朱廷宇 王喚龍

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

TBM具有施工速度快、施工質(zhì)量優(yōu)、機械化程度高、技術(shù)含量高、勞動強度低、施工環(huán)境好、造就人才快等特點，廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、礦山、水利、水電、市政、地鐵、穿越江河等領(lǐng)域的隧道和地下工程建設(shè)當(dāng)中[1]。眾所周知，TBM一般用于地質(zhì)條件好的地層，但目前在地質(zhì)復(fù)雜區(qū)域以及長大隧道無輔助坑道條件下，也采用了大量的TBM。

由于TBM設(shè)備龐大，對地質(zhì)條件適應(yīng)性沒有鉆爆法那樣靈活，在沒有預(yù)警的情況下遇到不良地質(zhì)條件時，TBM掘進受到的影響遠大于鉆爆法開挖[2]。在以往地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)的TBM施工實踐中，出現(xiàn)了大量卡機受困的情況，造成TBM停工處理，嚴重削弱了其施工進度快的優(yōu)勢，甚至有的工點平均進度低于類似地層的鉆爆法施工。

為實現(xiàn)安全、快速的脫困處理并充分發(fā)揮TBM施工的優(yōu)勢，學(xué)者們開展了大量的研究，并且進行了成功的實踐。溫森[3]等對深埋隧道TBM卡機機理及控制措施進行了研究，提出了護盾區(qū)域圍巖變形計算模型以及停機和連續(xù)掘進兩種工況下的臨界預(yù)留變形量及臨界超前支護強度的計算模型。陳饋[4]等從地質(zhì)水文條件、TBM 裝備及 TBM 施工隊伍全面分析總結(jié)引發(fā) TBM 施工風(fēng)險的因素，并制定了針對性應(yīng)對措施。劉建平[5]等提出在護盾頂部人工開挖小導(dǎo)洞，并利用小導(dǎo)洞對刀盤上方、前盾頂部的積渣進行清理，減少刀盤轉(zhuǎn)動阻力，同時利用小導(dǎo)洞對前方不良地質(zhì)圍巖進行超前加固完成TBM脫困。呂炎浩[6]、董泗龍[7]提出采用管棚支護結(jié)合化學(xué)灌漿加固松軟巖體的方法，減輕松軟巖體對刀盤和護盾的壓力和扭阻力，實現(xiàn)了TBM 自身脫困。徐虎城[8]針對大斷層破碎帶卡機，采用超前地質(zhì)預(yù)報和化學(xué)灌漿相結(jié)合的方法使 TBM 順利脫困。楊曉迎[9]等在斷層構(gòu)造巖卡機中采取開挖上導(dǎo)洞和側(cè)導(dǎo)洞的方式徹底解除TBM護盾上的壓力，同時挖除刀盤前方松散巖體，使TBM成功脫困。尚彥軍[10]等認為在褶皺、斷層和軟弱圍巖同時存在的復(fù)雜地質(zhì)條件下，圍巖的持續(xù)擠壓作用和大變形會導(dǎo)致 TBM卡機；此外，在高地應(yīng)力區(qū)和軟弱圍巖段，側(cè)向和頂部同步擴挖可避免護盾不均勻的塑性變形。趙毅[11]通過在刀盤內(nèi)超前鉆孔、在孔口混合和高壓力灌漿實施雙組分化學(xué)漿液，快速完成了加固坍塌體、軟弱破碎巖層及有效脫困。針對高黎貢山隧道敞開式TBM，軟弱破碎圍巖地段施工易卡機是隧道施工的重難點，洪開榮、宋法亮[12-13]等提出了TBM超前地質(zhì)預(yù)報、鋼筋排及鋼拱架與噴射混凝土聯(lián)合及時支護、導(dǎo)洞開挖及合理調(diào)整掘進參數(shù)等一系列確保 TBM 連續(xù)施工的方案與措施，張兵[14]等提出掌子面前方化學(xué)灌漿加固、小導(dǎo)洞開挖及超前管棚等方法聯(lián)合幫助 TBM 脫困。

