陳 浩 王 龍 李子洲

西北某山嶺隧道雙護(hù)盾TBM花崗巖地層卡機(jī)分析及脫困技術(shù)

陳 浩 王 龍 李子洲

（中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000）

文中對(duì)西北某山嶺引水隧道在使用雙護(hù)盾TBM施工過程中發(fā)生盾體右上方大塊狀楔形巖石塌落造成的卡前盾情況進(jìn)行了原因分析，對(duì)采用的盾體脫困措施進(jìn)行了詳細(xì)說明及歸納。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，有針對(duì)性地提出對(duì)盾體頂部及右上方進(jìn)行人工鑿?fù)趯?dǎo)洞的方案，從事故發(fā)生到TBM恢復(fù)掘進(jìn)僅用13.5天時(shí)間，較為快速地完成TBM脫困，為以后TBM施工中解決類似事故提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

山嶺隧道；雙護(hù)盾TBM；卡機(jī)；導(dǎo)洞

卡機(jī)是TBM施工過程中較為常見的一類事故，對(duì)施工進(jìn)度以及設(shè)備安全造成很大隱患。例如，昆明上公山引水隧道施工過程中發(fā)生數(shù)次卡機(jī)事故，開挖旁側(cè)支洞時(shí)設(shè)備后護(hù)盾出現(xiàn)嚴(yán)重?cái)D壓變形［1］。引大濟(jì)湟總干渠引水隧洞采用硬巖雙護(hù)盾TBM施工，在穿越大阪山南緣斷裂帶時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的圍巖大變形，導(dǎo)致掘進(jìn)中斷并卡機(jī)在樁號(hào)CH16+775處［2］。王江對(duì)不良地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM施工中3種常見的卡機(jī)類型進(jìn)行原因歸納與分析，總結(jié)出5種卡機(jī)脫困技術(shù)，并提出雙護(hù)盾TBM卡機(jī)預(yù)防措施［3］。西北某山嶺隧道某標(biāo)段施工總長(zhǎng)度13 254m，均采用TBM施工，TBM開挖直徑5.48m，斷面為圓形，管片襯砌內(nèi)徑4.6m。掘進(jìn)至樁號(hào)T9+199.5m處時(shí)，TBM發(fā)生卡機(jī)。相比割開盾體或管片進(jìn)行導(dǎo)洞開挖的作業(yè)方式，本次導(dǎo)洞從伸縮盾與支撐盾拉開的空隙中進(jìn)行，大大減少了工程量，保護(hù)了設(shè)備以及管片。本文對(duì)本次卡機(jī)事故進(jìn)行了詳細(xì)的分析及說明，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐情況，本次卡機(jī)所采用的脫困措施對(duì)此類事故的處理效果明顯。

1 TBM卡機(jī)情況綜述

1.1 事件經(jīng)過概述

2017年3月22日早上，西北某山嶺隧道在使用雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)4 199環(huán)至1m（1.5m/環(huán)）時(shí)推力開始下降至4500kN，發(fā)現(xiàn)巖石節(jié)理較發(fā)育，圍巖不穩(wěn)定，立即停機(jī)匯報(bào)。經(jīng)研究決定，安裝B型管片，同時(shí)告知操作手采取低推力，低扭矩，低刀盤轉(zhuǎn)速，連續(xù)掘進(jìn)的方式進(jìn)行操作，告知測(cè)量人員做好VMT姿態(tài)監(jiān)控。掘進(jìn)至4 206環(huán)，巖石逐步穩(wěn)定，推力上升至5 000kN以上。一直到4 220環(huán)停機(jī)之前，推力、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩及貫入度等參數(shù)未出現(xiàn)異常。

3月23日凌晨5∶45左右，TBM掘進(jìn)至4 220環(huán)1.2m處（1.5m/環(huán)）時(shí)出現(xiàn)異常，在13分鐘之內(nèi)總推力從6 600kN左右上升至9 000kN左右，貫入度從8.3mm/r降至0mm/r，掘進(jìn)速度由3.13m/h降為0m/h。退刀盤檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)退刀盤困難，只能退出10mm。立即檢查刀盤，發(fā)現(xiàn)6#中心刀擋圈脫落，刀圈移位，需要進(jìn)行更換，30#邊刀磨損量為14mm，37#邊刀（最外側(cè)）磨損量為5mm，其余邊刀磨損量均在10mm內(nèi)。

