田志斌

為了解決我國水資源時空分配不均的問題，近年來，南水北調(diào)、引黃入晉、引漢濟(jì)渭、山西大水網(wǎng)等一大批跨流域引調(diào)水工程開始建設(shè)實(shí)施或投入運(yùn)營。由于TBM具有掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量好、綜合造價低、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但與此同時，其對泥化巖、膨脹巖、斷層破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，這也成為了制約工程進(jìn)度的主要因素之一［1］，如引大濟(jì)湟工程［2］、新疆伊犁河流域八十一大坂輸水隧洞工程［3］等。

本文分析了山西中部引黃工程TBM2標(biāo)連續(xù)卡機(jī)事故的原因，結(jié)合擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞、化學(xué)灌漿、設(shè)備改造等多種方法，成功實(shí)現(xiàn)脫困，并對脫困后掘進(jìn)方案進(jìn)行了細(xì)致研究，從而成功穿越了該斷層破碎帶，為類似地層條件下的TBM掘進(jìn)施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況及卡機(jī)情況

中部引黃工程是山西大水網(wǎng)建設(shè)的重要骨干工程之一，位于黃河流域呂梁山境內(nèi)，隧洞總長385km，其中總干3號隧洞穿越黑茶山自然保護(hù)區(qū)，最大埋深610 m，采用兩臺雙護(hù)盾TBM進(jìn)行對向掘進(jìn)。TBM設(shè)備由美國Robbins公司設(shè)計(jì)制造，直徑5.06 m，最大推力20 826 kN，最大操作壓力34 500 kPa，配有超前鉆機(jī)，最大鉆孔深度達(dá)80 m，可實(shí)現(xiàn)360°范圍內(nèi)的超前鉆孔及注漿工作。

2017年10月26日，TBM掘進(jìn)至樁號106+402.8時，被洞壁左上方收斂的圍巖將前護(hù)盾壓住卡死。經(jīng)過多次大推力嘗試脫困失敗后，打開伸縮盾，從洞壁左側(cè)擴(kuò)挖小導(dǎo)洞后，于11月3日成功脫困?；謴?fù)掘進(jìn)11 m后，11月4日凌晨刀盤被壓，經(jīng)檢查，左側(cè)前、后護(hù)盾均被塌方巖石緊緊抱死，其中10∶00～11∶00方位破碎嚴(yán)重，發(fā)生坍塌，塌方空腔深5 m左右，8∶30～10∶00方位松散破碎。11∶00～2∶00方位膨脹巖石突入護(hù)盾內(nèi)；2∶00～3∶00方位圍巖較完整，緊貼護(hù)盾；3∶00～5∶00間護(hù)盾與圍巖間有1 cm縫隙。

此次連續(xù)卡機(jī)分別發(fā)生于樁號106+402.8和106+391.8處，設(shè)計(jì)資料顯示，其位于向斜軸部附近，隧洞埋深444 m，樁號106+100～106+400地段電阻率較小，推測該段裂隙發(fā)育。

2 卡機(jī)成因分析

卡刀盤和卡護(hù)盾是TBM卡機(jī)的兩種主要形式。當(dāng)掘進(jìn)掌子面圍巖破碎發(fā)生塌方時，出渣量劇增，當(dāng)主機(jī)皮帶機(jī)不能滿足出渣要求時，就會導(dǎo)致刀盤被壓；而卡護(hù)盾是由于護(hù)盾外側(cè)圍巖坍塌或收斂變形，使圍巖開始與護(hù)盾發(fā)生接觸乃至擠壓，當(dāng)TBM推力不足以抵抗護(hù)盾摩擦阻力時發(fā)生的卡機(jī)現(xiàn)象。

中部引黃工程TBM2標(biāo)第一次卡機(jī)發(fā)生前，出渣量沒有明顯變化，且掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)頭向右側(cè)偏移，但由于設(shè)備檢修，停機(jī)6 h，重新啟動時發(fā)現(xiàn)刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但貫入度為零，刀盤推力由9 000 kN增加至16 000 kN，前進(jìn)20 cm后無法繼續(xù)向前，啟用脫困推力（20 826 kN）后，仍無法脫困，因此判斷護(hù)盾被卡。第二次卡機(jī)前，出渣量有一定增加，約為正常出渣量的1.1～1.2倍，發(fā)生卡機(jī)。考慮以上兩次卡機(jī)的發(fā)生原因，主要是由施工地質(zhì)、非正常停機(jī)及設(shè)備因素導(dǎo)致。

