袁 艷 斌， 陳 維

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，越來越多的“大”“長”“深”山嶺隧洞項(xiàng)目需要建設(shè)。雙護(hù)盾硬巖掘進(jìn)機(jī)(以下簡稱TBM)憑借其掘進(jìn)速度快、安全、利于環(huán)保、可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)情況深埋長隧洞的施工、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)越來越多地被用于深埋長隧洞的施工。但是，雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)洞段掘進(jìn)時常常面臨著非常大的卡機(jī)風(fēng)險。一旦發(fā)生卡機(jī)事故， TBM的工作效率將會受到非常大的影響；卡機(jī)事故若不能得到快速、有效的處理，建設(shè)施工企業(yè)將會蒙受很大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可見，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)期間的卡機(jī)風(fēng)險是制約雙護(hù)盾TBM發(fā)揮其施工優(yōu)越性的重要因素。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)在卡機(jī)脫困技術(shù)方面的研究很深入且很廣泛，但是，對降低卡機(jī)風(fēng)險的研究卻很少。筆者以西藏某公路隧洞雙護(hù)盾TBM施工卡機(jī)事故為例，就如何降低大直徑雙護(hù)盾TBM穿越不良地質(zhì)洞段遭遇的卡機(jī)風(fēng)險進(jìn)行了對策研究，希望能對后續(xù)類似項(xiàng)目施工提供借鑒。

西藏某公路隧洞全長4.7 km，使用德國海瑞克直徑9.13 m的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工，預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌。隧洞最小埋深10 m，最大埋深超過700 m。TBM掘進(jìn)施工從2016年5月初開始，于2017年8月底到達(dá)預(yù)定停機(jī)掌子面，TBM掘進(jìn)隧洞總長4.6 km，TBM隧洞掘進(jìn)總歷時16個月(包括不良地質(zhì)洞段四次卡機(jī)脫困耗時3個月，暴雪停工3個月)。

該隧洞位于東喜馬拉雅構(gòu)造印度大陸楔入和俯沖到歐亞大陸的前緣，由于強(qiáng)構(gòu)造擠壓應(yīng)力持續(xù)作用，該地區(qū)自新生代以來發(fā)生過多期強(qiáng)烈構(gòu)造變形，地質(zhì)構(gòu)造背景復(fù)雜，主要巖性為片巖和片麻巖，洞身總體以堅(jiān)硬巖為主，但部分洞身段因巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育、巖層擠壓揉皺強(qiáng)烈，巖體破碎且強(qiáng)度較低，為軟巖。該隧洞埋深超過300 m的洞段長約3 000 m，最大埋深超過700 m，最大主應(yīng)力均超過30 MPa，屬高地應(yīng)力洞段。

2 卡機(jī)事故的發(fā)生

2016年8月初至2016年10月底，在該隧洞TBM掘進(jìn)過程中共發(fā)生了四次卡機(jī)事故，期間累計掘進(jìn)123 m，卡機(jī)事故發(fā)生情況記錄如下：

2016年8月1日，在K10+144樁號位置，TBM無法繼續(xù)掘進(jìn)被迫停機(jī)，通過TBM動作情況判斷TBM伸縮護(hù)盾、撐靴盾及尾護(hù)盾被卡，在采取伸縮護(hù)盾至尾護(hù)盾頂部開挖卸荷的方式并配合調(diào)高TBM主油缸推力的方式脫困；

2016年8月14日，在K10+209樁號位置，TBM無法繼續(xù)掘進(jìn)被迫停機(jī)，停機(jī)后，通過進(jìn)入刀盤查看掌子面情況，發(fā)現(xiàn)掌子面巖石情況較為良好，判斷可能是由于不良地質(zhì)洞段塌方導(dǎo)致伸縮盾及部分前盾被壓，同時，由于前盾至掌子面部分巖石情況較好但地應(yīng)力較高，長時間停機(jī)期間圍巖洞室變形導(dǎo)致前盾頂部及兩側(cè)位置被變形圍巖抱死。項(xiàng)目部采用上述同樣的方式進(jìn)行脫困，在脫困的同時更換了刀盤、鏟牙并采用加大擴(kuò)挖半徑的方式降低了后續(xù)TBM掘進(jìn)施工卡機(jī)風(fēng)險。

2016年8月30日，在K10+242樁號位置，TBM可以向前掘進(jìn)但無法換步，同時伸縮護(hù)盾內(nèi)盾油缸被拉斷2根。根據(jù)TBM盾體外側(cè)圍巖情況及TBM動作情況，判斷此次卡機(jī)主要是因圍巖大面積塌方(前盾及伸縮護(hù)盾右側(cè))及局部洞室圍巖收斂變形(尾盾位置)所致。

