卜武華 田娟娟

（山西省水利水電工程建設監(jiān)理公司 太原 030002）

1 工程概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞位于甘肅省渭源縣境內，隧洞全長17.286 km，其中單護盾隧洞掘進機（TBM）施工段長16.986 km，圓形斷面，開挖直徑為5.75 m，成洞內徑為4.96 m;襯砌采用C45預制鋼筋混凝土六邊形管片拼裝而成，襯砌管片厚280 mm、寬1 600 mm;襯砌管片背部底拱90°范圍回填M15水泥砂漿，邊頂拱270°范圍豆礫石回填灌漿。

隧洞最大埋深368.00 m，Ⅳ類圍巖洞段長2.468 km，Ⅴ類圍巖洞段長14.518 km；隧洞經過地層巖性較復雜，主要由砂質泥巖、砂礫巖、上第三系臨夏組N2L2泥質粉砂巖和N2L2S疏松砂巖構成，圍巖巖性軟弱，強度低，單軸飽和抗壓強度0.99～2MPa，遇水易軟化，崩解，具流變性，屬極不穩(wěn)定的Ⅴ類圍巖；隧洞開挖后圍巖易出現(xiàn)塑性變形、坍塌及地下水潛蝕引起流砂、涌砂等地質問題。

2 施工概況

甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞選用了一臺由法國NFM公司設計、北方重工制造的全斷面單護盾隧洞掘進機TBM，同時也是國內首臺首條單護盾TBM施工隧洞，2009年底正式開始掘進。通過對單護盾TBM已完成掘進2.8 km隧洞施工情況分析，現(xiàn)場揭示圍巖多數(shù)為極軟巖，強度低，自穩(wěn)性差；圍巖坍塌、流砂及涌砂等地質問題導致單護盾TBM掘進多次受阻，嚴重影響TBM施工質量和施工進度。

3 單護盾TBM主要施工問題及對策

單護盾TBM在甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞軟巖洞段掘進施工時碰到了許多問題，而處理這些問題不僅花費了大量的人力、物力和財力，且消耗時間長；通過多年TBM施工，總結了一些軟巖洞段單護盾TBM施工經驗，為今后TBM遇到類似圍巖地質條件下掘進施工提供一些借鑒和幫助。

3.1 襯砌管片錯臺、滾動、裂縫及破損

3.1.1 原因分析

①底部圍巖軟弱，承載力低，底拱管片下沉導致錯臺和破損。②圍巖坍塌，管片背部豆礫石充填困難，導致側拱管片前傾、后仰，出現(xiàn)錯臺和破損。③側拱管片與頂拱管片無限位措施，頂拱管片下沉導致錯臺和破損。④管片結構不能自鎖，尤其管片縱向連接處未設置類似導向桿的穩(wěn)定裝置，易產生錯臺。⑤圍巖軟硬不均，單護盾TBM掘進姿態(tài)難以控制，導致管片與盾尾貼死，造成管片擠壓破損。⑥圍巖坍塌積壓、收斂變形以及單護盾TBM主推力過大，導致管片出現(xiàn)裂縫、錯臺和破損。⑦與雙護盾TBM相比，單護盾TBM無防滾動裝置，掘進時刀盤轉動產生的扭矩全部由盾體與圍巖、管片及圍巖的摩擦力矩提供，當?shù)侗P扭矩過大時，盾體與管片均會出現(xiàn)滾動。⑧單護盾TBM主推進油缸斜撐于管片，且作用力很不均勻，導致管片出現(xiàn)滾動。

