趙飛

（新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

北疆某工程深埋無壓輸水隧洞采用敞開式TBM 進行施工，該工程地質情況復雜、多變，極易在施工掘進中遇到破碎帶并發(fā)生塌方，造成TBM刀盤被掌子面坍塌圍巖卡死，護盾被破碎體壓住，造成TBM 掘進機卡機被困情況[1-5]。為使TBM 掘進機快速脫困，不影響施工進度及整個目標工期，須先掌握掌子面前方塌方及地質情況，之后加固已開挖支護段的圍巖，依據已掌握的情況作出分析，制定切實可行的脫困施工方案，并通過注漿對護盾上方及前方圍巖進行固結，使松散巖石固結成一個穩(wěn)定的整體，避免清除刀盤及護盾周圍虛渣時發(fā)生二次塌方及安全事故，待虛渣清除完畢且不影響刀盤掘進后，可緩慢轉動刀盤向前推進，最終使TBM 安全脫困。

該工程為長距離輸水工程，其中，KS 隧洞總長283.30 km，為無壓輸水隧洞，隧洞平均埋深為428.00 m，最大埋深為774.00 m，縱坡為1/2 583。KS 隧洞地質條件復雜、多變，應采用開敞式TBM（全斷面硬巖掘進機）、礦山法等多種掘進方式相結合進行施工。TBM掘進洞段的長度為17 888.00 m，樁號為155+000.00～172+888.00，開挖洞徑為7.00 m，為逆坡掘進。

2 地質情況

2.1 地質條件

樁號162+046.00～160+026.60段埋深為508.00m，揭露1 條斷層，斷層上盤面從樁號160+046.00 洞底出露，斜向上游相交于洞頂樁號160+037.00。斷層上盤面產狀為50°SE∠30～40°，傾向下游，與洞軸線成88°夾角，斷層面起伏、粗糙，斷層出露最大寬度約為2.00 m。斷層帶內以黑色炭質砂巖為主，斷層上盤面附近附著10 cm 厚斷層泥，斷層帶內平行上盤面的結構面發(fā)育，微張1.0～5.0 mm，充填黑色巖屑，結構面起伏粗糙，發(fā)育間距一般為0.20～0.40 m，另有與斷層上盤面近垂直的短小節(jié)理發(fā)育。斷層上盤巖體為凝灰?guī)r，堅硬新鮮，整體較完整，斷層上盤影響帶寬為0～0.30 m，影響帶內凝灰?guī)r炭化蝕變。樁號160+029.00 處11 點、2點方向有兩股股狀水，總流量約為50 m3/h。該段TBM 掘進推力為8 000～9 000 kN，貫入度為8.5～9.2 mm/r。

通過觀察刀盤，從樁號160+029.00 開始，隧洞下半洞巖體逐漸變好，已有堅硬凝灰?guī)r出露，TBM 掘進推力升至10 000 kN 以上，推測160+029.00～160+026.60 間斷層下盤已出露。根據斷層上盤面產狀，推測斷層下盤面于樁號160+020.00～160+012.00 相交于洞頂。

2.2 超前地質預報情況

為探明TBM 掘進前方巖體情況，采用地震波法進行不良地質超前預報，掌子面樁號160+069.00，探測結果：160+069.00～159+999.00 段落，在反射圖像上局部出現明顯的正負反射，推斷該段落圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部較破碎，易發(fā)生掉塊或塌腔，應及時加強支護[6]；159+999.00～159+969.00 段落，在反射圖像上出現零星的正負反射，推斷該段落圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能發(fā)生掉塊，應加強支護。樁號160+069.00～159+969.00段隧洞地震波成像見圖1。

圖1 隧洞地震波成像圖（單位：m）

為探明TBM 掘進前方的地下水情況，采用激發(fā)極化法進行不良地質超前預報，掌子面樁號160+030.00，探測結果：160+030.00～160+000.00段落，三維電阻率圖像中出現較大范圍低阻區(qū)域，推斷該區(qū)域圍巖易出現股狀出水。

3 TBM 卡機情況

樁號160+037.00～160+030.00 段掘進過程中，洞壁9：00～1：00 范圍內出現掉塊及小塌方現象，影響深度約2.00 m。TBM 掘進至樁號160+026.60時，樁號160+037.00～160+030.00 段拱頂及1：00～3：00 范圍內發(fā)生二次塌方現象，最大深度約為4.00 m；樁號160+030.00～160+026.60 段上半洞9：00～3：00 范圍內發(fā)生大塌方，渣體堆于TBM 護盾上抱死刀盤，現場采用TBM 脫困模式仍無法轉動。塌方段塌腔呈倒U 形，順洞軸線長12.40 m，寬7.00 m，最大深度約為12.00 m。頂護盾上方堆積大量石渣，滾刀前面巖體松散，刀盤左側刀箱及鏟斗附近的松散巖塊較多，刀盤周邊嵌楔塊石，從各個部位進行觀察后確認TBM 卡機，需進行加固、脫困處理。