在樁號106+410處，掌子面為原巖層寒武系中統(tǒng)張夏組白云質(zhì)石灰?guī)r，在左側(cè)面開始出現(xiàn)綠泥石化偉晶花崗巖、黑云斜長片麻巖、石墨化碎裂角礫巖，掘進(jìn)至樁號106+405時左側(cè)變質(zhì)巖和角礫巖有增加的趨勢，而掘進(jìn)至樁號106+402.8時，機(jī)頭護(hù)盾左側(cè)被變質(zhì)巖抱死卡機(jī)。該圍巖在10∶00～12∶00方位較為完整，強(qiáng)度較高，且該段位于向斜構(gòu)造軸部附近，地應(yīng)力大，隧洞開挖后在自重及地應(yīng)力作用下向臨空面發(fā)生收斂變形，從而導(dǎo)致護(hù)盾被壓。

繼續(xù)掘進(jìn)至樁號106+391.8時，掌子面大部分為石墨化碎裂角礫巖，其右側(cè)局部為黑云斜長片麻巖，巖體整體為松散巖體，坍塌嚴(yán)重，開始時刀盤被包裹卡死，以后護(hù)盾被坍塌體包裹造成卡機(jī)。

綜合樁號106+410～106+391.8處揭示地層可見，變質(zhì)巖中花崗偉晶巖脈由斜長石、云母、石英組成經(jīng)動力作用已具綠泥石化和高嶺石化，碎裂疏松狀，手捏破碎呈砂狀；碎裂角礫巖明顯受動力作用呈透鏡體狀碎塊具石墨化，其表面石墨化和糜棱巖化特征明顯，巖塊鏡面銀灰黑色，擦痕居多，呈長條狀，油膩油脂光滑，推測本斷層上盤將太古界奧家灣組逆沖抬升至洞線以上，而已開挖洞段為斷層下盤，且斷層帶正處于古風(fēng)化殼內(nèi)。經(jīng)地表追索和斷層面地質(zhì)測量，其產(chǎn)狀為N20°E/NW或SE∠75°，為逆斷層，具壓扭性，斷層走向與洞線交角約13°。

圍巖收斂變形具有明顯的流變特性，即開挖卸荷后，圍巖收斂量會隨著暴露時間增加而增大。第一次卡機(jī)前，因設(shè)備故障維修導(dǎo)致一定時間的停機(jī)等待，重新啟動時即發(fā)生卡機(jī)事故，因此非正常停機(jī)也是造成卡機(jī)的一個重要原因。

關(guān)于TBM是否被卡，文獻(xiàn)［2-4］均做過多方面的研究，提出當(dāng)護(hù)盾上覆圍巖壓力產(chǎn)生的阻力Rp(t)、TBM自重產(chǎn)生的阻力Rw和TBM掘進(jìn)所需的動力Fr之和大于TBM的額定推力FI時，TBM即發(fā)生卡機(jī)，可由下式表示：

由此可以看出，在護(hù)盾外側(cè)圍巖收斂性質(zhì)相同、掌子面圍巖相同的情況下，TBM推力對設(shè)備脫困具有重要的影響。

中部引黃工程采用的雙護(hù)盾TBM最大推力20 826 kN，額定扭矩3 475 kNm；脫困扭矩5 733 kNm，預(yù)留一臺變頻電機(jī)安裝位置。從第一次卡機(jī)事故中可以看出，重新啟動TBM后推力從9 000kN提高至16 000 kN，設(shè)備向前掘進(jìn)20 cm后無法繼續(xù)向前，為防止液壓管路、閥件老化引起的設(shè)備故障，停機(jī)檢查12 h后再次將推力提高至20 826 kN，由于圍巖進(jìn)一步收斂變形，摩擦力增大，因此未能實(shí)現(xiàn)脫困。在第二次卡機(jī)中，卡機(jī)前出渣量略有增加，卡機(jī)后掌子面塌方，說明掌子面巖石破碎，TBM刀盤被壓時扭矩不足導(dǎo)致設(shè)備啟動困難。

3 脫困措施

目前，在TBM卡機(jī)脫困實(shí)踐中，較常用的方法有擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞法、預(yù)注灌漿法、設(shè)備改造法等，可根據(jù)不同的卡機(jī)位置、成因予以單一或組合選用。

擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞法是根據(jù)TBM護(hù)盾被卡位置，從伸縮盾或尾盾進(jìn)入護(hù)盾外側(cè)進(jìn)行人工擴(kuò)挖，從而減小圍巖壓力對盾體的擠壓及因此產(chǎn)生的掘進(jìn)摩擦阻力；預(yù)注灌漿法是針對掌子面塌方、圍巖破碎等原因，采用超前地質(zhì)鉆機(jī)、人工鉆孔等方式對破碎巖體進(jìn)行水泥灌漿或化學(xué)灌漿，從而提高巖體的完整性及強(qiáng)度，防止導(dǎo)坑及掌子面開挖過程中的進(jìn)一步塌方收斂變形；設(shè)備改造法主要在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，如擴(kuò)大邊刀行程、改變護(hù)盾錐度、提高刀盤扭矩及推力等，需要根據(jù)地質(zhì)資料綜合分析卡機(jī)發(fā)生的風(fēng)險，并結(jié)合經(jīng)濟(jì)分析統(tǒng)一考慮。

