(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003)

雙護(hù)盾TBM可滿(mǎn)足開(kāi)挖與襯砌同步作業(yè)，隧洞一次成型，滿(mǎn)足快速施工的要求。同時(shí)，雙護(hù)盾TBM具有雙護(hù)盾和單護(hù)盾兩種掘進(jìn)模式，與開(kāi)敞式TBM相比對(duì)地質(zhì)變化適應(yīng)能力更強(qiáng),廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路、地鐵等工程[1]。

雙護(hù)盾TBM設(shè)備施工封閉性好、施工環(huán)境好、人員和設(shè)備安全性高。但正是由于雙護(hù)盾TBM良好的封閉性，在遇到破碎帶時(shí)處理方法有限，施工難度大，尤其是當(dāng)TBM設(shè)備整體進(jìn)入破碎帶刀盤(pán)或盾體被卡時(shí)，脫困周期長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失大，甚至造成設(shè)備損壞[2]。為避免卡機(jī)事件發(fā)生，往往需要對(duì)破碎帶進(jìn)行超前加固處理，然后TBM再掘進(jìn)，并根據(jù)破碎帶長(zhǎng)度，按照“超前加固→掘進(jìn)→超前加固→掘進(jìn)”的多循環(huán)模式通過(guò)破碎帶。本文針對(duì)蘭州市水源地建設(shè)工程施工Ⅲ標(biāo)TBM2在樁號(hào)T19+747.838位置遇破碎帶時(shí)的處理問(wèn)題，提出關(guān)于雙護(hù)盾TBM通過(guò)破碎帶的建議，可供今后處理類(lèi)似工程問(wèn)題時(shí)參考。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)狀況

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水主洞為有壓引水洞，最大水頭約73m，全長(zhǎng) 31.57km，采用TBM和鉆爆法聯(lián)合施工。TBM施工段總長(zhǎng) 22.50km，其中 TBM2掘進(jìn)段長(zhǎng)度12.33km，滑行段長(zhǎng)度0.93km。TBM2自輸水主洞出口向上游逆坡掘進(jìn)，洞軸線(xiàn)坡度為1‰，開(kāi)挖洞徑 5.49m。隧洞采用平行四邊形管片(5+1)襯砌，襯砌后內(nèi)徑 4.60m，管片厚度30cm，環(huán)寬1.50m，隧洞開(kāi)挖面與管片襯砌環(huán)之間采用豆礫石填充，之后再進(jìn)行回填灌漿，施工布置如圖1所示。

圖1 TBM2施工布置示意圖 (單位：m)

1.2 工程地質(zhì)狀況

TBM2施工洞段埋深多在300～700m之間，局部洞段埋深超過(guò)700m，沿線(xiàn)地層巖性主要有白堊系下統(tǒng)河口組泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖和奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群變質(zhì)安山巖。根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，在樁號(hào)T24+430附近存在一條斷層(F3)，通過(guò)常規(guī)鉆爆法進(jìn)行預(yù)處理，TBM安裝預(yù)制混凝土管片滑行通過(guò)，降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合前期勘察資料，經(jīng)洞內(nèi)觀(guān)察孔觀(guān)察、TBM掘進(jìn)參數(shù)和渣料形態(tài)分析，T19+752m—T19+747m段隧洞埋深約700m，地層巖性為奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群中段安山質(zhì)凝灰?guī)r、變質(zhì)安山巖，顏色為黑灰色～青灰色，淺～中變質(zhì)，新鮮～微風(fēng)化，巖石較堅(jiān)硬；受構(gòu)造影響，該段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，掌子面上前部出現(xiàn)較大范圍塌方。掌子面及洞壁存在多處出水點(diǎn)，呈線(xiàn)流狀態(tài)，總出水量約80m3/h，目前，水量有衰減趨勢(shì)。該處地表位于牌路溝上部，溝內(nèi)無(wú)常流水，初步判斷地下水為基巖裂隙水，與地表無(wú)水力聯(lián)系。該段外運(yùn)巖渣巖屑與粉末狀居多，約占70%，片塊狀巖渣約占30%。TBM掘進(jìn)該段的推力約為1600～3000kN，貫入度多為14～18mm/r。綜合判斷，該段圍巖穩(wěn)定性極差，為Ⅴ類(lèi)圍巖。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，掌子面前方30m范圍內(nèi)，圍巖地質(zhì)條件與掌子面類(lèi)似，巖體破碎，出現(xiàn)塌方的風(fēng)險(xiǎn)仍較大。