4 TBM 脫困處理方案

TBM 脫困處理應全面、細致地制定切實可行的施工方案，進行常用施工機具、材料的準備，以及人員施工技術交底和安全交底，確保施工過程安全、有序、高效。

4.1 護盾后方加固措施

加強護盾后方拱架段支護及回填混凝土等加固措施，可以防止圍巖變形。盾尾樁號160+032.50～160+040.60 段，長度為8.10 m，型鋼拱架外側由1.5 mm 厚的鋼板封閉，拱架間空隙及塌腔內回填C30 噴射混凝土。對左、右側和頂護盾及刀盤周圍松散體進行化學注漿，形成自然拱保護護盾及刀盤，防止回填混凝土時漿液包裹護盾及刀盤。

4.1.1 護盾尾部、上方及刀盤密封加固

護盾及刀盤已進入圍巖破碎帶，巖石塌方體擠壓抱死刀盤，刀盤無法轉動。采用有機化學漿液對頂護盾及刀盤周圍松散體進行注漿，使松散體膠凝固化，護盾及刀盤周圍在一定范圍內形成自然拱保護殼，并具有一定的強度[7]，可有效地避免后期回填混凝土時對其固結，能夠起到保護作用?；瘜W灌漿選用組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）及高分子煤巖體無機加固型材料。

4.1.2 左右側和頂護盾及刀盤周圍深層加固

在尾盾樁號160+033.00 附近，沿左、右側和頂護盾超前布置?32 中空注漿錨桿，尾部使用專用連接套加長，布置在頂拱180°范圍，與巖面呈10°～15°角，環(huán)向間距為1.00 m，超前中空錨桿長度以超過刀盤1.00 m 為宜，實施過程中應根據實際松散體情況考慮鉆進深度。另外，根據漿液擴撒范圍靈活掌握孔間距，必要時進行加密布置，化學灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。

為防止混凝土回填過程中漿液從左側松散體繞滲至底護盾，在盾尾樁號160+033.40 附近進行環(huán)向化學注漿，垂直洞壁布置5 根?32 中空注漿錨桿，布置在9：00～11：00 范圍，間排距為1.00 m，中空注漿錨桿長度根據松散體范圍確定。化學灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。

4.1.3 護盾、刀盤上方松散體加固

護盾、刀盤上方堆積大量石渣，以松散巖塊居多，伴有數塊形狀不規(guī)則的大塊較硬孤石（直徑為0.50～1.50 m）。為防止混凝土回填過程中，漿液從松散體繞滲至刀盤、護盾內，需對松散體進行化學注漿固結。松散體堆積高度約為5.00 m，堆積坡度約為30°。刀盤前方空腔范圍依然存在坍塌危險，人員無法進入該區(qū)域進行作業(yè)，故在盾尾樁號160+033.00 處向松散體內打設1 排?32 中空注漿錨桿，錨桿間距為1.00 m，與巖面夾角為20°～25°，實施過程中根據實際松散體情況考慮鉆進深度、孔間距，化學灌漿液為組合聚醚多元醇（發(fā)泡型）材料。必要時，在松散體表面布置注漿管，通過漿液向下自流進行固結，漿液采用高分子煤巖體無機加固型材料。注漿過程中應嚴格按照注漿工序進行施工作業(yè)，防止?jié){液過度擴散，并根據現場實際情況調整壓力，注漿最高壓力不超過5.0 MPa。

4.2 塌腔回填處理

塌腔預估范圍為盾尾前12.40 m，寬7.00 m，最大深度約為12.00 m。塌腔回填分4 次分層回填施工，考慮到此次卡機部位塌腔深度深、范圍廣，上層回填采用輕質混凝土材料。第一次（層）、第二次（層）、第三次（層）回填高度距離護盾頂部分別為0.80，2.00，7.00 m，第四次（層）回填至塌腔頂部填滿（見圖2）。第一、二次回填C30 噴射混凝土，第三、四次回填輕質混凝土。在下層回填材料強度達標且可以承重后才能進行上層回填?；靥罨炷练謱邮疽鈭D見圖2。

圖2 回填混凝土分層示意圖

1）回填管安裝

化學注漿完成以后，在盾尾向塌腔內預埋?50～?90 的回填混凝土管及排氣管，回填管和排氣管距離各層面0.05～0.10 m，間排距控制在3.00 m 范圍內，單層埋管數量不少于3組，預埋管埋設的具體位置及數量應根據現場塌腔的實際情況進行確定。

2）回填施工

回填C30 混凝土，第一次回填時，從第一層回填管灌注，待第一層排氣管管口有漿液流出時，一次回填完畢，封堵第一層回填管管口，進行二次回填。重復上述施工步驟，待第四層排氣管有漿液流出時，確定塌腔已全部填滿，封堵所有回填管管口。