綜上所述，TBM脫困處理方法包括掌子面周邊化學(xué)注漿加固、超前管棚棚護、導(dǎo)洞法等，上述研究對于斷層破碎帶等軟弱地層TBM卡機處理提出了針對性的應(yīng)對方法，但此類超前加固或者導(dǎo)洞法等方法受限于不同工點特有的工程地質(zhì)條件而不具有普適性，導(dǎo)致高黎貢山隧道出口平導(dǎo)TBM在采用上述方法后并未收到較好的效果。本文針對高黎貢山隧道出口平導(dǎo)TBM穿越富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶遭遇卡機的問題，基于富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶地質(zhì)特征、卡機機理以及TBM工法特點，重點研究了TBM原位脫困、高位處理脫困以及反向處理脫困三種處理方案，使TBM得以成功穿越富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。

1 工程概況

亞洲第一鐵路長隧—大瑞鐵路高黎貢山隧道全長34.538 km，為設(shè)計速度140 km/h的單線電氣化鐵路隧道。隧道最大埋深為 1 155 m，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，具有“三高”(高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度)、“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件、活躍的岸坡淺表改造過程)的地質(zhì)特征，洞身分布有19條斷層和2個向斜。

為解決工期，兼顧通風(fēng)、排水等要求，結(jié)合地形、地質(zhì)條件，高黎貢山隧道采用“1平+1斜+2豎”的輔助坑道設(shè)置，其中貫通平導(dǎo)長34.586 km。隧道出口端以燕山期花崗巖為主，采用TBM掘進施工，正洞采用1臺直徑9.0 m敞開式TBM施工，TBM掘進長度為12.5 km，平導(dǎo)施工采用1臺直徑6.36 m敞開式TBM施工，TBM掘進長度10.6 km。高黎貢山隧道平面示意如圖1所示。

圖1 高黎貢山隧道平面示意圖(m)

2 前期TBM卡機處理

高黎貢山隧道TBM施工段地層為花崗巖，受深大斷裂及多期巖漿侵入蝕變等影響，隧道洞身節(jié)理密集帶或蝕變破碎帶發(fā)育，其分布不規(guī)律，不連續(xù)，圍巖變化頻繁。節(jié)理密集帶巖體呈強風(fēng)化碎塊狀、角礫狀或全風(fēng)化砂礫狀，部分風(fēng)化蝕變成黏土，圍巖穩(wěn)定性差，遇水易掉塊或垮塌，呈松散碎塊狀堆積體或礫砂質(zhì)渾濁泥石流狀。節(jié)理密集破碎帶及蝕變帶主要存在高壓涌水突泥，坍塌、掉塊，涌水等工程地質(zhì)問題。高黎貢山隧道平導(dǎo)TBM于11月25日始發(fā)掘進，正洞TBM于2018年2月1日始發(fā)掘進，截止2020年5月26日，高黎貢山隧道出口平導(dǎo)TBM施工4 475 m，正洞TBM施工5 143 m，共計9 618 m。TBM已施工段出現(xiàn)掘進受困(卡機)共計11次，其中平導(dǎo)掘進受困6次，正洞掘進受困5次。

2.1 卡機段不良地質(zhì)類型簡述

高黎貢山隧道TBM前期卡機遭遇的不良地質(zhì)類型主要有巖性接觸帶、斷層破碎帶、粉細砂侵入、掌子面溜坍及涌水，其地質(zhì)特征以及引發(fā)卡機的原因如表1所示。

表1 高黎貢山隧道TBM卡機段不良地質(zhì)類型表

2.2 卡機處理方案

由表1可以看出，前期TBM卡機多為刀盤被卡無法轉(zhuǎn)動、扭矩及推力達到極限無法推進、超量出渣導(dǎo)致皮帶機壓力過大、護盾被卡抱死等。TBM脫困的原理是采取一系列措施盡可能減小刀盤阻力和護盾阻力，使其滿足TBM掘進施工的脫困扭矩及推力，過程中需采取加強支護手段，保證初支強度，必要時采用鉆爆法輔助通過。一般在TBM卡機脫困實踐中，較常用的方法有注漿加固(包括超前化學(xué)灌漿)、超前循環(huán)管棚、護盾上方施作小導(dǎo)洞、迂回導(dǎo)坑法等，可根據(jù)不同的卡機位置、成因予以單一或組合選用。