3.1 一次卡機(jī)脫困方案

第一次TBM卡機(jī)是被洞壁左上方收斂的圍巖將前護(hù)盾壓住卡死，打開伸縮盾30 cm觀察可見，前護(hù)盾左側(cè)8∶30～12∶30方位有大塊塌方巖石，巖石完整性好，強(qiáng)度高，右側(cè)盾體與巖石有2 cm左右的間隙，且掌子面及其他位置未發(fā)生明顯塌方，屬“卡護(hù)盾”卡機(jī)形式，可從伸縮盾進(jìn)入，采用擴(kuò)挖左側(cè)導(dǎo)洞法實(shí)現(xiàn)脫困。

首先打開伸縮盾50 cm，在腰線下方向外側(cè)開挖寬1 m、高1.5 m的I期擴(kuò)挖洞室，然后向掌子面方向開挖，在開挖過程中采用20 cm×20 cm的方木進(jìn)行及時支護(hù)。I期擴(kuò)挖洞室開挖完成后，采用脫困推力進(jìn)行試推，若不能脫困，再進(jìn)行II期擴(kuò)挖。II期擴(kuò)挖沿護(hù)盾左上側(cè)進(jìn)行，平均開挖寬度30 cm，可根據(jù)圍巖情況進(jìn)行局部調(diào)整，以達(dá)到圍巖與護(hù)盾相剝離的要求為準(zhǔn)。在開挖過程中，可適時進(jìn)行試推，直至完成脫困（見圖1）。

圖1 左側(cè)導(dǎo)洞開挖支護(hù)示意（單位：mm）

3.2 二次卡機(jī)脫困方案

第二次卡機(jī)時，掘進(jìn)掌子面圍巖松散，局部坍塌嚴(yán)重，前、后護(hù)盾左側(cè)均被塌方巖石緊緊抱死，打開伸縮盾后塌方空腔深5 m左右，右側(cè)圍巖較完整，緊貼護(hù)盾或有1 cm間隙，屬“卡護(hù)盾+卡刀盤”復(fù)合形式，需聯(lián)合采用擴(kuò)挖側(cè)導(dǎo)洞法和預(yù)注灌漿法進(jìn)行脫困。

由于護(hù)盾右側(cè)圍巖較完整，發(fā)生塌方的可能性較小，故可從伸縮護(hù)盾處進(jìn)入，分別向掌子面及尾盾方向同時進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖方法、次序及支護(hù)形式與一次卡機(jī)相同。

針對伸縮盾左上部塌方空腔，應(yīng)首先將塌落破碎巖石清除干凈，然后用方木和木板在空腔口做支撐，并用加固型化學(xué)灌漿材料固結(jié)支撐結(jié)構(gòu)，再通過預(yù)埋注漿管對上方的冒落空腔進(jìn)行快速充填密封密閉。由于充填發(fā)泡化學(xué)漿液具有較強(qiáng)的快速膨脹特性，且具有優(yōu)異的壓縮韌性，可以有效充填空腔，從而能夠防止深部巖層的繼續(xù)垮落，進(jìn)而防止塌落產(chǎn)生的集中沖擊。

由于護(hù)盾左側(cè)圍巖松散，不能自穩(wěn)，為了保證施工安全，在左側(cè)塌方空腔及圍巖進(jìn)行充填、化學(xué)固結(jié)灌漿前，先從尾盾腰線以下切割一個1 m寬、1.5 m高的窗口，從窗口向前進(jìn)行擴(kuò)挖?；瘜W(xué)固結(jié)灌漿成功后，再從伸縮盾進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖至圍巖破碎時停止擴(kuò)挖，用手風(fēng)鉆鉆孔對破碎圍巖進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿，每循環(huán)3 m，當(dāng)化學(xué)固結(jié)灌漿體強(qiáng)度大于10 MPa后，再繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)挖2.5 m，按照化灌—擴(kuò)挖—再化灌—再擴(kuò)挖的方式循環(huán)擴(kuò)挖直至刀盤。

I期小導(dǎo)洞擴(kuò)挖成功后，采用加固用化學(xué)漿液對導(dǎo)洞頂部破碎巖體進(jìn)行加固和補(bǔ)強(qiáng)，形成化灌固結(jié)區(qū)。在小導(dǎo)洞內(nèi)設(shè)計(jì)一排注漿孔，間距1.5 m，鉆孔直徑Φ42 mm，再通過雙液注漿泵按照1∶1比例將AB組份注入導(dǎo)洞頂松散巖體中，從而把松散的不連續(xù)的巖層膠結(jié)成連續(xù)完整的受力體（見圖2）。

