天水曲溪城乡供水工程超长隧洞 TBM施工破碎带处理施工技术

2022-11-20陈桂萍

中华建设 2022年10期

陈桂萍

本文从工程地质等方面对天水曲溪城乡供水工程输水隧洞采用双护盾TBM施工的适宜性进行了详细的分析，针对断层破碎带，在TBM施工中采用“钻孔+化学灌浆+掘进”的施工方法，效果好、速度快、成功率100%；采用这种方法，共实施了25个循环的破碎带处理，成功通过跨度达298m的断层破碎带，达到了快速处理破碎带、TBM快速脱困的目的。

一、工程概况

1.工程简介

天水曲溪城乡供水工程位于甘肃省天水市，是一项跨流域调水工程，由水库、输水隧洞、引水管线、调蓄水池等组成；工程规模为中型Ⅲ等；输水隧洞全长21.6㎞，TBM施工控制段长21.162㎞，隧洞埋深在103～620m之间，具有洞线长、断面小、地质条件复杂等施工特点。

隧洞为无压洞，设计流量1.44m3/s，纵坡比1∶800；采用2台φ4m的双护盾TBM相向掘进，为目前国内开挖直径最小的双护盾TBM；衬砌采用六边形管片，管片厚度0.26m，环宽1.2m，衬砌后洞径为3.2m；管片壁后与围岩之间的空隙，采用豆砾石充填并进行回填灌浆。

2.施工布置

输水主隧洞采用两台同型号双护盾TBM相向掘进，进口TBM1顺坡掘进13.363㎞，出口TBM2逆坡掘进7.777㎞。

为改善TBM1施工期的通风条件，确保施工安全，距隧洞进口7.973㎞处布置通风竖井；为满足洞内拆机需要，距隧洞出口7.777㎞处布置拆机竖井。

二、工程地质情况

隧洞围岩岩性主要为：混合岩化片岩、角闪斜长片岩、绿泥角闪片岩、大理岩、砂岩夹砾岩、绿泥千枚岩、花岗闪长岩、二云母花岗岩等。

隧洞沿线要通过两个次级褶皱、正断层6条，破碎带宽度在40～150m，个别宽300～500m，岩体较破碎，多呈碎裂结构；次级断层68条，围岩节理裂隙发育。

输水隧洞进口TBM1掘进段较适宜TBM掘进；出口TBM2掘进段主要为Ⅳ、Ⅴ围岩，掘进过程中需穿越大小断层34条，次级断层或小构造带27条、2处次级褶皱，断层跨度大、埋深浅；地表多为冲沟，存在较大的卡机风险，TBM掘进适宜性较差。

三、TBM被困经过

TBM掘进施工中，破碎岩渣从刀箱或铲斗进入刀盘造成转矩超限、皮带机过载而无法掘进，我们称为TBM被困；同样，由于掌子面围岩破碎埋压刀盘及主机盾体造成刀盘无法启动或无法推进，我们称之为卡机；采取对掌子面及盾体上方围岩灌浆固结处理、控制进入接渣斗及刀盘内的渣量，以降低刀盘转矩及推力是处理TBM卡机、脱困、恢复正常掘进的有效手段。

2021年9月5日，当掘进过程中，贯入度突然增大、主机皮带进渣量异常增大、刀盘转矩增大，停机检查，发现掌子面围岩破碎，节理裂隙发育，局部有塌腔，且掌子面有线状流水，与岩渣、不稳定碎块混合呈流体状，初步确定TBM被困。

根据类似工程施工经验，采取封堵部分铲斗、边滚刀、控制进入接渣斗及刀盘内岩渣量的方法恢复掘进。

四、处理方案

因无法正常恢复掘进，决定采取对掌子面及盾体上方松散岩体采用超前预处理、TBM再进行掘进通过该破碎带的脱困措施。

1.花管造孔

根据现场实际情况，决定先采用钉入花管的方式，利用刀厢与刀具间隙，在刀盘上前部120°范围对掌子面非稳定围岩钉入花管，入岩深度4～6m，角度为30°～45°，实施化学灌浆，对掌子面前方、刀盘上方的围岩裂隙及塌腔进行填充，并对松散岩体进行固结处理。

4#铲斗手动转至12点钟方向，利用4#铲斗、6#-8#中心刀、2#-4#中心刀、12#面刀、22#边刀，选择合适的角度和便于操作的空间，呈放射状钉入花管；各钉入2根，其中浅孔入岩深度要求2～4m，深孔入岩深度要求5～7m，详细记录每根花管的入岩深度，并进行编号。