1.2 試推進(jìn)措施

①3月23日13∶30檢查完刀盤繼續(xù)掘進(jìn)，推力11 000kN，刀盤扭矩60～70kNm，無法推進(jìn)。

②14∶30左右進(jìn)行換步，換步（伸縮盾前行）正常，換步后主推油缸行程為300mm左右，輔推A組油缸行程為1 769mm。單護(hù)盾模式推進(jìn)推力11 000kN時(shí)，無法推進(jìn)。

③16∶00左右，改單護(hù)盾模式推力上限為13 000kN，仍然無法推進(jìn)。

④16∶40進(jìn)洞檢查掌子面及刀盤切口環(huán)處，判斷前盾頂部塌陷，卡住前盾；程序上將單護(hù)盾的總推力上限調(diào)至20 000kN進(jìn)行推進(jìn)，還是無法脫困。

⑤晚上進(jìn)行輔推高壓脫困模式的切換，脫困泵出口壓力調(diào)至330bar，總推力約達(dá)到30 000kN。

⑥3月24日早上，單護(hù)盾高壓脫困模式下推進(jìn)約30min，推進(jìn)距離為27mm，推進(jìn)未達(dá)到脫困效果。

⑦21∶30完成切口環(huán)前盾體底部巖壁鑿松工作，再次用輔推脫困高壓模式推進(jìn)約20min，左側(cè)位移增大1mm，右側(cè)增大3mm，無法脫困。

1.3 分析確定卡機(jī)情況

1.3.1 排除設(shè)備故障原因?，F(xiàn)場(chǎng)人員第一時(shí)間對(duì)TBM各個(gè)閥組、線路、油路等關(guān)鍵部位進(jìn)行全面檢查，確定油缸實(shí)際推力與顯示推力一致，排除因設(shè)備原因而導(dǎo)致TBM無法推進(jìn)。

1.3.2 排除開挖直徑小導(dǎo)致卡機(jī)。刀盤開挖直徑與盾體直徑如圖1所示。

設(shè)計(jì)盾體與刀盤開挖間隙H=50mm；37號(hào)邊刀磨損量l=5mm；實(shí)際盾體與刀盤開挖間隙約為h=H-l=50mm-5mm=45mm。因此，排除因刀具磨損造成開挖直徑變小而導(dǎo)致卡機(jī)。

1.3.3 確定卡機(jī)情況。①現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)將伸縮內(nèi)盾與支撐盾脫開20cm，從縫隙觀察到右側(cè)巖壁與盾體有明顯剮蹭痕跡；觀察掌子面，中心刀下部有明顯塌方情況。②做地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。采用三維地震法對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論：在樁號(hào)T9+199-T9+239的40m之內(nèi)，三維反射圖像出現(xiàn)較大范圍正負(fù)反射，平均波速在2250m/s，推斷該段落圍巖破碎，裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊或塌腔。

圖1 刀盤開挖直徑與盾體直徑關(guān)系圖

1.3.4 確定卡機(jī)情況。通過現(xiàn)場(chǎng)勘查，左側(cè)盾體與巖壁之間有縫隙，右側(cè)盾體與巖壁之間緊密貼合，上方盾體與巖壁之間緊密貼合，伸縮內(nèi)盾與支撐盾能移動(dòng)，分析盾體被壓范圍大概為11點(diǎn)鐘方向到3點(diǎn)鐘方向，前盾到伸縮外盾4 600mm的距離。

主機(jī)重量W為600t，后配套拉力f為2 500kN，估算塌方巖石體積V為4 000m3。

假設(shè)塌方巖石對(duì)盾體壓力為豎直向下：

Wf為總阻力；ρ為花崗巖密度（2.6-3t/m3），取2.6t/m3；μ為摩擦系數(shù)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取0.3［4］。

在脫困模式下，最大推力30 000kN，小于34 840kN，無法推進(jìn)，確定卡機(jī)。

1.4 卡機(jī)原因分析

通過現(xiàn)場(chǎng)查看、地質(zhì)預(yù)報(bào)、估算結(jié)果及咨詢TBM專家顧問團(tuán)隊(duì)，對(duì)卡機(jī)情況進(jìn)行分析，認(rèn)為卡機(jī)洞段圍巖是裂隙發(fā)育的花崗巖，由于發(fā)育兩組順?biāo)矶聪蛄严都耙唤M垂直洞向裂隙，形成楔形體。受掘進(jìn)擾動(dòng)影響，加上地應(yīng)力釋放，巖體裂隙張開，強(qiáng)度降低，發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，楔形體塌落壓住盾體，對(duì)盾體前進(jìn)產(chǎn)生大于TBM總推力的巨大阻力，造成卡機(jī)。

