王安民

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830091）

某交通洞TBM掘進卡機與脫困處理

王安民

（新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830091）

某交通洞采用TBM掘進，遇F304斷層破碎帶，導致TBM卡機，經(jīng)分析，原因為F304破碎帶塌方的塊碎石埋住刀盤，加之洞上方地下水淋濾作用，上部糜棱巖等細顆粒物質(zhì)充填密實在塌方的塊碎石空隙中，導致刀盤抱死。通過物探超前預報測試，確定卡機前方順洞線斷層帶長度達118m，距離較大，為此確定采用低強度的化學灌漿保護刀盤，用高強度水泥對圍巖塊碎石固結(jié)灌漿，使塌方塊碎石膠結(jié)成整體，在擴挖抱死刀盤周圍形成低強度化學灌漿層，該方案效果明顯，TBM在短時間內(nèi)實現(xiàn)了脫困。

斷層帶；TBM卡機；脫困；物探超前預報

1 工程概況

某工程交通洞長6.4km，采用TBM掘進，設計開挖洞徑8.5m。隧洞軸線方向為300°，掘進方向為下坡，坡度11%，最大埋深700m。待洞室掘進完成后，改造成平底馬蹄形，底寬6m，作為物料運輸?shù)慕煌ǘ?。在施工中，TBM掘進至0+717樁號卡機，隨后進行了卡機原因分析，結(jié)合地質(zhì)條件分析，經(jīng)34d處理成功脫困。

2 地質(zhì)條件

工程位于阿爾泰山山脈和東天山山脈之間所夾的準噶爾盆地東部邊緣，主要受阿爾泰山山脈的控制和影響，處于爾泰山南麓低山區(qū)，總地勢北高南低、東高西低，由北東向南西緩慢傾斜，海拔高程1000～1260m。據(jù)《工程場地地震安全性評價報告》和《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》，場地50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.1～0.15g，對應地震基本烈度為Ⅶ度。

洞線地表大多覆蓋第四系全新統(tǒng)洪積、殘積碎石土，厚度4～5m，少數(shù)地段出露全～強風化巖石，巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖，強風化層厚14m，弱風化層厚約6m。凝灰質(zhì)砂巖，呈褐灰色～青灰色，少量為紅色，為堅硬巖。

2.1 洞內(nèi)構(gòu)造

經(jīng)前期勘察和施工編錄描述，洞內(nèi)構(gòu)造有斷層、巖層面和裂隙。

2.1.1 斷層

洞線分布最大斷裂為次級斷層，其次是次級斷層派生的低序次局部小斷層。次級斷層的延伸長度幾公里到十幾公里，破碎帶和影響帶寬度可達幾十米到百余米，常有影響帶和破碎帶組成，影響帶多為碎裂巖，破碎帶一般為角礫巖，角礫間含有糜棱巖和斷層泥，多呈碎裂結(jié)構(gòu)，造成洞段較大長度巖體破碎，完整性差，形成整體不穩(wěn)定洞段。局部小斷層一般長度為幾十米到幾百米，破碎帶寬度幾厘米到幾十厘米，個別破碎帶可達數(shù)米。

2.1.2 巖層面

產(chǎn)狀290°SW∠40°，個別地段巖層略有扭曲，產(chǎn)狀稍有變化。巖層多呈厚層狀，一般層厚0.6～1.5m，部分層厚0.2～0.5m，少數(shù)洞段有巨厚層狀。層面多具有擠壓破碎巖，厚度一般的1～5cm，少量可達10cm；也有部分層間裂隙無破碎巖，延伸相對較短。因洞線方向300°，巖層走向290°，二者走向基本平行，巖層為中等傾角，對洞頂和右側(cè)拱肩可造成少量塌方或塌塊。

2.1.3 裂隙

根據(jù)地質(zhì)編錄，主要有NWW，NNW，NEE，NNE4組，最優(yōu)勢組為NWW向（包含層面）。據(jù)洞深3200m統(tǒng)計，Ⅱ類圍巖占41.08%，Ⅲ類圍巖占39.05%，Ⅳ類圍巖占16.12%，Ⅴ類圍巖占3.75%。

