(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，成都，611130)

1 工程簡介

某隧洞工程采用國產(chǎn)開敞式TBM掘進施工，其開挖總長20.69km，洞室斷面為圓形，開挖直徑7.0m。

隧洞沿線地形為剝蝕丘陵地貌，地形略起伏，多發(fā)育丘陵。巖性為石炭系及泥盆系凝灰質砂巖，巖層產(chǎn)狀309°NE∠55°，巖層走向與洞線方向夾角24°～52°，洞身段巖體完整、新鮮，呈厚層狀，石英含量5%～10%，隧洞埋深約100m，處在新鮮基巖內，為堅硬巖，圍巖整體穩(wěn)定性好。

隧洞施工過程中以滲水、滴水為主，局部會有線狀流水發(fā)生，估算該隧洞段總涌水量Q=114m3/h～508m3/h；地下水中SO42-含量103.4mg/l～351.5mg/l，對普通混凝土具有弱腐蝕性，Cl-含量16.9mg/l～177.0mg/l，對鋼筋混凝土中的鋼筋具有弱腐蝕性。

2 TBM卡機發(fā)生及現(xiàn)場處理情況

TBM掘進完成923m施工至樁號3+083時，頂拱部位發(fā)生了小規(guī)模的掉塊，現(xiàn)場采用HW150鋼拱架進行支護，拱架間距90cm，頂拱150°范圍采用φ16鋼筋排，間距10cm，同時頂拱150°范圍采用應急噴混凝土進行支護。從3+083掘進至3+093時，松散的巖體不斷掉落通過刀盤從皮帶機帶出，頂拱小的掉塊逐漸擴大為較大空腔，巖石破碎伴有滲水，現(xiàn)場判定該段圍巖為Ⅳ類；由于頂拱以上塌腔越來越大，現(xiàn)場決定停止掘進并對出露的空腔區(qū)進行應急支護。當現(xiàn)場完成拱架、鋼筋排、應急噴混凝土封閉支護區(qū)并形成拱圈后(空腔待后續(xù)回填輕質混凝土)，再次恢復掘進時發(fā)現(xiàn)刀盤無法轉動；人工拆卸中心刀進行檢查，發(fā)現(xiàn)大量碎渣堆積于刀盤正前方及護盾左上側部位，沿著掘進方向，塌腔規(guī)模由小變大。

2.1 刀盤無法轉動形成卡機過程和原因分析

(1)掘進至樁號3+093時，停機處理已掘進段的空腔。隨處理時間的延長，頂護盾壓力值不斷增加，TBM頂護盾油缸的無桿腔壓力值2018年2月6日為66bar、2月7日為85bar、2月8日為100bar、2月9日為140bar、2月10日為160bar、2月28日為215bar，表明頂護盾上方塌方體持續(xù)增加，未及時脫困導致TBM被困程度不斷加劇。

(2)刀盤前方及周邊塌方石渣量過多，后期通過打探測孔及紅外探測出松渣堆積高達6m～10m，大小塊石及帶水碎渣將刀盤楔嵌，現(xiàn)場采取了刀盤脫困模式，加大刀盤扭矩強行啟動多次嘗試均未成功脫困，說明其阻力已超過TBM脫困扭矩6620kN·m，單依靠TBM設備能力已無法脫困。

2.2 卡機后采取的應急脫困措施

當滿足以下條件時，視為刀盤脫困：刀盤轉矩小于4410kN·m，且能正常連續(xù)轉動后。為此現(xiàn)場先后拆除包括中心刀在內的8把刀具，對刀盤前方積渣進行清理，中途多次嘗試脫困，均未成功，期間累計清渣約300余方，在樁號3+093最大塌空深度10m。

2018年2月27日和28日對應急支護結構進行清除，于3月1日刀盤后退460mm，后退過程中碎渣順勢而來將后退的空間重新填滿，未能脫困，仍須繼續(xù)后退。

3 脫困處理措施

TBM刀盤被卡的總體處理措施分為整機后退和塌方處理兩大環(huán)節(jié)。由于TBM在遇到破碎圍巖后采取了大扭矩的脫困模式，刀盤依然轉動不了；采用人工在刀盤前方清渣后依然沒有脫困，綜合各種不利條件，為了保證安全，經(jīng)專家論證采取了先整機后退、后塌方處理的方案進行脫困處理。

3.1 整機后退

3.1.1 拆除初期支護

為了滿足TBM后退需要，對緊鄰護盾后方已經(jīng)支護洞段進行改造，改造作業(yè)包括對已支護洞段混凝土進行鑿除，拆除緊鄰護盾的鋼拱架與鋼筋排等支護措施，使拆除的鋼拱架成為可移動的支護體系，確保在后退過程中緊鄰護盾的鋼拱架與主機同步移動，確保安全。