3.1.2 對策

①底拱管片底部預先鋪設一層干硬性混凝土，增大管片與底部圍巖之間的接觸面積，同時管片底部墊設硬質木板進行安裝調節(jié)，必要時對底部圍巖進行固結灌漿，以提高底部圍巖承載力，防止底拱管片下沉出現(xiàn)錯臺和破損。②根據(jù)單護盾TBM掘進進度，及時對管片背部進行豆礫石回填灌漿和水泥砂漿回填，必要時對管片背部進行固結灌漿，防止管片前傾、后仰及下沉出現(xiàn)錯臺和破損。③側拱管片與頂拱管片間內弧面安裝臨時限位鋼板，防止頂拱管片下沉出現(xiàn)錯臺和破損；管片結構設計和管片預制時應考慮在底拱、頂拱管片縱向邊背部預埋鋼板，安裝前焊接限位鋼板，避免由于限位鋼板臨時安裝于迎水面而造成以后限位鋼板、膨脹螺栓的拆除及螺栓孔處的防水處理等一系列問題。④加強對管片與盾尾間隙、管片縱環(huán)縫間隙的監(jiān)控量測，單護盾TBM掘進姿態(tài)應采用勤調、緩調的方式進行調向，降低主推進油缸對管片的不均勻受力，防止管片出現(xiàn)擠壓破損和滾動。⑤對單護盾TBM設備進行改進，在尾盾內安裝2個類似撐靴的防滾動裝置，以減少盾體和管片滾動。⑥優(yōu)化管片結構設計，提高管片承重等級，減少因圍巖坍塌、收斂變形引起高地應力對管片結構的破壞；增加鋼結構管片設計并重復使用，單護盾TBM掘進時，主推進油缸通過直接接觸鋼結構管片并間接傳力于混凝土預制管片，防止預制管片出現(xiàn)裂縫和破損。⑦對襯砌管片錯臺、裂縫和破損部位按設計及技術規(guī)范要求及時進行修補處理。⑧對管片滾動導致鋼軌面不平，在較低側鋼軌底部墊設硬質塑料板調整鋼軌高差，確保軌道運輸正常進行。

3.2 襯砌管片M型復合式遇水膨脹止水條扭曲、撕裂及脫落

3.2.1 原因分析

①管片前傾、后仰及下沉，導致管片間錯臺加大、接縫變寬，止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，止水條失效。②管片滾動、擠壓破損，導致止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，止水條失效。

3.2.2 對策

①控制管片安裝質量，提高管片錯臺、縫寬檢測合格率，防止止水條出現(xiàn)扭曲、撕裂及脫落，保證止水條粘貼、接觸緊密。②優(yōu)化止水條結構設計，加寬、加厚復合止水條遇水膨脹橡膠部分，以加大止水條間接觸面積，減少因管片錯臺、縫寬超標對止水條止水效果的不利影響。③對止水條失效部位按設計及技術規(guī)范要求及時進行更換、修補處理。

3.3 豆礫石充填困難，回填灌漿質量差

3.3.1 原因分析

圍巖軟弱，自穩(wěn)性差，坍塌松散巖體侵占管片與圍巖間隙，導致豆礫石充填困難，甚至無法充填，雖經過回填灌漿，但大部分沒有豆礫石充填處不能形成完整的充填區(qū)域，只形成水泥和軟巖的結石體，致使回填灌漿取芯質量差，多處不滿足設計及技術規(guī)范要求。

3.3.2 對策

①充分發(fā)揮單護盾TBM自帶超前鉆機和超前地質預報系統(tǒng)的作用，加強綜合超前地質預報工作，在通過軟巖不良地質洞段時，應及早采取超前鉆探等手段予以揭示。②對隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進行超前灌漿加固，灌漿材料、參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場灌漿試驗效果選定。③對圍巖坍塌洞段管片背部松散巖體進行插鋼花管固結灌漿加固，并對坍塌空腔一定范圍內進行回填灌漿。

3.4 TBM栽頭、盾體下沉及盾尾變形

3.4.1 原因分析

①底部圍巖軟弱，積水泥化，承載力低，導致單護盾TBM掘進姿態(tài)難以控制，出現(xiàn)TBM栽頭、盾體下沉。②圍巖坍塌積壓、收斂變形過大，導致TBM盾尾鋼板變形，影響管片安裝。

3.4.2 對策

①單護盾TBM軟巖洞段掘進時應重視和嚴格遵循“三低”即低推力、低轉速和低貫入度，機頭寧高勿低，必要時通過刀盤開口對底部圍巖超前灌漿加固。②對隧洞掌子面圍巖進行超前排水降水，同時加大TBM盾尾管片安裝區(qū)的清渣、排水力度，降低底部圍巖積水泥化程度，減緩TBM栽頭、盾體下沉趨勢。③對單護盾TBM刀盤進行優(yōu)化設計，減輕刀盤重量以適應軟弱圍巖。④對隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進行超前灌漿加固，降低因圍巖坍塌、收斂變形導致盾尾鋼板變形程度。⑤對單護盾TBM盾尾變形嚴重的鋼板進行修整或割除更換。

3.5 TBM主驅動變頻電機、主推進油缸等設備損壞

3.5.1 原因分析

①圍巖坍塌，TBM刀盤被壓、被卡，刀盤啟動扭矩增大，主驅動變頻電機頻繁嘗試啟動進行脫困導致部件發(fā)熱損壞。②單護盾TBM長期在低轉速、大扭矩及大推力非正常狀態(tài)下掘進，導致主驅動變頻電機部件發(fā)熱損壞及主推進油缸缸體彎曲變形，同時對主軸承使用壽命產生不利影響。