2.2 地下水

工程區(qū)沿線為低山地貌，地形總體較平緩，無大溝大梁，無河流、湖泊、沼澤等地表水源。區(qū)內(nèi)地下水主要接受當?shù)卮髿饨邓a給，因區(qū)域氣候干燥、降水量稀少，多風，蒸發(fā)量遠大于降水量，因此，地下水極為貧乏，僅在局部構(gòu)造裂隙帶、斷裂帶中，賦存少量片狀、脈狀地下水。洞室施工中大多干燥，局部呈現(xiàn)片狀、小段狀滴水，個別有線狀流水現(xiàn)象。

3 TBM卡機分析與超前預報

3.1 TBM卡機分析

洞室TBM施工掘進在樁號0+691開始遇到F304斷層，該斷層前期勘察未發(fā)現(xiàn)區(qū)內(nèi)次級斷層，施工中編錄描述劃分0+691～0+699段為斷層下盤影響帶，Ⅳ類圍巖，巖塊大小多為0.15～0.4m，碎塊間含巖屑或泥膜，厚度一般1～3mm，表面呈鐵銹色，圍巖不穩(wěn)定，產(chǎn)生塌方、塌塊，采取鋼拱架（HW150型，間距2m）+鋼筋排（φ22）跟進支護，滿足了洞室掘進的穩(wěn)定性。

0+699樁號進入斷層破碎帶，為Ⅴ類圍巖，巖塊大小多為0.05～0.15m，少量大塊呈0.2～0.4m，為角礫巖碎裂結(jié)構(gòu)，巖塊表面呈黃色、黃褐色、褐灰色，碎塊間夾砂狀小角礫、糜棱巖和泥，厚度5～20mm。洞壁地下水呈滴水狀，隨著掘進深度增加，滴水有增多趨勢，有個別點出現(xiàn)線狀流水。破碎帶大量塌方壓在鋼支撐上，尤其靠右側(cè)拱角塌方嚴重，有個別鋼筋排的間隙中，有沙土狀細顆粒連續(xù)下漏。

2016年8月11日，掘進到0+716樁號，因0+699～0+716樁號已支護的鋼拱架及拱架間的鋼筋排變形彎曲、扭曲，支撐強度明顯不能滿足塌方體壓力，深感危險，需采取緩慢掘進或停機，加密補充后方鋼拱架，焊接槽鋼等連接加固措施。

2016年8月12日，在0+717樁號刀盤被卡，護盾油缸壓力由11～12bar急劇升高到100～120bar，護盾壓力突然增大［1］。經(jīng)清理刀盤料倉塊碎石后，8月14日加大扭矩試轉(zhuǎn)刀盤，主電機保護銷8個被剪斷，刀盤仍然無法轉(zhuǎn)動。

分析認為：圍巖塌方量增大，刀盤已被塌方的塊碎石填埋，且塊碎石的空隙被糜棱巖等砂土狀細顆粒在洞頂?shù)嗡?、線狀流水的淋濾作用下充填密實，從而抱死刀盤無法啟動，造成TBM卡機。

3.2 超前預報

TBM卡機后，對刀盤前方有多長洞段的F304斷層帶破碎巖體感到迷茫，經(jīng)有關(guān)方現(xiàn)場商定，采用超前地質(zhì)預報測試，測試方法有兩種，洞內(nèi)用TRT6000儀器對掌子面前方進行超前測試；地表用EH-4儀器，沿洞軸線及兩側(cè)作地質(zhì)剖面測試。經(jīng)2種方法測試后綜合分析解譯，結(jié)合地質(zhì)條件進行預報。如表1和圖1、圖2。

表1 TRT6000和EH-4測試的超前地質(zhì)預報成果

圖2 地面EH4洞線視電阻率測試剖圖

圖1 洞內(nèi)TRT6000三維成像俯視圖

依據(jù)超前地質(zhì)預報成果，結(jié)合前期相關(guān)資料分析，F(xiàn)304斷層產(chǎn)狀312°SW∠75°， 走向與洞線夾角為12°，基本平行，斷層破碎帶Ⅴ類圍巖，在洞線，順洞線在掌子面前方長度有68m；影響帶Ⅳ類圍巖在破碎帶前方有50m，共計118m，距離較長，因此，必須慎重對待和重視脫困及支護措施，保證有效通過斷層帶。