針對刀盤前的破碎巖體，通過滾刀孔、刮渣口及人孔對刀盤前部及上方進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿，并采用TBM點(diǎn)動模式和人工清理方式清理掌子面石渣，降低掘進(jìn)所需的扭矩，并提高下一步掘進(jìn)時掌子面圍巖的穩(wěn)定性。

圖2 二次卡機(jī)開挖支護(hù)示意（單位：mm）

4 脫困后掘進(jìn)方案

由于脫困后TBM仍處于斷層破碎帶之中，且斷層走向與洞線交角較小，為了防止再次發(fā)生卡機(jī)事故，需結(jié)合地質(zhì)、設(shè)備等情況，制定專門的掘進(jìn)方案，具體如下：

對設(shè)備31～33號滾刀（邊刀）分別增加1，3 cm和5 cm的擴(kuò)挖墊塊，從而增加開挖直徑，為圍巖收斂變形提供一定的空間，同時要求TBM必須連續(xù)掘進(jìn)，避免停機(jī)，減少圍巖收斂變形的時間。

TBM掘進(jìn)時適當(dāng)增加刀盤轉(zhuǎn)速，必要時可拆除部分滾刀，以增加刀盤的出渣開孔率，從而提高設(shè)備的出渣能力，防止穿過破碎帶時出渣量突增引起的刀盤被壓。

由于石墨化碎裂角粒巖遇水軟化膨脹，機(jī)頭刀盤掘進(jìn)時噴水容易造成裹刀卡機(jī)，可采用泡沫潤滑劑替代清水向掌子面噴射，以降低噴水對圍巖的影響，同時對護(hù)盾與坍塌圍巖間加注潤滑劑，減小圍巖對護(hù)盾的摩擦阻力。

結(jié)合超前鉆機(jī)和刀盤人工鉆孔，根據(jù)圍巖情況，采取超前化學(xué)固結(jié)灌漿3 m、水泥基灌漿12 m循環(huán)進(jìn)行的固結(jié)方法，對掌子面前方和前護(hù)盾上前方破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)，形成巖殼，避免坍塌圍巖卡住刀盤、護(hù)盾。

該臺TBM在設(shè)計(jì)制造時預(yù)留了一臺主驅(qū)動電機(jī)的位置，可通過配置該臺電機(jī)達(dá)到提高刀盤扭矩的目的，從而改善設(shè)備在不良地質(zhì)洞段的適應(yīng)能力。

5 結(jié)語

在采取上述脫困措施和掘進(jìn)方案后，TBM于11月24日成功實(shí)現(xiàn)脫困，耗時20 d，并順利通過了該斷層破碎帶，大大降低了卡機(jī)對施工的影響，為類似TBM脫困積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

（1）在掘進(jìn)過程中若發(fā)現(xiàn)有出渣量增加、盾體偏移等現(xiàn)象時，要尤其注意斷層破碎帶及圍巖收斂變形的影響，控制好掘進(jìn)參數(shù)，盡量減少停機(jī)時間，快速通過。

（2）對于一般的卡機(jī)事故，擴(kuò)挖小導(dǎo)洞是最為有效的脫困措施，當(dāng)護(hù)盾外側(cè)圍巖破碎時，可輔以固結(jié)灌漿，但是當(dāng)圍巖遇水膨脹時，應(yīng)尤其注意限制水泥漿的使用，而采用化學(xué)漿液代替。

（3）由于處理卡機(jī)的時間往往較長，因此在TBM掘進(jìn)過程中，要根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙嚴(yán)格注意圍巖變化，在有條件的情況下，力求采用超前地質(zhì)鉆機(jī)、地震波等形式進(jìn)行不良地質(zhì)段的二次補(bǔ)勘，從而更好地指導(dǎo)施工。

（4）對于地應(yīng)力較大、通過斷層較多的隧洞，在TBM選型時要充分考慮卡機(jī)對施工的影響，盡量選用扭矩高、出渣能力大、擴(kuò)挖能力強(qiáng)的設(shè)備。

［1］ 山西省萬家寨引黃工程管理局.雙護(hù)盾TBM的應(yīng)用與研究［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］ 黃興，劉泉聲，彭星新，等.引大濟(jì)湟工程TBM擠壓大變形卡機(jī)計(jì)算分析與綜合防控［J］.巖土力學(xué)，2017，38（10）：2962-2972.

［3］ 劉泉聲，黃興，時凱，等.深部擠壓性地層TBM掘進(jìn)卡機(jī)孕育致災(zāi)機(jī)理［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（S1）：75-82.

［4］ 溫森，楊圣奇，董正方，等.深埋隧道TBM卡機(jī)機(jī)理及控制措施研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2015，37（7）：1271-1277.