铁路隧道出口平导TBM掘进至掌子面里程PDZK221+481时出现大推力无法推进现象（该段正常推力7000～8000 kN，加大至12000 kN仍无法推动，扭矩980 kN·m，转速4 rpm），初步判断为围岩变形导致护盾被卡。随后掌子面出现溜坍，大量泥沙状碴体随水流不断自刀盘入口处涌出，造成隧底大量积渣。另外，使用超前钻机打设超前管棚或超前小导管时，很容易发生卡钻和塌孔的现象，并伴随孔内水压过大无法钻进的情况。同时TBM护盾及盾尾主梁区域拱部围岩出现沉降，拱部岩体间形成错台，顶护盾被围岩挤压下沉（原有限位块受挤压弯曲变形），盾尾拱架局部出现扭曲变形，TBM严重被困（见图2）。

图2 现场TBM被卡情况

3 TBM脱困应对方法与措施

3.1 超前探测

为确定掌子面前方具体情况，在护盾后方已经完成加固的区域，采用钻机钻探的方法进行前方地质体的探测（见图3）。分别采用气动潜孔钻机、MK-3液压钻机、MHP3050/550LG超前钻机、ZM90液压钻机等对掌子面前方不良地质体进行超前钻探，其中左侧9−11点半位置钻孔至7～8 m时频繁出现卡钻、泥浆裹钻、顶钻等情况，期间刀盘内大股流塑状泥沙涌出，护盾尾部及刀盘内流塑状泥砂间歇性涌出（携带石块），最大出水量为150 m³/h（刀盘内），判断前方不良地质体范围以及水压均较大，仅仅依靠小导洞和管棚支护的方式很难通过。

图3 超前钻探现场图

3.2 注浆加固

为避免停机期间掌子面持续恶化，为TBM掘进创造有利条件，进行盾体周边及掌子面超前注浆加固。

（1）盾尾径向注浆加固

完成盾尾竖撑加固后，采用气动锚杆钻机打设注浆孔，注浆孔按2 m（环向）×1.5 m（纵向）间距布置，注浆管采用φ42钢管，注浆范围为仰拱块面以上，注浆孔深度不小于6 m（具体深度依钻孔情况确定），注浆顺序自下而上进行，从后向前进行。围岩径向注浆液宜优先采用水泥单液浆，当漏浆情况较严重时采用水泥-水玻璃双液浆，径向注浆示意图见图4。现场注浆压力范围为0.5～1.5 MPa（具体压力通过试验确定），注浆孔壁与钢管之间用锚固剂填实，孔口设止浆塞，注浆过程中若发生串浆，则关闭孔口阀门待其他孔注浆完毕后再打开阀门；当达到设计终压并继续注浆10 min以上，且单孔注浆量小于初始注浆量的1/4时，视为单孔结束注浆标准，所有注浆孔均以单孔结束条件为标准，无漏浆现象。

图4 径向注浆加固示意图（单位：cm）

（2）超前注浆加固

为改善盾体周边及掌子面前方围岩，进行拱部120°范围超前预加固处理，加固深度可根据现场实际情况调整，仰角10°；同时，采用φ32玻璃纤维管自刀盘向掌子面施作超前加固，加固深度3～6 m。为防止固结刀盘，超前预加固注浆材料采用聚氨酯类化学浆液，具体现场布置示意见图5。通常情况下，现场开灌速度选择中低速，即灌浆泵活塞往复次数在60次/min左右，确认掌子面工作正常、无返浆现象时可适当提高灌浆速度，灌浆泵活塞往复次数可提高到80～100次/min，当灌浆压力升高和有返浆现象时，根据施工情况逐步降低灌浆速度，直到最后达到闭浆条件，停止灌浆。

图5 超前注浆加固示意图

3.3 高位泄水孔

经超前探测和突涌情况综合分析，前方地质为全风化−强风化花岗岩，水量大，水压高，围岩泥化严重，TBM施工极为困难，采取高位泄水孔排水很有必要，否则可能会造成设备被淹的后果。在盾尾高位导坑内向平导打设泄水孔，泄水孔采用ZM-90液压钻机打设，钻孔直径130 mm，深度为穿越平导，按不同高度打设三排，每排钻孔呈扇状辐射分布（具体数量、深度依钻孔情况确定），钻孔出水后安装φ108 mm钢花管进行排水（见图6）。

图6 高位泄水示意图及排水花管

3.4 超前管棚支护

得益于高位导坑超前泄水和注浆加固措施的施行，盾尾涌水量大幅衰减，TBM具备就地脱困的条件。拟采用超前管棚支护和护盾周边扩挖方案进行脱困。超前管棚施作在管棚工作洞室内向掌子面前方施作φ76 mm管棚进行超前注浆加固，施作范围为拱部160°，管棚环向间距0.3 m，长度按进入基岩2～3 m控制，如未进入基岩，则需根据地质探测情况进行调整。考虑到后续护盾扩挖及人员操作高度，管棚打设位置为护盾上方1.5 m。为了防止管棚打设过程中前部出现下沉影响，设计管棚打设角度为3°。管棚分节长度为1.5 m，管节间采用套丝连接接长，相邻管棚接口位置错开，错开长度不小于1.0 m，管棚尾端设置3 m止浆段，管棚溢浆孔为排距60 cm，梅花型布置，孔径6～8 mm。图7为管棚工作室现场示意图，图8为现场施做管棚工作室。

图7 管棚工作室示意图

图8 管棚工作室现场图片

3.5 安装双速减速机

停机期间对平导TBM安装了双速减速机进行辅助脱困，在土建工作完成后，开始进行刀盘脱困。在未使用双速减速机时，刀盘扭矩达到4500 kN·m，刀盘未转动，随即启动双速减速机，刀盘扭矩达到8000 kN·m时，刀盘脱困恢复转动。增加双速减速机，理论上可使刀盘扭矩提升1.47倍，现场试验实际达到了1.7倍，有效增加了脱困能力，辅助实现了本次极端复杂地质条件下的脱困施工。