4 TBM卡機脫困措施

首先應對護盾后方支撐強度不足的危險洞段（0+699～0+711）迅速加固處理，其次，對卡機進行脫困處理。

4.1 護盾后方危險段（0+699～0+711）加固處理

4.1.1 加固措施

將原HW150型全環(huán)鋼拱架間距2m加密成1m，并與鎖腳砂漿錨桿焊接；環(huán)向上部290°范圍拱架之間用10#槽鋼縱向焊接成整體，槽鋼間距1m，以增強拱架整體受力結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；環(huán)向130°范圍為φ22隨機鋼筋排，視塊碎石大小及塌方程度，鋼筋間距采用5～15cm，排擋支撐塌方塊碎石；290°范圍噴護C25混凝土（噴護前需完成固結(jié)灌漿鑿孔），厚度20cm，分2次噴護（如圖3）。

圖3 護盾后方拱架段加強支護示意圖

4.1.2 固結(jié)灌漿

固結(jié)孔布置在洞頂120°范圍，在噴護混凝土前用YT-28手風鉆安裝φ32中空灌漿錨桿鑿孔；固結(jié)灌漿孔環(huán)向排距1m，孔間距1m，呈梅花形布置，鑿孔方向為徑向放射狀延伸；鑿孔深度根據(jù)塌方探測深度加一定富余量，為3～7.5m，現(xiàn)場操作時靈活掌握，原則是打穿塌方松散體；中空灌漿錨桿尾部用連接套加長，安裝止?jié){閘閥，以便灌漿結(jié)束后關(guān)閉閥門止?jié){；固結(jié)灌漿須在洞壁表面混凝土噴護完成后進行，但為防止水泥漿液進入護盾，緊靠護盾尾部3排孔，需留在護盾超前化學灌漿結(jié)束后，對護盾形成化灌保護層再做固結(jié)灌漿；灌漿孔分排序和孔序，先灌奇數(shù)排，后灌偶數(shù)排，每排先灌奇數(shù)孔，再灌偶數(shù)孔；固結(jié)灌漿水泥采用跨越2000型灌漿材料（參數(shù)如表2），根據(jù)實際塌方情況，淺部可用無壓間歇性灌漿（間歇控制標準為單孔進漿量達0.8m3無壓力），靈活掌握，逐漸增加壓力，最終灌漿壓力控制在0.3MPa；灌漿結(jié)束后孔口周圍備用堵漏劑封堵（水泥+水玻璃按1∶1），防止漏漿。

表2 注漿材料技術(shù)參數(shù)

4.2 TBM卡機脫困措施

TBM刀盤卡在0+717樁號，0+711～0+717段是TBM卡機段。經(jīng)采用φ32自進式錨桿超前孔探測，在護盾及刀盤頂部3～7m，刀盤前方3～5m范圍為塌方塊碎石松散體，因此，實際脫困處理段為0+711～0+722。脫困方案首先對護盾和刀盤采用保護性化學灌漿［2］，然后再對外圍松散塊碎石固結(jié)灌漿，使其膠結(jié)成整體，以便脫困。

4.2.1 化學灌漿

化學灌漿采用瑞諾加固材料（如表3），分為A組和B組，A，B按1∶1混合后，使其漿液灌入充填在護盾、刀盤邊緣小厚度范圍的塊碎石松散體空隙中，自然發(fā)泡→膨脹→膠凝→固化，形成厚度0.5～1m的低強度保護層，以阻隔后續(xù)固結(jié)灌漿的漿液把護盾及刀盤固結(jié)。

表3 材料技術(shù)參數(shù)

4.2.1.1 化學灌漿孔布置與鑿孔

在洞壁0+709，0+710，0+711樁號， 上部120°范圍，布置3個環(huán)向化學灌漿孔斷面，每個斷面上的孔距1m，灌漿孔方向與前方洞壁外側(cè)夾角為7°～10°，成輻射狀分布；另在刀盤喇叭口擋塵板能夠施工操作的部位開孔，上部120°范圍，布置1個環(huán)向斷面，鑿孔方向與洞壁外側(cè)夾角為10°～13°，成輻射狀分布。共計4個環(huán)向斷面，采用YT-28手風鉆安裝φ32中空灌漿錨桿鑿孔，一般深度5～9m，根據(jù)松散范圍靈活掌握，盡量伸向刀盤前方遠一些（如圖4）。

