高仝 劉琪 張傳健 王斌 李占彪

摘要：為應(yīng)對敞開式TBM掘進穿越大型充填型溶腔面臨的較大施工風(fēng)險，分析總結(jié)了滇中引水工程香爐山隧洞“云嶺號”TBM遭遇溶腔段的卡機過程特征、原因及采取的脫困措施。結(jié)果表明：① 溶腔段TBM卡機的直接原因主要為刀盤扭矩過大，難以持續(xù)維持在高位而發(fā)生刀盤停轉(zhuǎn)被卡。在穿越充填型溶洞過程中，TBM可能面臨反復(fù)卡機問題，并因拱底軟弱破碎、承載力不足而發(fā)生“栽頭”現(xiàn)象，導(dǎo)致TBM掘進豎向偏差過大；② 采用拱頂超前注漿管棚、拱底超前管橋、掌子面玻璃纖維錨管超前注漿等超前處置措施，能夠較好地限制溶腔段TBM刀盤扭矩過大、機頭下沉等問題，為使TBM順利通過不良地質(zhì)洞段，需從“超前支護、初期支護加強、掘進控制”等方面進行綜合處置；③ 在巖溶地層中，溶洞前后可能并無明顯過渡洞段，TBM掘進施工過程中應(yīng)進行有效的超前地質(zhì)預(yù)報，做到先探后掘、提前發(fā)現(xiàn)、提前處置。

關(guān)鍵詞：敞開式TBM； 充填型溶洞； 卡機； 超前地質(zhì)預(yù)報； 超前支護； 香爐山隧洞； 滇中引水工程

中圖法分類號：TV52

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.008

文章編號：1006-0081（2023）07-0050-06

0 引 言

在巖溶發(fā)育地區(qū)，隧洞施工所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，受溶洞充填物及其不均勻分布影響，全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）施工時極易發(fā)生機頭下沉或坍塌體包裹、糊住刀盤而造成卡機等問題［1-3］。山西萬家寨引黃工程南干線國際Ⅱ、Ⅲ號標(biāo)段4～7號洞段采用雙護盾TBM施工，過程中共穿越57個無水溶洞，溶洞中多充填黏土及碎屑巖，出現(xiàn)掘進機蛇形前進，多次發(fā)生機頭下沉、管片襯砌不均勻沉陷問題，造成接縫超寬、錯臺，嚴(yán)重削弱了管片的承載能力和防滲性能，影響運行期過流能力［4-7］。吉林引松供水工程四標(biāo)段敞開式TBM掘進洞段施工過程中多次穿越半充填型溶洞，造成TBM偏機、栽頭、刀盤被糊卡機、涌泥掩埋盾體等問題［8-9］?，F(xiàn)有研究主要介紹了溶洞對TBM施工造成的不利影響，但對TBM遭遇溶洞后的卡機致災(zāi)過程規(guī)律及應(yīng)對處置措施的分析較少，對掘進機特別是大直徑敞開式TBM掘進施工的直接指導(dǎo)意義不足。

大直徑敞開式TBM是川藏鐵路、引江補漢工程等國家重大基礎(chǔ)設(shè)施工程的隧洞（道）施工設(shè)備，在應(yīng)對軟弱破碎圍巖等不良地質(zhì)條件時，其比護盾式TBM處置方法更加靈活，卡護盾風(fēng)險較低，但同時也存在支護清渣工作量大、撐靴處易垮塌打滑甚至需要停機處理等問題［10-11］。本研究以滇中引水工程香爐山隧洞為例，分析了大直徑敞開式TBM穿越大型充填型溶洞的致災(zāi)原因及處置對策，可為同類型工程的施工處置措施制定提供借鑒。

1 工程概況

滇中引水工程是為解決云南省滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問題而實施的特大型調(diào)水工程。工程自金沙江引水，輸水總干渠全長664 km，多年平均引水量34.03億m3。香爐山隧洞位于滇中引水工程首部，是工程最長的深埋隧洞，也是總干渠的關(guān)鍵控制性工程，隧洞全長62.6 km，最大埋深1 450 m，設(shè)計斷面為圓形，除活動斷層帶洞段外，隧洞襯后直徑8.3～8.5 m，設(shè)計流量135 m3/s，設(shè)計縱坡坡比1/1 800。