在TBM后退之前，清除洞室底部石渣等影響主機后退的障礙物，在TBM后退過程中，觀察鋼筋排的變形情況，當變形量過大影響TBM后退時，需對鋼筋排上方石渣進行清理。

3.1.2 TBM后退前的準備工作

在TBM后退前必須完成鋼拱架拆除、鋼筋排拆除、噴射混凝土清撬、錨桿外露端頭割除和鋼筋網(wǎng)片拆除、主梁下端火車軌道和TBM軌道拆除、連續(xù)皮帶支架拆除、風帶拆除、供排水管路拆除、20kV高壓電纜回收、TBM后配套軌道向后延伸等工作。

3.1.3 TBM后退

TBM后退前的準備工作全部完成后，將已拆除刀具回裝，防止刀盤轉動過程中石渣涌入并堆積在主機皮帶上，導致皮帶機被石渣壓停致使掘進中斷，還須封閉部分刀盤進渣口，采用20mm厚鋼板焊接封閉，正常掘進前拆除；將撐靴換步至可滿足后退的行程范圍內，解除拖拉油缸與主機的聯(lián)動關系，調整TBM姿態(tài)使主機下傾，收回推進缸，同時開啟主驅動電機。

3.2 塌方的處理

3.2.1 地質情況

為了探明前方的地質情況，為后續(xù)施工提供最新的地質資料，通過對隧洞洞頂?shù)匦芜M行實地踏勘，對設計地質資料進行分析，同時采用TRT超前地質探測的手段進行預報，其地質情況為：該洞段地面上有一砂場取料開挖區(qū)，地表存在一處沖溝，最大溝深約12m，最大溝寬約40m，與破碎帶對應的洞頂最小埋深99m。

超前地質預報顯示：刀盤前方待開挖段存在20m破碎圍巖段，推測相對的縱波波速介于5691m/s～5924m/s之間，相對縱波波速存在降低趨勢，推測該段圍巖巖體總體較破碎，易形成大量掉塊或較大塌腔；地下水出露以滲水～滴水為主，局部存在線狀流水。

圖1 刀盤前方TRT超前地探測成果三維成像-俯視

3.2.2 處理方案

根據(jù)地質情況結合現(xiàn)場的實際情況，經(jīng)研究比選后采取了有針對性的處理方案進行處理。處理方案由TBM后退、掌子面混凝土回填、超前固結灌漿、超前管棚等4個作業(yè)部分組成。

(1)拆除已安裝完成并噴射混凝土的鋼拱架，TBM后退至3+082時仍然沒有到達安全施工的區(qū)域，繼續(xù)后退刀盤至3+072樁號，后退約20m。

(2)對塌方體進行壓腳處理，采用高度1.8m、寬度2m的沙袋墻對塌方堆渣體坡腳進行防護，防止坡面滾石傷人，對坡面滾石起到緩沖作用。

圖2 塌方體壓腳處理示意

(3)利用應急噴混凝土系統(tǒng)澆筑混凝土墻，對整個開挖面進行封堵，為后續(xù)固結灌漿提供鋪蓋作用，混凝土澆筑采用臺階法進行施工，每個臺階高分別為2.5m、2m、2.5m。

圖3 混凝土墻臺階法施工示意

(4)對頂拱空腔部位采用細石混凝土回填，采用ZS-30錨固鉆機用仰角15°、30°、50°的孔向進行造孔，遇到空腔即可回填混凝土，頂拱以上5m采用輕質混凝土(1390kg/m3)進行回填。

(5)混凝土澆筑施工完成后，采用固結灌漿的方式對待開挖面前30m的范圍進行灌漿施工，固結灌漿孔呈發(fā)散狀布置，確保松散巖石膠結，保證巖體的穩(wěn)定。

(6)采取超前管棚進行超前支護施工，管棚外徑80mm、單根長30m、間距40cm、布置在頂拱140°范圍內，管棚內插入3根φ22鋼筋保證其強度和剛度。

圖4 超前管棚支護施工示意

(7)上述工作全部完成后，對恢復掘進前的工作進行全面梳理和檢查，重點對TBM設備保養(yǎng)維護、后配套設施、供風供水供電等進行了檢查，具備恢復掘進施工的條件。

