李曉斌

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西渭南 714099）

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine,TBM）作為巖石隧道最先進(jìn)的開挖裝備，在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路、水利水電、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。與傳統(tǒng)鉆爆法相比，TBM工法能同時(shí)完成破巖、出渣和支護(hù)等作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，其掘進(jìn)速度一般為常規(guī)鉆爆法的3～10倍，具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于深埋長(zhǎng)隧道的施工[2?5]。然而，在長(zhǎng)大深埋隧道掘進(jìn)過程中，斷層、構(gòu)造發(fā)育、節(jié)理密集帶、巖爆以及突泥涌水等不良地質(zhì)狀況給TBM施工造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是極軟弱破碎富水地層，極易造成TBM卡機(jī)和被埋的災(zāi)難[6]。

針對(duì)TBM卡機(jī)脫困的方法與措施，國(guó)內(nèi)外專家進(jìn)行了大量研究。趙 毅[7]、羅 毅[8]、徐虎城[9]研究了化學(xué)漿液的使用方法和管棚支護(hù)措施，解決了陜西、云南、遼寧等地TBM施工引水隧洞卡機(jī)事故。胡新朋等 針對(duì)敞開式TBM穿越富水砂化斷層破碎帶施工技術(shù)進(jìn)行研究，總結(jié)了TBM穿越該種地層時(shí)可能被卡機(jī)/停機(jī)的施工標(biāo)準(zhǔn)，建立了TBM穿越富水砂化斷層破碎帶卡機(jī)/停機(jī)預(yù)警模型。劉曉瑞[11]研究了小導(dǎo)洞迂回反向支護(hù)在TBM卡機(jī)脫困中的應(yīng)用，在輔助坑道法的理念上有所創(chuàng)新。以上研究給TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的卡機(jī)脫困提供了借鑒和參考。

某鐵路隧道工程平導(dǎo)洞TBM在穿越軟弱破碎富水地層時(shí)出現(xiàn)涌水溜坍，在地質(zhì)探測(cè)和管棚施工過程中存在鉆孔壓力過大、泥漿裹鉆、孔內(nèi)噴涌等異常情況，盾尾左側(cè)突發(fā)涌水并攜帶大量泥沙涌出，造成盾體及主梁區(qū)域圍巖變形，TBM被困，風(fēng)險(xiǎn)極大，處理不好可能造成TBM被淹和被埋的風(fēng)險(xiǎn)。本次TBM脫困在借鑒以往施工經(jīng)驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上，采取了極軟弱破碎富水地層的超前探測(cè)、主梁區(qū)域徑向注漿加固及掌子面超前加固、高位支洞泄水、安裝雙速減速機(jī)以及超前管棚支護(hù)和護(hù)盾周邊擴(kuò)挖等綜合措施，經(jīng)過施工人員的不懈努力，使TBM安全脫困，避免了TBM被淹、被埋事故的發(fā)生。