工程大理Ⅰ段施工3號標(biāo)段位于香爐山隧洞末端，涉及洞段長度為25.8 km，其中隧洞后段穿越巖溶地下水徑流帶，遭遇巖溶洞穴及突水突泥災(zāi)害的風(fēng)險較大。按照施工組織設(shè)計，標(biāo)段內(nèi)隧洞主體采用一臺開挖直徑9.83 m的敞開式TBM“云嶺號”施工。

“云嶺號”TBM于2020年10月21號起從位于香爐山隧洞后段的7號施工支洞樁號X7K1+660處始發(fā)掘進，計劃進入主洞后轉(zhuǎn)向隧洞上游掘進。2020年11月20日，TBM掘進至樁號X7K1+812.5時遭遇一較大規(guī)模的充填型溶洞，導(dǎo)致TBM頻繁卡機，歷經(jīng)74 d、TBM行進40 m后才得以穿越。同時由于TBM機頭掘進過程中發(fā)生下沉，隧洞豎向偏差超過設(shè)計允許值，后期還需開展換拱及擴挖工作。該溶洞段對TBM施工安全及施工效率造成的不利影響較大，有必要對其致災(zāi)過程、規(guī)律及處置措施進行針對性分析。

2 TBM卡機原因分析

2.1 溶腔段卡機現(xiàn)象發(fā)生過程及特征

2020年11月20日，“云嶺號”TBM施工至支洞樁號X7 K1+812.5處時，掌子面拱部180°范圍出現(xiàn)一充填散土夾塊石的溶腔，掘進過程中掌子面及洞頂圍巖間歇性垮塌，出渣量急劇增加，達到正常掘進的3～4倍。同時，TBM刀孔被堵，溶洞充填的泥夾大塊孤石不斷垮落，卡在刀盤刮渣口位置，造成刀盤頻繁被卡。部分大石塊卡在皮帶機下渣斗位置，造成2號皮帶和洞外轉(zhuǎn)載皮帶擠壓劃破。圖1為溶腔段局部揭露邊界與TBM掘進出渣情況。

溶腔填充體垮落后在隧洞拱部形成空腔，從刀盤槽孔觀察，空腔可見高度約為3～5 m，往掘進方向延伸長度約為3 m?，F(xiàn)場對刀盤艙內(nèi)、刮渣口位置及主梁下方隧底泥渣進行人工清理后，再次啟動TBM刀盤嘗試掘進。掘進過程中，頂護盾上方圍巖持續(xù)垮塌，頂護盾壓力持續(xù)增大，TBM推力達到約25 000 kN（TBM總推力31 526 kN），扭矩達到13 000～16 000 kN·m（TBM額定扭矩15 719 kN·m，脫困扭矩23 579 kN·m），短距離掘進后因TBM主電機電流過載，刀盤停轉(zhuǎn)?？C發(fā)生前，TBM滾刀貫入度處于7～17 mm的高區(qū)，而轉(zhuǎn)速處于0.4～0.6 r/min的低區(qū)?？C后，施工人員多次嘗試啟用TBM脫困模式均告失敗，TBM無法實現(xiàn)自行脫困。如圖2所示，由某次典型的TBM卡機和脫困嘗試過程中其主要掘進參數(shù)的變化規(guī)律可知，因刀盤扭矩長時間達到或超過額定扭矩，難以持續(xù)維持在高位而發(fā)生刀盤停轉(zhuǎn)產(chǎn)生卡機。