3.2.3 處理效果檢查

通過固結灌漿壓水試驗檢查，其透水率小于5lu，滿足固結灌漿施工要求，達到了固結圍巖的目的。

通過不同角度的打孔檢查和孔內攝像的情況分析，頂拱空腔填充密實，達到了回填空腔的目的。

通過掘進過程觀察，上述塌方處理組合方法得當，技術參數(shù)選取合理，施工安全可靠。

3.3 恢復掘進通過圍巖破碎段

恢復掘進后，無論是掘進參數(shù)的控制和選取，還是支護參數(shù)的選擇，支護質量的控制，都是圍繞保證施工安全而開展的；因此，選擇合理的掘進參數(shù)和較為穩(wěn)妥的支護方式至關重要。

3.3.1 混凝土墻段掘進

采用低扭矩、低轉速緩慢通過，刀盤轉速≯1r/min，貫入度≯5mm/r；掘進時密切關注刀盤扭矩的變化幅度，變化幅度需控制在10%以內，防止出現(xiàn)刀具偏磨和刀刃崩裂。待掌子面磨平后，逐步提高刀盤轉速和推進力。2018年5月6日13時至5月7日23時，采用掘進參數(shù)：推力4000kN～5000kN，扭矩300kN·m～500kN·m，貫入度4mm/r～5mm/r，轉速1r/min，推進速度4mm/min～5mm/min，混凝土墻段長度8.6m，純掘進時間30個小時順利通過。

3.3.2 破碎圍巖段掘進

撐靴撐緊力控制在12000kN以內，推進力控制在8000kN以內；掘進時刀盤扭矩的變化幅度控制在10%以內，刀盤轉速≯3r/min，貫入度≯10mm/r。破碎帶樁號3+083～樁號3+094，2018年5月7日至2018年5月13日用時6天安全通過該段(平均日進尺1.83m)，采用的掘進參數(shù)：推力7000kN～8000kN，扭矩600kN·m～800kN·m，貫入度8mm/r～10mm/r，轉速3r/min，推進速度24mm/min～30mm/min。

3.3.3 初期支護

該段初期支護在Ⅴ類圍巖設計支護參數(shù)的基礎上進行補強，采用HW150鋼拱架間距45cm進行強支護，鋼架之間采用10#槽鋼連接固定，頂拱150°范圍設置鋼筋排，鋼筋排間距10cm，同時采取應急噴混凝土系統(tǒng)對其進行混凝土施工，保證撐靴不破壞鋼拱架和支護體系。

3.3.4 監(jiān)控量測

掘進后立即開展收斂監(jiān)測和沉降監(jiān)測，4h監(jiān)測一次，將監(jiān)測結果及時分析并及時告知掘進機操作人員和現(xiàn)場管理人員，以便及時作出掘進調整和安全防范，直至安全通過破碎圍巖洞段。

4 總結

本文對開敞式TBM在破碎圍巖洞段卡機的原因進行分析，通過施工方案的比選，最終確定適合的處理方案并成功應用在該工程，其處理方式方法是恰當?shù)?。通過本次卡機事件及其處理過程，得到了以下啟發(fā)和經(jīng)驗：

(1)TBM主司機的經(jīng)驗和經(jīng)歷相當重要，時刻對掘進過程中的變化進行分析，選擇合理的掘進參數(shù)。

(2)出現(xiàn)不良地質條件時，尤其是卡機處理前，及時做好超前地質預報工作，為掘進施工及支護參數(shù)的選擇或為卡機處理方案的確認提供依據(jù)。

(3)遇到不良地質情況后，掘進機轉速應適當控制，防止大量碎渣被帶走形成空腔或塌方；同時采取強支護、及時支護，防止掉塊、塌方現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(4)刀盤被卡后處理方案的確定必須慎重，TBM后退的方案要慎重，避免TBM后退塌方繼續(xù)惡化。

(5)采用輕質混凝土新工藝在類似塌方處理過程中的成功應用，為后續(xù)施工提供了豐富的經(jīng)驗，技術可行。

(6)對塌方的松散巖體的固結灌漿壓力選擇、布孔原則等技術方面一定要經(jīng)過討論或論證，確定合理的灌漿參數(shù)和壓力，避免由于灌漿效果不理想導致整個方案的失敗。

總之，本次開敞式TBM卡機事件的形成到最終處理完成耗時3個多月的教訓是沉痛的，不僅工期耽誤3個多月，停機后的人、材、機等的費用損失，以及處理塌方投入的昂貴費用，給工程管理者和施工者帶來新的思考和挑戰(zhàn)。為此，本文作者通過TBM卡機后的原因及處理過程實際案例分析，淺談了自己的看法和見解，為類似設備避免出現(xiàn)類似問題提供可參考的建議。