北疆某输水隧洞开敞式TBM卡机脱困施工探析

赵飞

（新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

北疆某工程深埋无压输水隧洞采用敞开式TBM 进行施工，该工程地质情况复杂、多变，极易在施工掘进中遇到破碎带并发生塌方，造成TBM刀盘被掌子面坍塌围岩卡死，护盾被破碎体压住，造成TBM 掘进机卡机被困情况[1-5]。为使TBM 掘进机快速脱困，不影响施工进度及整个目标工期，须先掌握掌子面前方塌方及地质情况，之后加固已开挖支护段的围岩，依据已掌握的情况作出分析，制定切实可行的脱困施工方案，并通过注浆对护盾上方及前方围岩进行固结，使松散岩石固结成一个稳定的整体，避免清除刀盘及护盾周围虚渣时发生二次塌方及安全事故，待虚渣清除完毕且不影响刀盘掘进后，可缓慢转动刀盘向前推进，最终使TBM 安全脱困。

该工程为长距离输水工程，其中，KS 隧洞总长283.30 km，为无压输水隧洞，隧洞平均埋深为428.00 m，最大埋深为774.00 m，纵坡为1/2 583。KS 隧洞地质条件复杂、多变，应采用开敞式TBM（全断面硬岩掘进机）、矿山法等多种掘进方式相结合进行施工。TBM掘进洞段的长度为17 888.00 m，桩号为155+000.00～172+888.00，开挖洞径为7.00 m，为逆坡掘进。

2 地质情况

2.1 地质条件

桩号162+046.00～160+026.60段埋深为508.00m，揭露1 条断层，断层上盘面从桩号160+046.00 洞底出露，斜向上游相交于洞顶桩号160+037.00。断层上盘面产状为50°SE∠30～40°，倾向下游，与洞轴线成88°夹角，断层面起伏、粗糙，断层出露最大宽度约为2.00 m。断层带内以黑色炭质砂岩为主，断层上盘面附近附着10 cm 厚断层泥，断层带内平行上盘面的结构面发育，微张1.0～5.0 mm，充填黑色岩屑，结构面起伏粗糙，发育间距一般为0.20～0.40 m，另有与断层上盘面近垂直的短小节理发育。断层上盘岩体为凝灰岩，坚硬新鲜，整体较完整，断层上盘影响带宽为0～0.30 m，影响带内凝灰岩炭化蚀变。桩号160+029.00 处11 点、2点方向有两股股状水，总流量约为50 m3/h。该段TBM 掘进推力为8 000～9 000 kN，贯入度为8.5～9.2 mm/r。

通过观察刀盘，从桩号160+029.00 开始，隧洞下半洞岩体逐渐变好，已有坚硬凝灰岩出露，TBM 掘进推力升至10 000 kN 以上，推测160+029.00～160+026.60 间断层下盘已出露。根据断层上盘面产状，推测断层下盘面于桩号160+020.00～160+012.00 相交于洞顶。

2.2 超前地质预报情况

为探明TBM 掘进前方岩体情况，采用地震波法进行不良地质超前预报，掌子面桩号160+069.00，探测结果：160+069.00～159+999.00 段落，在反射图像上局部出现明显的正负反射，推断该段落围岩完整性差，节理裂隙发育，局部较破碎，易发生掉块或塌腔，应及时加强支护[6]；159+999.00～159+969.00 段落，在反射图像上出现零星的正负反射，推断该段落围岩完整性较差，节理裂隙较发育，可能发生掉块，应加强支护。桩号160+069.00～159+969.00段隧洞地震波成像见图1。

图1 隧洞地震波成像图（单位：m）

为探明TBM 掘进前方的地下水情况，采用激发极化法进行不良地质超前预报，掌子面桩号160+030.00，探测结果：160+030.00～160+000.00段落，三维电阻率图像中出现较大范围低阻区域，推断该区域围岩易出现股状出水。

3 TBM 卡机情况

桩号160+037.00～160+030.00 段掘进过程中，洞壁9：00～1：00 范围内出现掉块及小塌方现象，影响深度约2.00 m。TBM 掘进至桩号160+026.60时，桩号160+037.00～160+030.00 段拱顶及1：00～3：00 范围内发生二次塌方现象，最大深度约为4.00 m；桩号160+030.00～160+026.60 段上半洞9：00～3：00 范围内发生大塌方，渣体堆于TBM 护盾上抱死刀盘，现场采用TBM 脱困模式仍无法转动。塌方段塌腔呈倒U 形，顺洞轴线长12.40 m，宽7.00 m，最大深度约为12.00 m。顶护盾上方堆积大量石渣，滚刀前面岩体松散，刀盘左侧刀箱及铲斗附近的松散岩块较多，刀盘周边嵌楔块石，从各个部位进行观察后确认TBM 卡机，需进行加固、脱困处理。