2 脫困措施

2.1 伸縮盾區(qū)域內(nèi)施工平臺(tái)搭設(shè)

為保證TBM設(shè)備防護(hù)、危巖清理、圍巖支護(hù)、掏渣清理足夠的施工空間，在伸縮盾區(qū)域內(nèi)搭設(shè)施工平臺(tái)。施工平臺(tái)采用腳手架+木板的基本形式，腳手架利用主機(jī)皮帶機(jī)焊接。腳手架形成支撐并穩(wěn)固后鋪設(shè)木板，同時(shí)將木板固定在腳手架上，主要受力區(qū)加厚鋪設(shè)木板。

2.2 TBM設(shè)備防護(hù)

在伸縮內(nèi)盾回縮縫隙內(nèi)進(jìn)行圍巖開挖前，對(duì)附近油缸、管路及電纜等設(shè)備進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)材料選用厚50mm的木板、皮帶及鋼筋網(wǎng)。當(dāng)伸縮盾打開600mm時(shí)，除底拱90°范圍做鋼筋網(wǎng)防護(hù)外，伸縮護(hù)盾與支撐盾之間其他部位焊接扁鐵，防止裸露石塊掉落砸傷設(shè)備和施工人員。在伸縮護(hù)盾底部180°范圍鋪設(shè)皮帶和木板，在已搭好的清渣平臺(tái)上部鋪設(shè)木板，以保證平臺(tái)附近施工人員和設(shè)備的安全。

2.3 圍巖清理

通過調(diào)整油缸行程，將外伸縮盾與支撐盾之間的切口環(huán)處拉開，露出圍巖。拉開20cm，觀察圍巖的完整性，圍巖比較松散，不構(gòu)成涌渣現(xiàn)象，先將頂部的松散巖石掏出，直至能看見節(jié)理發(fā)育完整的巖石，在清理完破碎巖石后，用風(fēng)鎬清除塌落體，之后繼續(xù)清理兩側(cè)的巖渣。邊拉開邊清理，直至拉開至600mm時(shí)，在裸露巖石600mm范圍內(nèi)進(jìn)行支護(hù)后，順著掘進(jìn)方向邊支護(hù)邊開挖，直至脫困。圍巖清理由人工持鋼釬及風(fēng)鎬自上而下進(jìn)行，清理渣料由人工從盾體上搬運(yùn)至施工平臺(tái)上，再將石渣溜渣至主機(jī)皮帶上，輸送至洞外渣場(chǎng)。

2.4 導(dǎo)洞開挖

導(dǎo)洞開挖采取先導(dǎo)洞、再擴(kuò)挖的方式實(shí)施。為確保挑口處施工安全，導(dǎo)坑開挖采用自拱頂向兩側(cè)分部開挖。

上半斷面導(dǎo)洞分部開挖圖如圖2所示。

圖2 斷面導(dǎo)坑分部開挖圖

第一步開挖如圖中①所示，即拱頂段挑口施工。挑口前，依托主機(jī)皮帶處搭設(shè)簡(jiǎn)易臺(tái)架，為后續(xù)上半斷面導(dǎo)坑施工提供作業(yè)平臺(tái)。人工手持風(fēng)鎬自下而上分部開挖。首先在伸縮內(nèi)盾縫隙口，進(jìn)行挑口施工；拱頂四周對(duì)稱開挖形成1m（縱向）×0.8m（環(huán)寬）×1m（高）左右的空間，并采用200mm×300mm方木、50mm厚木板進(jìn)行支護(hù)，搭設(shè)平臺(tái)作為臨時(shí)支撐落腳點(diǎn)。平臺(tái)鋪設(shè)緊密、平順、穩(wěn)固，方木與方木、方木與木板之間采用扒釘連接固定方式。然后人工進(jìn)入伸縮外盾頂部進(jìn)行①號(hào)斷面開挖。向掌子面方向繼續(xù)開挖，邊開挖邊支護(hù)，每開挖50cm，進(jìn)行一次支護(hù)，直至挖通。