圖4 護盾及刀盤周圍化學灌漿示意圖

4.2.1.2 灌漿

化學灌漿鑿孔及中空灌漿錨桿 （含連接套、止?jié){閘閥）安裝就位后，可準備灌漿。灌前將A，B兩組材料分別置于料缸內(nèi)，通過雙液注漿管路，連接混合器，再與安裝好的中空灌漿錨桿相接實施灌漿。灌漿開始要控制閥門低速緩慢灌入，并檢查工作面有無跑、漏漿等異常情況，當一切正常時，根據(jù)實際情況，慢慢開大灌漿量。為防止?jié){液過度擴散，以灌漿壓力不超過0.2MPa控制，當灌漿壓力最終達到0.2MPa時，調(diào)整流量閥，穩(wěn)壓5min，關(guān)閉止?jié){閘閥，結(jié)束灌漿。

4.2.2 固結(jié)灌漿

在0+711～0+722段化學灌漿結(jié)束后，對化灌區(qū)外圍的4個環(huán)向斷面，洞環(huán)上部120°范圍的松散塊碎石布置固結(jié)灌漿孔，鑿孔方向與前方洞壁外側(cè)夾角為10°～60°，成輻射狀延伸。待化學灌漿區(qū)固結(jié)灌漿完成后， 要對0+709，0+710，0+711樁號的3個斷面按照“護盾后方危險段（0+699～0+711）”的固結(jié)灌漿方式布置徑向放射狀固結(jié)灌漿孔（如圖4），然后在洞壁噴護混凝土，與護盾后方危險段 （0+699～0+711）形成統(tǒng)一混凝土封閉，最后再進行徑向固結(jié)灌漿。

4.2.3 擴挖刀盤周邊

化學和固結(jié)灌漿完成后，為解除抱死刀盤，減小刀盤啟動阻力，用人工加風鎬，視現(xiàn)場情況靈活選擇，擴挖刀盤周邊化學灌漿層（需注意觀察穩(wěn)定性），擴挖厚度一般30～50cm，減少刀盤側(cè)面阻力；卸掉刀盤上合適位置的面刀、中心刀或鏟牙，掏出刀盤正面的卡機塊碎石，減少刀盤正面阻力。

4.2.4 TBM啟動脫困

2016年9月14日，啟動刀盤脫困。為防止主電機保護銷再次被剪斷，控制主機電流不超過360A為前提，慢慢啟動刀盤，如若刀盤不能啟動，說明周圍阻力還很大，還需進一步擴挖刀盤周邊；如能夠啟動，則嘗試刀盤正反轉(zhuǎn)動、后退（10cm）等動作，并立即回收護盾油缸，使護盾適當回收，減少護盾壓力，觀察刀盤、護盾等是否正常，當確認正常，刀盤成功啟動后，掘進速度控制在10mm/min，轉(zhuǎn)速控制在2轉(zhuǎn)/min，其余掘進參數(shù)按現(xiàn)場情況靈活調(diào)整，進入前行掘進。

刀盤剛啟動掘進，仍在斷層破碎帶內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速控制在3轉(zhuǎn)/min，掘進速度不大于1.2m/h。掘進中隨時評估出渣量，防止因推進慢而出渣量遠大于理論量的情況。按著短進尺、強支護，連續(xù)均衡掘進的原則，穩(wěn)扎穩(wěn)打，步步為營，最終順利的通過了F304斷層帶，實現(xiàn)了TBM卡機脫困。