1 工程概況

某鐵路隧道是目前中國(guó)第一鐵路長(zhǎng)隧，全長(zhǎng)34.538 km，隧道最大埋深1155 m，位于喜馬拉雅地震帶，受印度洋板塊與亞歐板塊碰撞擠壓，地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜。不良地質(zhì)條件主要有高地溫、軟巖大變形、涌水、斷層破碎帶、巖爆、巖溶、蝕變巖及節(jié)理密集帶、活動(dòng)斷裂帶、高烈度地震帶、放射性、有害氣體、滑坡、偏壓等多種地質(zhì)條件，幾乎涵蓋了所有隧道施工不良地質(zhì)和重大風(fēng)險(xiǎn)，堪稱隧道建設(shè)“地質(zhì)博物館”。 其中設(shè)計(jì)Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖占比52%，實(shí)際揭示為58%，用TBM施工存在較大風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目在Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖占比較高的情況下，在隧道出口正洞和平導(dǎo)施工段分別采用一臺(tái)開挖直徑9.03 m 的國(guó)產(chǎn)TBM和一臺(tái)開挖直徑6.36 m的羅賓斯敞開式TBM施工，主要出于以下考量：（1）隧道洞線地質(zhì)條件復(fù)雜，但地質(zhì)圍巖整體條件相對(duì)較好，巖層的自穩(wěn)能力較強(qiáng)，只需進(jìn)行錨網(wǎng)噴支護(hù)，局部進(jìn)行鋼架支護(hù)，與傳統(tǒng)鉆爆法的施工進(jìn)度相比效率仍較高，但TBM選型時(shí)要注重超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和排涌水的能力；（2）我國(guó)TBM技術(shù)研究起步較晚，在核心關(guān)鍵技術(shù)掌握及應(yīng)用水平上較國(guó)外還有較大差距，本項(xiàng)目正洞使用的TBM開挖直徑9.03 m，是當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)最大直徑TBM，將該設(shè)備用于軟弱圍巖變形、斷層破碎、高地應(yīng)力、高巖溫、高巖爆、高承壓水及涌水等不良地質(zhì)地段進(jìn)行施工，對(duì)我國(guó)針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況下TBM技術(shù)的發(fā)展具有重大推動(dòng)作用；（3）使用TBM施工是保護(hù)高黎貢山生態(tài)環(huán)境和安全高效推進(jìn)“一帶一路”鐵路建設(shè)的需要。圖1為某鐵路隧道地質(zhì)縱斷面圖。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面圖

2 TBM被困情況

2019年8月27日上午，該鐵路隧道出口平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至掌子面里程PDZK221+481時(shí)出現(xiàn)大推力無(wú)法推進(jìn)現(xiàn)象（該段正常推力7000～8000 kN，加大至12000 kN仍無(wú)法推動(dòng)，扭矩980 kN·m，轉(zhuǎn)速4 rpm），初步判斷為圍巖變形導(dǎo)致護(hù)盾被卡。隨后掌子面出現(xiàn)溜坍，大量泥沙狀碴體隨水流不斷自刀盤入口處涌出，造成隧底大量積渣。另外，使用超前鉆機(jī)打設(shè)超前管棚或超前小導(dǎo)管時(shí)，很容易發(fā)生卡鉆和塌孔的現(xiàn)象，并伴隨孔內(nèi)水壓過大無(wú)法鉆進(jìn)的情況。同時(shí)TBM護(hù)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(cuò)臺(tái)，頂護(hù)盾被圍巖擠壓下沉（原有限位塊受擠壓彎曲變形），盾尾拱架局部出現(xiàn)扭曲變形，TBM嚴(yán)重被困（見圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)TBM被卡情況

3 TBM脫困應(yīng)對(duì)方法與措施

3.1 超前探測(cè)

為確定掌子面前方具體情況，在護(hù)盾后方已經(jīng)完成加固的區(qū)域，采用鉆機(jī)鉆探的方法進(jìn)行前方地質(zhì)體的探測(cè)（見圖3）。分別采用氣動(dòng)潛孔鉆機(jī)、MK-3液壓鉆機(jī)、MHP3050/550LG超前鉆機(jī)、ZM90液壓鉆機(jī)等對(duì)掌子面前方不良地質(zhì)體進(jìn)行超前鉆探，其中左側(cè)9?11點(diǎn)半位置鉆孔至7～8 m時(shí)頻繁出現(xiàn)卡鉆、泥漿裹鉆、頂鉆等情況，期間刀盤內(nèi)大股流塑狀泥沙涌出，護(hù)盾尾部及刀盤內(nèi)流塑狀泥砂間歇性涌出（攜帶石塊），最大出水量為150 m3/h（刀盤內(nèi)），判斷前方不良地質(zhì)體范圍以及水壓均較大，僅僅依靠小導(dǎo)洞和管棚支護(hù)的方式很難通過。