2.2 原因分析

該洞段埋深約455 m，圍巖巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，巖塊單軸抗壓強度為9.06～15.66 MPa，彈性模量為5.37～8.97 GPa。根據(jù)溶洞的揭露范圍、物質(zhì)及與TBM的接觸關(guān)系判斷，該不良地質(zhì)屬包容型干式充填型溶洞。該段底板部位為泥夾塊石，巖質(zhì)疏松，承載力低；拱肩以上存在部分空腔，溶洞洞壁巖體溶蝕風(fēng)化強烈。溶洞段圍巖呈破碎至極破碎或強烈溶蝕風(fēng)化，為穩(wěn)定性差至極差的V類圍巖。溶洞邊界為一小斷層，產(chǎn)狀130°∠70°～80°，開挖揭示寬度約1.5～2.0 m，構(gòu)造巖為碎裂巖、碎粉巖。為進一步明確該溶洞段的影響范圍，現(xiàn)場開展了“超前鉆探+三維地震物探”的超前地質(zhì)預(yù)報。

超前地質(zhì)鉆探結(jié)果表明：隧洞掌子面前方溶蝕風(fēng)化構(gòu)造發(fā)育范圍超過24 m，溶腔內(nèi)巖質(zhì)松軟、破碎。三維地震波結(jié)果顯示：在X7K1+815～X7K1+835段（即掌子面前方20 m范圍內(nèi)）出現(xiàn)了明顯的正負(fù)反射，推斷該段圍巖極為破碎，易發(fā)生塌腔；X7K1+835～X7K1+855段（即掌子面前方20～40 m范圍內(nèi)）同樣出現(xiàn)較多正負(fù)反射，推斷該段圍巖較為破碎，是前段充填溶腔體的延伸；X7K1+855段之后，偶有零星的正負(fù)反射，推斷該段圍巖條件可能好轉(zhuǎn)，但仍存在局部裂隙發(fā)育造成圍巖掉塊的可能性。

分析認(rèn)為：該包容型溶蝕風(fēng)化構(gòu)造的存在使掌子面和隧洞拱部圍巖難以自穩(wěn)，支護施作安全風(fēng)險較大，TBM掘進過程中掌子面破碎巖體持續(xù)垮塌堆積在刀盤前方，形成散土夾塊石坡狀溜坍體。由于TBM掘進過程中泥化的破碎巖體堵塞刀孔，部分大尺寸塊石卡在刀盤刮渣口，使TBM掘進扭矩迅速上升而造成卡機。

3 TBM卡機處置措施

3.1 主要技術(shù)方案與措施

由于TBM機體龐大，掌子面區(qū)域被機頭阻隔，可用的超前處置措施較為有限。根據(jù)現(xiàn)場對TBM穿越溶腔段制定的處置方案及其實施效果，總結(jié)得到以下有效措施。

3.1.1 超前地質(zhì)預(yù)報

在TBM底護盾部位斜向前進行超前探孔搭接施作，同時繼續(xù)結(jié)合三維地震方法進行補充探查，探明TBM刀盤前方溶腔發(fā)育情況，以便針對性地制定處置措施。

3.1.2 超前支護措施

（1） 拱頂超前注漿管棚。在自頂護盾后方120°范圍施作30 m長、直徑95 mm鉆孔，外傾角20°～30°，孔間距1.0 m，頂管安裝直徑76 mm管棚，并灌注水灰比1∶1～0.5∶1的水泥凈漿或水泥-水玻璃雙液漿，以對頂拱部位破碎巖體進行棚護加固。

（2） 拱底超前管橋。為應(yīng)對TBM因拱底圍巖軟弱而發(fā)生機頭下沉的問題，在TBM底護盾90°范圍施作直徑126 mm超前鉆孔，鉆孔深度12 m，孔間距1.0 m，頂管安裝直徑108 mm管棚并灌注水灰比1∶1～0.5∶1的水泥漿或水泥-水玻璃雙液漿，以超前加固隧底圍巖。

（3） 掌子面超前注漿加固。通過TBM刀盤刀孔、刮渣口向掌子面前方施作直徑32 mm玻璃纖維錨管，錨管長度4 m。選用水泥-水玻璃雙液漿或聚氨酯化學(xué)灌漿材料自玻璃纖維錨管注漿，加固掌子面堆積體，形成掌子面止?jié){墻。止?jié){墻形成后再向掌子面施作6～8 m加長玻璃纖維錨管，灌注水灰比1∶1～0.5∶1的水泥凈漿對掌子面前方進行超前固結(jié)加固。