2016年10月9日，在K10+253樁號位置，TBM刀盤頂部及右側(cè)出現(xiàn)塌方，伸縮護(hù)盾及前盾上部出現(xiàn)大塊塌方體，造成伸縮護(hù)盾及前盾上部及右側(cè)被壓，尾護(hù)盾位置圍巖變形且貼緊護(hù)盾，無法繼續(xù)掘進(jìn)被迫停機(jī)。

上述四個洞段管片錯臺嚴(yán)重且管片內(nèi)側(cè)表面均出現(xiàn)多處沿隧洞軸線方向發(fā)育的裂縫，部分洞段管片甚至出現(xiàn)表面片狀剝裂、鋼筋外露的現(xiàn)象(該現(xiàn)象主要發(fā)生在第三次卡機(jī)洞段)。

3 卡機(jī)原因分析

根據(jù)上述四次卡機(jī)過程記錄進(jìn)行綜合分析得知，該隧洞TBM掘進(jìn)過程中發(fā)生卡機(jī)的主要原因?yàn)椋?/p>

(1)高地應(yīng)力洞段，軟弱圍巖快速變形，其變形量到達(dá)大于圍巖與盾體之間的空隙值所需的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于TBM盾體通過該位置的時間，最終導(dǎo)致TBM盾體被卡。以第一次和第二次卡機(jī)為例，TBM在正常掘進(jìn)過程中，由于在高地應(yīng)力影響下圍巖快速變形，導(dǎo)致TBM盾體在一個行程時間內(nèi)迅速被卡而無法換步，必須停機(jī)處理卡機(jī)、脫困；

(2)斷層破碎帶與高地應(yīng)力綜合作用導(dǎo)致TBM在該類區(qū)段掘進(jìn)時TBM前盾至刀盤區(qū)域往往會先遭受塌方而導(dǎo)致TBM掘進(jìn)不正常，進(jìn)而導(dǎo)致TBM將會有較正常掘進(jìn)期間更長的檢修維護(hù)時間，在高地應(yīng)力作用下，撐靴盾至尾護(hù)盾區(qū)域會因軟弱圍巖變形而被卡，在圍巖塌方及高地應(yīng)力圍巖變形的共同作用下，TBM將無法繼續(xù)掘進(jìn)被迫停機(jī)處理卡機(jī)脫困，與此同時，此類卡機(jī)脫困處理的難度將大幅度增加，第三次和第四次卡機(jī)均為此類情況。

(3)超前地質(zhì)預(yù)報沒有很好地為TBM掘進(jìn)施工提供地質(zhì)情況參考。據(jù)統(tǒng)計，幾乎所有的雙護(hù)盾TBM隧洞施工項(xiàng)目均配有超前地質(zhì)預(yù)報裝置，但是，由于目前超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)尚處于發(fā)展過程中，地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的解讀人員素質(zhì)參差不齊，地質(zhì)預(yù)報成果往往會有很大的偏差，對TBM掘進(jìn)施工基本沒有起到很好的指導(dǎo)作用。

(4)大多數(shù)TBM隧洞施工單位對超前地質(zhì)預(yù)報及地質(zhì)解讀重視程度不夠，施工項(xiàng)目部地質(zhì)專業(yè)力量配置薄弱。另外，目前大多數(shù)TBM施工單位都具有很豐富的卡機(jī)脫困經(jīng)驗(yàn)，故其根本不重視TBM卡機(jī)的預(yù)防，導(dǎo)致TBM卡機(jī)預(yù)防知識及措施儲備不足，往往導(dǎo)致TBM施工班組在掘進(jìn)過程中遇到不良地質(zhì)洞段時不能及時采取有效的應(yīng)對措施，只能憑經(jīng)驗(yàn)和運(yùn)氣快速通過不良地質(zhì)洞段，進(jìn)而導(dǎo)致TBM卡機(jī)的幾率大大提升。