圖3 超前鉆探現(xiàn)場(chǎng)圖

3.2 注漿加固

為避免停機(jī)期間掌子面持續(xù)惡化，為TBM掘進(jìn)創(chuàng)造有利條件，進(jìn)行盾體周邊及掌子面超前注漿加固。

（1）盾尾徑向注漿加固

完成盾尾豎撐加固后，采用氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)打設(shè)注漿孔，注漿孔按2 m（環(huán)向）×1.5 m（縱向）間距布置，注漿管采用φ42鋼管，注漿范圍為仰拱塊面以上，注漿孔深度不小于6 m（具體深度依鉆孔情況確定），注漿順序自下而上進(jìn)行，從后向前進(jìn)行。圍巖徑向注漿液宜優(yōu)先采用水泥單液漿，當(dāng)漏漿情況較嚴(yán)重時(shí)采用水泥-水玻璃雙液漿，徑向注漿示意圖見圖4。現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力范圍為0.5～1.5 MPa（具體壓力通過試驗(yàn)確定），注漿孔壁與鋼管之間用錨固劑填實(shí)，孔口設(shè)止?jié){塞，注漿過程中若發(fā)生串漿，則關(guān)閉孔口閥門待其他孔注漿完畢后再打開閥門；當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并繼續(xù)注漿10 min以上，且單孔注漿量小于初始注漿量的1/4時(shí)，視為單孔結(jié)束注漿標(biāo)準(zhǔn)，所有注漿孔均以單孔結(jié)束條件為標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)漏漿現(xiàn)象。

圖4 徑向注漿加固示意圖（單位：cm）

（2）超前注漿加固

為改善盾體周邊及掌子面前方圍巖，進(jìn)行拱部120°范圍超前預(yù)加固處理，加固深度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整，仰角10°；同時(shí)，采用φ32玻璃纖維管自刀盤向掌子面施作超前加固，加固深度3～6 m。為防止固結(jié)刀盤，超前預(yù)加固注漿材料采用聚氨酯類化學(xué)漿液，具體現(xiàn)場(chǎng)布置示意見圖5。通常情況下，現(xiàn)場(chǎng)開灌速度選擇中低速，即灌漿泵活塞往復(fù)次數(shù)在60次/min左右，確認(rèn)掌子面工作正常、無(wú)返漿現(xiàn)象時(shí)可適當(dāng)提高灌漿速度，灌漿泵活塞往復(fù)次數(shù)可提高到80～100次/min，當(dāng)灌漿壓力升高和有返漿現(xiàn)象時(shí)，根據(jù)施工情況逐步降低灌漿速度，直到最后達(dá)到閉漿條件，停止灌漿。

圖5 超前注漿加固示意圖

3.3 高位泄水孔

經(jīng)超前探測(cè)和突涌情況綜合分析，前方地質(zhì)為全風(fēng)化?強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，水量大，水壓高，圍巖泥化嚴(yán)重，TBM施工極為困難，采取高位泄水孔排水很有必要，否則可能會(huì)造成設(shè)備被淹的后果。在盾尾高位導(dǎo)坑內(nèi)向平導(dǎo)打設(shè)泄水孔，泄水孔采用ZM-90液壓鉆機(jī)打設(shè)，鉆孔直徑130 mm，深度為穿越平導(dǎo)，按不同高度打設(shè)三排，每排鉆孔呈扇狀輻射分布（具體數(shù)量、深度依鉆孔情況確定），鉆孔出水后安裝φ108 mm鋼花管進(jìn)行排水（見圖6）。

圖6 高位泄水示意圖及排水花管

3.4 超前管棚支護(hù)