4 TBM 脱困处理方案

TBM 脱困处理应全面、细致地制定切实可行的施工方案，进行常用施工机具、材料的准备，以及人员施工技术交底和安全交底，确保施工过程安全、有序、高效。

4.1 护盾后方加固措施

加强护盾后方拱架段支护及回填混凝土等加固措施，可以防止围岩变形。盾尾桩号160+032.50～160+040.60 段，长度为8.10 m，型钢拱架外侧由1.5 mm 厚的钢板封闭，拱架间空隙及塌腔内回填C30 喷射混凝土。对左、右侧和顶护盾及刀盘周围松散体进行化学注浆，形成自然拱保护护盾及刀盘，防止回填混凝土时浆液包裹护盾及刀盘。

4.1.1 护盾尾部、上方及刀盘密封加固

护盾及刀盘已进入围岩破碎带，岩石塌方体挤压抱死刀盘，刀盘无法转动。采用有机化学浆液对顶护盾及刀盘周围松散体进行注浆，使松散体胶凝固化，护盾及刀盘周围在一定范围内形成自然拱保护壳，并具有一定的强度[7]，可有效地避免后期回填混凝土时对其固结，能够起到保护作用。化学灌浆选用组合聚醚多元醇（发泡型）及高分子煤岩体无机加固型材料。

4.1.2 左右侧和顶护盾及刀盘周围深层加固

在尾盾桩号160+033.00 附近，沿左、右侧和顶护盾超前布置ϕ32 中空注浆锚杆，尾部使用专用连接套加长，布置在顶拱180°范围，与岩面呈10°～15°角，环向间距为1.00 m，超前中空锚杆长度以超过刀盘1.00 m 为宜，实施过程中应根据实际松散体情况考虑钻进深度。另外，根据浆液扩撒范围灵活掌握孔间距，必要时进行加密布置，化学灌浆液为组合聚醚多元醇（发泡型）材料。

为防止混凝土回填过程中浆液从左侧松散体绕渗至底护盾，在盾尾桩号160+033.40 附近进行环向化学注浆，垂直洞壁布置5 根ϕ32 中空注浆锚杆，布置在9：00～11：00 范围，间排距为1.00 m，中空注浆锚杆长度根据松散体范围确定。化学灌浆液为组合聚醚多元醇（发泡型）材料。

4.1.3 护盾、刀盘上方松散体加固

护盾、刀盘上方堆积大量石渣，以松散岩块居多，伴有数块形状不规则的大块较硬孤石（直径为0.50～1.50 m）。为防止混凝土回填过程中，浆液从松散体绕渗至刀盘、护盾内，需对松散体进行化学注浆固结。松散体堆积高度约为5.00 m，堆积坡度约为30°。刀盘前方空腔范围依然存在坍塌危险，人员无法进入该区域进行作业，故在盾尾桩号160+033.00 处向松散体内打设1 排ϕ32 中空注浆锚杆，锚杆间距为1.00 m，与岩面夹角为20°～25°，实施过程中根据实际松散体情况考虑钻进深度、孔间距，化学灌浆液为组合聚醚多元醇（发泡型）材料。必要时，在松散体表面布置注浆管，通过浆液向下自流进行固结，浆液采用高分子煤岩体无机加固型材料。注浆过程中应严格按照注浆工序进行施工作业，防止浆液过度扩散，并根据现场实际情况调整压力，注浆最高压力不超过5.0 MPa。

4.2 塌腔回填处理

塌腔预估范围为盾尾前12.40 m，宽7.00 m，最大深度约为12.00 m。塌腔回填分4 次分层回填施工，考虑到此次卡机部位塌腔深度深、范围广，上层回填采用轻质混凝土材料。第一次（层）、第二次（层）、第三次（层）回填高度距离护盾顶部分别为0.80，2.00，7.00 m，第四次（层）回填至塌腔顶部填满（见图2）。第一、二次回填C30 喷射混凝土，第三、四次回填轻质混凝土。在下层回填材料强度达标且可以承重后才能进行上层回填。回填混凝土分层示意图见图2。

图2 回填混凝土分层示意图

1）回填管安装

化学注浆完成以后，在盾尾向塌腔内预埋ϕ50～ϕ90 的回填混凝土管及排气管，回填管和排气管距离各层面0.05～0.10 m，间排距控制在3.00 m 范围内，单层埋管数量不少于3组，预埋管埋设的具体位置及数量应根据现场塌腔的实际情况进行确定。