TBM设备在设计选型时，施工方考虑到地质围岩情况复杂，设备制造是在前盾尾壳距刀盘3m处的顶部预留有7个超前预处理预留孔，利用120°范围内的5个预留孔，向刀盘前方呈20～30°各钉入2根花管，浅孔入岩深度要求3～4m，深孔入岩深度要求6～7m。

如花管钉入深度较浅，灌浆效果达不到预期，再考虑采用YT-28手风钻钻孔作业的备选方案。

2.化学灌浆

采用发泡型双组份高分子无机充填加固材料（组合聚醚多元醇）对刀盘及前盾尾壳钉入的浅孔花管逐根进行灌浆，利用材料反应后体积快速膨胀（膨胀率高达30～50倍）的特点，自行填充掌子面松散岩体裂隙及围岩塌腔，从而形成初步固结；对深孔花管灌注加固型高分子煤岩体无机加固材料，对掌子面的破碎、松散岩体进行进一步处理，压实并固结周围的松散介质；施灌过程中，浆液在较高的灌注压力下（≤15MPa）能渗透到围岩裂隙深处，达到治理破碎、松散围岩及局部塌方的目的，而传统的水泥固结灌浆技术是通过压力将水泥浆液压入脱空体中，灌注压力较小（0.3～2.0MPa），且水泥浆液固结硬化时间较长。

这两种化灌材料均为双组份（A、B组合料），两种材料的体积配比为1∶1，一般反应时间在20秒左右，必要时添加约3%催化剂，可加快反应时间。

五、处理过程

1.第一阶段

由于掌子面破碎岩渣堆积密度较大，加之空间位置受限，无法使用锤击的手段钉入花管，将风镐改造，使用纤尾冲击的方法，仅能将花管钉入0.6m左右。

因花管入岩深度有限，导致浆液漏浆严重，无法灌注，采用锤击花管、化灌的方法无法有效实施。

2.第二阶段

为保证入岩深度和成孔质量，选择采用YT-28手风钻，在4#铲斗内，采用φ28中空自进式锚杆钻孔2个，入岩深度分别为2m、4m；前盾尾壳5个预留孔钻孔10个，浅孔入岩2～4m不等、深孔入岩5m～8m不等。

采用气动双组份灌浆泵灌浆，通过采用限压灌注的方法，最高注浆压力控制在9～14MPa以内，根据灌浆压力控制灌浆量，成功实施了第1个循环的灌浆处理。

化学灌浆结束后，重新进行了超前地质预报，对化灌前后的地质围岩情况进行对比，根据成像显示，化灌前后掌子面围岩整体趋势基本一致；化灌后掌子面前方20m范围内形成较为均匀的正负反射波形。

第1循环化学灌浆处理结束后TBM首次恢复掘进，共掘进5.116m，通过掘进参数监测，刀盘转矩明显下降，由化灌前的2000KN·m以上降至200～300KN.m的正常值，推力维持在9000～10000KN之间，推力虽然较大，但经过分析是由于化灌材料固结体与盾体存在一定的摩擦力导致，该设备的额定推力在16724KN（正常压力315bar），最大推力18583KN（最大工作压力350bar），推力在正常范围内，因掌子面刚支护完成，为避免对掌子面造成大的扰动，再次造成坍塌，导致转矩增大、出渣异常，转速控制在0.8～1.84rpm、贯入度0.4～16.4mm/r之间，采取低转速、小贯入度的掘进参数，是保证在破碎带内缓慢掘进的前提条件。

采用这种方法陆续进行了3个循环的化学灌浆处理，共掘进8.6m后，刀盘扭矩再次超限，最大达到3000kN.m，岩渣破碎、岩粉、岩泥含量高、粘性大，堵塞铲斗，刀盘顶部围岩破碎、松散，腰中及以下含有断层泥、糜棱岩等破碎带的产出物，夹杂少量碎裂岩，地下水呈线状～面状流水，碎裂岩块占出渣量的40～50%，泥状物质占50～60%，掌子面呈中等透水，岩渣呈泥状，形成泥裹刀现象，造成刀盘转矩增大。

3.第三阶段

根据前阶段化灌处理的效果分析，如果在每个孔位都打2个孔，即一个深孔、一个浅孔，分别灌注发泡型及加固型材料，处理时间长，相邻的2个管口由于位置较近，经常发生先灌注浅孔发泡型材料时窜浆导致深孔锚杆孔口堵塞，无法灌注；另外，前盾尾壳的锚杆钻进深度过深，达掌子面上方时，掌子面灌浆时窜浆会导致前盾尾壳的灌浆管路堵塞，导致废孔。