3.5.2 對策

①對隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進行超前灌漿加固，穩(wěn)定圍巖，降低圍巖坍塌程度。②TBM刀盤頂部120°范圍內焊接鋼板進行前盾延伸改造，防止刀盤頂部圍巖坍塌。③加強TBM設備日常檢修、保養(yǎng)；主驅動變頻電機、主推進油缸等損壞部件應及時進行維修、更換。

3.6 刀盤、刀具異常磨損，泥裹刀現(xiàn)象嚴重

3.6.1 原因分析

①圍巖松散，單護盾TBM掘進時達不到滾刀啟動扭矩，導致滾刀弦磨破壞；掘進過程中整個刀盤面板與掌子面圍巖緊密接觸，加快了刀盤的磨損。②圍巖軟弱泥化，TBM刀盤內的鏟牙、料倉及刀座全部被泥渣料包裹堵塞，刀盤出渣困難。

3.6.2 對策

①優(yōu)化刀具選型和配置，將部分滾刀更換成撕裂刀，降低換刀頻率，減輕刀具磨損；合理控制貫入度，減輕刀盤面板磨損。②將部分滾刀更換為刮刀，減輕泥裹刀現(xiàn)象。③發(fā)生泥裹刀，人工及時進入刀盤內進行掏挖清理、換刀。

3.7 出渣量過大，主皮帶機被壓無法啟動

3.7.1 原因分析

①隧洞掌子面圍巖瞬間坍塌，出渣量大幅度增加，大量渣土將主皮帶機壓死無法啟動。②單護盾TBM掘進參數(shù)選取不合理，調整不及時。

3.7.2 對策

①對隧洞掌子面上部120°范圍軟弱圍巖進行超前灌漿加固，穩(wěn)定圍巖，減少因刀盤擾動圍巖坍塌量。②對單護盾TBM設備進行改進，適當封堵鏟牙，將實際出渣量控制在理論出渣量的3倍以內；TBM刀盤頂部120°范圍內焊接鋼板進行前盾延伸改造，防止刀盤頂部圍巖坍塌。③強化單護盾TBM掘進參數(shù)的控制，降低刀盤轉速，控制掘進速度，減少出渣量。④主皮帶機被壓部位及時進行人工清除。

3.8 流沙、涌沙嚴重，TBM施工無法進行

3.8.1 原因分析

單護盾TBM進入疏松砂巖洞段，因疏松砂巖局部含承壓水，強度低，基本無自穩(wěn)能力，掘進開挖中掌子面多處出現(xiàn)線狀、股狀流水，大量泥沙涌入刀盤、主皮帶機、盾體內及盾尾管片安裝區(qū)，部分TBM主機設備被埋，導致TBM施工無法進行；同時襯砌管片工作孔、接縫處出現(xiàn)流沙，對管片環(huán)整體結構穩(wěn)定產生不利影響。

3.8.2 對策

①疏松砂巖巖體透水性弱、可灌性差，采用常規(guī)灌漿加固圍巖或地表鉆孔排水方案可能難以達到預期效果，應及時采取主洞內開側導洞方案對該主洞疏松砂巖段進行人工開挖處理及支護、TBM空推通過后繼續(xù)掘進。②對于隧洞其余含水疏松砂巖段，在合理位置研究布置斜井、豎井及平支洞，提前進行人工開挖處理及支護，以接應TBM空推通過。③對涌沙部位及時采取措施進行搶救，降低地質災害損失，恢復TBM設備原狀。④對襯砌管片背部及時反復進行回填灌漿，以控制流沙和穩(wěn)定管片；同時安裝鋼拱架、限位鋼板等對管片環(huán)進行臨時加固，確保管片環(huán)整體結構穩(wěn)定。

4 結束語

通過單護盾TBM在甘肅省引洮供水一期工程總干渠7號隧洞的應用可知，針對軟弱圍巖不良地質，目前國內尚無非常成熟的TBM施工經驗，仍處于進一步探索總結階段。在今后選擇TBM工法施工時，應充分重視、保證工程地質詳勘資料的準確性，為TBM正確選型、優(yōu)化性能設計提供有力保障；同時在TBM施工階段，應充分重視、挖掘TBM設備潛力，不斷進行技術更新和設備改進，提高TBM設備與圍巖地質條件的相互適應性，充分發(fā)揮TBM機械化施工優(yōu)勢和效益。