2 破碎帶處理措施及過(guò)程分析

2.1 刀盤(pán)脫困

2017年9月13日凌晨5:50，TBM2掘進(jìn)至樁號(hào)T19+747.838位置，由于連續(xù)皮帶故障停機(jī)，導(dǎo)致掘進(jìn)中斷，經(jīng)1.5h處理后連續(xù)皮帶恢復(fù)運(yùn)行，但經(jīng)過(guò)多次嘗試，刀盤(pán)無(wú)法重新啟動(dòng)，且不能后退，初步判斷刀盤(pán)及前盾被巖渣壓住，施工現(xiàn)場(chǎng)立即組織人員拆除部分刀具，進(jìn)行掌子面的積渣清理工作(刀盤(pán)內(nèi)清渣情況如圖2所示，圍巖情況如圖3所示)。

圖2 刀盤(pán)內(nèi)清渣

圖3 圍巖狀態(tài)

2017年9月19日下午17:33刀盤(pán)成功啟動(dòng)并進(jìn)行掘進(jìn)，至9月20日早7:05總共掘進(jìn)1.20m，出渣量約700m3，是正常出渣量的16倍(正常出渣量43m3)，掌子面伴隨大量滲水。結(jié)合洞內(nèi)巖渣情況、掘進(jìn)參數(shù)及三維地震預(yù)報(bào)結(jié)果分析，推測(cè)前方存在30m左右的破碎帶。參建單位各方分析討論，認(rèn)為繼續(xù)掘進(jìn)存在一定風(fēng)險(xiǎn)，決定暫時(shí)停止掘進(jìn),進(jìn)行破碎帶加固處理。

2.2 破碎帶灌漿加固處理

2017年9月21日，邀請(qǐng)具有類(lèi)似工程問(wèn)題處理經(jīng)驗(yàn)的TBM專(zhuān)家現(xiàn)場(chǎng)召開(kāi)討論會(huì)，確定了先對(duì)掌子面前上方破碎巖體進(jìn)行灌漿加固，再掘進(jìn)的處理思路[3]。

2017年9月22—27日，通過(guò)刀盤(pán)頂部鏟斗和邊刀，采用錘擊法沿斜上方打入自制灌漿管，進(jìn)行化學(xué)灌漿，灌注化學(xué)漿液2.15t。由于灌漿管進(jìn)入巖體深度有限(2～3m)，且掌子面滲水嚴(yán)重，化灌材料反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成大部分化灌材料被水流沖出，未達(dá)到理想的加固效果(造孔灌漿實(shí)施情況如圖4、圖5所示)。

圖4 刀盤(pán)打孔

圖5 刀盤(pán)內(nèi)灌漿管

2017年9月30—10月4日，通過(guò)對(duì)部分鏟斗齒和刀孔進(jìn)行封堵后，嘗試掘進(jìn)通過(guò)破碎帶。TBM2試掘進(jìn)了3m，出渣量約500m3，掘進(jìn)期間主機(jī)皮帶多次因渣量超載，溢出皮帶，且刀盤(pán)內(nèi)積渣過(guò)多，被迫再次停機(jī)。

2017年10月5—11日，通過(guò)刀盤(pán)內(nèi)鏟斗、邊刀、面刀與刀座間的空隙，利用手風(fēng)鉆(YT-18)對(duì)掌子面及其上方破碎巖體進(jìn)行鉆孔，孔深2～8m，灌注化學(xué)漿液4.18t(鉆孔布置示意圖如圖6所示)。

圖6 刀盤(pán)內(nèi)鉆孔示意圖

2017年10月12—13日，召開(kāi)專(zhuān)家討論會(huì)，對(duì)制定方案進(jìn)行細(xì)化完善，形成了“化灌止?jié){墻+超前注漿”的加固方案，即先通過(guò)刀盤(pán)內(nèi)刀孔，利用手風(fēng)鉆鉆孔進(jìn)行化學(xué)灌漿，在刀盤(pán)前方3～5m形成止?jié){墻；止?jié){墻形成后，通過(guò)撐緊盾預(yù)留孔位，利用TBM設(shè)備超前鉆機(jī)造孔，采用化學(xué)灌漿和水泥灌漿相結(jié)合的方式加固前方破碎巖體，然后TBM掘進(jìn)。