本次結(jié)合高黎貢山隧道出口2臺TBM前期遭遇11次卡機的處理情況，從TBM遭遇不良地質(zhì)類型劃分、TBM卡機原因分析入手，對卡機處理方法進行系統(tǒng)總結(jié)，如表2所示。

表2 高黎貢山隧道TBM前期卡機處理方案表

(續(xù)表2)

3 PDZK 221+481卡機災(zāi)害情況

3.1 PDZK 221+481卡機情況概述

高黎貢山隧道出口平導(dǎo) TBM 掘進至PDZK 221+481 時出現(xiàn)極限推力無法推進的現(xiàn)象，隨后掌子面出現(xiàn)溜坍，大量泥沙狀渣體隨水流不斷自刀盤入口處涌出，造成隧底大量積渣。同時TBM 護盾及盾尾主梁區(qū)域拱部圍巖出現(xiàn)沉降，拱部巖體間形成錯臺，頂護盾被圍巖擠壓下沉(原有限位塊受擠壓彎曲變形)，盾尾鋼架局部扭曲變形，致使TBM卡機受困，如圖2所示。

圖2 PDZK 221+481卡機情況圖

3.2 PDZK 221+481工程地質(zhì)特征分析

3.2.1 地質(zhì)探測情況

為探明卡機段不良地質(zhì)的規(guī)模、范圍，本次進行了以鉆探為主的地質(zhì)探測，并結(jié)合卡機處理鉆孔情況，施做了泄水孔、超前探孔及超前管棚共計156孔，其中出現(xiàn)卡鉆、埋鉆、頂鉆、裹鉆現(xiàn)象共73孔，出現(xiàn)鉆孔涌泥現(xiàn)象共5孔，突涌高壓水探孔共10孔。

通過地質(zhì)探測反饋，平導(dǎo) PDZK 221+481卡機段巖體破碎—極破碎，且高壓富水，在地下水軟化作用下，圍巖泥化現(xiàn)象明顯，呈泥土狀，穩(wěn)定性極差；對應(yīng)正洞段巖體以強—弱風(fēng)化花崗巖為主，圍巖穩(wěn)定性稍好，地下水以滴狀及線狀為主。

3.2.2 區(qū)域地質(zhì)情況

隧區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的板塊結(jié)合帶，為青、藏、滇、緬巨形“歹”字型構(gòu)造西支中段弧形構(gòu)造帶與經(jīng)向構(gòu)造帶之“蜂腰部”南段，段內(nèi)怒江斷裂帶和瀘水—瑞麗斷裂帶緊密擠壓成平行索狀，兩斷裂帶間三角地帶為侵入的花崗巖體?？C段400 m外發(fā)育一斷層，斷裂附近巖體破碎，糜棱巖、碎裂巖發(fā)育，沿斷層有花崗巖侵入。

3.2.3 PDZK 221+481工程地質(zhì)特征

因PDZK 221+481受困段處于斷層附近，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，加之山體雄厚，基巖裂隙水發(fā)育，同時該段處于不同期次花崗巖接觸帶，發(fā)育有不同期次花崗巖，蝕變巖帶發(fā)育，蝕變嚴重，且具有綠泥石化、泥化現(xiàn)象，屬富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶(如圖3所示)，本次平導(dǎo)TBM卡機段位于構(gòu)造風(fēng)化破碎帶核部，對應(yīng)正洞位于構(gòu)造風(fēng)化破碎帶邊緣。

圖3 富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶發(fā)育示意圖

4 初期措施及效果

結(jié)合PDZK 221+481卡機情況、工程地質(zhì)特征以及前期高黎貢山隧道TBM脫困處理的經(jīng)驗，本次脫困處理首先采用了分步驟、分階段的處理方案。

4.1 “短注長支法”處理階段

針對掌子面涌渣、TBM 護盾下沉及盾尾主梁區(qū)域拱部出現(xiàn)變形沉降等情況，現(xiàn)場首先采取了盾尾變形區(qū)域增設(shè)臨時支護、噴混凝土封閉圍巖、超前地質(zhì)鉆探等措施進行應(yīng)急處理，后制定了盾尾超前長管棚注漿配合掌子面刀盤周邊注漿加固的措施，通過改良圍巖后減小護盾圍壓，實現(xiàn)TBM脫困。