3.1.3 初期支護加強措施

在護盾后方，進行初期支護措施加強處理，以避免隧洞圍巖進一步失穩(wěn)或產(chǎn)生擠壓大變形。除加強溶腔段施工監(jiān)控量測外，還包括以下主要措施。

（1） 溶腔段圍巖出露護盾后，將鋼拱架間距由0.5 m臨時調(diào)整為0.3 m，鋼拱架背側(cè)密布鋼筋排。相鄰鋼拱架間采用型鋼進行縱向連接，環(huán)向間距0.5 m。邊頂拱270°范圍內(nèi)盡早施作噴射混凝土，底拱90°范圍內(nèi)換填厚度30 cm的C25干硬性混凝土。

（2） 對出露護盾的頂拱120°范圍內(nèi)打設(shè)直徑42 mm小導(dǎo)管，灌注水泥凈漿或聚氨酯化學(xué)漿液，以對拱部松散體進行固結(jié)；對拱部塌腔段，則每間隔2.5 m預(yù)埋3根直徑108 mm注漿管，預(yù)埋管長度根據(jù)實際塌腔深度確定，后續(xù)對塌腔內(nèi)回填C20混凝土或M30砂漿，填滿或回填厚度不小于3 m。

（3） 根據(jù)現(xiàn)場溶腔發(fā)育情況，選取斷面在頂拱處預(yù)埋直徑108 mm無縫鋼管或波紋管，預(yù)埋管沿結(jié)構(gòu)外邊線布置并連接隧洞底部溶腔以作為排水通道，管口采用鋼筋網(wǎng)封閉并包裹土工布反濾，保證排水通暢。

（4） 為確保兩側(cè)撐靴處的巖體穩(wěn)定并提供有效承載力，對隧洞拱腰撐靴作用范圍內(nèi)的巖體打設(shè)直徑42 mm注漿管，間距1.0 m，長度為1.0 m、1.5 m長短結(jié)合，梅花型布置，隨后對塌腔范圍松散巖體進行注漿加固。加固完成后采用應(yīng)急噴聚丙烯粗纖維混凝土方式對塌腔松散體進行回填加固，噴射混凝土面與拱架內(nèi)翼緣板齊平，以保證撐靴正常換步作業(yè)。

3.1.4 掘進控制措施

TBM溶腔段掘進過程中，需合理控制掘進參數(shù)，以低轉(zhuǎn)速、低推力、小步距緩慢推進，一方面防止掌子面前方破碎巖體迅速垮塌造成TBM刀孔被堵、刀盤回轉(zhuǎn)扭矩過大而卡機；另一方面，需避免過量巖渣涌入刀艙造成皮帶不堪重負(fù)而損壞。同時，在溶腔段掘進還需實時監(jiān)控TBM掘進姿態(tài)，及時修正并控制好每次的糾偏量，防止TBM刀盤及護盾向下沉陷，確保掘進過程相對穩(wěn)定。

對于撐靴作用，因相鄰鋼拱架縱向凈間距小于靴板邊緣至內(nèi)槽寬度，施工中采用噴聚丙烯粗纖維混凝土方式回填加固撐靴作用區(qū)，并使噴射混凝土面與拱架內(nèi)翼緣板齊平?；炷翍?yīng)盡可能回填密實，避免撐靴直接作用于鋼拱架而導(dǎo)致后者扭曲變形。因此，噴射混凝土層在撐靴作用前應(yīng)至少達到設(shè)計強度的50%，并采用回彈儀測試強度是否滿足要求。