2017年10月14—11月10日，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)方案對(duì)掌子面和前方破碎巖體進(jìn)行灌漿加固，使用灌注化學(xué)灌漿材料6.05t，水泥38.10t。在進(jìn)行刀盤(pán)內(nèi)化學(xué)灌漿材料及巖渣清理后，啟動(dòng)刀盤(pán)，但多次因主機(jī)皮帶渣量超載而停機(jī)。

2017年11月15—12月2日，經(jīng)分析討論，判斷刀盤(pán)上方為灌漿加固薄弱部位，需要再次進(jìn)行加密鉆孔，補(bǔ)強(qiáng)灌漿效果。通過(guò)刀盤(pán)頂部邊刀、鏟斗，利用鑿巖機(jī)沿與洞軸線(xiàn)成約80°角方向鉆孔，實(shí)施化學(xué)灌漿，同時(shí)前盾尾殼左右兩側(cè)開(kāi)孔進(jìn)行化學(xué)灌漿，合計(jì)灌注化學(xué)材料23.50t(鉆孔灌漿布置示意圖如圖7所示)。

2017年12月3—10日，刀盤(pán)內(nèi)灌漿錨桿拆除，化學(xué)灌漿材料清理，成功啟動(dòng)刀盤(pán)，TBM順利掘進(jìn)，出渣量及掘進(jìn)參數(shù)均正常。2017年12月13日TBM2通過(guò)該破碎帶。

圖7 鉆孔灌漿布置示意圖

3 破碎帶處理的建議

3.1 地質(zhì)勘查及預(yù)報(bào)工作

3.1.1 地質(zhì)勘查

建議在工期、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件允許的情況下，對(duì)施工區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的勘查，針對(duì)探明的破碎帶等不良地質(zhì)段采用科學(xué)合理的預(yù)處理措施，降低雙護(hù)盾TBM通過(guò)不良地質(zhì)段的風(fēng)險(xiǎn)和難度。

3.1.2 地質(zhì)預(yù)報(bào)工作

根據(jù)雙護(hù)盾TBM設(shè)備特點(diǎn)和施工條件，選擇有效的超前預(yù)報(bào)方法，對(duì)掌子面前方圍巖情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。結(jié)合巖渣形態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)等數(shù)據(jù)，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析，提高對(duì)前方圍巖情況判斷的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步指導(dǎo)TBM施工[2]。

3.2 破碎帶處理的準(zhǔn)備工作

3.2.1 破碎帶處理預(yù)案

鑒于地下隧洞工程地質(zhì)條件具有不可預(yù)見(jiàn)性及雙護(hù)盾TBM對(duì)破碎帶等不良地質(zhì)的敏感性，建議在使用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行地下工程施工前根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，充分考慮設(shè)備、地質(zhì)等因素，編制科學(xué)合理并具有可實(shí)施性的破碎帶處理預(yù)案。

3.2.2 設(shè)備、材料采購(gòu)及儲(chǔ)備

根據(jù)破碎帶處理預(yù)案，提前采購(gòu)并儲(chǔ)備適量的設(shè)備、材料，避免因缺少設(shè)備材料造成現(xiàn)場(chǎng)破碎帶處理工作無(wú)法開(kāi)展。

3.3 破碎帶處理的實(shí)施

3.3.1 鉆孔作業(yè)

在破碎帶處理過(guò)程中，務(wù)必安排專(zhuān)業(yè)人員實(shí)施鉆孔作業(yè)。根據(jù)刀盤(pán)內(nèi)施工條件，經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆孔作業(yè)人員可快速判斷使用什么鉆孔設(shè)備來(lái)滿(mǎn)足鉆孔需求，并根據(jù)鉆孔過(guò)程中鉆桿的壓力、行進(jìn)速度、聲音及巖粉等推斷前方巖石情況。超前鉆機(jī)應(yīng)該由具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行操作，并要求超前鉆機(jī)廠(chǎng)家技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，以發(fā)揮超前鉆機(jī)的最佳工作性能。

3.3.2 化學(xué)灌漿作業(yè)