2）回填施工

回填C30 混凝土，第一次回填时，从第一层回填管灌注，待第一层排气管管口有浆液流出时，一次回填完毕，封堵第一层回填管管口，进行二次回填。重复上述施工步骤，待第四层排气管有浆液流出时，确定塌腔已全部填满，封堵所有回填管管口。

5 TBM 脱困及不良地质段掘进

5.1 TBM 脱困

为了减小刀盘转动阻力，满足TBM 刀盘脱困扭矩要求，应对刀盘前表面及背部堆积石渣进行人工清理。尝试启动刀盘及后退刀盘0.05～0.10 m，检查刀盘转动情况[8]，依据后退情况确定护盾是否被卡死。若TBM 刀盘及护盾后退成功，但刀盘仍无法转动，则应拆除影响刀盘及护盾后退的一次支护。拆除前，采用固结灌浆、锚杆等其它支护措施对拆除段围岩进行加固处理[9]，确保该洞段施工安全。拆除完毕后，继续后退并尝试转动刀盘。

5.2 TBM 掘进

TBM 脱困掘进时，虽前方周边围岩已进行过加固处理，但地质条件依旧不明朗，加固效果也未可知，且掌子面不平整，TBM 需采用低扭矩、低转速缓慢通过，刀盘转速小于2 r/min，贯入度小于5.0 mm/r；TBM 掘进时应时刻掌握刀盘扭矩的变化，变化幅度需控制在10%以内，防止出现刀具偏磨和刀刃崩裂，待掌子面磨平后，逐步提高刀盘转速和推力。撑靴的撑紧力控制在12 000 kN 以内，推进力控制在8 000 kN 以内。TBM 掘进过程中，当密支钢拱架支护影响撑靴通过或撑靴处围岩较差无法满足撑靴支撑时，需采用模筑混凝土对撑靴区域进行换填[10]。

5.3 卡机段初期支护补强

卡机段的初期支护按Ⅴ类围岩的支护参数进行设计支护。TBM 脱困后，需在原支护的基础上对钢拱架进行环形加密补强，加密后钢拱架间距缩减至0.45 m。在顶拱180°范围内布置钢筋排，钢筋排采用ϕ20 螺纹钢，布置间距为0.05～0.20 m。两榀拱架之间采用[10 槽钢进行连接。

1）钢拱架的安装

钢拱架安装器安装在主驱动后面的主梁上，纵向可沿主梁上的导轨移动一定距离。钢拱架分片运输到位后，由旋转驱动机构逐节牵引旋转并用螺栓连接，再用顶部和侧部张紧油缸，将拱架从拼装梁中顶出，并贴紧到洞壁上，在底部开口处用专用张紧工具将整个拱架张紧到洞壁上，用连接板将开口连接固定，形成整环钢支撑。

2）钢筋排的安装

在顶拱180°范围使用ϕ20 的钢筋排进行支护，在顶护盾及搭接护盾内侧设有钢筋快速支护系统。钢筋排在洞外加工车间制作好后，运至安装位置，将钢筋排插入顶护盾内侧预留的孔内，钢筋排随着TBM 的向前掘进慢慢抽出，外露段搭接焊在安装好的钢拱架上，在一节钢筋排前段出露护盾之前，插入下一节钢筋排。

6 监控量测

恢复TBM 开挖后，在桩号160+050.00～160+000.00 的断层段每隔10.00 m 设置1 个监测断面，用于收敛观测和沉降监测[11]。每个监测断面上埋设3 个锚固器作为监测标点，拱顶的收敛观测标点兼做拱顶下沉量测点。每天对监测数据进行汇总分析，根据量测数据及时绘制水平收敛位移时态曲线和拱顶下沉位移时态曲线，并依据监测成果判断是否需要采取加强支护措施。

7 结语

当TBM 掘进中发现围岩破碎，并伴有塌腔出现时，一定要引起重视，时刻关注TBM 掘进参数变化，并选择合理的掘进参数和支护参数，尽量避免塌腔持续扩大。如遇TBM 卡机，首先，应查明卡机段地质情况，在对前方围岩进行超前地质预报的同时，对护盾后的已开挖围岩破碎洞段进行一次支护加强，确保脱困施工过程中人员及设备安全；其次，应结合预报成果及已开挖段的卡机段地质情况，对前方地质情况进行预判，制定切实可行的脱困施工方案，为TBM 顺利脱困提供参考依据；最后，在TBM 脱困掘进前，应根据超前地质预报及实际地质情况，考虑对掌子面前上方及两侧围岩采取固结灌浆以提高其围岩稳定性，避免二次塌方卡机。在此次卡机脱困事故处理中，轻质混凝土在塌腔回填方面发挥了重要作用，提供了相应的施工经验，技术可行。