得益于高位導(dǎo)坑超前泄水和注漿加固措施的施行，盾尾涌水量大幅衰減，TBM具備就地脫困的條件。擬采用超前管棚支護(hù)和護(hù)盾周邊擴(kuò)挖方案進(jìn)行脫困。超前管棚施作在管棚工作洞室內(nèi)向掌子面前方施作φ76 mm管棚進(jìn)行超前注漿加固，施作范圍為拱部160°，管棚環(huán)向間距0.3 m，長(zhǎng)度按進(jìn)入基巖2～3 m控制，如未進(jìn)入基巖，則需根據(jù)地質(zhì)探測(cè)情況進(jìn)行調(diào)整。考慮到后續(xù)護(hù)盾擴(kuò)挖及人員操作高度，管棚打設(shè)位置為護(hù)盾上方1.5 m。為了防止管棚打設(shè)過程中前部出現(xiàn)下沉影響，設(shè)計(jì)管棚打設(shè)角度為3°。管棚分節(jié)長(zhǎng)度為1.5 m，管節(jié)間采用套絲連接接長(zhǎng)，相鄰管棚接口位置錯(cuò)開，錯(cuò)開長(zhǎng)度不小于1.0 m，管棚尾端設(shè)置3 m止?jié){段，管棚溢漿孔為排距60 cm，梅花型布置，孔徑6～8 mm。圖7為管棚工作室現(xiàn)場(chǎng)示意圖，圖8為現(xiàn)場(chǎng)施做管棚工作室。

圖7 管棚工作室示意圖

圖8 管棚工作室現(xiàn)場(chǎng)圖片

3.5 安裝雙速減速機(jī)

停機(jī)期間對(duì)平導(dǎo)TBM安裝了雙速減速機(jī)進(jìn)行輔助脫困，在土建工作完成后，開始進(jìn)行刀盤脫困。在未使用雙速減速機(jī)時(shí)，刀盤扭矩達(dá)到4500 kN·m，刀盤未轉(zhuǎn)動(dòng)，隨即啟動(dòng)雙速減速機(jī)，刀盤扭矩達(dá)到8000 kN·m時(shí)，刀盤脫困恢復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。增加雙速減速機(jī)，理論上可使刀盤扭矩提升1.47倍，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際達(dá)到了1.7倍，有效增加了脫困能力，輔助實(shí)現(xiàn)了本次極端復(fù)雜地質(zhì)條件下的脫困施工。

4 脫困效果

通過極軟弱破碎富水地層的超前探測(cè)、主梁區(qū)域徑向注漿加固及掌子面超前加固、高位支洞泄水、安裝雙速減速機(jī)以及超前管棚支護(hù)和護(hù)盾周邊擴(kuò)挖等方法的聯(lián)合使用，并經(jīng)過施工人員的不懈努力，最終TBM安全脫困，避免了TBM被淹、被埋事故的發(fā)生。

5 結(jié)論及建議

（1）當(dāng)TBM在軟弱破碎富水地層嚴(yán)重被卡時(shí)，依靠以往單一的處理措施已很難達(dá)到脫困的效果。

（2）針對(duì)軟弱破碎富水地層，及時(shí)進(jìn)行盾體周邊及掌子面超前注漿加固，可避免TBM停機(jī)期間掌子面的持續(xù)惡化。

（3）雙速減速機(jī)的應(yīng)用，理論上可使刀盤扭矩提升1.47倍，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)實(shí)際達(dá)到了1.7倍，有效地增加了脫困能力。

（4）在極軟弱破碎富水情況下，通過超前探測(cè)、盾尾徑向注漿及掌子面超前加固、高位支洞泄水、安裝雙速減速機(jī)以及超前管棚支護(hù)和護(hù)盾周邊擴(kuò)挖等方法的聯(lián)合使用，可以使TBM安全脫困。

（5）當(dāng)TBM掘進(jìn)到極軟弱破碎富水地層時(shí)，為了防止TBM被卡、被淹等災(zāi)害的發(fā)生，一方面要加強(qiáng)超前探測(cè)，另一方面必須要降低掘進(jìn)速度，打設(shè)超前鉆孔泄水，同時(shí)進(jìn)行掌子面前方及護(hù)盾周邊的超前注漿加固工作。