5 TBM 脫困及不良地質段掘進

5.1 TBM 脫困

為了減小刀盤轉動阻力，滿足TBM 刀盤脫困扭矩要求，應對刀盤前表面及背部堆積石渣進行人工清理。嘗試啟動刀盤及后退刀盤0.05～0.10 m，檢查刀盤轉動情況[8]，依據后退情況確定護盾是否被卡死。若TBM 刀盤及護盾后退成功，但刀盤仍無法轉動，則應拆除影響刀盤及護盾后退的一次支護。拆除前，采用固結灌漿、錨桿等其它支護措施對拆除段圍巖進行加固處理[9]，確保該洞段施工安全。拆除完畢后，繼續(xù)后退并嘗試轉動刀盤。

5.2 TBM 掘進

TBM 脫困掘進時，雖前方周邊圍巖已進行過加固處理，但地質條件依舊不明朗，加固效果也未可知，且掌子面不平整，TBM 需采用低扭矩、低轉速緩慢通過，刀盤轉速小于2 r/min，貫入度小于5.0 mm/r；TBM 掘進時應時刻掌握刀盤扭矩的變化，變化幅度需控制在10%以內，防止出現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力。撐靴的撐緊力控制在12 000 kN 以內，推進力控制在8 000 kN 以內。TBM 掘進過程中，當密支鋼拱架支護影響撐靴通過或撐靴處圍巖較差無法滿足撐靴支撐時，需采用模筑混凝土對撐靴區(qū)域進行換填[10]。

5.3 卡機段初期支護補強

卡機段的初期支護按Ⅴ類圍巖的支護參數進行設計支護。TBM 脫困后，需在原支護的基礎上對鋼拱架進行環(huán)形加密補強，加密后鋼拱架間距縮減至0.45 m。在頂拱180°范圍內布置鋼筋排，鋼筋排采用?20 螺紋鋼，布置間距為0.05～0.20 m。兩榀拱架之間采用[10 槽鋼進行連接。

1）鋼拱架的安裝

鋼拱架安裝器安裝在主驅動后面的主梁上，縱向可沿主梁上的導軌移動一定距離。鋼拱架分片運輸到位后，由旋轉驅動機構逐節(jié)牽引旋轉并用螺栓連接，再用頂部和側部張緊油缸，將拱架從拼裝梁中頂出，并貼緊到洞壁上，在底部開口處用專用張緊工具將整個拱架張緊到洞壁上，用連接板將開口連接固定，形成整環(huán)鋼支撐。

2）鋼筋排的安裝

在頂拱180°范圍使用?20 的鋼筋排進行支護，在頂護盾及搭接護盾內側設有鋼筋快速支護系統(tǒng)。鋼筋排在洞外加工車間制作好后，運至安裝位置，將鋼筋排插入頂護盾內側預留的孔內，鋼筋排隨著TBM 的向前掘進慢慢抽出，外露段搭接焊在安裝好的鋼拱架上，在一節(jié)鋼筋排前段出露護盾之前，插入下一節(jié)鋼筋排。

6 監(jiān)控量測

恢復TBM 開挖后，在樁號160+050.00～160+000.00 的斷層段每隔10.00 m 設置1 個監(jiān)測斷面，用于收斂觀測和沉降監(jiān)測[11]。每個監(jiān)測斷面上埋設3 個錨固器作為監(jiān)測標點，拱頂的收斂觀測標點兼做拱頂下沉量測點。每天對監(jiān)測數據進行匯總分析，根據量測數據及時繪制水平收斂位移時態(tài)曲線和拱頂下沉位移時態(tài)曲線，并依據監(jiān)測成果判斷是否需要采取加強支護措施。

7 結語

當TBM 掘進中發(fā)現圍巖破碎，并伴有塌腔出現時，一定要引起重視，時刻關注TBM 掘進參數變化，并選擇合理的掘進參數和支護參數，盡量避免塌腔持續(xù)擴大。如遇TBM 卡機，首先，應查明卡機段地質情況，在對前方圍巖進行超前地質預報的同時，對護盾后的已開挖圍巖破碎洞段進行一次支護加強，確保脫困施工過程中人員及設備安全；其次，應結合預報成果及已開挖段的卡機段地質情況，對前方地質情況進行預判，制定切實可行的脫困施工方案，為TBM 順利脫困提供參考依據；最后，在TBM 脫困掘進前，應根據超前地質預報及實際地質情況，考慮對掌子面前上方及兩側圍巖采取固結灌漿以提高其圍巖穩(wěn)定性，避免二次塌方卡機。在此次卡機脫困事故處理中，輕質混凝土在塌腔回填方面發(fā)揮了重要作用，提供了相應的施工經驗，技術可行。