(5)TBM配套設(shè)備的性能在進(jìn)行設(shè)備選型時未充分考慮TBM卡機(jī)風(fēng)險，導(dǎo)致部分設(shè)備性能不能夠滿足TBM在不良地質(zhì)洞段運(yùn)行的要求，導(dǎo)致故障頻發(fā)，不能夠保證TBM快速通過不良地質(zhì)洞段，導(dǎo)致TBM卡機(jī)。以前述TBM第四次卡機(jī)為例，第四次卡機(jī)前，由于刀盤頂部及右側(cè)出現(xiàn)塌方，刀盤出渣量突然增大，超出3#皮帶機(jī)的額定運(yùn)輸能力，導(dǎo)致3#皮帶機(jī)跳停且無法恢復(fù)。在處理3#皮帶機(jī)故障期間，高地應(yīng)力導(dǎo)致軟弱圍巖變形、尾護(hù)盾被卡。經(jīng)事故后分析發(fā)現(xiàn)：圍巖塌方并未導(dǎo)致刀盤被卡，TBM前盾位置塌方體不足以限制TBM掘進(jìn)，此次卡機(jī)的主要原因是3#皮帶停機(jī)故障處理時間太長，尾護(hù)盾位置圍巖變形而導(dǎo)致TBM被卡。

4 降低大直徑雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)洞段卡機(jī)風(fēng)險的對策

根據(jù)上述對TBM卡機(jī)原因進(jìn)行的分析，筆者認(rèn)為：TBM施工項(xiàng)目應(yīng)采取以下對策用于降低大直徑雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)洞段的卡機(jī)風(fēng)險。

(1)在TBM設(shè)備選型階段，應(yīng)充分考慮并結(jié)合新項(xiàng)目TBM掘進(jìn)過程中可能遇到的不良地質(zhì)洞段情況確定TBM配套設(shè)備的相關(guān)參數(shù)并設(shè)置一定的富余，盡可能地保證設(shè)備選型配置滿足TBM在該項(xiàng)目不良地質(zhì)洞段掘進(jìn)的需求，降低因不良地質(zhì)洞段設(shè)備故障或設(shè)備性能無法滿足極端脫困情況需求而導(dǎo)致的TBM卡機(jī)風(fēng)險。

(2)在進(jìn)行TBM隧洞項(xiàng)目施工時，TBM施工單位應(yīng)提高對TBM卡機(jī)預(yù)防的重視程度并培養(yǎng)足夠的、懂TBM施工的地質(zhì)工程師，能夠根據(jù)設(shè)計提供的地質(zhì)資料及超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果提前評估不良地質(zhì)洞段通行風(fēng)險，策劃TBM通行措施，使施工項(xiàng)目部有充分準(zhǔn)備地面對不良地質(zhì)洞段，降低因施工單位本身對不良地質(zhì)洞段認(rèn)識不足、超前處理措施準(zhǔn)備不足、實(shí)施不到位而導(dǎo)致的TBM通過不良地質(zhì)洞段時的卡機(jī)風(fēng)險。

(3)應(yīng)該選擇超前地質(zhì)預(yù)報業(yè)界水平較高的企業(yè)并甄選有責(zé)任心的超前地質(zhì)預(yù)報工作人員進(jìn)行項(xiàng)目超前地質(zhì)預(yù)報工作，確保超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果有較高的準(zhǔn)確度和可信度，以保證其對TBM后續(xù)掘進(jìn)施工具有指導(dǎo)作用。同時，超前地質(zhì)預(yù)報還應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際地質(zhì)情況盡可能多地包括圍巖完整情況、涌水情況、地應(yīng)力情況等可能對TBM掘進(jìn)和TBM設(shè)備有不良影響因素的結(jié)果，綜合多方面結(jié)果確定TBM的掘進(jìn)參數(shù)，降低TBM卡機(jī)風(fēng)險。

5 結(jié) 語

當(dāng)TBM從斷層破碎帶及其影響帶中穿過或從斷層和高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖同時存在的復(fù)雜地質(zhì)洞段通過時，圍巖的持續(xù)擠壓作用和快速大變形一旦超過護(hù)盾與圍巖之間預(yù)留的空隙量時會導(dǎo)致TBM卡機(jī)事故的發(fā)生。卡機(jī)脫困處理將嚴(yán)重影響工程工期，影響施工單位履約。如果我們能夠從TBM設(shè)備選型、超前地質(zhì)預(yù)報解讀以及不良地質(zhì)洞段超前處理等方面做好應(yīng)對TBM通過不良地質(zhì)洞段的準(zhǔn)備，TBM卡機(jī)的幾率一定會得到有效遏制。因此，我們必須不斷總結(jié)雙護(hù)盾TBM順利通過不良地質(zhì)洞段的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，不斷探索降低雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)洞段卡機(jī)風(fēng)險的對策。雙護(hù)盾TBM具有的掘進(jìn)速度快、安全、利于環(huán)保、可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋長隧洞施工、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)才會得到更好地發(fā)揮。