在每次嘗試對刀盤啟動脫困工作模式前，還需對刀艙內(nèi)及刮渣口部位進行人工清渣，以減小啟動阻力，保障TBM刀盤順利運行。

3.2 卡機脫困處理效果

實踐證明，在TBM施工過程中對隧洞拱頂及刀盤前方松散體采取的超前注漿加固、超前支護措施效果明顯，加固區(qū)域圍巖穩(wěn)定性得到改善，同時緩解了刀盤被卡現(xiàn)象。加強初期支護對出露圍巖起到了加固、支撐作用，徑向注漿對初支背側(cè)軟弱、空洞范圍進行了有效的二次加固，保證了TBM撐靴的順利頂撐和隧洞結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。

通過實施上述處理方案，“云嶺號”TBM自2020年11月20日首次卡機至2021年2月2日安全、順利通過了約40 m長的孤石堆積體充填型溶洞，歷時74 d。TBM先后經(jīng)歷5次較嚴(yán)重的卡機過程，溶洞段日均進尺僅0.54 m，大大低于正常掘進洞段，其中無進尺日達43 d。圖3為在溶洞段前后洞段的TBM日均進尺變化，隨著圍巖類別由Ⅳ類、Ⅲ類、較差Ⅴ類、Ⅳ類到Ⅲ類，TBM掘進速度依次從5.07，19.68，0.54，13.30 m/d變化到11.33 m/d，其中最后一段掘進速率降低是由于更換刀具、維修皮帶系統(tǒng)和噴漿系統(tǒng)而出現(xiàn)若干零進尺日，導(dǎo)致平均進尺下降，可見TBM掘進效率與圍巖條件明顯呈正相關(guān)。此外，溶洞段的出現(xiàn)使圍巖類別直接由Ⅲ類突變至較差的Ⅴ類，這一過程并無明顯過渡洞段，出現(xiàn)條件毫無征兆，因此施工中開展有效的超前地質(zhì)預(yù)報十分重要。為提前發(fā)現(xiàn)、提前處置不良地質(zhì)，TBM施工中應(yīng)對高風(fēng)險洞段開展“超前鉆探+超前物探”全覆蓋地質(zhì)預(yù)報。本次溶腔段卡機發(fā)生在TBM始發(fā)掘進后146 m處，TBM還處于試掘進階段，相關(guān)超前預(yù)報措施還未完善，該段不良地質(zhì)的處置過程也為工程管理人員進一步了解設(shè)備性能并制定應(yīng)對措施提供了重要經(jīng)驗。

3.3 后續(xù)處理

TBM在穿越溶洞段時，由于部分洞段拱底圍巖軟弱破碎，承載力不足，出現(xiàn)了TBM“栽頭”“下沉”問題。如圖4所示，TBM掘進通過后，對溶洞段初期支護斷面進行復(fù)測。結(jié)果表明：與設(shè)計初支斷面對比，溶腔洞段頂拱范圍內(nèi)最大豎向偏差為-1.185 m（X7 K1+820.6斷面），洞底高程最大豎向偏差為-64.8 cm（X7 K1+837.4斷面）。經(jīng)過溶腔段后，通過TBM掘進姿態(tài)調(diào)整，隧洞開挖逐步恢復(fù)至設(shè)計高程。

為確保隧洞圍巖穩(wěn)定及安全度汛，在襯砌施作之前已對溶腔段初支凈空內(nèi)增設(shè)“八”字形內(nèi)多邊形型鋼支撐，支撐結(jié)構(gòu)的縱向間距設(shè)置為60 cm。對于隧洞軸線豎向偏差大于設(shè)計允許值和圍巖變形侵限洞段，要求襯砌前須進行清挖和換拱處理，以確保襯后斷面符合設(shè)計要求。

4 TBM卡機脫困措施建議

通過總結(jié)本次敞開式TBM掘進穿越充填型溶腔的卡機及相應(yīng)處置過程，對今后同類型工程問題提出以下幾點建議。

（1） 加強超前地質(zhì)預(yù)報。對灰?guī)r等巖溶發(fā)育的高風(fēng)險地層，應(yīng)特別注意持續(xù)做好超前地質(zhì)預(yù)報，特別是超前深孔鉆探，先探后掘，及時探明掌子面前方圍巖性狀、巖溶發(fā)育程度以及地下水賦存狀況，以提前為不良地質(zhì)處置提供指導(dǎo)。