化學(xué)灌漿與常規(guī)水泥灌漿有所不同，不同的化學(xué)灌漿材料之間也存在差異，所以化學(xué)灌漿施工前需要對(duì)化學(xué)灌漿材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定漿液配比、凝結(jié)時(shí)間等參數(shù)?；瘜W(xué)灌漿施工過(guò)程中，建議材料廠(chǎng)家的技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)化學(xué)灌漿施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，針對(duì)材料的性能、配比調(diào)整、操作過(guò)程、注意事項(xiàng)等進(jìn)行詳細(xì)的交底，確?；瘜W(xué)灌漿材料使用的安全和固結(jié)的效果。

3.3.3 刀盤(pán)啟動(dòng)

在化學(xué)灌漿結(jié)束后，需要對(duì)灌漿錨桿進(jìn)行拆除，并對(duì)化學(xué)灌漿材料進(jìn)行清理，以便啟動(dòng)刀盤(pán)。在施工過(guò)程中由于刀盤(pán)長(zhǎng)期未轉(zhuǎn)動(dòng)，可能存在化學(xué)灌漿材料過(guò)度擴(kuò)散，包裹刀盤(pán)，造成刀盤(pán)啟動(dòng)困難的情況發(fā)生，耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行處理。建議在施工條件允許的情況下，在破碎帶灌漿加固期間，定期轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)，以確保刀盤(pán)未被灌漿材料包裹。

3.4 雙護(hù)盾TBM改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.4.1 刀盤(pán)改進(jìn)

對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，精簡(jiǎn)刀盤(pán)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得刀盤(pán)內(nèi)具有良好的鉆孔施工空間，滿(mǎn)足通過(guò)刀盤(pán)對(duì)前方破碎巖體鉆孔施工的要求。比如在不影響刀盤(pán)功能的前提下，可以考慮在刀盤(pán)上預(yù)留孔位等。

3.4.2 盾體設(shè)計(jì)

雙護(hù)盾TBM的盾體包括前盾、伸縮盾、支撐盾和尾盾，采用階梯式設(shè)計(jì)，直徑依次縮小，有效降低了護(hù)盾被卡的風(fēng)險(xiǎn)[4]。在滿(mǎn)足盾體功能的情況下，盡量縮短盾體長(zhǎng)度，一定程度上可以降低卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。支撐盾尾部的超前鉆機(jī)預(yù)留孔位盡量考慮在頂部180°的范圍內(nèi)密集布置，通過(guò)鉆孔灌漿形成完整的頂拱，以增強(qiáng)對(duì)刀盤(pán)頂部破碎巖體的加固效果。

3.4.3 超前鉆機(jī)設(shè)計(jì)

超前鉆機(jī)的主要作用是在TBM設(shè)備遇到不良地質(zhì)條件時(shí)，進(jìn)行超前鉆孔灌漿，由于不良地質(zhì)的成孔條件一般較差，所以超前鉆機(jī)應(yīng)具成孔深、鉆灌一體的特點(diǎn)，以滿(mǎn)足不良地質(zhì)加固處理的施工要求。超前鉆機(jī)在廠(chǎng)內(nèi)和施工現(xiàn)場(chǎng)都應(yīng)進(jìn)行組裝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)解決，以確保其在洞內(nèi)可以正常使用。

4 總 結(jié)

蘭州市水源地建設(shè)工程TBM2破碎帶處理遵循先對(duì)破碎巖體進(jìn)行灌漿加固、再掘進(jìn)的基本思路開(kāi)展處理工作。邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外知名專(zhuān)家到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)，論證施工方案的可行性。由于缺乏對(duì)類(lèi)似問(wèn)題的處理經(jīng)驗(yàn)，破碎帶加固處理進(jìn)展不順，存在設(shè)備材料短缺、方案執(zhí)行力不足、無(wú)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)等問(wèn)題，增加了破碎帶處理時(shí)間。在推斷前方存在破碎帶后，應(yīng)立即組織人員設(shè)備進(jìn)行灌漿加固處理，而不是嘗試掘進(jìn)通過(guò)破碎帶，可大大降低破碎帶處理的施工難度，提高施工效率。蘭州市水源地建設(shè)工程TBM2歷時(shí)89天，通過(guò)灌漿加固處理，順利通過(guò)該破碎帶。