第二步擴(kuò)挖圖中右側(cè)②區(qū)域，開挖與臨時(shí)支護(hù)方式與第一步開挖一致。

2.5 恢復(fù)掘進(jìn)

①拆出伸縮盾與支撐之間的焊接扁鐵；②撤走伸縮內(nèi)盾下發(fā)設(shè)備及管路的防護(hù)措施；③清理盾體內(nèi)遺留的掉渣；④伸縮盾與支撐盾閉合；⑤恢復(fù)掘進(jìn)。

3 處理結(jié)果

本次TBM卡機(jī)事故從3月23日發(fā)生到4月5日晚上恢復(fù)掘進(jìn)，總共歷時(shí)13.5天。其中，前期的現(xiàn)場(chǎng)勘查及方案制定用時(shí)4天，準(zhǔn)備工作用時(shí)1天，實(shí)際脫困僅用時(shí)8.5天，大大減小了對(duì)施工進(jìn)度的影響。本次脫困中，導(dǎo)洞開挖在伸縮盾與支撐盾拉開的間隙中進(jìn)行作業(yè)，相比從管片處打開通道的施工方式［5］，本次脫困最大程度上保護(hù)了設(shè)備及管片的完整性，減小了工程量。本次實(shí)踐驗(yàn)證了本次脫困作業(yè)的成功，對(duì)以后TBM施工過程中遇到類似事故提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

本次能夠快速脫困，歸納總結(jié)優(yōu)點(diǎn)及建議如下，以期對(duì)以后TBM施工中遇到類似事故提供一定參考：①TBM掘進(jìn)中隨時(shí)注意地質(zhì)情況，若出現(xiàn)推力突然大幅變化、出水量突然增大等情況，需要考慮是否遇到破碎帶等地質(zhì)不良情況；②在不良地質(zhì)掘進(jìn)時(shí)，盡可能減少維保等停機(jī)時(shí)間，為避免對(duì)巖層的擾動(dòng)，建議采用單護(hù)盾模式，采用對(duì)巖壁注入潤(rùn)滑物質(zhì)等方式快速通過；③脫困方案應(yīng)按照現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際脫困情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整；④TBM卡機(jī)發(fā)生后，在進(jìn)行脫困的同時(shí)，必須嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)TBM設(shè)備的維保工作，確保在脫困后設(shè)備能以最好狀態(tài)快速通過不良地質(zhì)段；⑤破碎帶等不良地質(zhì)段往往伴隨著出水量增大，脫困時(shí)需考慮抽水措施是否完善，是否能做好出水量突然增大時(shí)的抽水工作，避免設(shè)備脫困后因出水量增大導(dǎo)致在不良地質(zhì)段被迫停機(jī)。

［1］尚彥軍，史永躍，曾慶利，等.昆明上公山隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機(jī)及護(hù)盾變形問題分析和對(duì)策［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（21）：60-65.

［2］張超.青海“引大濟(jì)湟”工程TBM卡機(jī)段圍巖大變形特性及擴(kuò)挖洞室支護(hù)方案研究［D］.成都：成都理工大學(xué)，2012.

［3］王江.引水隧洞雙護(hù)盾TBM卡機(jī)分析及脫困技術(shù)［J］.隧道建設(shè)，2011（3）：364-368.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五版［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［5］劉志華，李清文，邊野，等.引洮供水工程雙護(hù)盾TBM卡機(jī)事故分析與解決［J］.建筑機(jī)械化，2013（6）：77-79.

An Analysis for Stagnation of a Telescope TBM and Techniques for Breakthrough in a Mountain Tunnel Through Granite Strata in Northwest of China

Chen Hao Wang Long Li Zizhou
（China Railway Engineering Equipment Group Technical Service Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In this paper,in a construction of a mountain water supply tunnel in Northwest of China,the analysis for causes of a telescope TBM in stagnation by slumping of a large-size and wedge-shaped stone in the upper right of the shield,and detailed description and induction for breakout of shield body are provided.According to the specific situation of the jobsite,a technical proposal,which suggests manual excavation for pilot tunnel on top and upper right of TBM,is generated.From the accident of stagnation to recovery of tunneling,it took only 13.5 days,shorter than expectation of time for completion of breakout.This case provides valuable experience for solving similar accidents in the future TBM construction.

mountain tunnel；telescope TBM；stagnation of TBM；pilot tunnel

TV554

A

1003-5168（2017）09-0029-03

2017-08-02

陳浩（1994-），男，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。