4.2.5 F304斷層帶物探超前預報與實際斷層帶寬度

卡機時對隧洞掌子面前方進行超前預報，測得F304破碎帶（Ⅴ圍巖）與上盤影響帶（Ⅵ圍巖）界線0+785，上盤影響帶結(jié)束樁號為0+835，總長度118m。經(jīng)TBM卡機脫困后掘進描述，實際破碎帶（Ⅴ圍巖）與上盤影響帶（Ⅵ圍巖）界線0+798，上盤影響帶結(jié)束樁號為0+860，實際長度143m。預報長度與實際有一定誤差，原因是預報后端距離遠，發(fā)射與接受能量衰減；斷層帶內(nèi)含水和破碎程度不一，存在物性差異；加上斷層面走向與洞軸線呈小角度相交，反映不明顯［3］等因素有關(guān)，從而有一定差異，但超前預報長度仍屬100～150m級，與實際基本吻合，超前預報成果對TBM卡機脫困方案的制定起到了重要作用。

5 F304斷層帶洞段變形監(jiān)控量測

隧洞成形后，為保證隧洞安全和順利施工，掌控圍巖和支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)等情況，在樁號0+699，0+725，0+750，0+775，0+798布置了5個三點監(jiān)測斷面。各斷面觀測收斂變形量如表4。

表4 各斷層帶監(jiān)測斷面收斂變形觀測位移統(tǒng)計

從表4可以看出，在F304斷層帶的5個監(jiān)控斷面中，變形量最大的是0+725斷面，拱頂最大沉降量為23.59mm。經(jīng)對各斷面的量測數(shù)據(jù)采用指數(shù)函數(shù)對其關(guān)系曲線進行回歸計算，回歸曲線均擬合性良好，表明初期隧洞圍巖的收斂位移變化明顯，但通過對圍巖松散體加強支護和固結(jié)灌漿后，圍巖的收斂位移趨于緩和，監(jiān)控量測約45d后，變形位移值逐漸趨于穩(wěn)定，說明破碎帶支護處理措施及時、合理、得當。在初期支護和后期二次襯砌的雙重作用下，洞室圍巖的永久穩(wěn)定性滿足要求。

6 結(jié)語

分析了卡機原因，并采用物探測試，進行超前地質(zhì)預報，獲取了斷層帶在洞段的較準確分布長度，采取了正確的應對脫困處理方案及合理的處理措施，在卡機后34d實現(xiàn)了成功脫困，并經(jīng)監(jiān)控量測，隧洞約45d后變形位移值趨于穩(wěn)定，是值得類似工程借鑒的成功案例。

［1］徐曼玲，何鐘.TBM通過F1斷層破碎帶的施工技術(shù)［J］.四川水利，2014（S0）：78-80.

［2］楊曉迎，翟建華，谷世發(fā)，等.TBM在深埋超長隧洞斷層破碎帶卡機后脫困施工技術(shù)［J］.水利水電技術(shù)，2010（9）：68-71.

［3］王亞凡，李宏亮，李建武.中天山隧道復雜地況下TBM施工應對措施［J］.國防交通工程與技術(shù)， 2010（6）：45-57.

［4］魏立鴻.不良地質(zhì)現(xiàn)象對 TBM施工的影響及應對措施［J］.山西水利科技，2014（5）：30-32.

［5］許柏青，潘華，白聚波.地震反射波法在隧道超前預報中的應用［J］.金屬礦山，2008（11）：25-27.

（責任編輯：姜彤宇）

TBM jamming and turnaround of a traffic tunnel

WANG An-min
（Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Urumqi 830091， China）

The TBM is applied in the tunneling of a traffic tunnel， and the F304 fault zone led to TBM jamming.After analysis， the cutter head is buried by the broken stones of fault zone collapse， and affected?by the leaching action of groundwater above the hole， the spaces of broken stones in collapse is filled with fine particulate matter， like mylonite， resulting in cutter head locking.Using the geophysical prospecting prediction test，the length of fault zone along the tunnel line is determined that there has 118 meter in the?front?of the machine.therefore the chemical grouting with low strength is selected to protect cutter head， the consolidation grouting are carried out， and the high strength cement filling in the broken stones as a whole.The chemical grouting layer with low strength is formed around the excavation expansion of locking cutter head.The scheme has obvious effect，the TBM turnaround from?jamming with a short time.

faulted zone； TBM jamming； turnaround； geophysical prospecting prediction

TV554

B

1672-9900（2017）03-0032-05

2017-04-05

王安民（1958-），男（漢族），四川富順人，高級工程師，主要從事水利水電工程勘察及設代工作，（Tel）13639923129。