（2） 加強溶腔段洞室圍巖變形和TBM掘進姿態(tài)監(jiān)測。密切關(guān)注圍巖特別是頂拱圍巖穩(wěn)定狀況，對支護后仍產(chǎn)生持續(xù)收斂的部位應(yīng)進行補強支護和支護參數(shù)動態(tài)調(diào)整，掘進過程中及時修正TBM掘進姿態(tài)以減小掘進偏差。

（3） 完善TBM施工應(yīng)對工程地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急處置預(yù)案，提升應(yīng)急處置響應(yīng)速度。如能盡早采取拱底注漿、超前管橋等措施并有效控制TBM機頭下沉量，可顯著減少后續(xù)拆換拱及清挖處理工作量。

（4） 豐富TBM施工環(huán)境下的不良地質(zhì)處置措施。TBM為全斷面開挖，機頭龐大，大多需要圍巖出露護盾后開始處理，可采取的超前支護措施較為有限。本次TBM掘進通過對溶腔段采取了拱頂超前注漿管棚、拱底超前管橋、掌子面玻璃纖維錨管超前注漿、小導(dǎo)管徑向注漿回填、撐靴巖體加固、環(huán)向鋼拱架及縱向連接加強、TBM通過后架立“八”字形支撐等綜合處置措施，取得了一定成效。其中，超前管棚還可通過在護盾上開孔實施，以減小偏離角度，增強注漿棚護作用。對于以黏土為主要充填物的溶腔，TBM穿越過程中可能出現(xiàn)刀盤被糊而卡機等問題，這類地層往往不易吃漿或注漿效果不理想，可考慮通過刀盤噴水孔噴灑泡沫潤滑劑，以降低黏土充填物的黏聚力。對于存在大塊孤石的充填洞段，由于地層軟硬不均，TBM滾刀難以有效破巖，易發(fā)生大塊孤石卡在刮渣口而造成卡機或卡住滾刀，導(dǎo)致刀具偏磨的問題，可考慮由人進入刀艙并采用沖擊破碎方法清除；對于刀盤前尺寸較大的堅硬塊石，還可采用靜態(tài)破碎或微爆破方法清除。

5 結(jié) 論

敞開式TBM掘進穿越大型充填型溶腔可能面臨卡機、圍巖變形失穩(wěn)、機頭下沉等問題，嚴(yán)重影響掘進機施工效率及施工質(zhì)量，并造成額外的拆換拱工作。根據(jù)滇中引水工程香爐山隧洞“云嶺號”TBM施工經(jīng)驗，分析并總結(jié)了溶腔段TBM卡機過程特征及有效處置措施等，主要結(jié)論如下。

（1） 溶腔段TBM卡機類型主要為刀盤扭矩過大，脫困扭矩難以長時間保持而導(dǎo)致刀盤停轉(zhuǎn)被卡，TBM可能反復(fù)卡機直至穿越不良地質(zhì)洞段。因拱底軟弱破碎、承載力不足，易產(chǎn)生TBM“栽頭”現(xiàn)象，導(dǎo)致TBM掘進豎向偏差過大。

（2） 采用拱頂超前注漿管棚、拱底超前管橋、掌子面玻璃纖維錨管超前注漿等超前處置措施，能夠較好地改善溶腔段TBM刀盤扭矩過大、機頭下沉等問題。為使TBM順利通過溶洞等不良地質(zhì)洞段，需采用“超前支護+初期支護加強+掘進控制”等方法進行綜合處置。

（3） 在巖溶地層中，溶洞出現(xiàn)前可能并無明顯過渡洞段，TBM掘進施工過程中有必要進行超前地質(zhì)預(yù)報，對高風(fēng)險洞段開展“超前鉆探+超前物探”全覆蓋的地質(zhì)預(yù)報，以提前發(fā)現(xiàn)、提前處置施工風(fēng)險。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）