現(xiàn)場按照上述方案進行超前預(yù)加固過程中，左側(cè)鉆孔頻繁出現(xiàn)卡鉆、泥漿裹鉆、頂鉆等情況，同時防塵盾觀察孔、刀盤入口處流塑狀泥沙間歇性涌出，對皮帶、刀倉積渣清理后刀盤內(nèi)再次涌泥壓死皮帶、積滿刀倉后涌至隧底。

4.2 “導(dǎo)洞法”處理階段

鑒于“短注長支法”處理存在鉆孔困難、注漿加固效果難以保證的問題，不適用于本次脫困處理，現(xiàn)場隨即采用導(dǎo)洞法進行處理，在護盾上方開挖小導(dǎo)洞并進行環(huán)向擴挖形成管棚工作室，同時對不良地質(zhì)體提前減壓泄水，并進一步探測 TBM 前方地質(zhì)情況，于平導(dǎo)右側(cè)增設(shè)了迂回導(dǎo)坑及泄水、探測洞室，如圖4所示。

圖4 盾尾迂回導(dǎo)坑及泄水、探測洞室示意圖

盾尾迂回導(dǎo)坑及管棚工作室施作完成并開展了一系列探測措施，即將進行超前管棚注漿時，管棚工作室拱部噴混凝土出現(xiàn)局部開裂，同時管棚工作室開口處鋼架左側(cè)豎撐彎曲變形，隨之鋼架變形處突發(fā)涌水，期間涌水量300～700 m3/h，水質(zhì)渾濁，且攜帶細渣及泥沙，致使TBM盾尾后方70 m產(chǎn)生泥沙淤積，其中盾尾區(qū)域淤積深度達5 m。

4.3 初期措施失敗原因分析

首先，PDZK 221+481卡機為高黎貢山隧道TBM首次遭遇富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶，從地質(zhì)特征上來看，與前期遭遇的接觸帶、斷層破碎帶、粉細砂等有較大不同，圍巖蝕變嚴重、泥化現(xiàn)象明顯，且高壓富水，反映到工程特征，則是鉆孔困難，無法通過常規(guī)管棚棚護及加固手段進行處理。

其次，初期措施借鑒以往處理經(jīng)驗，圍繞掌子面周邊進行處理，設(shè)置了小導(dǎo)洞、盾尾迂回導(dǎo)坑、探測洞室等輔助洞室，并在掌子面周邊打設(shè)了上百個鉆孔，使掌子面附近區(qū)域形似“蜂窩”。輔助洞室與密布鉆孔擾動了掌子面處高壓富水破碎帶，使附近區(qū)域圍巖應(yīng)力狀態(tài)與地下水環(huán)境重新分布，更易誘使高壓地下水涌入掌子面附近，并于薄弱處形成潰口，導(dǎo)致發(fā)生大規(guī)模突涌水災(zāi)害。

5 脫困處理方案研究

鑒于TBM掌子面處于富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶核部，考慮到該破碎帶核部高壓富水的特征，后續(xù)處理應(yīng)以超前泄水降壓、超前預(yù)加固為本，并進一步探明破碎帶邊界。同時，破碎帶核部已形成突涌水潰口，在掌子面附近區(qū)域進行處理施工風(fēng)險極大，為確保施工安全，本文重點研究了邊緣繞行處理的方案。

5.1 TBM自行脫困方案

避開TBM設(shè)備及后配套區(qū)域，于平導(dǎo)線路左側(cè)采用鉆爆法開設(shè)平位繞行導(dǎo)坑至掌子面前方，利用繞行導(dǎo)坑對掌子面前方破碎帶核部進行鉆孔泄水降壓，改良掌子面區(qū)域地下水環(huán)境，配合盾尾超前管棚注漿加固及掌子面注漿加固措施，進行TBM掘進自行脫困，繞行坑道采用有軌單車道斷面，其長度根據(jù)實際泄水及探測情況而定，泄水孔布設(shè)對高壓富水區(qū)域進行加密。TBM自行脫困方案布置如圖5所示。

圖5 TBM自行脫困方案示意圖

5.2 高位處理脫困方案

由于高壓地下水位于掌子面左上方，為實現(xiàn)上部截流地下水，達到泄水降壓效果，于平導(dǎo)線路左側(cè)采用鉆爆法開設(shè)高位支洞，繞行至掌子面前方后設(shè)置高位作業(yè)洞室用以泄水、注漿加固構(gòu)造風(fēng)化破碎帶，護盾上方破碎帶圍巖得到注漿改良后，以期原富水塑性巖體向彈塑性或彈性體轉(zhuǎn)變，相應(yīng)減小其對護盾的圍巖壓力，此時可進行TBM掘進脫困。高位處理脫困方案布置如圖6所示。

圖6 高位處理脫困方案示意圖

5.3 反向處理脫困方案

地質(zhì)探測情況表明，TBM向前掘進將穿越富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶核部地區(qū)，且穿行長度尚未可知，考慮到TBM自身超前加固手段有限，且注漿效果在此類地層中難以保證，若強行掘進極易再次引發(fā)卡機。本方案擬采用鉆爆法于平導(dǎo)線路左側(cè)開設(shè)迂回導(dǎo)坑，并通過反向處理通道繞行至平導(dǎo)線位，后采取帷幕注漿加固配合超前大管棚棚護，逐段鉆爆施工TBM預(yù)備洞、出發(fā)洞，完成后TBM步進通過富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。反向處理脫困方案布置如圖7所示。

圖7 反向處理脫困方案示意圖

5.4 優(yōu)缺點分析

綜上所述，以上方案均采取鉆爆法增設(shè)了處理導(dǎo)坑，從不同的角度提供了TBM脫困的處理方法，但在工期、投資、施工安全等方面各有優(yōu)劣，如表3所示。

表3 TBM脫困處理方案優(yōu)缺點分析表

由表3可知，從工期及投資角度，TBM自行脫困方案最優(yōu)，高位處理脫困方案次之；從施工安全性的角度，反向處理脫困方案最優(yōu)，高位處理脫困方案次之。但TBM脫困處理受地下水、超前探測地質(zhì)情況等因素影響較大，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行動態(tài)調(diào)整，具體方案或為單一方案，也或為各方案融合而成。

5.5 方案實施效果

鑒于高黎貢山隧道工期壓力巨大，本次卡機處理最終采用了TBM自行脫困方案，即于平導(dǎo)線路左側(cè)采用鉆爆法開設(shè)繞行導(dǎo)坑進行泄水降壓。

由于本次脫困處理時間較長，加之正洞TBM穿越破碎帶邊緣，正洞TBM在采取“短注長支法”并配合泄水洞超前泄水后，提前于平導(dǎo)成功穿越了該風(fēng)化破碎帶。在繞行導(dǎo)坑與正洞的雙重泄水降壓作用下，平導(dǎo)內(nèi)水量明顯衰減，由突涌時300～700 m3/h減小至約80 m3/h，隨后在采取洞內(nèi)清淤、管棚工作室修復(fù)、掌子面周邊注漿加固、超前管棚注漿加固、TBM設(shè)備檢修及性能提升等一系列措施后，平導(dǎo)TBM得以成功穿越該富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。

6 結(jié)論

本文以大瑞鐵路高黎貢山隧道出口平導(dǎo)TBM穿越富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶出現(xiàn)卡機現(xiàn)象為依托，通過研究得出以下主要結(jié)論：

(1)從高黎貢山隧道平導(dǎo)PDZK 221+481卡機發(fā)生以來前期的脫困處理情況以及地質(zhì)探測情況來看，對于富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶地層，應(yīng)盡量避免在掌子面及護盾周邊范圍進行處理，以防止打開高壓裂隙水通路，進而形成突涌水潰口，引發(fā)突涌災(zāi)害。

(2)針對富水構(gòu)造風(fēng)化破碎帶下TBM脫困處理，應(yīng)以超前泄水、超前加固、超前探測為原則，建議以繞行的方式進行處理，盡量避免對TBM護盾周邊不良地質(zhì)體的擾動。

(3)近年來我國TBM在軟弱破碎圍巖地段卡機頻發(fā)，亟需研究形成一套卡機的預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)，以及針對不同類別卡機的脫困處理機制，為TBM的施工保駕護航，確保施工安全并充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢。